Generatori di vapore.pdf

Corso di Impianti MeccaniciCorso di Impianti Meccanici Bologna, Bologna, a.a.a.a. 20092009--20102010

GeneratoreGeneratore didi vaporevapore pulitopulito

Funzionamento del generatore eFunzionamento del generatore e

sistema di controllo per la regolazionesistema di controllo per la regolazione


GeneralitGeneralitàà

Il generatore di vapore pulito Il generatore di vapore pulito èè inserito allinserito all’’interno di un impianto per la interno di un impianto per la

produzione di vapore primario ad produzione di vapore primario ad uso tecnologicouso tecnologico..

Per produrre il vapore pulito si utilizzano generatori di vaporePer produrre il vapore pulito si utilizzano generatori di vapore indiretti indiretti

caratterizzati da uno scambiatore nel quale due fluidi (vapore pcaratterizzati da uno scambiatore nel quale due fluidi (vapore primario e rimario e

secondario), scambiando calore, provocano da un lato la vaporizzsecondario), scambiando calore, provocano da un lato la vaporizzazione azione

delldell’’acqua secondaria, dallacqua secondaria, dall’’altro la condensazione del vapore primario.altro la condensazione del vapore primario.

LL’’aggettivo aggettivo ““tecnologicotecnologico”” èè riferito alla tipologia di applicazioni possibili: nel caso riferito alla tipologia di applicazioni possibili: nel caso

in esame, si tratta di vapore da impiegarsi allin esame, si tratta di vapore da impiegarsi all’’interno di processi ospedalieri e interno di processi ospedalieri e

sanitari. Altri esempi di applicazione sono quelli nel campo farsanitari. Altri esempi di applicazione sono quelli nel campo farmaceutico, maceutico,

alimentare, alimentare, ……


QualitQualitàà del vapore: del vapore: normativa e regolamentazionenormativa e regolamentazione

Legislazione carente sulla definizione della Legislazione carente sulla definizione della

composizione del vapore pulitocomposizione del vapore pulito

““ Il vapore direttamente a contatto con i prodotti alimentari Il vapore direttamente a contatto con i prodotti alimentari

non deve contenere alcuna sostanza che presenti un non deve contenere alcuna sostanza che presenti un

rischio per la salute o possa contaminare il prodottorischio per la salute o possa contaminare il prodotto””

(Direttiva 93/43 CEE del Consiglio sull(Direttiva 93/43 CEE del Consiglio sull’’igiene dei prodotti igiene dei prodotti

alimentari del 14 giugno 1993)alimentari del 14 giugno 1993)

VariabilitVariabilitàà in relazione a in relazione a

composizione chimica e percentuale composizione chimica e percentuale

di particelle trasportatedi particelle trasportate


QualitQualitàà del vapore: del vapore: sistemi di controllosistemi di controllo

Obiettivo: limitare gli inconvenienti della Obiettivo: limitare gli inconvenienti della

presenza dipresenza di

inquinamentoinquinamento

corrosionecorrosione

ControlloControllo

Composizione chimica Composizione chimica

delle goccioline trascinatedelle goccioline trascinatePortata di goccioline Portata di goccioline

trascinatetrascinate

Controllo del Controllo del

TDS (Tasso Di TDS (Tasso Di

SalinitSalinitàà))

Trattamento Trattamento

delldell’’acqua di acqua di

alimentoalimento

Sistema di Sistema di

regolazione sulla regolazione sulla

portata di portata di

goccioline goccioline

trascinate trascinate



Il controllo della portata Il controllo della portata èè ll’’aspetto piaspetto piùù delicato del problema: tale controllo, delicato del problema: tale controllo,

attualmente, attualmente, èè garantito solo nella fase stazionaria del processogarantito solo nella fase stazionaria del processo..

La richiesta di una portata istantanea elevata dallLa richiesta di una portata istantanea elevata dall’’utenza comporta una utenza comporta una

modifica delle condizioni di lavoro, con un incremento del trascmodifica delle condizioni di lavoro, con un incremento del trascinamento dovuto inamento dovuto

alla formazione di alla formazione di vapore di flashvapore di flash..

Il vapore di flash si genera a partire da un repentino calo dellIl vapore di flash si genera a partire da un repentino calo della pressione di a pressione di

vaporizzazione dovuto proprio allvaporizzazione dovuto proprio all’’incremento di portata richiesto dallincremento di portata richiesto dall’’utenza.utenza.



