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Corso IFTS, Faenza 2006 Generatori di vapore pulito Spirax Sarco Funzionamento del generatore e sistema di controllo per la regolazione

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Corso IFTS, Faenza 2006

Generatori di vapore pulitoSpirax Sarco

Funzionamento del generatore esistema di controllo per la regolazione

Corso IFTS, Faenza 2006

Impianto per la produzione del vapore

Corso IFTS, Faenza 2006

Funzionamento del generatore

Scambiatore di recuperoScambiatore di

recupero

Pompa

Spurgo dell’acqua

Corso IFTS, Faenza 2006

Sistema di regolazione del generatore

VRTLI

VR

TT

VI SC VI

VI

PI

VI

Spurgo acqua di alimento

VI VI

VR F

VS

Misura di conducibilità per TDS

VM

Regolatore di livello

Acqua di alimento

Scarico acqua

Vapore secondario

Vapore primario

TT=trasduttore di temperatura

LI=indicatore di livello

PI=manometro

Corso IFTS, Faenza 2006

Funzionamento della valvola regolatrice di temperatura

Corso IFTS, Faenza 2006

Qualità del vapore: normativa e regolamentazione

Legislazione carente sulla definizione della composizione del vapore pulito

“ Il vapore direttamente a contatto con i prodotti alimentari non deve contenere alcuna sostanza che presenti un rischio per la salute o possa contaminare il prodotto”

(Direttiva 93/43 CEE del Consiglio sull’igiene dei prodotti alimentari del 14 giugno 1993)

Interruzione del percorso di tracciabilità del ciclo di vita del

prodotto

Corso IFTS, Faenza 2006

Qualità del vapore: sistemi di controllo

Obiettivo: limitare gli inconvenienti della presenza di

inquinamentocorrosione

ControlloComposizione chimica

delle goccioline trascinatePortata di goccioline

trascinate

Controllo del TDS (Tasso Di

Salinità)

Trattamento dell’acqua di

alimento

Sistema di regolazione sulla

portata di goccioline trascinate

Corso IFTS, Faenza 2006

Composizione chimica delle goccioline trascinate: Trattamento dell’acqua di alimento

Acqua di alimento

ADDOLCITORE A SCAMBIO

IONICO

PURIFICATORE AD OSMOSI

INVERSADEGASATORE

Vapore

Spurgo

Generatore di vapore indiretto

Corso IFTS, Faenza 2006

Composizione chimica delle goccioline trascinate: Il controllo del TDS

Generatore indirettoorizzontale

Gv

Ga

Gs

TDSv≈0

TDSa

TDSGeneratore

indiretto orizzontale

Ga = portata in massa di acqua di alimento

Gv = portata in massa di vapore prodotto

Gs = portata in massa di acqua di spurgo

TDSa = concentrazione di sali disciolti nell’acqua di alimento

TDS = concentrazione di sali disciolti nell’acqua di spurgo

Gs/Ga = TDSa/TDSGa = Gv +Gs

Gv = 400 kg/hTDSa = 10 ppmTDS = 500 ppm

Ga = 408.163 kgGs =8.163 kg

Corso IFTS, Faenza 2006

Composizione chimica delle goccioline trascinate: Il controllo del TDS

Legenda

VEs = attuatore per il controllo della portata di spurgoTTDS = trasduttore per la misura della conducibilità elettricaTTs = trasduttore di temperaturaSA = scheda acquisizione datiPC = personal computer

= PLC in alternativa a SA+PC

Generatore indirettoorizzontale

TDS

Tvs

VEs

SA

PCPLC

Uscita vapore primario

Acqua di spurgo

Acqua di alimento

Vapore prodotto

TTDS

PLCSA

TTs

PC

Ingresso vapore primario

Corso IFTS, Faenza 2006

Portata di goccioline nel flusso di vapore:Il trascinamento Tr

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

X = titolo della miscelaMv = massa di vaporeMa = massa delle particelle di acqua trascinateMm = massa della miscela (acqua e vapore)

Tr = f (Vg, Pvs)

