Calcolatore GPM Portata - Strumento Galloni al Minuto

Che cos'è il GPM (galloni al minuto)?

GPM significa galloni al minuto. Misura la quantità d'acqua (o di altro liquido) che attraversa un tubo, una valvola o un apparecchio in un minuto. Il GPM è l'unità di misura standard della portata negli impianti idraulici, di irrigazione e antincendio degli Stati Uniti.

Il GPM è diverso dalla pressione. La pressione, misurata in PSI (libbre per pollice quadrato), è la forza che spinge l'acqua attraverso un tubo. Il GPM è il volume effettivamente erogato. Un condotto può avere pressione elevata ma portata ridotta se il tubo è stretto, oppure portata elevata a pressione moderata se il tubo è largo.

Formula della portata in GPM

La formula della portata in GPM converte il diametro interno di un tubo e la velocità dell'acqua in una portata:

$\text{GPM} = 2.448 \times D^2 \times V$

• GPM – portata in galloni al minuto
• D – diametro interno del tubo, in pollici
• V – velocità dell'acqua, in piedi al secondo
• 2,448 – una costante che converte l'area e la velocità del tubo in galloni al minuto

Da dove deriva la costante

La portata è sempre uguale all'area della sezione trasversale per la velocità: Q = A × V. Per un tubo circolare, l'area è A = π × (D/2)². La conversione di quest'area da pollici quadrati a piedi quadrati e quella dei piedi cubi al secondo in galloni al minuto (1 piede cubo contiene circa 7,48 galloni e un minuto ha 60 secondi) riducono le conversioni di unità a un solo numero:

$\frac{\pi \times 60 \times 7.48}{4 \times 144} \approx 2.448$

Per questo la formula moltiplica il quadrato del diametro e la velocità per 2,448.

Come calcolare il GPM

Sono necessarie due misurazioni.

Diametro interno. Si misura il diametro interno del tubo, non quello esterno. La misura nominale di un tubo non sempre coincide con il suo diametro interno effettivo. Il diametro interno dipende dal materiale del tubo e dallo spessore della parete. Per il valore esatto si consulta la scheda tecnica del produttore.

Velocità. È la velocità dell'acqua in piedi al secondo. Un misuratore di portata la fornisce direttamente. In sua assenza, la velocità si può stimare con il metodo del secchio descritto più avanti.

Si inseriscono entrambi i valori nel calcolatore per ottenere la portata in GPM. Il diametro deve essere maggiore di zero e la velocità non può essere negativa. Il risultato è arrotondato a due cifre decimali.

Esempio

In un tubo di 2 pollici l'acqua scorre a 5 piedi al secondo.

GPM = 2,448 × 2² × 5 = 2,448 × 4 × 5 = 48,96

La portata è di circa 49 galloni (185 L) al minuto.

Un secondo esempio

Una tubazione da 3 pollici trasporta acqua a 10 piedi (3 m) al secondo.

GPM = 2,448 × 3² × 10 = 2,448 × 9 × 10 = 220,32

Sono circa 220 GPM.

Misurare la velocità senza un misuratore di portata

Il metodo del secchio stima direttamente la portata, senza bisogno di conoscere separatamente diametro e velocità.

1. Posizionare sotto il flusso un contenitore di volume noto, come un secchio da 5 galloni.
2. Misurare il tempo necessario per riempirlo, in minuti.
3. Dividere il volume per il tempo: GPM = volume ÷ tempo.

Se il secchio si riempie in 45 secondi (0,75 minuti), la portata è 5 ÷ 0,75 = 6,67 GPM. Una cronometrazione accurata e un volume noto del contenitore danno il risultato migliore. Il metodo funziona solo quando l'intera portata può essere raccolta, per esempio all'estremità aperta di un tubo o di un tubo flessibile.

Quando la formula non si applica

La formula presuppone acqua che scorre in un tubo circolare pieno, in condizioni stazionarie.