PerchPerchéé il vapore di flash il vapore di flash èè pericoloso?pericoloso?

La formazione del vapore di flash incrementa la portata di vaporLa formazione del vapore di flash incrementa la portata di vapore secondario e e secondario e

quindi la massa trasportata verso lquindi la massa trasportata verso l’’utenza, incrementando il numero di utenza, incrementando il numero di

particelle (variabili in quantitparticelle (variabili in quantitàà e dimensione) che poi vengono trascinate dalla e dimensione) che poi vengono trascinate dalla

corrente di vapore.corrente di vapore.

Maggiore Maggiore èè la variazione della pressione di vaporizzazione, maggiore sarla variazione della pressione di vaporizzazione, maggiore saràà

ll’’incremento di portata e maggiori saranno le quantitincremento di portata e maggiori saranno le quantitàà prodotte e le dimensioni prodotte e le dimensioni

delle particelle generate.delle particelle generate.

EE’’ necessario un sistema di necessario un sistema di

regolazione in grado di contenere le regolazione in grado di contenere le

variazioni di portata allvariazioni di portata all’’interno del interno del

generatoregeneratore


Equazioni energetiche in caldaiaEquazioni energetiche in caldaia

Qgen = Gfuel*LHV

Qv = Gvp*∆hv

ηgen = Qv/Qgen (circa 90%)

Qgen : potenza termica introdotta in caldaia

Gfuel : portata massica di combustibile

LHV : potere calorifico

Qv : potenza termica conferita al vapore

Gvp : portata massica vapore

∆hv : salto entalpico del vapore in caldaia

ηgen : rendimento della caldaia


Funzionamento del generatoreFunzionamento del generatore

Scambiatore Scambiatore

di recuperodi recuperoScambiatore di Scambiatore di

recuperorecupero

PompaPompa

Spurgo dellSpurgo dell’’acquaacqua


Equazioni energetiche al generatoreEquazioni energetiche al generatore

Qs = K*S*∆Tm

Qs = Gvp*∆hv

Qs = GH2O*rv

GH2O = Gvs

Gvp = GH2O*rv/ ∆hv

Qs : potenza termica scambiata

K : coefficiente scambio termico globale

∆Tm : salto logaritmico medio

Gvp : portata massica vapore

∆hv : salto entalpico del vapore in caldaia

GH2O : portata di acqua

rv : calore latente di vaporizzazione

Gvs :portata massica vapore secondario


Sistema di regolazioneSistema di regolazione

Il sistema di regolazione prevede il controllo della portata di

vapore primario in ingresso al generatore attraverso il rilevamento

della temperatura del vapore secondario prodotto durante il

processo di evaporazione.



Un aumento considerevole di richiesta di vapore secondario

provoca un abbassamento del livello di acqua di alimento

all’interno del generatore. Se l’incremento di portata da parte

dall’utenza è molto elevata rispetto alla condizione operativa di

design, è possibile che venga scoperta la parte superiore del

fascio tubiero, generando un aumento della temperatura del

vapore secondario che diventa surriscaldato.

L’abbassamento di livello (unitamente all’eventuale aumento della

temperatura) segnala, quindi, che è stata prodotta dal generatore

una quantità di vapore superiore a quella di regime in relazione

all’elevata richiesta dell’utenza.



Il sistema reagisce nel senso di soddisfare la richiesta superiore di

vapore primario e aumenta il grado di apertura della valvola che

aumenta la portata di vapore primario in ingresso al generatore.

La portata crescente di vapore primario innalza la potenza termica

trasmessa nel generatore e garantisce l’aumento della portata di

vapore secondario prodotta.

Il controllo effettuato sul livello dell’acqua di alimento è

fondamentale per evitare che il livello di acqua all’interno del

generatore di vapore scenda sotto il minimo consentito.



Rimane da regolare la Rimane da regolare la

composizione chimica del composizione chimica del

vaporevapore


La qualitLa qualitàà del vaporedel vapore

Per limitare la corrosione e il rischio di inquinamento del prodotto

è necessario realizzare un controllo sulla qualità del vapore

agendo sui parametri che determinano l’intensità del

trascinamento delle gocce sin dalla fase di generazione del

vapore.

L’entità del fenomeno di corrosione, causato dalle particelle di

acqua trasportate dal vapore, dipende dalla:

- Composizione chimica;

- Morfologia e dimensione;

- Caratteristiche del moto delle particelle trasportate.


