ITBS20090186A1 - Metodo e sistema di protezione contro la presenza di frazioni volatili in circuiti di olio diatermico - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:
“METODO E SISTEMA DI PROTEZIONE CONTRO LA PRESENZA DI
FRAZIONI VOLATILI IN CIRCUITI DI OLIO DIATERMICOâ€
Campo dell’Invenzione
La presente invenzione riguarda, in generale, i processi o impianti utilizzanti un olio diatermico come vettore di calore e di scambio termico con altro fluido termovettore, e si riferisce, in particolare, ad un metodo ed un sistema rivolti ad evidenziare un’eventuale contaminazione dell’olio diatermico con composti che possono pervenire nell’olio durante il suo passaggio in scambiatori di calore e che siano caratterizzati dalla proprietà di accrescere la tensione di vapore dell’olio e siano quindi in grado in determinate condizioni di causare una cavitazione nelle pompe preposte alla circolazione dell’olio stesso. Più particolarmente ancora, l’invenzione à ̈ applicabile ad un gruppo di scambio termico fra un olio diatermico ed un fluido di lavoro nella sezione di introduzione di calore in cicli di potenza ORC (Organic Rankine Cycle), che utilizzano appunto, come sorgente di calore, olio diatermico o altro vettore liquido similare come sorgente di calore.
Stato della Tecnica
Gli oli diatermici sono largamente utilizzati nell’industria quale vettore di calore e si caratterizzano per il fatto di avere una tensione di vapore alla temperatura di impiego piuttosto modesta, sovente inferiore alla pressione atmosferica. Spesso à ̈ proprio questa loro caratteristica che li fa preferire rispetto ad altri vettori, come ad esempio il vapore d'acqua, e che consente di mantenere una pressione modesta, tipicamente dell’ordine di 3-6 bar, all’interno di un riscaldatore nel quale l’olio viene ad essere riscaldato. E’ il caso, in particolare, dei turbogeneratori ORC utilizzanti come riscaldatore per il riscaldamento dell’olio diatermico una caldaia alimentata da biomassa o rifiuti, flussi di gas ad alta temperatura provenienti da processi industriali, la concentrazione della radiazione del sole in collettori solari o altre sorgenti di calore.
A titolo indicativo, un impianto ORC secondo lo stato della tecnica comprende essenzialmente, come rappresentato, per esempio, schematicamente nella Fig. 1 dei disegni allegati:
un riscaldatore 10,
un circuito primario 11 percorso da un fluido vettore posto in circolazione mediante almeno una pompa di ricircolo principale 11’ ed un’eventuale pompa supplementare 11†,
un gruppo di scambio termico con uno o più scambiatori di calore 12, 13 tra il fluido vettore ed un fluido di lavoro posto in circolazione in un relativo circuito di lavoro 18 mediante almeno una relativa pompa 19, di preferenza organico,
un turbogeneratore 14 alimentato dal fluido di lavoro e seguito in genere da
un rigeneratore 15, e
un gruppo condensatore 16.
Il riscaldatore 10 può essere costituito da una qualsiasi sorgente termica del genere sopra riferito e provvede a riscaldare il fluido vettore veicolato nel circuito primario 11. Questo fluido vettore à ̈ di preferenza un olio diatermico, anche se non sono da escludersi altri fluidi adatti, come acqua liquida, sale fuso paraffina fusa o simili, che possano essere utilizzati a pressione modesta e comunque inferiore rispetto a quella del fluido lavoro alimentante il turbogeneratore.
L’olio diatermico riscaldato percorre le linee di andata 11a e ritorno 11r del relativo circuito primario 11 attraversando gli scambiatori di calore 12, 13. Ove richiesto, la sua portata verso il gruppo di scambio termico può essere regolata per deviazione da una linea di andata alla linea di ritorno attraverso un valvola a tre vie 17.
D’altra parte il fluido di lavoro à ̈ veicolato in un rispettivo circuito di lavoro 18 a mezzo di almeno una pompa 19 per attraversare gli scambiatori di calore 12, 13, dove viene ad essere riscaldato da quest’ultimo fino alla sua evaporazione così da generare un vapore per l’alimentazione del gruppo turbogeneratore 14.
