IT201800006416A1 - “metodo per controllare la generazione di gas” - Google Patents

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Description

“METODO PER CONTROLLARE LA GENERAZIONE DI GAS”
DESCRIZIONE
L'invenzione si riferisce ad un metodo per controllare la generazione di gas che avviene tramite una membrana filtrante atta a separare componenti gassose presenti in un gas.
L'invenzione si riferisce anche ad un generatore di gas comprendente una membrana filtrante atta a separare componenti gassose di un gas.
Sono noti generatori di gas dotati di una membrana filtrante atta a separare selettivamente componenti gassose. Immettendo un gas all’ingresso della membrana all’uscita si ritrova un gas cui sono stati sottratti delle componenti gassose. Pertanto nel gas in uscita, se la membrana elimina a dovere le componenti indesiderate, rimane solo una componente gassosa desiderata.
Questi generatori, normalmente, sono alimentati da un compressore a pistoni controllato con logica ON/OFF. A causa di ciò la pressione in uscita dalla sezione compressore presenta una forte ondulazione, ovvero una successione di picchi molto alti rispetto ai ventri. La membrana a valle del compressore lavora però di fatto sulla pressione minima erogata dal compressore, pertanto l’ondulazione di pressione spreca energia e crea stress meccanici sul compressore che ne accorciano in modo significativo la vita utile. Inoltre, le membrane cominciano ad avere un’efficienza accettabile solo oltre un certo valore di portata di gas in ingresso, il che costringe a far lavorare il compressore al di sopra di un certo regime. Ancora una volta questo vincolo si traduce in un regime elevato di lavoro per il compressore, da cui gli svantaggi suddetti.
Ovviare a uno o più di questi problemi è lo scopo dell'invenzione, la quale è definita nelle allegate rivendicazioni, in cui quelle dipendenti definiscono varianti vantaggiose.
Un aspetto dell’invenzione è un metodo per controllare la generazione di gas che avviene tramite una membrana filtrante,
la membrana filtrante essendo
alimentata in ingresso con un gas spinto da un compressore, e
in grado di separare in uscita componenti gassose del gas, e
con le fasi di rilevare la pressione del gas in un punto di rilevazione all’ingresso e/o all’uscita della membrana;
regolare il regime del compressore in modo che la pressione rilevata sia mantenuta ad una pressione di riferimento, qui detta Pref1.
In particolare la suddetta regolazione è un controllo elettronico in retroazione.
Poiché la pressione all’ingresso e/o all’uscita della membrana rimane costante o circa costante, si può scegliere il punto di lavoro ottimale per la membrana e, di conseguenza, soprattutto per il compressore, il quale, lavorando ad una pressione più bassa, consuma e si usura meno, sprecando anche meno energia e producendo meno calore.
Il punto di lavoro del compressore è regolato con continuità, controllando ad es. elettronicamente i giri di un suo motore, in particolare tramite un inverter di potenza, ovvero senza funzionamento intermittente (durante la suddetta regolazione della pressione il compressore resta sempre acceso).
Come variante preferita, si rileva la pressione del gas all’uscita della membrana a valle di detto punto di rilevazione e si regola la pressione del gas a valle di detto punto di rilevazione ad un valore di pressione Pref2 che è minore di Pref1, ad es. tramite il controllo di una valvola inserita nel cammino del gas.
In questo modo la pressione del gas che attraversa la membrana può essere maggiore di quella richiesta all’uscita del generatore, col vantaggio di poter controllare la purezza del gas in uscita dalla membrana ed erogata dal generatore indipendentemente dalla pressione di lavoro della membrana. La suddetta purezza è proporzionale alla pressione del gas in ingresso della membrana o alla pressione di lavoro della membrana.
Come variante preferita, vi è la fase di calcolare o regolare il valore Pref1 per determinare un grado di purezza del gas in uscita dalla membrana, e calcolare o regolare il valore Pref2 per ottenere una desiderata pressione del gas erogato dal generatore.
Ciò consente all’utente del generatore di regolare nel gas in uscita il grado di purezza del gas e la pressione del gas.
In particolare, si calcola o regola il valore Pref1 contemporaneamente alla fase di calcolare o regolare il valore Pref2. Ciò rende i due controlli indipendenti e disponibili all’utente. Si noti che l’impostazione dei riferimenti di pressione Pref1 e Pref2, ancorché indipendente, mantiene i vantaggi di minima sollecitazione e consumo per il compressore.
Come fase preferita, si misura la portata di gas all’uscita della membrana e in dipendenza dalla portata misurata si regola la pressione del gas in ingresso alla membrana e/o si regola il regime del compressore. Ciò consente di massimizzare l’efficienza della membrana, che ha efficienza nulla a basse portate (a basse portate il gas filtrato in uscita è in pratica assente). L’obiettivo è impostare un valore di pressione all’ingresso della membrana che garantisce una determinata efficienza.
