La Misura del VaporeScegliere il misuratore di portata corretto per

ottenere il risparmio energetico desiderato

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M i s u r a d e l v a p o r e

1.0 Sommario

2.0 Il contenimento del consumo dei combustibili e delle emissioni di CO2 è una priorità internazionale

3.0 Garantire una misura precisa della portata del vapore

3.1 Considerazioni sulla temperatura, sull’erosione e sulla velocità

3.2 L'importanza del turndown

3.3 Specificarelaprecisione

3.4 Spazio disponibile per l’installazione

4.0 Diversi principi di misura

4.1 Coriolis

4.2 Orifiziocalibratooflangiatarata

4.3 Tubo di Pitot

4.4 Turbina

4.5 Area variabile

4.5.1 Area variabile nella versione a molla precaricata (SILVA)

4.5.2 Areavariabiletarget(TVA)

4.6 Ultrasuoni

4.7 Vortex

Indice

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Con l’aumento dei prezzi del combustibile e le sempre più rigide legislazioni per il controllo delle emissioni di CO2, l’individuazione di nuovi metodi di riduzione del consumo energetico sta assumendo un ruolo centrale per molteaziende.

Iprogrammidirisparmioenergeticopiùavanzatiincoraggianounamiglioregestionedeiconsumi.Nellosforzodirendereisingolidipartimentiocentridicostoresponsabilidell’energiaimpiegata, la spinta al risparmio è fornita dalla presa dicoscienza dell’utente.

Alcune società stanno sperimentando che tali progetti dimonitoraggio e di identificazione degli obiettivi possonogenerarerisparmifinoal5%.

Peraddebitareagliutentil’energiacheconsumanooccorreinprimoluogomisurareilloroconsumoeffettivo.Piùprecisaèlamisura,miglioreèilcontrollosulconsumo.Oltreaicostienergeticipiùovvi,comeilgasel'elettricità,ilvaporeèunservizio nel quale è possibile realizzare notevoli risparmi eliminandoglisprechi.

Atalescopoèessenzialescegliereunmisuratorediportataingradoditenerecontoditutteleesigenzeperunacorrettamisura di un fluido come il vapore che spesso alimentaunarichiestavariabileetrasportaumiditàconconseguentedanneggiamentodimisuratoriditipoinadeguato.

La precisione delmisuratore è un altro importante fattorenel processo di selezione dell’apparecchio, ma il turndown, ovvero il rapporto tra portata massima e portata minima è spesso ancora più importante.Èquindisensatoscegliereilmisuratorediportataconilpiùampio turndown possibile, riducendo al minimo la possibilità diritrovarsiconunostrumentochenonèingradodicoprirelaportataeffettiva.

Molto spesso, la maggiore efficienza energetica ottenutain seguito all’installazione di un misuratore di portata delvapore può aiutare a recuperare il costo dell’installazione inmeno di due anni. È tuttavia fondamentale scegliere ilmisuratorediportataadeguatoatalecompito.

Nell’ambito dei recuperi energetici ove venga prodottaenergia termica da sorgenti solitamente inutilizzate (fumiesausti, blowdown, rievaporazione, processi esotermici), le normative europee collegate alle quote di rimborso,prevedono che per le misure dei gas e dell’acqua sianoadottatecertificazionifiscali(MID),lasciandoperciòlamisuradel vapore legata unicamente ad un criterio di massimaprecisione ed affidabilità. Criterio che una società comeSpiraxSarco,leadermondialenellagestionedelvapore,haenfatizzatonellaprogettazionedeisuoimisuratori.

1.0 Sommario

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2.0 Il contenimento del consumo dei combustibili e delle emissioni di CO2 è una priorità internazionale

Il vincolo a ridurre le emissioni di CO2 e le agevolazioniidentificate per proseguire verso questo obbiettivo sonodiversinellevarienazioniecollegateallasensibilitàedallecondizionifinanziariedellestesse.LaGranBretagnaèilprimopaesealmondoaimporrelimitidi emissioni di CO2 vincolanti, che taglieranno del 34%entro il 2020edalmenodell’80%entro il 2050.Alcunediquesteriduzionisarannorealizzatesviluppandotecnologieperlaproduzionedienergia,abasseemissionidicarbonioma il miglioramento dell’efficienza energetica rivestirà unruolo fondamentale, secondo il Department of EnergyandClimateChange (DECC) (dipartimento britannico perl’energiaeilcambiamentoclimatico).

