IT202000015013A1

IT202000015013A1 - Sistema valvolare a recupero di energia con valvola del tipo a flusso laterale, per la regolazione del flusso di fluido in una condotta

Info

Publication number: IT202000015013A1
Application number: IT102020000015013A
Authority: IT
Inventors: Stefano Malavasi
Original assignee: Milano Politecnico
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-12-23
Also published as: CA3188181A1; EP4168697A1; WO2021260509A1; US20230287859A1; CN115735074A

Description

TITOLO

?Sistema valvolare a recupero di energia con valvola del tipo a flusso laterale, per la regolazione del flusso di fluido in una condotta ?

DESCRIZIONE

Campo di applicazione dell?invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un sistema valvolare a recupero di energia con valvola del tipo a flusso laterale, per la regolazione del flusso di fluido in una condotta.

Stato della tecnica

Sono noti nella tecnica vari tipi di valvole per la regolazione del flusso di fluido in una condotta, che sono utilizzati come dispositivi di intercettazione in condotte, tipicamente in condotte in pressione.

Queste valvole consentono la chiusura selettiva della condotta a cui sono associate, per regolare il flusso di un fluido sia di tipo comprimibile, come gas o vapore, sia di tipo non comprimibile, come un liquido. A questo scopo, le valvole note comprendono un otturatore di forma opportuna, alloggiato in un?apposita sede posta all?interno della condotta.

In particolare sono note valvole del tipo a saracinesca, vale a dire del tipo a sviluppo sostanzialmente trasversale nella condotta: la saracinesca si muove trasversalmente nella condotta interrompendo parte del flusso di fluido in modo ?laterale? nella condotta stessa, nel senso che il fluido scorre solo nella parte laterale della condotta lasciata aperta dalla saracinesca.

L?efficacia di regolazione del flusso mediante dette valvole di tipo noto ? tuttavia scarsa. La regolazione della portata attraverso la valvola ? inaccurata, ed ? difficile stabilire con precisione la quantit? di fluido che effettivamente attraversa la valvola quando parzialmente chiusa. Inoltre questa, quando parzialmente chiusa per regolare il flusso di un fluido, introduce ingenti dissipazioni locali di energia all?interno del fluido stesso, energia che viene sostanzialmente persa. Queste dissipazioni comportano la riduzione dell?energia associata al fluido e quindi, a seconda delle condizioni al contorno, la riduzione della velocit? media del fluido, e pertanto una riduzione della portata, e/o una riduzione di pressione del fluido stesso. Tipicamente queste dissipazioni non rappresentano nessun beneficio energetico per il sistema in cui la valvola ? inserita.

Sommario dell?invenzione

Pertanto scopo della presente invenzione ? quello di proporre un sistema valvolare a recupero di energia con valvola del tipo a flusso laterale, per la regolazione del flusso di fluido in una condotta, migliorativa rispetto all?arte nota.

Oggetto della presente invenzione ? un sistema valvolare per la regolazione del flusso di fluido in una condotta, comprendente un corpo valvolare che racchiude una valvola del tipo a flusso laterale ed un rotore conformato sostanzialmente a turbina , nel seguito anche chiamato rotore oppure turbina, che permette il recupero di parte dell?energia che le valvole di regolazione dissipano per la regolazione stessa e che andrebbe comunque dissipata e persa.

La turbina ? posizionata a valle della valvola, nel senso di flusso del fluido, in una posizione che ? caratterizzata dalla presenza della vena contratta a valle della valvola stessa.

La zona di posizionamento della turbina ? determinata dalla valvola a monte e dalla sezione in cui avviene il completo recupero di pressione a valle della valvola; questa zona indicativamente pu? individuarsi in un intervallo di 5-6 diametri (di tubazione) ed ? funzionale anche all?apertura della valvola e delle condizioni fluidodinamiche.