Nello schema in Fig. 1 gli scambiatori di calore rappresentano rispettivamente un evaporatore 12 ed un preriscaldatore 13.
Il turbogeneratore 14 include una turbina 20 che può essere connessa ad un generatore di energia elettrica 21 o ad un’uscita di potenza meccanica.
Il vapore che esce dalla turbina 20 à ̈ fatto passare usualmente nel rigeneratore 15, nel quale à ̈ possibile recuperare il contenuto termico del vapore per un preriscaldo del fluido di lavoro, e in successione nel gruppo condensatore 16 per riportare il fluido di lavoro allo stato liquido prima del suo ritorno al gruppo di scambio termico 12, 13 mediante la pompa 19.
Tuttavia, nel funzionamento reale di tali impianti può verificarsi un aumento della tensione di vapore dell’olio diatermico ad una temperatura assegnata, qualora nell’olio diatermico, oltre ai componenti corrispondenti alla sua formulazione iniziale, vengono ad essere presenti anche altri componenti che entrano accidentalmente nel circuito di olio, quali acqua o composti organici più volatili dell'olio stesso o sostanze incondensabili, presenti in un processo di scambio di calore tra l’olio diatermico ed un altro vettore. Il cambiamento della tensione di vapore può risultare assai dannoso per la parte di impianto a monte del circuito ORC, in quanto può essere causa, ad esempio, di fenomeni di cavitazione nelle pompe di circolazione, che oltre a danneggiarle possono addirittura portare all'arresto della circolazione del fluido con gravi conseguenze, come ad esempio cracking dell’olio nei tubi del riscaldatore.
In effetti, durante il funzionamento la pressione nel circuito di olio diatermico primario, imposta peraltro dalle caratteristiche del riscaldatore, à ̈ abitualmente inferiore (tipicamente di alcuni bar) alla pressione del fluido di lavoro negli scambiatori di calore. Perciò, un’eventuale non perfetta tenuta in questi scambiatori, ad esempio per cedimento localizzato dei raccordi o delle saldature, diventa causa di perdite e di un passaggio di fluido di lavoro dal circuito ORC al circuito di olio diatermico primario, specialmente nei punti più critici dove la differenza tra le pressioni del fluido di lavoro da una parte e l’olio diatermico dall’altra risulta essere maggiore. Allora, un accumularsi di fluido di lavoro nell’olio diatermico rischia di creare i problemi e danni sopra indicati.
Scopi e Sommario dell’Invenzione
Uno scopo della presente invenzione à ̈ di creare le condizioni per impedire o quanto meno rendere molto improbabile, che l’ingresso di fluidi estranei nell’olio diatermico durante il processo di scambio termico con un altro fluido passi inosservato e sia causa di un progressivo accumulo di frazioni volatili o sostanze incondensabili, fino al raggiungimento di livelli di contaminazione che risultino rischiosi per l'impianto stesso.
Un altro scopo dell’invenzione à ̈ di proporre un metodo e un sistema in grado di segnalare in anticipo il rischio di cavitazione della o delle pompe di ricircolo dell’olio diatermico in un relativo circuito così da poter intervenire convenientemente per prevenire l’innesco della cavitazione stessa e salvaguardare quindi integrità e corretta funzionalità dell’impianto.
Tali scopi e gli impliciti vantaggi che ne derivano sono raggiunti, in accordo con l’invenzione, con un metodo per proteggere un circuito di olio diatermico primario includente una o più pompe di ricircolo principali da una presenza di contaminanti volatili e/o incondensabili, che possono causare fenomeni di cavitazione in dette pompe, secondo la rivendicazione 1, e con un sistema per l’attuazione di un tale metodo secondo la rivendicazione 8.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose dell’invenzione sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti.