Composizione chimica delle goccioline trascinate: Composizione chimica delle goccioline trascinate:

Trattamento dellTrattamento dell’’acqua di alimentoacqua di alimento

Acqua di Acqua di

alimentoalimento

ADDOLCITORE ADDOLCITORE

A SCAMBIO A SCAMBIO

IONICOIONICO

PURIFICATORE PURIFICATORE

AD OSMOSI AD OSMOSI

INVERSAINVERSA

DEGASATOREDEGASATORE

VaporeVapore

SpurgoSpurgo

Generatore di

vapore indiretto



il controllo del TDSil controllo del TDS

Generatore indirettoorizzontale

GvGv

GaGa

GsGs

TDSvTDSv≈≈00

TDSaTDSa

TDSTDS

Generatore indiretto

orizzontale

Ga = portata in massa di acqua Ga = portata in massa di acqua

di alimentodi alimento

Gv = portata in massa di Gv = portata in massa di

vapore prodottovapore prodotto

Gs = portata in massa di acqua Gs = portata in massa di acqua

di spurgodi spurgo

TDSaTDSa = concentrazione di sali = concentrazione di sali

disciolti nelldisciolti nell’’acqua di alimentoacqua di alimento

TDS = concentrazione di sali TDS = concentrazione di sali

disciolti nelldisciolti nell’’acqua di spurgoacqua di spurgoGs/Ga = Gs/Ga = TDSaTDSa/TDS/TDS

Ga = Gv Ga = Gv +Gs+Gs

Gv = 400 kg/hGv = 400 kg/h

TDSa = 10 ppmTDSa = 10 ppm

TDS = 500 ppmTDS = 500 ppm

Ga = 408 kg/hGa = 408 kg/hGs =8 kg/hGs =8 kg/h


Legenda

VEsVEs = attuatore per il attuatore per il

controllo della portata controllo della portata

di spurgodi spurgo

TTTDSTDS = trasduttore per

la misura della

conducibilità elettrica

TTTsTs = trasduttore di

temperatura

SASA = scheda

acquisizione dati

PCPC = personal

computer

= PLCPLC in

alternativa a

SA+PC

Generatore indirettoorizzontale

TDS

Tvs

VEs

SA

PC

PLC

Uscita vapore

primario

Acqua di

spurgo

Acqua di

alimento

Vapore

prodotto

TTDS

PLC

SA

TTs

PC

Ingresso vapore

primario


il controllo del TDSil controllo del TDS


Portata di goccioline nel flusso di vapore:Portata di goccioline nel flusso di vapore:

il trascinamento Tril trascinamento Tr

Tr = Ma/MmTr = Ma/Mm = 1= 1--X = 1X = 1--Mv/MmMv/Mm

XX = titolo della miscela= titolo della miscela

MvMv = massa di vapore= massa di vapore

MaMa = massa delle particelle di acqua trascinate= massa delle particelle di acqua trascinate

MmMm = massa della miscela (acqua e vapore)= massa della miscela (acqua e vapore)

Tr = f (Vg, Pvs)Tr = f (Vg, Pvs)

Vg Vg = velocit= velocitàà del vapore in prossimitdel vapore in prossimitàà della della

superficie evaporantesuperficie evaporante

PvsPvs = pressione di generazione del vapore= pressione di generazione del vapore

Generatore indiretto

verticale

Spurgo

Vapore secondario

generato

Vapore

primario

Tr = massa di goccioline riferita al kg di Tr = massa di goccioline riferita al kg di

miscela (acqua + vapore)miscela (acqua + vapore)




Nel caso stazionario si dimensiona il generatore affinché

mantenga la quantità di particelle trascinate dal vapore in uscita

entro il limite desiderato per l’applicazione.

Nel caso dinamico si inducono variazioni che comportano la

generazione di un numero elevatissimo di particelle trascinate dal

vapore.

La necessità di garantire una qualità elevata del vapore per alcuni

tipi di applicazioni ha portato alla ricerca di soluzioni che traggono

origine dall’analisi di curve sperimentali che esprimono l’entità dei

trascinamenti in relazione alle caratteristiche di pressione e

velocità del vapore all’interno del generatore.




Per i generatori con scambiatore verticale, la velocità del vapore

secondario Vg viene determinata attraverso il rapporto tra la

portata volumetrica di vapore Q e la superficie evaporante S:

Vg = Q/S



il trascinamento Tril trascinamento TrPer i generatori con scambiatore orizzontale, il calcolo della

velocità considera la componente normale alla superficie

evaporante (uscita del vapore dalla superficie evaporante) e la

componente parallela ad essa, ove esista (indirizzamento verso il

collettore di scarico.