L?asse di rotazione della turbina ? preferibilmente perpendicolare al flusso e alla direzione di chiusura dell?otturatore, su un piano parallelo alla direzione di chiusura della valvola e posto ad un?altezza variabile a seconda della forma della saracinesca/otturatore.

La turbina inoltre pu? essere contenuta completamente in una apposita sede del corpo valvolare che abbia le dimensioni uguali a quelle della condotta di valle o richiedere una sede di dimensioni differenti a seconda degli utilizzi e degli ingombri possibili.

Il corpo valvolare pu? essere in pezzo unico, contenente sia la valvola che la turbina, oppure pu? essere diviso in almeno due parti, una contenente la valvola, l?altra la turbina.

Nell?ambito della presente invenzione con il termine ?valvola del tipo a flusso laterale? si intende comprendere vari tipi di valvole a sviluppo sostanzialmente trasversale nella condotta, comprendenti un otturatore che ? in grado di muoversi sostanzialmente trasversalmente nella condotta interrompendo parte del flusso di fluido in modo ?laterale? nella condotta stessa, nel senso che il fluido scorre solo nella parte laterale della condotta lasciata aperta dall?otturatore. In esempi non limitativi dette valvole sono di tipo a ghigliottina o a saracinesca.

E? oggetto della presente invenzione un sistema valvolare per la regolazione del flusso di fluido in una condotta, comprendente:

un corpo valvolare atto ad essere inserito in una interruzione di detta condotta, e dotato di un ingresso e di un?uscita per il flusso di un fluido in detta condotta,

una valvola del tipo a flusso laterale, a sviluppo sostanzialmente trasversale nella condotta, posta in detto corpo valvolare a monte rispetto al flusso di fluido, detta valvola comprendendo un otturatore in grado di muoversi trasversalmente in detta condotta, interrompendo parte del flusso di fluido in modo ?laterale? in detta condotta,

mezzi di attuazione atti a muovere detto otturatore da una prima posizione di completa apertura di detta condotta, ad una seconda posizione di completa chiusura di detta condotta,

un rotore conformato sostanzialmente a turbina, posto all?interno del corpo valvolare a valle di detta valvola rispetto al flusso di fluido, detto rotore essendo posto ad una distanza da detta valvola compresa all?interno di una zona di recupero di pressione che detta valvola genera in assenza della turbina, detta distanza essendo individuata dal raggiungimento del tratto con piezometrica rettilinea e ad inclinazione costante della pressione a valle di detta valvola.

E? particolare oggetto della presente invenzione un sistema valvolare a recupero di energia con valvola del tipo a flusso laterale, per la regolazione del flusso di fluido in una condotta, come meglio descritto nelle rivendicazioni che formano parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti), e con riferimento ai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

- le Figure 1 e 2 rappresentano schematicamente una prima variante del sistema valvolare oggetto della presente invenzione in configurazione rispettivamente parzialmente aperta e chiusa;

- le Figure 3 e 4 rappresentano schematicamente una seconda variante del sistema valvolare oggetto della presente invenzione in configurazione rispettivamente parzialmente aperta e chiusa;

- la Figura 5 riporta gli andamenti qualitativi delle linee piezometriche medie del flusso di fluido in corrispondenza di una generica valvola a saracinesca ( linea tratteggiata) e della stessa valvola a cui a valle ? posizionato il sistema per il recupero di energia oggetto della presente invenzione (linea continua);

- le Figure 6 e 7 rappresentano schematicamente una prima ed una seconda variante di realizzazione del corpo valvolare del sistema valvolare oggetto della presente invenzione;

- le Figure 8 ? 11 rappresentano varianti realizzative della turbina del sistema valvolare oggetto della presente invenzione.

- la Figura 12 rappresenta una ulteriore variante comprendente un deflettore di flusso del fluido a monte della valvola.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

La Figura 1 illustra una vista schematica di un sistema valvolare 101 secondo la presente invenzione. Il sistema valvolare 101 comprende un corpo valvolare 102 provvisto di un ingresso 103 e di un?uscita 104, all?interno della condotta 105, che consentono il flusso di un fluido nella condotta stessa. Il sistema valvolare 101, in condizioni operative, pu? essere montato su di una opportuna interruzione della condotta 105, ad esempio facente parte di un impianto in pressione.