In sintesi, l’invenzione consiste:
nel derivare dal circuito primario un flusso di olio diatermico facendolo passare, a mezzo di una pompa ausiliaria, in un circuito ausiliario, ad una pressione ridotta, rispetto alla pressione dell’olio diatermico nel circuito primario, ad un valore eccedente la pressione di cavitazione quando l’olio diatermico non à ̈ contaminato da sostanze volatili e/o incondensabili, ma inferiore ad un valore di pressione in grado di causare una cavitazione con olio contaminato da sostanze volatili e/o incondensabili, e
nel monitorare l’assenza di cavitazione, come condizione di una presenza di contaminanti volatili e/o incondensabili nel flusso di olio diatermico derivato in misura inferiore ad una prestabilita soglia di sicurezza, attraverso una misurazione almeno della pressione differenziale tra aspirazione e mandata della pompa ausiliaria.
Il circuito ausiliario, e con esso la pompa ausiliaria, sarà di preferenza a monte della o delle pompe del circuito di olio diatermico primario, le quali in genere sono a monte del riscaldatore, senza però escludere che in taluni impianti ORC, specie se dotati di altre pompe addizionali di emergenza, possa essere anche in altra parte del circuito primario.
La riduzione della pressione del flusso di olio derivato può essere conseguita mediante mezzi di strozzamento inseriti nel circuito ausiliario a monte della pompa ausiliaria e/o regolando il flusso di olio derivato in qualsiasi altro modo.
La presenza di contaminanti oltre un prestabilito valore nel flusso di olio diatermico derivato, che potrebbero indurre fenomeni di cavitazione, può anche essere segnalata attraverso mezzi ottici o acustici affinché gli interventi da effettuarsi per rimediare al rischio di cavitazione siano tempestivi.
Breve Descrizione dei Disegni
L’invenzione sarà comunque meglio spiegata nel prosieguo della descrizione fatta in relazione ad un impianto ORC e con riferimento agli allegati disegni esemplificativi, nei quali:
la Fig. 1 mostra uno schema di un impianto ORC secondo la tecnica nota descritta in precedenza; e
la Fig. 2 mostra parte dello schema dell’impianto in Fig. 1, ma incorporante un primo modo di realizzazione dell’invenzione.
Descrizione Dettagliata dell’Invenzione
Considerando lo schema di un impianto ORC mostrato nella Fig. 1 e più sopra descritto, l’invenzione prevede di collegare in corrispondenza ad un tratto del condotto appartenente al circuito di olio diatermico primario 11 un circuito ausiliario 110 costituito da tubazione di derivazione 111 e di inserire su tale tubazione di derivazione una pompa ausiliaria 112 in associazione con almeno un elemento di strozzatura 113 del flusso di fluido diretto a tale pompa, valvole di regolazione flusso 114, 115, eventuali valvole di intercettazione 116, 117, manometri 118, 119 ed un misuratore di pressione differenziale 120 come mostrato in Fig. 2.
Il circuito ausiliario 110, quindi la tubazione di derivazione 111, à ̈ posto preferibilmente a monte della pompa di ricircolo principale 11’ del circuito di olio diatermico primario 11. Nel caso in cui il circuito di olio diatermico 11 sia dotato, come può essere, anche di una pompa supplementare 11†in aggiunta alla pompa principale 11’, il circuito ausiliario 110 sarà preferibilmente collegato ad un tratto del circuito primario 11 a monte di dette pompe 11’, 11†, dove il condotto dell'olio à ̈ ancora singolo ed il fluido circolante à ̈ a minor pressione.
La dimensione della tubazione di derivazione 111 e la portata della pompa ausiliaria 112 saranno molto minori rispettivamente della dimensione del condotto e della portata della pompa principale 11’ del circuito di olio diatermico primario 11, comunque previste in modo da avere in uscita della pompa ausiliaria una pressione atta a re-immettere il flusso di fluido derivato nel condotto nel circuito primario 11, a monte delle pompe .