Di fatto ogni paese dovrà ridurre il proprio consumoenergeticoeleemissionidiCO2,conincentiviprevistidallenormative locali e dal fisco. Ad esempio, la strategia diriduzionedelleemissionidiCO2delNationalHealthService(NHS)ingleserichiedeuntagliodel10%entroil2015.Ciòimplicherà non solo un contenimento dell’attuale livello di crescita delle emissioni, ma un’inversione di tendenza con conseguenteriduzionedefinitiva.

In altre parole, l’atteggiamento dei governi in merito aicambiamenticlimaticiedilconseguenteevolversinormativoricadràsulleaziendeesualtreorganizzazioniattraversolebollettedell’energia.

Migliorare l’efficienza energetica consente inoltre dirallentare l’aumento delle bollette del combustibile rispetto all’aumentodelsuoprezzoall’origine.Unfattochiaramenteimportante nel contesto dell’attuale rapido aumento dei prezzi del combustibile. Per esempio in Inghilterra trail secondo trimestre del 2010 e il secondo trimestre del 2011, i prezzi medi per l’industria in termini correnti, inclusa l’imposta sul cambiamento climatico (CCL) sono aumentati del2,7%per l’elettricità,del34,1%per ilgasedel11,9%per il carbone.

Questi criteri, che possono variare da nazione a nazione, rendono evidente che migliorare l’efficienza dei proprisistemi di produzione del vapore deve diventare una priorità assoluta.

Non si può controllare ciò che non si può misurareUn’accurata misura è il prerequisito fondamentale inqualsiasiprogrammadicontrolloegestionedell’energia.Difattociòponeglistrumentidimisuraalcentrodiqualsiasisforzoattoadidentificareilconsumoenergetico.Secondoil Carbon Trust, gli strumenti di monitoraggio automatico(M&T)aiutanoleindustriearidurreicostienergeticidel5%circa.

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Questiprogrammimettonoinrelazioneiconsumienergeticiconaltrifattori,tracuilecondizioniatmosfericheeidatidellaproduzione,peraiutareleindustrieacapirecomel’energiavieneutilizzataneiprocessieper ilcomfort. Inparticolareservirannoad identificarequalsiasisprecoevitabileoaltreopportunità atte a ridurre i consumi.La raccolta dati può essere manuale, automatizzata o una combinazione di entrambe. Il suo svolgimento non deveessere impegnativo in termini di tempo né tanto menocomplesso. Idealmente i dati si accumuleranno in modo regolareefornirannoinformazioniatteasupportaretutteleattivitàdigestioneenergetica.

Oltre ad individuare gli sprechi, un efficente sistemadi monitoraggio può fornire una misura attendibile delsuccesso di eventuali iniziative di risparmio energetico,chealtrimentipotrebberoesseredifficilmentescindibilidalcomplessodifattoriesternicomelecondizioniatmosfericheo le variazioni dei livelli di produzione. I dati raccolti consentiranno di evidenziare aree promettenti da sottoporre ad ulteriore indagine, permettendo difocalizzarel’attenzionesuquellepiùproficue.Ilfeedbackfornitopuòessereutilizzatoperincrementarelaconsapevolezzadelpersonaleedincoraggiareladiffusionedellemetodichemigliori.

Misuratori di portata

Perchè è importante l'impiego di un misuratore diportata? Verso la fine del secolo scorso il fisicoingleseKelvinaffermò:"non si può gestire quello che non è possibilemisurare". Questaosservazioneèvalidaoggicomenelsecoloscorso. Per il corretto controllo dei costi di esercizio degli impiantidiprocessoeperlagestioneottimaledel riscaldamento di grandi complessi abitativi, èessenziale sapere quanto combustibile e quanta energiavieneutilizzata.Quando questa logica viene applicata al vapore,i misuratori di portata Spirax Sarco fornisconoinformazionivitaliall'usoeicostiassociatiall'impiantoche ne migliorano l'efficenza in quattro settori diparticolareimportanza:

Efficenza d’impianto• Verificadell'isolamentodelleutenzeinutilizzate• Verificadellacorrettaalimentazionedellalineadi

processo• Identificazione di eventuali necessità di

manutenzione• Identificazione delle utenze con il maggior

consumo di vapore• Evidenziazione delle fasce orarie di maggior

consumo• Indicazionedellavaliditàgestionaledelprocesso

Efficenza energetica• Rilevamentodeirisparmienergetici• Confrontodell'efficenzaenergeticadeivarisettori

dell'impianto

Controllo del processo• Conferma costante dell'utilizzo della giusta

quantità di vapore alle volute condizioni di pressione e temperatura

Monitoraggio continuo dei costi di linea• Valutazione del costo del vapore come vettore

energetico• Corretta determinazione dei costi delle singole

linee di prodotto• Stabilireuncorrettolegametrailcostodelvapore

intesocomefonteenergeticaerendimentototaledell'impianto

• Monitoraggio delle prestazioni della singolautenza

• Correttoaddebitodelconsumodivapore

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3.0 Garantire una misura precisa della portata vapore

La misura attendibile e accurata della portata del vapore presentanumerosedifferenzetecnicherispettoallamisuradiportatedialtrifluidieperessereattendibiledevetenerecontodelleproprietàfisichedelvapore.