Vg = (Vgx^2 +Vgy^2)^1/2


Aumento del

trascinamento

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%

Vg = cost

Pvs = cost

Trascinamento Trascinamento

crescentecrescente

Tr = 10%

Vg (m/s)

Vg (m/s)

Trascinamento: Trascinamento:

Curve sperimentali velocitCurve sperimentali velocitàà--pressionepressione

A Pvs = cost, se Vg A Pvs = cost, se Vg ↑↑ →→ Tr Tr ↑↑

Aumenta lAumenta l’’energia cinetica energia cinetica conferibile alle gocciolineconferibile alle goccioline

A Vg = cost, se PvsA Vg = cost, se Pvs↑↑ →→ Tr Tr ↑↑

A paritA paritàà di di QvQv, , ρ↑ρ↑ e quindi e quindi GvGv↑↑

Tr=2%Tr=2%

Tr=0.2%Tr=0.2%

Tr=1%Tr=1%

Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%



il trascinamento Tril trascinamento TrOltre a velocità e pressione, un altro fattore che influenza il

trascinamento è il gradiente di pressione ∆p/∆t.

Gf = V*(∆X/∆t)*ρl

Gt = Gf + Gv

Gf : portata massica vapore di flash

Gv : portata massica vapore

V : volume di acqua in caldaia

∆X : Xf - Xi

∆t : tempo

ρl : densità liquido

Gt : portata vapore totale


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%



Aumento di portata Gv Aumento di portata Gv

richiesta dallrichiesta dall’’utenzautenza


crescentecrescente

Tr = 10%

0

1

A

Vg (m/ s)

Vg (m/ s)

Tr=2%Tr=2%

Tr=0.2%Tr=0.2%

Tr=1%Tr=1%

Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%

0’PercorsoPercorso A 1:A 1:

Aumento di velocitAumento di velocitàà dovuto al solo dovuto al solo

vapore di flash (volume specifico = cost). vapore di flash (volume specifico = cost).

Il punto 1 Il punto 1 èè calcolato su queste ipotesi.calcolato su queste ipotesi.

Incremento di velocitIncremento di velocitàà per aumento di per aumento di

volume specifico (portata di vapore di volume specifico (portata di vapore di

flash nulla). Il punto 0flash nulla). Il punto 0’’ èè calcolato su calcolato su

queste ipotesi.queste ipotesi.

PercorsoPercorso 0 00 0’’

PercorsoPercorso 00’’ AA

Decremento di pressione (a velocitDecremento di pressione (a velocitàà

costante). Il punto A costante). Il punto A èè calcolato su calcolato su

queste ipotesi.queste ipotesi.


Portata di vapore di flash

1

0

1' 1''h=cost

T

S

P0

P1

T=cost P =cost

P =cost

Diagramma: Diagramma:

Temperatura Temperatura -- EntropiaEntropia

GGff=V*(=V*(∆∆X/X/∆∆t)*t)*ρρll

00

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%

Trascinamento

crescente

Tr = 10%

0

1

A

Vg (

m/ s

)V

g (

m/ s

)

GfGf = portata di vapore di flash= portata di vapore di flash

V = volume di liquidoV = volume di liquido

∆∆X/ X/ ∆∆t = variazione di titolo t = variazione di titolo nellnell’’unitunitàà di tempodi tempo

ρρl = densitl = densitàà del liquidodel liquido

Se (-∆P/∆t) ↑ → Gf ↑ → Vg ↑↑

V ↑

Tr=2%

Tr=0.2%

Tr=1%

Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%






Esempio numerico:

Gv = 400 kg/h

(∆p/∆t)max = -0,3 bar/s (fisso un gradiente minimo)

pvs = 2,5 bar (pressione di evaporazione iniziale)

Tvs = 127°C (temperatura di evaporazione iniziale)

pvs’ = 2,2 bar (pressione di evaporazione di fine transitorio)

Tvs’ = 123°C (temperatura di evaporazione di fine transitorio)




Esempio numerico:

X = 0,008

V = 50 lt

ρl = 940 kg/m3

Gf = V*(∆X/∆t)*ρl = 1.354 kg/h

GT = 400 kg/h + 1.354 kg/h = 1.754 kg/h (+340%!!!)