Il sistema valvolare 101 comprende nel corpo 102 una valvola 106 con otturatore 107, posta a monte nella condotta rispetto al verso di flusso del fluido, ed un rotore (o turbina) 111 a valle della valvola rispetto al verso di flusso del fluido.

Il corpo valvolare 102 ? inserito in un modo in s? noto in una opportuna interruzione della condotta, ed accoppiato a questa ad esempio tramite flange, o altro sistema in s? noto.

Come sopra detto, la valvola 106 ? del tipo ?a flusso laterale?, a sviluppo sostanzialmente trasversale nella condotta, e comprende un otturatore 107 che ? in grado di muoversi trasversalmente nella condotta interrompendo parte del flusso di fluido in modo ?laterale? nella condotta stessa, nel senso che il fluido scorre solo nella parte laterale della condotta lasciata aperta dall?otturatore (si vedano le linee di flusso del fluido ad esempio in figura 1).

La valvola ? di tipo noto in s?: pu? essere una saracinesca normale (soluzione economica), ad es. del tipo piatto, come una lama, a semiluna (con profilo lineare o curvo della lama ), o anche del tipo a sfera o semisfera. L?otturatore pu? essere ad esempio a saracinesca e/o ghigliottina. Altre forme sono possibili del tipo ?a flusso laterale?.

L?otturatore 107 ? collegato ad un attuatore 109 che ne comanda il movimento in apertura o chiusura totale o parziale. L?attuatore pu? essere meccanico, per esempio una manopola operabile da un utente, oppure pneumatico o elettromeccanico, e pu? essere realizzato in un modo in s? noto.

L?otturatore 107 ? tale da garantire la tenuta del fluido nella condotta per qualsiasi posizione dell?otturatore e qualsiasi tipo di fluido. Per realizzare tale tenuta si potranno impiegare elementi e tecniche note.

Il sistema valvolare 101 comprende ulteriormente un rotore conformato sostanzialmente a turbina, 111 fissato ad un albero 112 su cui ? atta a girare.

La turbina 111 ? atta a ruotare sotto l?azione del fluido passante attraverso la valvola 101, secondo modalit? che saranno descritte in maggior dettaglio nel seguito.

L?asse di rotazione 112 della turbina ? preferibilmente perpendicolare al flusso e alla direzione di chiusura dell?otturatore 107, su un piano parallelo alla direzione di chiusura della valvola e posto ad un?altezza variabile a seconda della forma della valvola.

La Figura 1 rappresenta schematicamente il sistema valvolare 101 in configurazione parzialmente aperta, consentendo il passaggio del fluido con una portata dipendente dall?apertura dell?otturatore 107.

La Figura 2 rappresenta schematicamente il sistema valvolare 101 in configurazione chiusa, impedendo sostanzialmente il passaggio del fluido attraverso la valvola. Non essendo possibile il flusso di fluido al rotore 111, esso rimane fermo e non viene generata potenza.

Come sopra descritto, il posizionamento della turbina a valle della valvola deve essere compreso all?interno della zona di recupero di pressione che la valvola in assenza della turbina genera ed ? comunemente compreso tra i 5-6 diametri di tubazione a valle della valvola stessa. L?identificazione di questa zona pu? essere fatta attraverso misure di pressione a valle della valvola che daranno in media un andamento della linea piezometrica qualitativamente descritto in figura 5. La distanza in questione ? individuata dal raggiungimento del tratto con piezometrica rettilinea e ad inclinazione costante della pressione a valle della valvola, tipica di un tubo rettilineo a diametro costante. Questa distanza pu? variare in funzione dell?apertura della valvola e delle condizioni di flusso, ad ogni modo si pu? assumere che in media il punto in cui si ha il completo recupero di pressione causato dalla valvola ? posizionato a 5-6 diametri di tubazione a valle della valvola stessa.