L’elemento di strozzatura del flusso 113 à ̈ posto a monte della pompa ausiliaria 112 e può essere costituito da una valvola strozzatrice di tipo comandato, oppure da un setto forato, da una serie di condotti con piccolo diametro idraulico o da qualsiasi altro sistema adatto a causare una perdita di carico rivolta a ridurre la pressione del fluido passante nella tubazione di derivazione rispetto a quella dell’olio nel circuito principale 11.
Le valvole di regolazione flusso 114, 115, le eventuali valvole di intercettazione 116, 117 ed i manometri 118, 119 sono inseriti sulla tubazione di derivazione 111 a monte e a valle della pompa ausiliaria 112 –Fig. 2. Quanto al misuratore di pressione differenziale 120 à ̈ collegato a monte e a valle della pompa ausiliaria 112 e per di più a monte dell’elemento di strozzatura 113 viene inserito un misuratore di portata 121.
L’insieme à ̈ comunque concepito in modo che lo strozzamento del flusso di olio diatermico nel circuito ausiliario 110 da parte dell’elemento di strozzatura 113 a monte della pompa ausiliaria 112 generi all'ingresso di questa pompa una pressione che ecceda bensì la pressione di cavitazione con olio non contaminato da frazioni volatili o di incondensabili (alle condizioni di temperatura, prevalenza, velocità di rotazione e portata correnti), ma che sia viceversa inferiore alla pressione che porterebbe a cavitazione della o delle pompe di ricircolo con olio contaminato oltre la soglia di sicurezza stabilita dal gestore dell'impianto (alle medesime condizioni, in particolare di temperatura e velocità di rotazione). Quando l’elemento di strozzamento 113 à ̈ una valvola strozzatrice comandata, la pressione all’ingresso della pompa ausiliaria 112 può anche essere regolata un opportuno attuatore fino a raggiungere un valore di pressione che può essere calcolato di volta in volta, a mezzo di un sistema di controllo, tenendo quali informazioni di partenza il valore di NPSH (Net Positive Suction Head, come normalmente definito nella tecnica idraulica) richiesto dalla pompa ausiliaria 112 per evitare la cavitazione, le caratteristiche dell'olio diatermico non contaminato, la temperatura dell'olio entrante, sia con una misura a monte del sistema, sia con una misura della temperatura con un sonda termica 122 dal lato di aspirazione di detta pompa ausiliaria 112. Una misura di portata a livello del misuratore di portata 121 a monte dell’elemento di strozzatura 113 integra i parametri di pressione e temperatura del sistema e consente di identificare con precisione la prossimità delle condizioni di cavitazione.
In alternativa, la condizione di prossimità di cavitazione può essere conseguita, anche a parità di strozzamento, modificando tramite un sistema di comando a velocità variabile, la velocità di rotazione della pompa ausiliaria 112. La valvola di regolazione 115 dal lato mandata ha lo scopo di variare la prevalenza della pompa e quindi la portata ad una velocità di rotazione di volta in volta assegnata; essa sarà preferibilmente presente e modulante, in modo da ampliare il campo di efficace funzionamento del dispositivo.
La verifica di assenza di cavitazione può essere ottenuta attraverso la misura ad opera del misuratore di pressione differenziale 120 della differenza di pressione che si genera fra aspirazione e mandata della pompa ausiliaria, da confrontarsi con la pressione differenziale generata alle condizioni date in assenza di contaminazione, oppure attraverso la misura dell'assorbimento elettrico del motore di trascinamento della pompa, o anche attraverso la rilevazione dello stato di vibrazione della pompa, attraverso la misura della emissione di rumore da parte della pompa stessa, od altro modo adatto alla rilevazione della cavitazione. Nel caso in cui si verifichi una presenza di cavitazione (derivante dalla contaminazione dell'olio), la situazione anomala viene assunta dal sistema di controllo, che adotta i provvedimenti atti ad evitare situazioni di rischio e che può essere predisposto per una corrispondente segnalazione ottica o acustica.