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%




crescentecrescente

Tr = 10%

0

1

A

Vg (m/ s)

Vg (m/ s)

Tr=2%Tr=2%

Tr=0.2%Tr=0.2%

Tr=1%Tr=1%

Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%

0’

+340%


L’usura corrosiva dipende essenzialmente dalla composizione

chimica delle particelle di acqua trascinate e dalla quantità di

componenti che possono dare luogo a reazioni acide.

Il processo può essere descritto e quantificato dalla massa di

acqua trascinata ma, dalla concentrazione di sali contenuti nella

massa di acqua stessa definita dal TDS e da un parametro

caratteristico k1 dipendente dalla composizione chimica della

sostanza che produce la reazione acida.

Usura corrosiva = f(TDS, ma, k1)

LL’’usurausura


L’usura erosiva è principalmente dovuta all’energia cinetica che la

gocciolina possiede all’istante dell’impatto.

I parametri che definiscono l’entità del fenomeno sono la massa di

goccioline ma che impattano la superficie soggetta ad usura, la

velocità v e la dimensione caratteristica delle particelle definita dal

diametro d delle stesse supposte sferiche e che produce gli stessi

effetti. Si introduce un coefficiente correttivo k2 dipendente dalla

reale morfologia della particella e dalle proprietà intrinseche del

materiale costituente la particella stessa.

Usura erosiva = f (ma, v^2, d, k2)

LL’’usurausura


TDSTDS: monitorato e regolato con il sistema precedentemente : monitorato e regolato con il sistema precedentemente

descritto;descritto;

dd: sistema di separazione che ostacoli il passaggio di particelle: sistema di separazione che ostacoli il passaggio di particelle

superiori a superiori a ddmaxmax;;

VV: la velocit: la velocitàà del vapore dipende dalla portata (tende ad del vapore dipende dalla portata (tende ad

aumentare in transitorio);aumentare in transitorio);

mmaa: provoca sia corrosione (a pari TDS aumento la massa : provoca sia corrosione (a pari TDS aumento la massa

inquinante) che erosione (a pari V, determina un incremento inquinante) che erosione (a pari V, determina un incremento

delldell’’energia cinetica). energia cinetica). Parametro fondamentale da controllareParametro fondamentale da controllare..

LL’’usura: parametri da controllareusura: parametri da controllare


Massa di liquido trascinata (Massa di liquido trascinata (MMTrTr))

( ) dt)X(T1

)X(T)X(Gdt

)X(T1

)X(TGdt

)X(T1

)X(TGGdtGV

r

r

t

0

f

r

r

t

0

v

r

rt

0

fv

t

0

aTr

−×+

−×=

−×+ ∫∫∫∫ ==

aT

ar

G+(X)G

G=(X)T )X(GG)X(G fvT +=,,

GfGf = portata massica di vapore di flash in = portata massica di vapore di flash in transitoriotransitorio

Gv = portata massica di vapore a regimeGv = portata massica di vapore a regime

Ga = portata massica di liquido trascinatoGa = portata massica di liquido trascinato

MMTrTr==

dt)X(T1

)X(T

dt

dXVdt

)X(T1

)X(TG)t,X(V

r

r

t

0

l

t

0

r

rvTr

−×

ρ××+

−×= ∫∫MMTrTr(X,t)(X,t)=G=G

vv

Assumendo: Gv(t)=cost, ρl(t) = cost, V(t)=cost

Massa di Massa di

liquido liquido

trascinata trascinata

((MMTrTr))

Nell’unità di tempo la massa trascinata MTr di goccioline vale


0.001300

0.001320

0.001340

0.001360

0.001380

0.001400

0.001420

0.001440

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

|∆pvs | (bar)

∆X

tcosKdt

dX=≈


Condizioni operative a cui Condizioni operative a cui èè riferito il graficoriferito il grafico

Pvs = 2.5 barPvs = 2.5 bar

((∆∆P/P/∆∆t)t)maxmax= = --0.3 bar/sec0.3 bar/sec

t = 1 sect = 1 sec

GT = Gv + GT = Gv + GfGf = 400+1354 = 1754 kg/h= 400+1354 = 1754 kg/h


0.001300

0.001320

0.001340

0.001360

0.001380

0.001400

0.001420

0.001440

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

|∆pvs | (bar)

∆X tcosK

dt

dX=≈

Fissate le condizioni operative, la massa

di liquido trascinata MTr è variabile con

il solo trascinamento.