Pi? in particolare, con riferimento alla figura 5, si evidenziano schematicamente le linee di flusso del fluido e l?andamento della pressione del fluido nella condotta 105 in corrispondenza del sistema valvolare. In funzione della chiusura della valvola 106 si determina una variazione dell?andamento delle linee di flusso del fluido, come sopra descritto, che si comprimono sul lato lasciato libero dalla valvola, in corrispondenza di questa, per poi riespandersi a valle.

Dal punto di vista dell?andamento della pressione del fluido (fig.5), in corrispondenza della valvola 106 la pressione diminuisce fino ad un minimo Pmin a valle della valvola e la velocit? del fluido aumenta. Ancora pi? a valle la pressione recupera fino a raggiungere l?andamento lineare della pressione. La linea tratteggiata rappresenta l?andamento della pressione nel caso di assenza della turbina, mentre la linea continua rappresenta lo stesso andamento medio in presenza della turbina. La differenza tra le pressioni minime raggiunte (?P?) rappresenta schematicamente la quantit? di energia che la turbina ? in grado di recuperare senza influenzare significativamente l?energia complessiva dissipata nella regolazione rappresentata schematicamente dalla perdita di pressione (?P) imposta dalla valvola per regolare il flusso (in questo caso la pressione).

Vantaggiosamente e preferibilmente la turbina si posiziona nella zona di minimo di pressione. Una parte di energia ?P? (ricavata nella zona del minimo Pmin) viene recuperata dalla turbina, mentre il ?P a valle rimane invariato.

Quindi inizialmente si determina il valore di ?P a valle (abbassamento della pressione) che si vuole ottenere tramite il dimensionamento della valvola, ad esempio imponendo un determinato grado di chiusura della valvola stessa e un determinato valore di pressione di fluido. Inserendo la turbina nel punto di minimo di pressione (velocit? massima), la turbina ? in grado di portare via la parte di energia corrispondente al ?P?, cio? alla differenza nel minimo, che altrimenti andrebbe persa, indipendentemente dalla velocit? della turbina, mantenendo invariato il valore di ?P a valle.

Le dimensioni della parte del corpo valvolare comprendente la turbina possono essere indipendenti da quelle della parte valvolare, quindi uguali o diverse, consentendo un?ampia possibilit? di varianti realizzative, anche riferite alle dimensioni della turbina.

Nelle figure 3 e 4 ? rappresentata una variante del sistema valvolare, rispettivamente con valvola 106 parzialmente aperta e chiusa, con dimensioni maggiori della parte del corpo valvolare 102? comprendente la turbina, rispetto alle dimensioni della parte di corpo valvolare comprendente la valvola. Di conseguenza anche le dimensioni della turbina possono essere maggiori. Inoltre l?asse della turbina pu? essere disassato rispetto alla mezzeria della condotta. Vantaggiosamente pu? essere innalzato dalla parte dell?innesto della saracinesca della valvola. In questo modo, nel caso di completa apertura della valvola, la turbina pu? offrire minore resistenza al passaggio del fluido, oltre a consentire una pi? efficiente generazione di energia.

Con riferimento alle figure 6 e 7 sono possibili ulteriori varianti riferite al corpo valvolare 102. Esso pu? essere realizzato in pezzo unico (102, fig.6) comprendente sia la valvola che la turbina. Oppure esso pu? essere realizzato in due parti distinte (102a, 102b, fig. 7) connesse assieme, una parte comprendente la valvola, l?altra parte la turbina.

In questo modo ? possibile realizzare sia una nuova valvola con incorporata la turbina o prevedere un ?add-on? ad una valvola esistente. In questo secondo caso, si ottengono vantaggi considerevoli per una serie di applicazioni in cui non ? possibile sostituire la tipologia di valvola, offrendo la possibilit? di inserire solamente la turbina che diventa un ?add-on? di una valvola esistente, integrandosi con essa e dandole nuove possibilit? di utilizzo. Inoltre estendere la tipologia di valvole per le quali ? possibile prevedere un recupero di energia estende la possibilit? del recupero di energia nei processi fluidodinamici.