Come fase preferita, si alimenta la membrana con una portata di gas maggiore di quanto richiesto in uscita del generatore e si accumula l’eccesso di gas in un serbatoio. Il vantaggio è far lavorare la membrana ad un regime di maggiore efficienza, qualora il regime nominale, corrispondente all’erogazione richiesta in uscita dal generatore, fosse troppo inefficiente. La portata maggiore processata dalla membrana viene suddivisa nella portata nominale da inviare all’uscita del generatore e nell’eccesso da immagazzinare nel serbatoio.
Un altro aspetto dell’invenzione riguarda
un generatore di gas comprendente
una membrana filtrante in grado di separare in uscita componenti gassose di un gas in ingresso, un compressore per alimentare l’ingresso della membrana filtrante con un flusso di gas,
un (primo) sensore di pressione per rilevare la pressione del gas in un punto di rilevazione all’ingresso e/o all’uscita della membrana,
un circuito elettronico, ad es. a microprocessore, collegato al (primo) sensore e al compressore per regolare il regime del compressore in modo che la pressione rilevata dal sensore sia mantenuta ad una pressione di riferimento, qui detta Pref1.
In particolare, il circuito elettronico esegue la suddetta regolazione tramite un controllo elettronico in retroazione.
Il suddetto generatore è vantaggiosamente in grado di eseguire il metodo.
Preferibilmente il compressore comprende un motore e un inverter di potenza, tramite il quale detto circuito elettronico può controllare il regime del compressore.
Come variante preferita, il generatore comprende
un secondo sensore di pressione di gas all’uscita della membrana, posto a valle di detto primo sensore di pressione e collegato col circuito elettronico, e
un elemento regolatore di pressione posto a valle di detto secondo sensore di pressione e collegato col circuito elettronico.
Il circuito elettronico è configurato per monitorare il secondo sensore e pilotare il regolatore in modo che la pressione del gas a valle di detto secondo sensore sia mantenuta ad un valore di pressione Pref2 che è minore di Pref1.
Ad es. l’elemento regolatore di pressione comprende o è costituito da una valvola inserita nel cammino del gas.
Come variante preferita, il circuito elettronico è configurato per calcolare o regolare il valore Pref1 per determinare un grado di purezza del gas in uscita dalla membrana, e calcolare o regolare il valore Pref2 per ottenere una desiderata pressione del gas erogato dal generatore.
In particolare, il circuito elettronico è configurato per calcolare o regolare il valore Pref1 contemporaneamente alla calcolo o regolazione del valore Pref2.
Come variante preferita, il generatore comprende un misuratore di portata di gas all’uscita della membrana e il circuito elettronico è configurato per regolare, in dipendenza dalla portata misurata, la pressione del gas in ingresso alla membrana e/o il regime del compressore.
Come variante preferita, il generatore comprende un serbatoio per accumulare un eccesso di gas in uscita dalla membrana. Il circuito elettronico è preferibilmente configurato per alimentare la membrana con una portata di gas maggiore di quanto richiesto in uscita del generatore, in modo da generare un eccesso di gas da immagazzinare nel serbatoio.
I vantaggi suddetti si ottengono generalmente per un compressore di qualsiasi tipo. Per ottima efficienza, preferibilmente il compressore è un compressore a spirale (scroll), ovvero un compressore che comprende due alette a spirale una dentro l'altra, di cui una fissa e una con movimento planetario senza rotazione, in modo da comprimere il gas. In seguito al loro movimento reciproco le due spirali intrappolano e pompano o comprimono sacche di fluido che si formano grazie al movimento relativo.
Il compressore può essere anche un compressore a pistone.
Preferibilmente il compressore è controllato elettronicamente mediante inverter elettronico.
La membrana filtrante è preferibilmente costituita da un pacco di tubicini paralleli lungo i quali viene fatto fluire il gas in ingresso.
Il metodo e il generatore sono particolarmente vantaggiosi per la produzione di azoto (N2) o ossigeno (O2) filtrando aria ambientale con la membrana.
I vantaggi dell’invenzione saranno più chiari dalla seguente descrizione di una preferita forma realizzativa di generatore di gas, riferimento facendo all’allegato disegno in cui
● Fig.1 mostra uno schema di un apparato generatore di gas,
● Fig.2 mostra una variante di schema per l’apparato generatore di gas.
Nelle figure numeri uguali indicano parti uguali, e per non affollare i disegni qualche parte non è contrassegnata da numeri.
Un apparato MC per generare ad un’uscita O dell’azoto gassoso (N2) da aria atmosferica è mostrato in fig.1.