Vg = velocità del vapore in prossimità della superficie evaporante

Pvs = pressione di generazione del vapore

Generatore indiretto verticale

Spurgo

Vapore secondario generato

Vapore primario

Corso IFTS, Faenza 2006

Portata di goccioline nel flusso di vapore:Il trascinamento Tr

Corso IFTS, Faenza 2006

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 crescente

Tr = 10%

Trascinamento: Curve sperimentali velocità-pressione

A Pvs = cost, se Vg ↑ → Tr ↑Aumenta l’energia cinetica conferibile alle goccioline

A Vg = cost, se Pvs↑ → Tr ↑ • Aumenta la tensione

superficiale• A parità di Qv, ρ↑ e quindi Gv↑

Tr=2%

Tr=0.2%

Tr=1%

Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%

Corso IFTS, Faenza 2006

Trascinamento: Curve sperimentali velocità-pressione

Aumento di portata Gv richiesta dall’utenza

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%

Trascinamento crescente

Tr = 10%

0

1

A

Incremento di velocità dovuto all’aumento del volume specifico (portata di vapore di flash nulla)

Aumento di velocità dovuto al solo vapore di flash (volume specifico = cost)

Percorso 0 A:

Percorso A 1:

Tr=2%

Tr=0.2%

Tr=1%

Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%

Corso IFTS, Faenza 2006

Aumento di portata richiesta all’utenza

Corso IFTS, Faenza 2006

Trascinamento: Curve sperimentali velocità-pressione

Portata di vapore di flash

1

0

1' 1''h=cost

T

S

P0

P1

T=cost P =costP =cost

Diagramma: Temperatura - Entropia

Gflash=V*(∆X/∆t)*ρl0

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

V = volume di liquido

∆X/ ∆t = variazione di titolo nell’unità di tempoρl = densità del liquido

Se (-∆P/∆t) ↑, V↑ → Gflash ↑ → Vg ↑↑

Tr=2%

Tr=0.2%

Tr=1%

Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%

Corso IFTS, Faenza 2006

Generazione del vapore di flash

1

0

1' 1''h=cost

T

S

P0

P1

T=cost P =costP =cost

Diagramma: Temperatura - Entropia

Gflash=V*(∆X/∆t)*ρl

V = volume di liquido∆X/ ∆t = variazione di titolo nell’unità di tempoρl = densità del liquido

Se (-∆P/∆t) ↑, V↑ → Gflash ↑ → Vg ↑↑

Corso IFTS, Faenza 2006

Generazione del vapore di flash

Corso IFTS, Faenza 2006

Massa di liquido trascinata (MTr)

dt)X(T1

)X(T)X(Gdt)X(T1

)X(TGdt)X(T1

)X(TGGdtGVr

rt

0

fr

rt

0

vr

rt

0

fv

t

0

aTr

tcos)t(V,tcos)t(,tcos)t(G lv Assumendo:

aT

ar

G)X(GG)X(T

)X(GG)X(G fvT , Gf = portata massica di vapore di flash in transitorioGv = portata massica di vapore a regimeGa = portata massica di liquido trascinato

MTr=

dt)X(T1

)X(TdtdXVdt

)X(T1)X(TG)t,X(V

r

rt

0

l

t

0r

rvTr

MTr=(X,t)=Gv x

Corso IFTS, Faenza 2006

tcosKdtdX

La massa di liquido trascinato è funzione del solo trascinamento

dt)X(T1

)X(TKVG)t,X(Vr

rt

0

lvTr

tcos f(X)

0.0012500.0012700.0012900.0013100.0013300.001350

0.0013700.0013900.0014100.0014300.001450

-0.35-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.050

Decremento di Pvs (bar)

Var

iazi

one

del t

itolo

X

Il decremento di pressione avviene secondo un gradiente Pvs/t costante

MTr

Massa di liquido trascinata (MTr)

Corso IFTS, Faenza 2006

ttK1lnK1dt1dt

tK11dt

tK1tK1dt

tK11dt

tK1tK

TT

t

0

t

0T

t

0T

Tt

0TT

Tt

0

ttK1ln

K1KVG)t,X(V T

TlvTr

dttK1

tKKVG)t,X(VT

Tt

0

lvTr

tcosK

dt)X(dT

T Assumendo: MTr

MTr

Massa di liquido trascinata (MTr)