L?albero 112 presenta un?estremit? che protrude dal corpo valvolare 102. L?estremit? protrudente dell?albero 112 ? preferibilmente connessa ad un?utenza 114. L?utenza 114 ? atta ad utilizzare la potenza meccanica fornita dall?albero 112 grazie alla rotazione del rotore 111.

L?utenza 114 pu? quindi essere un generatore elettrico, od un?utenza meccanica quale per esempio una ventola. L?utenza 114 pu? ulteriormente comprendere innesti o riduzioni di trasmissione di tipo noto, non rappresentati per semplicit?.

In funzione delle varie condizioni di utilizzo, pu? essere previsto un deflettore 121 a monte della valvola, inserito nella parte dell?innesto 120 dell?otturatore della valvola (figura 12). Il deflettore pu? essere una semplice piastra ancorata e saldata ad un supporto, o avere forme pi? aero-fluidodinamicamente efficienti. Il deflettore contribuisce ad evitare dissipazioni concentrate sul bordo 108 della saracinesca. In questo modo, si aumenta la capacit? di produzione di energia in condizioni di valvola completamente aperta o quasi completamente aperta.

Un sistema valvolare secondo la presente invenzione pu? comprendere un rotore conformato sostanzialmente a turbina realizzato secondo diverse soluzioni costruttive ed in forme diverse, dipendenti sostanzialmente dal tipo di impiego della valvola stessa.

Primariamente, la forma di realizzazione del rotore dipender? dalla tipologia di fluido per la quale la valvola ? ottimizzata, sia che sia tratti di gas, liquidi, vapore o di altro fluido multifase.

Tale diversificazione ? legata anche alla specifica tipologia di liquido, variando per esempio con la viscosit? o densit? del liquido stesso. Per esempio, per lavorare con petrolio anzich? con acqua, si richiederanno caratteristiche diverse della valvola, come un maggior coefficiente di flusso della valvola, per privilegiare una maggiore portata, oppure le pale del rotore dovranno essere atte ad auto-pulirsi.

La Figura 8 illustra una possibile forma di realizzazione del rotore 111, inserito sull?albero 112. Il rotore 111 comprende quattro pale 201 che, sotto l?azione del flusso del fluido transitante attraverso la valvola 101, sono atte a girare e produrre una coppia che trascini l?albero 111 stesso.

Preferibilmente, le pale del rotore sono ricurve verso la direzione di ingresso del flusso di fluido, cos? da migliorare l?efficienza del rotore, e facilitare la fase di avvio del rotore stesso. Inoltre preferibilmente le pale del rotore 111 sono di dimensioni tali da occupare la massima parte possibile della sezione della condotta.

La Figura 9 rappresenta un?ulteriore forma di realizzazione di un rotore 901 utilizzabile in una valvola di regolazione secondo la presente invenzione. Il rotore 901, in questa variante, comprende quattro pale che, sotto l?azione del flusso del fluido transitante attraverso la valvola, sono atte a girare e produrre una coppia che trascini l?albero 112.

Il rotore 901 comprende una pluralit? di fori 902, che aumentano la superficie di passaggio del fluido ed il coefficiente di flusso del fluido stesso.

I fori 902 sono preferibilmente inseriti in prossimit? dell?asse di rotazione del rotore 902, in modo che le parti pi? esterne delle pale, che hanno quindi pi? braccio, continuino a lavorare producendo una maggior potenza.

? possibile concepire ulteriori varianti del rotore, differenti essenzialmente nel numero e nella forma delle pale.

La Figura 10 illustra schematicamente una valvola 101b comprendente un rotore 111b comprendente tre pale, adatto preferibilmente all?impiego con liquidi molto viscosi.