La misura può essere ripetuta più volte per una migliore certezza della effettiva presenza di una situazione anomala, preferibilmente portando la pompa ausiliaria 112 lontano dalle condizioni di cavitazione (per esempio, mediante un abbassamento della sua velocità di rotazione, una riduzione dello strozzamento dal lato aspirazione od un eventuale aumento dello strozzamento dal lato mandata di detta pompa), lasciando che eventuali frazioni aeriformi si allontanino a valle e successivamente ritornando alle condizioni di prossimità di cavitazione.
La funzionalità del sopra descritto sistema di rilevamento della presenza di contaminanti volatili o incondensabili nell’olio diatermico veicolato in un rispettivo circuito può essere tarata in origine e verificata successivamente secondo necessità . Tale funzionalità può essere conseguita introducendo nel circuito ausiliario 110 (mediante una micro pompa dosatrice o altro sistema appropriato- non rappresentato), preferibilmente a valle del misuratore di portata 121 e a monte del sistema di strozzatura 113, una portata nota e via - via crescente di fluido basso bollente, o addirittura di un incondensabile, in modo da verificare un innesco nella cavitazione a partire da una certa concentrazione.
Un apporto diretto nel circuito ausiliario, che include una pompa ausiliaria avente un basso valore di portata, fa si che basti un’introduzione dall’esterno di piccole portate di fluido per generare la cavitazione, e comunque tali da non indurre cavitazione, con i rischi connessi, nella o nelle pompe principali proprie del circuito di olio diatermico primario.
Nel caso in cui il sistema sia dotato di mezzi di separazione delle frazioni volatili (per esempio un vaso di espansione ad alta temperatura e/o un vaso con separazione di incondensabili) i volatili o incondensabili introdotti possono contribuire a strippare olio dalle frazioni volatili e hanno quindi anche una funzione di taratura del sistema e depurazione dell’olio.
Da notare infine che il sistema secondo l’invenzione sarà preferibilmente introdotto nel circuito in modo da garantire la propria funzione sia con pompe principali in funzione regolare, sia in caso di loro fermate e/o avarie, quando il pompaggio del fluido viene garantito da pompe di emergenza, in modo tale da mantenere un monitoraggio anche nelle condizioni più critiche di pompaggio ovvero di emergenza.
Claims (14)
- “METODO E SISTEMA DI PROTEZIONE CONTRO LA PRESENZA DI FRAZIONI VOLATILI IN CIRCUITI DI OLIO DIATERMICO†R I V E N D I C A Z I O N I 1. Metodo per proteggere un circuito di olio diatermico primario includente una o più pompe di ricircolo principali da una presenza di contaminanti volatili e/o incondensabili in grado di causare fenomeni di cavitazione in dette pompe, caratterizzato dai passi di: collegare al circuito di olio diatermico primario un circuito ausiliario includente almeno una pompa ausiliaria, derivare un flusso di olio diatermico da detto circuito primario verso il circuito ausiliario a mezzo di detta pompa ausiliaria, ridurre la pressione del flusso di olio diatermico derivato dal lato dell’aspirazione di detta pompa ausiliaria ad un valore inferiore alla pressione dell’olio diatermico nel circuito primario, monitorare l’assenza di cavitazione, come condizione di una presenza di contaminanti volatili e/o incondensabili nel flusso di olio diatermico derivato in misura inferiore ad una prestabilita soglia di sicurezza, attraverso una misurazione almeno della pressione differenziale tra aspirazione e mandata della pompa ausiliaria, re-immettere il flusso di olio diatermico derivato nel circuito primario, intervenire con azioni correttive prima che la presenza di contaminanti nel flusso di olio diatermico derivato raggiunga valori atti ad indurre un innesco di cavitazione nella o nelle pompe del circuito primario.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato in ciò che la pressione del flusso di olio diatermico nel circuito ausiliario à ̈ regolata in modo che dal lato di aspirazione della pompa ausiliaria abbia un valore inferiore a quella dell’olio diatermico nel circuito primario e prossima al valore NPSH della stessa pompa per evitarne la cavitazione, e che dal lato della mandata abbia un valore idoneo per il ritorno dell’olio diatermico derivato nel circuito primario.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato in ciò che la pressione del flusso di olio diatermico nel circuito ausiliario dal lato di aspirazione della pompa ausiliaria à ̈ regolato ad un valore eccedente la pressione di cavitazione quando l’olio diatermico non à ̈ contaminato da sostanze volatili e/o incondensabili, ma inferiore ad un valore di pressione in grado di causare una cavitazione con olio contaminato da sostanze volatili e/o incondensabili oltre la prestabilita soglia di sicurezza.