Corso IFTS, Faenza 2006

Trascinamento: Separabilità delle goccioline

Ad>dld≤dl

dl = diametro limite di trascinamento

Valutazione delle dimensioni delle goccioline trascinate Sistema di separazione adatto

Corso IFTS, Faenza 2006

Trascinamento: Separabilità delle goccioline

Software di simulazione: TpSim

Trasporto di particelle liquide in sospensione

• velocità effettiva delle goccioline

• velocità effettiva del vapore

• perdita di carico della corrente di bifase

Simulazione effettuata per: - d = 50 μm- d = 150 μm- d = 312 μm

Condizioni di funzionamento in transitorio

Pvs = 2.5 bar(∆P/∆t)max= -0.3 bar/secGT = Gv + Gf = 400+1354 = 1754 kg/hTr=10%GT = portata di vapore totaleGv = portata di vapore a regimeGf = portata di vapore di flash in transitorio

Corso IFTS, Faenza 2006

Trascinamento: Separabilità delle goccioline

Simulazione 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

ocità

del

la p

artic

ella

di a

cqua

tras

cina

ta (m

/s)

0

1

2

3

4

5

6

7

Perd

ita d

i car

ico

del f

luss

o di

vap

ore

(mba

r)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

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

Distanza in verticale dalla superficie evaporante (m)

Vel

ocità

del

la p

artic

ella

di a

cqua

tras

cina

ta (m

/s)

0

1

2

3

4

5

6

7

Perd

ita d

i car

ico

del f

luss

o di

vap

ore

(mba

r)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

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

Distanza in verticale dalla superficie evaporante (m)

Vel

ocità

del

la p

artic

ella

di a

cqua

tras

cina

ta (m

/s)

0

1

2

3

4

5

6

7

Perd

ita d

i car

ico

del f

luss

o di

vap

ore

(mba

r)

d= 50 μm d= 150 μm d= 312 μm

Velocità delle goccioline

Velocità del flusso di vapore

Perdita di carico del flusso di vapore

Banda di variabilità della velocità della gocciolina

Corso IFTS, Faenza 2006

Sistema di regolazione antitrascinamento

Catena di misura

Trasduttore

PCScheda di

acquisizione dati

Attuatore

Fenomeno fisico PLC in alternativa

Condizionamento del segnale

Corso IFTS, Faenza 2006

Spurgo

Vapore generato

Vapore primario

PLC

SA

PC

Vv

PvsVE

VM

Legenda

VM =valvola regolata dall’utenteVE = attuatorePvs = trasduttore di pressioneVv = trasduttore di velocitàSA = scheda di acquisizione datiPC = personal computer

= PLC in alternativa di SA+PC

Sistema di regolazione antitrascinamento

Corso IFTS, Faenza 2006

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 (produzione di

vapore di flash)

Stato fisico 0 (condizione di regime)

Tr ≡ 10%

0

1

Vg (m

/s) Trascinamento

limite

Aumento di portata richiesta all’utenza

Sistema di regolazione antitrascinamento

L’obiettivo è evitare che, in condizioni di

transitorio, venga superata la curva limite

di trascinamento imposta

Tr=2%

Tr=0.2%

Tr=1%

Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%

Corso IFTS, Faenza 2006

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%

Stato fisico 1 (produzione di vapore di flash)

Stato fisico 0 (condizione di regime)

Tr ≡ 10%

0

1Soglia limite

Vg (m

/s)

Inizio regolazione (chiusura valvola)

Soglia limite di intervento = f (Pvs, Vg)

Sistema di regolazione antitrascinamento

Tr=2%

Tr=0.2%

Tr=1%Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%

Corso IFTS, Faenza 2006

Distanza della curva di set-point dalla curva limite

Funzione della velocità di reazione

del sistema

Sistema di regolazione antitrascinamento

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Vg

(m/s)

Tr = 10%

Stato fisico 1 (produzione di vapore di

flash)

Tr ≡ 10%

1

Soglia limite

Vg (m

/s)

Inizio regolazione (chiusura valvola)

Pvs (barg)

Vg (m

/s)

Tr=2%

Tr=1%

Tr=0.5%

Tr=5%

Tr=10%

Corso IFTS, Faenza 2006

Osservazioni conclusive

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

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