Repentine variazioni di carico, condizioni variabili delprocesso,fermatenonprevistepossonofarvariarepressionee temperatura del vapore. La mancata compensazione comporta errori sostanziali nel calcolo della portata.

Importanza della compensazione della densità. In questo esempio un semplice misuratore non compensato è impostato a 6barg.Lapressioneeffettivanelsistemavarianell’arcodellagiornataeseilmisuratorenonècompensato,allafinedellagiornata,sipossonoaccumularegravierrori.Questasituazioneètipicadimoltisistemidimonitoraggio.

Ore trascorse

Errorecumulativo

Pressione effettiva

del sistema

Portata

Portata,kg/h

Pres

sione

bar

Errorecum

ulativo,kg

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3.1 Considerazioni sulla temperatura, sull’erosione e sulla velocità

Anche altre caratteristiche del vapore devono essere considerate. Le temperature elevate ad esempio, associate allamisuradellaportatapossonoinfluiresull’accuratezzaesullalongevitàdegliorganidimisura.L’erosionecausatadalvaporeumidodanneggianel tempoperesempiogliorifizicalibraticonconseguenteperditadiprecisioneomisurenonaffidabili.

La tubazione del vapore è spesso sovraddimensionata rispettoadaltrifluidipermantenerebassalavelocitàelimitarel’erosione. Tale condizione può ridurre le performance dimoltimisuratori che raggiungono lamassimaaccuratezzaa velocità elevate.

3.2 L’importanza del turndown

Peresserisicuricheleinformazionirelativeallaportatasianoaccurate indipendentemente dalle condizioni di processo o dalla richiesta è essenziale che un misuratore di portata sia ingradodigarantire lesueprestazioneper l’interocampodi funzionamento, dal basso carico fino almassimo delladomandadelprocesso.Poichélarichiestarealeèspessosconosciuta o può variare ampiamente, un misuratore di portata deve avere un campo di misura più ampio possibile basatosucondizionidiportatapratiche.Dovràesserefatta,inoltre, particolare attenzione affinchè il campo di misurarichiestosiabasatosuvelocitàrealistichedelflusso.

Il parametro che sintetizza il rapporto tra portata minima e massima è appunto il “turndown” o rapporto di misurabilità. Maggiore è il turndownmaggiori sono le garanzie di nonperdere le portate ad inizio o fondo scala. Ovviamente ilturndown deve essere accompagnato dal rispetto dellaprecisione.

Portataaldisottodelvaloreminimodi250kg/h(ossia1.000kg/h÷4)

Ore trascorse

Portataeffettiva

Portata,kg/h

Errorecumulativo

Errorecumulativo,kg

Ilgraficomostraunacurvatipicadiunsistemadidistribuzionevaporeconcaricoelevatoinizialeedomandavariabilenelcorsodellagiornata.Unmisuratore,conunturndown4:1edimensionatosulcaricodipuntadi1000kg/h,avràperportateinferioria250kg/herrorielevatiomisureinattendibili.

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3.3 Specificare la precisione

Anche la modalità di definizione della precisione deimisuratori di portata può influenzarne la performance inparticolari installazioni.

Esistono due modi per specificare la precisione di unmisuratore:%dierroreafondoscala(FSD)e%dierroredelvaloreletto.Iduemetodisonomoltodifferentiedèimportantecapireilmotivopercuialcuniproduttoripreferisconousarela%dierroresulFDSperfarsembrarelaprecisionedellostrumentodaloropropostomigliore.

% di FSD

Portatatotale=1000kg/h,precisione+/-1%diFSD.Misurandolaportatatotale(1000kg/h)l’erroreeffettivopuòessere+/-10kg/h,pertanto laportataeffettivapuòesserecompresatra990e1010kg/h=unerroredell’1%.