L’apparato MC comprende una membrana filtrante M che viene alimentata in ingresso con aria ambientale spinta da un compressore C. Le frecce aperte indicano un flusso di gas.
La membrana M separa in uscita l’azoto gassoso dalle altre componenti gassose, le quali vengono disperse nell’ambiente.
In ingresso e/o uscita della membrana M è presente un sensore di pressione – rispettivamente – SP1. SP1b per rilevare la pressione del gas in ingresso e/o uscita della membrana M.
A valle del sensore SP1b è presente
un (opzionale) sensore di flusso SF, per rilevare la portata di gas in uscita dalla membrana M, e seguito da una valvola V, ad es. una valvola proporzionale.
A valle della valvola proporzionale V è presente un sensore di pressione SP2 per rilevare la pressione del gas erogato all’uscita O.
I sensori SP1. SP1b, SP2, SF, e la valvola V sono montati in serie sul condotto che porta il gas filtrato dall’uscita della membrana M all’uscita O.
Una centralina elettronica U è collegata ai sensori SP1. SP1b, SP2, SF per leggerne i valori rilevati, ed è collegata alla valvola V e al compressore C per controllarne il funzionamento. Linee di segnale sono indicate da frecce piene il cui verso indica la direzione dei segnali.
Preferibilmente la centralina elettronica U è collegata anche ad un’interfaccia utente D, come un display e/o un touch-screen. Con l’interfaccia utente D l’operatore può programmare la centralina elettronica U per impostare la portata (pressione) del gas in uscita dal generatore MC e la purezza del gas generato.
Secondo una variante preferita, la centralina elettronica U rileva il valore della pressione rilevata dai sensori SP1 e/o SP1b, e regola il regime del compressore C in modo da mantenere tale valore rilevato ad un valore di riferimento (detto Pref1).
Così facendo la pressione Pref1 con cui si alimenta la membrana M è costante o quasi, e coincide con la pressione di lavoro del compressore.
Dato che Pref1 è il valore minimo (senza ondulazione) tra quelli che garantiscono il funzionamento della membrana M ad una certa pressione, il compressore C lavora ad un regime ottimale, cioè quello che lo fa usurare di meno a parità di pressione di lavoro sulla membrana M.
Secondo una seconda variante preferita, alternativa o combinabile con la prima variante, la centralina elettronica U rileva il valore della pressione rilevata dal sensore SP2 e regola la valvola V in modo da mantenere tale valore rilevato ad un valore di riferimento detto Pref2 che è minore di Pref1.
Così facendo la pressione Pref2 con cui si eroga il gas all’uscita del generatore MC è costante o quasi. Associando le due varianti si può implementare un controllo vantaggioso e più sofisticato, imponendo valori diversi per Pref1 e Pref2, cioè Pref1 > Pref2.
Tramite il valore Pref1 si può regolare la purezza del gas in uscita dalla membrana M, perché tale purezza dipende circa proporzionalmente dalla pressione di lavoro della membrana M. Tramite il valore Pref2 si regola la pressione del gas in uscita dall’apparato MC. Si ha Pref1 > Pref2 perché questa è la condizione per elevare la purezza del gas generato all’uscita O a parità di valore impostato Pref2.
Ancora, per qualsiasi valore di purezza desiderato all’uscita O, il compressore C lavora al regime minimo che garantisce tale purezza, coi vantaggi detti prima di longevità e minor consumo.
Preferibilmente la regolazione della centralina U avviene tramite un controllo in retroazione.
Il sensore di flusso SF consente una vantaggiosa variante di funzionamento.
La centralina U è programmata per rilevare col sensore SF la portata di gas all’uscita della membrana M e in dipendenza dalla portata misurata:
regolare la pressione Pref1 del gas in ingresso e/o uscita alla membrana M regolando il regime del compressore C (in tal modo, si massimizza l’efficienza della membrana M, che ha efficienza nulla a basse portate. Invece si può impostare un valore di pressione all’ingresso della membrana M che garantisce una determinata efficienza, e/o
spegnere il compressore C se il flusso rilevato è zero o quasi zero, per non sprecare energia.
Fig.2 mostra un apparato MC2 più sofisticato.
L’apparato MC2 illustra rispetto all’apparato MC alcuni componenti in più, da usare da soli o in qualsiasi combinazione.