• Tubi parzialmente pieni. Il termine dell'area presuppone che il liquido riempia l'intero tubo. Una linea di scarico mezza vuota trasporta meno di quanto prevede la formula.
• Tubi non circolari. Condotti ovali, rettangolari o irregolari richiedono una formula diversa per l'area.
• Flusso instazionario. La formula presuppone una velocità costante. La chiusura improvvisa di una valvola (colpo d'ariete) o una pompa a funzionamento ciclico richiede un'analisi diversa.
• Vicino ai raccordi. La velocità subito dopo un gomito, un raccordo a T o una valvola è irregolare, quindi una singola lettura della velocità in quel punto può non rappresentare la portata media.

GPM tipici per applicazione

Le norme federali limitano i nuovi rubinetti a 2,2 GPM e le docce a 2,5 GPM. Il limite dei rubinetti si applica a 60 PSI e quello delle docce a 80 PSI.

La University of Nebraska–Lincoln Extension elenca le portate che gli apparecchi domestici richiedono in genere per funzionare correttamente:

Un'acqua più veloce non è sempre migliore. Una velocità elevata aumenta le perdite per attrito, il rumore e il rischio di colpo d'ariete ed erosione dei tubi. I progettisti di impianti idraulici limitano quindi la velocità nelle linee di alimentazione.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra GPM e pressione dell'acqua?

Il GPM misura il volume d'acqua erogato al minuto. La pressione (PSI) misura la forza che spinge l'acqua attraverso il tubo. Un tubo può avere pressione elevata e GPM ridotti se è stretto, oppure GPM elevati e pressione moderata se è largo.

Come si converte il GPM in altre unità di portata?

Un gallone statunitense equivale a circa 3,785 litri, quindi si moltiplicano i GPM per 3,785 per ottenere i litri al minuto. Si dividono i GPM per 448,8 per ottenere i piedi cubi al secondo. Si moltiplicano i GPM per 0,227 per ottenere i metri cubi all'ora.

Di quanti GPM ha bisogno una casa tipica?

Si sommano gli apparecchi che probabilmente funzioneranno contemporaneamente, non tutti quelli presenti in casa. Per le abitazioni con pozzi privati, la Nebraska Extension indica un minimo di 10 GPM per una casa con 2 camere da letto e 2 bagni e di 12 GPM per 3 camere da letto e 2 bagni. Aggiunge circa 2 GPM per ogni camera da letto o bagno in più.

Perché il materiale del tubo influisce sulla portata?

Le superfici interne ruvide creano attrito che rallenta l'acqua. I tubi nuovi in PVC e in rame hanno superfici interne lisce e un attrito ridotto. Il tubo in acciaio zincato diventa più ruvido con l'età, perché all'interno si accumulano depositi minerali. I depositi restringono anche l'apertura, riducendo la portata anche se il diametro esterno non cambia.

Cosa succede se un tubo è troppo piccolo per la portata richiesta?

L'acqua deve muoversi più velocemente per erogare lo stesso volume attraverso un tubo più stretto. Una velocità maggiore aumenta le perdite per attrito. Aumenta anche il rischio di colpo d'ariete quando le valvole si chiudono bruscamente e può causare rumore e cavitazione della pompa.

Questa formula funziona per fluidi diversi dall'acqua?

Sì, per la portata volumetrica. La formula si limita a moltiplicare l'area del tubo per la velocità, e la costante 2,448 è pura conversione di unità. La densità non vi compare, quindi l'olio con lo stesso diametro e la stessa velocità ha gli stessi GPM dell'acqua. La densità conta solo nella conversione in portata massica, per esempio in libbre al minuto.

Riferimenti

1. National Institute of Standards and Technology. NIST Guide to the SI, Appendix B.9: Factors for units listed by kind of quantity. NIST SP 811 Appendice B.9 — gallone = 3,785412 L; piede cubo = 0,02831685 m³ (7,48 galloni).
2. U.S. Code of Federal Regulations. 10 CFR 430.32: Energy and water conservation standards. 10 CFR 430.32 (Cornell LII) — rubinetto: massimo 2,2 GPM a 60 PSI; doccia: massimo 2,5 GPM a 80 PSI.
3. University of Nebraska–Lincoln Extension. Private Drinking Water Wells: Planning for Water Use (G2149). UNL Extension G2149 — portate tipiche degli apparecchi; portate minime per la domanda di punta delle abitazioni.