Dove installare il misuratore di portata? Il punto ideale per misurare le portate non sempre corrisponde a quello che consente misurazionipiùpreciseperchévalvole,accessoridilineaobruschevariazionidisezionenellatubazionepossonodaraluogoa variazioni di carico eccessive od eccessivamente ampie.Pergarantireprestazioniemisureaccurate,ilprofilodiflussodelvaporedeveesserepiùstabileovveromeno“perturbato”possibileiningressoalmisuratoreeall’uscitadallostesso:atalescopooccorreinstallareilmisuratoresuuntrattoditubazionelibera(privadivalvole,gomiti,riduzioni…)erettilinea,lacuilunghezzaminimasiaparia6diametriditubazioneamontee3avalle.

Misurando il 10% della portata (100kg/h) l’errore effettivopuò ancora essere +/-10kg/h, pertanto la portata effettivapuòesserecompresatra90e110kg/hconunconseguenteerroredel10%!

% di errore del valore letto

Portatatotale=1000kg/h,precisione+/-1%dilettura.Misurandolaportatatotale(1000kg/h)l’erroreeffettivopuòessere+/-10kg/h,pertanto laportataeffettivapuòesserecompresatra990e1010kg/h=unerroredell’1%.Misurando il 10% della portata (100kg/h) l’errore effettivopuòessere+/-1kg/h,pertantolaportataeffettivapuòesserecompresatra99e101kg/h=unerroredel1%!

Èchiarocheaportateridotteunaprecisionedefinitacome%diletturasaràmigliorerispettoadunadefinitacome%diFSD.

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Lunghezzed’installazioneminori…

Modificandoilprofilodiflussolaportataèpiùstabile…

Il sistema di misura ad area variabile richiede solo sei diametri di tubazione libera rettilineaamonteetreavalle:èlasceltaidealeperinstallazioniinspaziristretti.

Tubo di Pitot multiplo

Flangiatarata

è

6D 3D

8D 4D

20D 7D

è

è

Vortex

15D 5D

è

D = Diametro nominale della tubazione

Flussodivapore

Flussodivapore

Flussodivapore

Flussodivapore

A differenza di altri misuratori di portata che richiedonotubazioni rettilinee più o meno lunghe il cono dell'ariavariabile riesce a stabilizzare il flusso semplicementeappiattendoneilprofilodivelocitàamonte,immediatamenteprimadelpuntodimisura.Ilflussodiventa,infatti,piùstabilegraziealdesigndelconomobilechepermettedimixare

il vaporecheviaggiaallamassimavelocitàametàprofilocon quello che, invece, è a bassa velocità in prossimità delle pareti della tubazione. Questo mix consente al misuratore ad area variabile di essere montato su brevi tratti di tubazione rettilinea, rendendolo il misuratore di portata ideale per spazi d’installazione limitati.

3.4 Spazio disponibile per l’installazione

Oltrealleproprietàfisichedelvapore,ènecessarioconsiderarealtriimportantifattorirelativiall’installazione.

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4.0 Diversi principi di misura

Le proprietà del vapore fanno sì che alcuni misuratoricomunementeusatiperaltrifluidinonsianoipiùappropriatiperlamisuradelvapore.Spessositrattadisceglieretraletecnologiedisponibiliquellacorretta,mettendoaconfrontoiproeicontropereffettuarelasceltamigliore.

4.1 Coriolis

I misuratori Coriolis determinano direttamente la massa. Uno opiù tubivibrantipiegati,dirittioaUsonoposizionatinelflussodelfluido.Quandoilfluidopassaattraversoitubicreaunavibrazioneadaltafrequenza.L’entitàdell’oscillazioneèdirettamente proporzionale alla portata ed alla massa.

IlprincipalevantaggiodelsistemadimisuraCoriolisconsistenelforniredirettamentelamisuradellamassa,senzadoverricorrere ad accessori per misurare la temperatura o la pressione. Questa misura, studiata per il settore chimico/petrolchimicononècomunementeimpiegataperlamisuradelvapore.Svantaggi:costoelevato,altaperditadicarico,nonadattoalfluidovapore.

4.2 Orifizio calibrato o flangia tarata

Misurano il calo di pressione del fluido quando passaattraversounforocalibratocircolarepraticatoinunapiastracheabbraccial’ampiezzadeltubo.Lapressionedifferenzialeamonteeavalledelforo,èutilizzatapercalcolarelaportata.Il corretto dimensionamento e la corretta installazione della piastraforatasonoassolutamenteessenziali,maunsistemaadeguatamente progettato può raggiungere un turndownmassimocompresotra4:1e5:1.E’ilsistemapiùimpiegatoper lemisure di portata. Vantaggi: basso costo, riferibilitàadelementoprimariostandard.Svantaggi:bassoturndown,deterioramento nel tempo.