C’è una valvola di non ritorno VR all’uscita della membrana M, per evitare riflussi o contropressioni. C’è un opzionale serbatoio T1 a valle della valvola VR,
utile all’accumulo dell’azoto quando il flusso richiesto in uscita è inferiore ad una certa soglia che farebbe lavorare a bassa efficienza energetica la membrana e di conseguenza l’intero generatore. In questo caso la centralina U è programmata per controllare il compressore C in modo da aumentare la pressione nella membrana M, ad es. a soglie predefinite, per accumulare il gas nel serbatoio T1. mentre la valvola proporzionale V è controllata dalla centralina U per mantenere la pressione costante all’uscita O. Una volta accumulata una sufficiente quantità di gas nel serbatoio T1, la centralina U spegne il compressore C e lo riaccenderà una volta che la pressione del serbatoio T1 scende sotto una soglia (allo scopo la centralina U ad es. monitora un sensore di pressione che misura la pressione dentro al serbatoio T1).
C’è un opzionale serbatoio T2 in parallelo all’uscita O, che serve per immagazzinare un eccesso di gas filtrato quando, per massimizzare l’efficienza, la membrana M lavora ad una portata maggiore di quanto erogato all’uscita O. Quando il serbatoio T2 è pieno la centralina U ad es. è programmata per spegnere il compressore C, per risparmiare energia, finchè il serbatoio T2 erogando gas all’uscita O è vuoto o non ha più pressione sufficiente.
Preferibilmente la centralina U comprende un microprocessore programmato per eseguire le funzioni descritte. La centralina U può anche essere costruita solo con componenti discreti per realizzare la logica di funzionamento.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per controllare la generazione di gas che avviene in un generatore tramite una membrana filtrante (M), la membrana filtrante (M) essendo alimentata in ingresso con un gas spinto da un compressore (C), e in grado di separare in uscita componenti gassose del gas; con le fasi di rilevare la pressione del gas in un punto di rilevazione (SP1) all’ingresso e/o all’uscita della membrana (M); regolare il regime del compressore (C) in modo che la pressione rilevata sia mantenuta ad una pressione di riferimento, qui detta Pref1.
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la membrana filtrante (M) è costituita da un pacco di tubicini paralleli lungo i quali viene fatto fluire il gas in ingresso.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui si rileva (SP2) la pressione del gas all’uscita della membrana (M) a valle di detto punto di rilevazione (SP1) e si regola la pressione del gas a valle di detto punto di rilevazione (SP1) ad un valore di pressione, detto Pref2, che è minore di Pref1 .
  4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui si calcola o regola il valore Pref1 per determinare un grado di purezza del gas in uscita dalla membrana (M), e si calcola o regola il valore Pref2 per ottenere una desiderata pressione del gas erogato dal generatore.
  5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3 o 4, in cui si misura la portata di gas all’uscita della membrana (M) e in dipendenza dalla portata misurata si regola la pressione del gas in ingresso alla membrana (M) o si regola il regime del compressore (C).
  6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3 o 4 o 5, in cui si alimenta la membrana (M) con una portata di gas maggiore di quanto richiesto in uscita del generatore e si accumula un eccesso di gas in un serbatoio (T1).
  7. 7. Generatore di gas (MC) comprendente una membrana filtrante (M) in grado di separare in uscita componenti gassose di un gas in ingresso, un compressore (C) per alimentare l’ingresso della membrana filtrante (M) con un flusso di gas, un primo sensore di pressione (SP1) per rilevare la pressione del gas in un punto di rilevazione all’ingresso e/o all’uscita della membrana (M), un circuito elettronico (U) collegato al primo sensore (SP1) e al compressore (C) per regolare il regime del compressore (C) in modo che la pressione rilevata dal primo sensore (SP1) sia mantenuta ad una pressione di riferimento, qui detta Pref1.
  8. 8. Generatore (MC) secondo la rivendicazione 7, in cui il compressore (C) comprende un motore e un inverter di potenza, tramite il quale detto circuito elettronico può controllare il regime del compressore.
  9. 9. Generatore (MC) secondo la rivendicazione 7 o 8, comprendente un secondo sensore di pressione (SP2) di gas all’uscita della membrana (M), posto a valle di detto primo sensore di pressione (SP1) e collegato col circuito elettronico (U), e un elemento regolatore di pressione (V) posto a valle di detto secondo sensore di pressione (SP2) e collegato col circuito elettronico (U), il circuito elettronico (U) essendo configurato per monitorare il secondo sensore (SP2) e pilotare l’elemento regolatore (V) in modo che la pressione del gas a valle di detto secondo sensore (SP2) sia mantenuta ad un valore di pressione Pref2 che è minore di Pref1.
  10. 10. Generatore (MC) secondo la rivendicazione 7 o 8 o 9, comprendente un serbatoio (T1) per accumulare un eccesso di gas in uscita dalla membrana (M), e il circuito elettronico (U) è configurato per alimentare la membrana con una portata di gas maggiore di quanto richiesto in uscita del generatore (MC), in modo da generare un eccesso di gas da immagazzinare nel serbatoio (T1).
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