[ ] dt)X(T1

)X(TKVG)t,X(V

r

r

t

0

lvTr

−×ρ××+= ∫

tcos≈ f(X)f(X)

MMTrTr

Massa di liquido trascinata (Massa di liquido trascinata (MMTrTr))dXdX//dtdt èè proporzionale a |proporzionale a |∆∆Pvs|Pvs|//∆∆tt

Dal grafico si desume Dal grafico si desume ∆∆X=X= K K ||∆∆Pvs|Pvs|

QuindiQuindi


[ ] ttK1lnK

1dt1dt

tK1

1dt

tK1

tK1dt

tK1

1dt

tK1

tKT

T

t

0

t

0

T

t

0

T

T

t

0

TT

T

t

0

−×−×−=−×−

=×−×−

−×−

=×−× ∫∫∫∫∫

[ ] [ ]

−×−−×ρ××+= ttK1ln

K

1KVG)t,X(V T

T

lvTr

[ ] dttK1

tKKVG)t,X(V

T

T

t

0

lvTr

×−×

×ρ××+= ∫tcosKdt

)X(dTT =≈Assumendo:Assumendo: MMTrTr

MMTrTr


+1-1



[ ] [ ]

−×−−×ρ××+= ttK1ln

K

1KVG)t,X(V T

T

lvTrMMTrTr

t=0 → MTr=0

t=1/KT → MTr= ∞ (Tr=1)



[ ] [ ]

−×−−×ρ××+= ttK1ln

K

1KVG)t,X(V T

T

lvTrMMTrTr

Definisco un parametro φ che definisce la massa trascinata che

effettivamente colpisce il prodotto sottoposto a sterilizzazione:

ma bersaglio = ma* φ

Nota la massa di goccioline trascinate che colpiscono il prodotto

nella fase di transitorio è possibile valutarne gli effetti sui

componenti a contatto con il vapore sterile.


Massa di liquido trascinata Massa di liquido trascinata

Esempio numerico:

Gv = 400 kg/h

(∆p/∆t)max = -0,3 bar/s

pvs = 2,5 bar (pressione di evaporazione iniziale)

Tvs = 127°C (temperatura di evaporazione iniziale)

pvs’ = 2,2 bar (pressione di evaporazione di fine transitorio)

Tvs’ = 123°C (temperatura di evaporazione di fine transitorio)


Esempio numerico:

X = 0,008

V = 50 lt

ρl = 940 kg/m3

Gf = V*(∆X/∆t)*ρl = 1.354 kg/h

GT = 400 kg/h + 1.354 kg/h = 1.754 kg/h = 0,49 kg/s




Esempio numerico:

dX/dt = K = 0,000125

0.001300

0.001320

0.001340

0.001360

0.001380

0.001400

0.001420

0.001440

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

|∆pvs | (bar)

∆X



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%

Tr=2%Tr=2%

Tr=0.2%Tr=0.2%

Tr=1%Tr=1%

Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%

Esempio numerico:

dT(X)/dt = Kt = (0,01-0,002)/1 = 0,098


Esempio numerico:

ma = [0,11+0,05*0,000125*940]*[1/0,098*ln(1-0,098*1)-1] =

= 0,00613 kg = 6,13 g (in un secondo)


[ ] [ ]

−×−−×ρ××+= ttK1ln

K

1KVG)t,X(V T

T

lvTrMMTrTr



SeparabilitSeparabilitàà delle gocciolinedelle goccioline

A

dd>d>dlldd≤≤ddll

ddl l = diametro limite= diametro limite di di trascinamentotrascinamento

Valutazione delle dimensioni Valutazione delle dimensioni delle goccioline trascinatedelle goccioline trascinate

Sistema di separazione adattoSistema di separazione adatto



SeparabilitSeparabilitàà delle gocciolinedelle goccioline

Software di Software di

simulazione: TpSimsimulazione: TpSim

Trasporto di particelle Trasporto di particelle

liquide in sospensioneliquide in sospensione

•• velocitvelocitàà effettiva delle gocciolineeffettiva delle goccioline

•• velocitvelocitàà effettiva del vaporeeffettiva del vapore

•• perdita di carico della corrente di perdita di carico della corrente di

bifasebifase

Simulazione effettuata per: Simulazione effettuata per:

-- d = 50 d = 50 µµmm

-- d = 150 d = 150 µµmm

-- d = 312 d = 312 µµmm

Condizioni di funzionamento in Condizioni di funzionamento in

transitoriotransitorio

Pvs = 2.5 barPvs = 2.5 bar

((∆∆P/P/∆∆t)t)maxmax== --0.3 bar/sec0.3 bar/sec

GGT T = G= Gv v + + GGff = 400+1354 = 1754 kg/h= 400+1354 = 1754 kg/h

Tr=10%Tr=10%

GGT T = portata di vapore totale= portata di vapore totale

GGvv = portata di vapore a regime= portata di vapore a regime

GGff = portata di vapore di flash in transitorio= portata di vapore di flash in transitorio


Trascinamento: Trascinamento: SeparabilitSeparabilitàà delle gocciolinedelle goccioline

Simulazione TpSimSimulazione TpSim

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80

Distanza in verticale dalla superficie evaporante

(m)

Vel

oci

tà d

ella

pa

rtic

ella

di

acq

ua

tra

scin

ata

(m

/s)

0

1

2

3

4

5

6

7

Per

dit

a d

i ca

rico

del

flu

sso

di

vap

ore

(m

ba

r)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8


(m)

Vel

oci

tà d

ella

part

icel

la d

i acq

ua

tra

scin

ata

(m

/s)

0

1

2

3

4

5

6

7

Per

dit

a d

i ca

rico

del

flu

sso d

i va

po

re (

mb

ar)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8


(m)

Vel

oci

tà d

ella

pa

rtic

ella

di

acq

ua

tra

scin

ata

(m

/s)

0

1

2

3

4

5

6

7

Per

dit

a d

i ca

rico

del

flu

sso

di

va

po

re (

mb

ar)

d= 50 d= 50 µµmm d= 150 d= 150 µµmm d= 312 d= 312 µµmm

VelocitVelocitàà delle delle

gocciolinegoccioline

VelocitVelocitàà del flusso del flusso

di vaporedi vapore

Perdita di carico del Perdita di carico del

flusso di vaporeflusso di vapore

Banda di variabilitBanda di variabilitàà della velocitdella velocitàà della gocciolinadella gocciolina


Sistema di regolazione antitrascinamentoSistema di regolazione antitrascinamento

In condizioni statiche (regime): mi basta il controllo sul TDS

perché, se ben dimensionato, il mio generatore presenta

trascinamenti al di sotto del valore desiderato.

In condizioni dinamiche (transitorio), devo effettuare la

regolazione anche su altri parametri.



I parametri caratteristici assunti per la regolazione del fenomeno

di trascinamento sono:

- pressione del vapor saturo (pvs): influisce sulla portata di vapore

secondario;

- velocità del vapore (Vg): dipende dalla superficie evaporante;

- velocità del vapore in uscita (Vv): velocità rilevata dal trasduttore;

- temperatura di saturazione del vapore (Tvs): strettamente legata

a pvs);



Agire sulla sola pressione è possibile, ma sconto l’inerzia del

sistema.

La pressione varia in un tempo significativo e se la sua variazione

(sommata al tempo di regolazione) è superiore alla variazione di

portata richiesta dall’utenza, la risposta finale risulta

insoddisfacente.



Catena di misuraCatena di misura

Trasduttore Trasduttore

PCPCScheda di Scheda di

acquisizione acquisizione

datidati

AttuatoreAttuatore

Fenomeno fisicoFenomeno fisico PLC in PLC in

alternativaalternativa

Condizionamento Condizionamento

del segnaledel segnale



Per effettuare una regolazione di portata conviene allora riferirsi

alla velocità del vapore, che varia istantaneamente in funzione

della portata.

Vi sono però delle evidenti difficoltà nell’impiego di un trasduttore

di velocità (sonda ad ago, tubo di Pitot, …) all’interno del

generatore.

Si misura allora la velocità del vapore in uscita, legata a quella del

vapore da valutazione che coinvolgono la geometria del

generatore.



Pertanto al regolazione si effettua sui parametri:

- velocità Vv del vapore sul condotto di uscita;

- la pressione pvs di vaporizzazione;

Come realizzo fisicamente il sistema di regolazione?