- 4. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato in ciò che il valore della pressione del flusso di olio diatermico nel circuito ausiliario à ̈ stabilito in dipendenza dei valori NPSH della pompa ausiliaria e della temperatura dell’olio diatermico circolante integrati da una misura della portata prima del passo di riduzione della pressione dal lato di aspirazione della pompa ausiliaria.
- 5. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato in ciò che il valore della pressione del flusso di olio diatermico nel circuito ausiliario à ̈ scelto in dipendenza almeno della temperatura dell’olio e della prevalenza, velocità di rotazione e portata della pompa ausiliaria.
- 6. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato in ciò di collocare il circuito ausiliario a monte della o delle pompe principali del circuito di olio diatermico primario.
- 7. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato in ciò di collocare il circuito ausiliario a valle della o delle pompe principali del circuito di olio diatermico primario.
- 8. Sistema per proteggere un circuito di olio diatermico primario includente una o più pompe di ricircolo principali da una presenza di contaminanti volatili e/o incondensabili in grado di causare fenomeni di cavitazione in dette pompe, caratterizzato da un circuito ausiliario destinato ad essere percorso da un flusso di olio diatermico derivato da detto circuito primario, da una pompa ausiliaria inserita su detto circuito ausiliario ed avente una portata inferiore alla portata della o delle pompe principali del circuito primario, da un elemento di strozzatura su detto circuito ausiliario per ridurre la pressione del flusso di olio diatermico derivato ad un valore rispetto al valore della pressione dell’olio nel circuito primario, da almeno un mezzo di controllo per rilevare l’assenza di cavitazione in detta pompa ausiliaria come condizione di una presenza di contaminanti volatili e/o incondensabili nel flusso di olio diatermico derivato in misura inferiore ad una prestabilita soglia di sicurezza, da valvole di regolazione flusso, eventuali valvole di intercettazione, e manometri inseriti nel circuito ausiliario sia a monte sia a valle di detta pompa ausiliaria.
- 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui il circuito ausiliario à ̈ definito da una tubazione collegata al circuito primario ed avente una dimensione inferiore al condotto definente il circuito di olio diatermico primario, il circuito ausiliario essendo derivato da un tratto del circuito primario di preferenza a minor pressione.
- 10. Sistema secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui il mezzo di strozzatura per la riduzione della pressione dell’olio diatermico nel circuito ausiliario à ̈ posto a monte della pompa ausiliaria e può essere costituito da una valvola strozzatrice di tipo comandato, da un setto forato, da una serie di condotti con piccolo diametro idraulico o da altro sistema adatto a causare una perdita di carico.
- 11. Sistema secondo le rivendicazioni 8-10, in cui il mezzo per rilevare l’assenza di cavitazione in detta pompa ausiliaria comprende un misuratore della pressione differenziale tra aspirazione e mandata della stessa pompa ausiliaria, da solo o in combinazione con un misuratore di portata del flusso di fluido diatermico a monte dell’elemento di strozzatura, un misuratore di pressione ed un misuratore di temperatura almeno a monte della pompa ausiliaria.
- 12. Sistema secondo le rivendicazioni da 8 a 11, in cui il circuito ausiliario à ̈ a monte della o delle pompe principali del circuito di olio diatermico primario.
- 13. Sistema secondo le rivendicazioni da 8 a 11, in cui il circuito ausiliario à ̈ a valle della o delle pompe principali del circuito di olio diatermico primario.
- 14. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre mezzi per segnalare in forma ottica e/o acustica una presenza di contaminanti nel flusso di olio diatermico derivato in misura superiore alla prestabilita soglia.
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Patent Citations (4)
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