4.3 Tubo di Pitot

Principiosimileall’orifiziocalibratomaadattoatubazionidigrandediametro.E’determinanteunabuona installazioneperevitareerroricausatidafilettifluidi.

4.4 Turbina

I misuratori a turbina dispongono di un rotore multipalainstallato ad angolo retto rispetto al flusso e sospeso nelflussodel fluido suun supporto scorrevole. La velocità dirotazione è proporzionale alla portata volumetrica. Nellegranditubazioni,leturbinepossonoessereinstallatesu bypass. Questi misuratori offrono un turndown tipicodi 10:1 e una precisione del ± 0,5%. Poco usati a livelloindustriale e solitamente non su vapore saturo.

4.5 Area variabile

Un misuratore ad area variabile, spesso denominato anche rotametro, è costituito da un tubo verticale con un piccolo foro rastremato all’estremità inferiore e un galleggiantechesimuoveliberamentenelfluido.Quandoilfluidorisaleattraversoiltubo,laposizionedelgalleggiantedipendedallaspintaversol’altodelfluidoedallamassadelgalleggiante,che indicano la portata. Poco usati a livello industriale.

4.5.1 Area variabile nella versione a molla precaricata (SILVA)

Questi strumenti utilizzano una molla come forza dibilanciamento rendendoli pertanto insensibili alla gravità,essendo cosi in grado di essere utilizzati in qualsiasiorientamento, anche capovolti.

L’area di flusso tra il cono ed il tubo è progettata peraumentare quando la molla si sposta di modo che la pressione differenziale nel misuratore sia direttamenteproporzionalealflusso.Fondamentalmenteciòsignificachelo spostamentodellamolla odella pressionedifferenzialenelmisuratoreèlineareinrapportoalflusso.

Sfruttando questo principio, i misuratori SILVA offrono unturndownchepuòarrivarefinoa100:1conunaprecisioneparia±1%.

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4.5.2 Area variabile target (TVA)

IlprincipiodifunzionamentodeiflussometriTVAèsimileaquellodeiflussometriSILVA.Tuttavia,invecedimisurarelapressionedifferenziale,essimisuranolaforzageneratasudiun cono mobile utilizzando celle di carico di alta qualità. Più elevatoèilflussodivapore,maggioreèlaforzaapplicataalla cella di carico.

I flussometriTVAhannogeneralmente unaprecisionedel±2%suunturndowndi50:1.

4.6 Ultrasuoni

I sistemi di misura ad ultrasuoni si basano sul principio che il tempo necessario agli ultrasuoni per andare da untrasmettitoreadunricevitorevaria in funzionediunfluidochenemodificailpercorso.Isistemidimisuraadultrasuoni

adatti alle misure su vapore necessitano solitamente che trasmettitori e ricevitori siano direttamente affacciati alfluidociòcomportal’installazioneditronchetticonlostessodiametrodella tubazione,con integrati isensori.Vantaggi:elevata precisione, elevato turndown, bassa perdita di carico.Svantaggi:costielevatiedifficilecalibrazione.

4.7 Vortex

Il misuratore si basa sul principio di investire un corpo, con unasagomaappositamentestudiata,daunfluidocreandodi conseguenza dei vortici a valle di questo ostacolo.Opportunamente misurati in termine di frequenza questivortici sono direttamente proporzionali alla velocità e di conseguenzaallaportatadelfluidostesso.Vantaggi:difacileinstallazioneedicostocontenuto.Svantaggi:influenzatidavibrazionirichiedonounacertavelocitàdelfluido.

Tabella: Misuratori utilizzati per la portata di vapore a confronto

Tipo di misuratore di portata

Vapore surriscaldato?

Vapore saturo?

Vapore umido?

Rapporto turndown* Precisione* Costo

Orifiziocalibrato Sì Sì Sì 4:1 3% Basso

A turbina Sì No No 10:1 0.5% Basso

SILVA Sì Sì Sì 100:1 1% Medio

TVA Sì Sì Sì 50:1 2% Medio

Vortex Sì Sì No 12:1 2% Medio

Tubi di Pitot Sì Sì No 4:1 5% Basso

Ad ultrasuoni Sì Sì Sì 20:1 2% Alto

Coriolis Sì No No 50:1/100:1 0.1–1% Alto

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Tel.:03624917.1Fax:03624917307

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