1) trasduttore di pressione;


Spurgo

Vapore

generato

Vapore

primario

PLC

SA

PC

Vv

PvsVE

VM

LegendaLegenda

VMVM =valvola regolata dall=valvola regolata dall’’utenteutente

VEVE = attuatore= attuatore

PvsPvs = trasduttore di pressione= trasduttore di pressione

VvVv = trasduttore di velocit= trasduttore di velocitàà

SASA = scheda di acquisizione dati= scheda di acquisizione dati

PCPC = personal computer = personal computer

= = PLCPLC in alternativa di in alternativa di

SA+PCSA+PC





2) trasduttore di velocità (vapore in uscita);


Spurgo

Vapore

generato

Vapore

primario

PLC

SA

PC

Vv

PvsVE

VM

LegendaLegenda








SA+PCSA+PC






3) scheda di acquisizione dati;

4) personal computer;







5) attuatore;


Spurgo

Vapore

generato

Vapore

primario

PLC

SA

PC

Vv

PvsVE

VM

LegendaLegenda








SA+PCSA+PC








5) attuatore;

6) valvola manovrata dall’utenza;


Spurgo

Vapore

generato

Vapore

primario

PLC

SA

PC

Vv

PvsVE

VM

LegendaLegenda








SA+PCSA+PC



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%

Stato fisico 1 Stato fisico 1

(produzione di (produzione di

vapore di vapore di

flash)flash)


(condizione di regime)(condizione di regime)

Tr ≡ 10%

0

1

Vg (m/s)

Vg (m/s) Trascinamento Trascinamento

limitelimite

Aumento di portata Aumento di portata

richiesta allrichiesta all’’utenzautenza


LL’’obiettivo obiettivo èè evitare che, evitare che,

in condizioni di in condizioni di

transitorio, venga transitorio, venga

superata la curva limite superata la curva limite

di trascinamento di trascinamento

impostaimposta

Tr=2%Tr=2%

Tr=0.2%Tr=0.2%

Tr=1%Tr=1%

Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%



La regolazione avviene nella seguente maniera:

1) rilevo la velocità Vv (e quindi Vg) e la pressione pvs in continuo;

2) dalle curve sperimentali Vg-pvs conosco il trascinamento Tr;

3) raggiunto il valore limite, vario la posizione dell’attuatore;


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr = 10%


(produzione di (produzione di

vapore di flash)vapore di flash)


(condizione di regime)(condizione di regime)

Tr ≡ 10%

0

1

Soglia limiteSoglia limiteVg (m/s)

Vg (m/s)

Inizio regolazione Inizio regolazione

(chiusura valvola)(chiusura valvola)

Soglia limite di intervento = f (Pvs, Vg)Soglia limite di intervento = f (Pvs, Vg)


Tr=2%Tr=2%

Tr=0.2%Tr=0.2%

Tr=1%Tr=1%Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%


Distanza della Distanza della

curva di curva di setset--pointpoint

dalla curva limite dalla curva limite

Funzione della Funzione della

velocitvelocitàà di reazione di reazione

del sistemadel sistema


1,5

2

2,5

3

3,5

4

Vg (m

/s)

Tr = 10%


(produzione di vapore di (produzione di vapore di

flash)flash)

Tr ≡ 10%

1

Soglia Soglia

limitelimite

Vg (m/s)

Vg (m/s)



Pvs (barg)Pvs (barg)

Vg (m/s)

Vg (m/s)

Tr=2%Tr=2%

Tr=1%Tr=1%

Tr=0.5%Tr=0.5%

Tr=5%Tr=5%

Tr=10%Tr=10%


Distanza della Distanza della

curva di curva di setset--pointpoint

dalla curva limite dalla curva limite

Funzione della Funzione della

velocitvelocitàà di reazione di reazione

del sistemadel sistema


1,5

2

2,5

3

3,5

4

Vg (m

/s)

Tr = 10%


(produzione di vapore di (produzione di vapore di

flash)flash)

Tr

1

Soglia Soglia

limitelimite

Vg (m/s)

Vg (m/s)



Pvs (barg)Pvs (barg)

Vg (m/s)

Vg (m/s)


Osservazioni conclusiveOsservazioni conclusive

�� NecessitNecessitàà di stabilire una regolamentazione di stabilire una regolamentazione per la definizione della composizione del per la definizione della composizione del vapore pulito ad uso alimentare e medico.vapore pulito ad uso alimentare e medico.

�� Progettazione di un sistema di regolazione Progettazione di un sistema di regolazione avanzato con il quale si garantisca la avanzato con il quale si garantisca la produzione di vapore pulito in ogni condizione produzione di vapore pulito in ogni condizione di funzionamento (transitorio, regime).di funzionamento (transitorio, regime).

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