La Figura 11 illustra schematicamente una valvola 101c comprendente un rotore 111c comprendente dieci pale, adatto preferibilmente all?impiego con gas.

Le pale, altres?, potrebbero essere piane, per esempio qualora l?economia di realizzazione del rotore giustifichi questa scelta.

Un sistema valvolare secondo la presente invenzione consente quindi di recuperare almeno una parte dell?energia dissipata dal fluido che lo attraversa. L?energia recuperata sar? funzione dell?apertura della valvola, ovvero dell?angolo di rotazione dell?otturatore, ed inoltre del rendimento della turbina .

Sono possibili ulteriori varianti realizzative agli esempi non limitativi descritti, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Sistema valvolare per la regolazione del flusso di fluido in una condotta, comprendente:

un corpo valvolare (102) atto ad essere inserito in una interruzione di detta condotta, e dotato di un ingresso (103) e di un?uscita (104) per il flusso di un fluido in detta condotta, una valvola del tipo a flusso laterale (106), a sviluppo sostanzialmente trasversale nella condotta, posta in detto corpo valvolare (102) a monte rispetto al flusso di fluido, detta valvola comprendendo un otturatore (107) in grado di muoversi trasversalmente in detta condotta, interrompendo parte del flusso di fluido in modo ?laterale? in detta condotta,

mezzi di attuazione (109) atti a muovere detto otturatore da una prima posizione di completa apertura di detta condotta, ad una seconda posizione di completa chiusura di detta condotta,

un rotore conformato sostanzialmente a turbina (111), posto all?interno del corpo valvolare (102) a valle di detto otturatore (107) rispetto al flusso di fluido, detto rotore essendo posto ad una distanza da detto otturatore compresa all?interno di una zona di recupero di pressione che detta valvola genera in assenza della turbina, detta distanza essendo individuata dal raggiungimento del tratto con piezometrica rettilinea e ad inclinazione costante della pressione a valle di detta valvola.

2. Sistema valvolare come nella rivendicazione 1, in cui detta valvola del tipo a flusso laterale (106) ? una saracinesca del tipo piatto, conformata a lama, oppure a semiluna con profilo lineare o curvo della lama, o del tipo a sfera o semisfera, detto otturatore (107)

3. Sistema valvolare come nella rivendicazione 1 o 2, in cui detto otturatore ? a saracinesca e/o ghigliottina.

4. Sistema valvolare come nella rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui detto rotore (111) ? dotato di asse di rotazione (112) perpendicolare al flusso di fluido nella condotta e alla direzione di chiusura di detto otturatore (107).

5. Sistema valvolare come nella rivendicazione 4, in cui detto asse di rotazione (112) del rotore (111) fuoriesce da detto corpo valvolare (102) ed ? atto ad essere connesso ad un?utenza (114) di utilizzazione dell?energia di rotazione del rotore.

6. Sistema valvolare come nella rivendicazione 1, in cui detto rotore (111) ? posto in un punto di minimo di valore di pressione all?interno di detta zona di recupero di pressione.

7. Sistema valvolare per la regolazione del flusso di fluido in una condotta come nella rivendicazione 1, in cui detto rotore (111) comprende una pluralit? di pale (201) sostanzialmente trasversali ad un flusso di detto fluido passante e fissate a detto albero (112),

8. Sistema valvolare come nella rivendicazione 7, in cui dette pale (201) del rotore sono ricurve verso la direzione di ingresso del flusso di fluido nel sistema valvolare.

9. Sistema valvolare come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo valvolare (102) ? in pezzo unico, oppure in due parti distinte (102a, 102b) connesse assieme, una prima parte comprendente detta valvola, una seconda parte detto rotore, detta seconda parte potendo essere di dimensioni diverse da detta prima parte.

10. Sistema valvolare come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente un elemento deflettore (602) posizionato a monte di detta valvola (106) in una zona di innesto dell?otturatore (107), detto elemento deflettore essendo atto ad interagire fluidodinamicamente con un flusso di detto fluido.