ITMI20120727A1 - Dispositivo di regolazione e misura di flusso di un fluido termovettore e relativo sistema di contabilizzazione di energia termica e di regolazione per un radiatore o calorifero - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO DI REGOLAZIONE E MISURA DI FLUSSO DI UN FLUIDO TERMOVETTORE E RELATIVO SISTEMA DI CONTABILIZZAZIONE DI ENERGIA TERMICA E DI REGOLAZIONE PER UN RADIATORE O CALORIFERO
CAMPO TECNICO
La presente invenzione riguarda i dispositivi di regolazione e misura e più precisamente un nuovo dispositivo di regolazione e misura di un flusso di un fluido termovettore, una valvola con attacchi filettati e un sensore statico di flusso di tipo cantilever beam, un relativo sistema di contabilizzazione di energia termica e un sistema di regolazione per un radiatore o calorifero.
BACKGROUND
In questi ultimi anni, una sempre maggiore attenzione al problema della misura e del controllo della portata negli impianti di processo à ̈ stata prestata dagli utilizzatori industriali e dai produttori di apparati domestici, sia per il diffondersi delle tecniche di automazione, favorite dallo sviluppo dei microprocessori, sia per la sempre più spinta ottimizzazione produttiva richiesta agli impianti e fortemente connessa ad un più accurato controllo dei consumi e delle dispersioni dei fluidi.
I misuratori di flusso sono largamente utilizzati per le applicazioni domestiche, nelle quali la misura della portata à ̈ necessaria per misurare ad esempio i consumi di acqua, sia quella sanitaria che quella del riscaldamento. In tale campo, sono attualmente molto utilizzati misuratori di flusso volumetrici a palette rotanti con rilevamento a magnete, sia nelle caldaie per il controllo della fiamma, che nella misurazione delle portate per i contatori di energia termica e/o dell'acqua.
Negli ultimi anni, si sta diffondendo anche in Italia l’utilizzo di misuratori indiretti di energia termica da applicare ai termosifoni. Tale esigenza si verifica in quanto nelle abitazioni non di nuova costruzione, l’impianto di riscaldamento à ̈ già esistente, ed in generale si tratta di impianti a colonne montanti, pertanto senza la possibilità di avere un unico punto di ingresso o di uscita ove effettuare la misura della portata del flusso in appartamento. Tali misuratori indiretti hanno il difetto di avere una precisione limitata, in quanto non sono in grado di effettuare alcuna misura della portata del flusso e di conseguenza il calcolo dell’energia termica per la ripartizione dei costi à ̈ approssimativo.
Per poter minimizzare l’impatto di inserzione di un dispositivo di misura, la scelta più congrua à ̈ quella di prevedere lo stesso inserito nella configurazione attuale del gruppo riscaldante. Le ridotte geometrie interne delle valvole da calorifero in genere non permettono, o rendono estremamente difficoltosa la realizzazione di un sensore completamente statico quale un sensore ultrasonico o un sensore a vortice, mentre la necessità di avere consumi ridotti di energia elettrica, limita l’utilizzo di sensori statici ad apporto energetico quali quelli a filo caldo, in quanto gli apparati di contabilizzazione termica sono in genere alimentati a batterie.
E’ ovviamente possibile, realizzare un sensore a pale rotanti predisponendo un opportuna sagomatura della valvola in modo da permettere l’alloggiamento di una turbina, ma tale soluzione comporta degli svantaggi tipici dei sensori di misura con movimentazione meccanica rotante, alcuni dei quali a titolo di esempio sono di seguito elencati:
- movimentazioni meccaniche in fluido a temperatura elevata rispetto all’ambiente ; - usura nel tempo delle parti rotanti;
- ripetibilità non garantita nel tempo;
- sensibilità ridotta o non rilevabile in basso regime di flusso, in quanto il moto del fluido in regime laminare spesso non à ̈ sufficiente a far muovere la girante;
- accumulo di detriti ferrosi o magnetici in genere presenti nel fluido a circuito chiuso, che accumulandosi, nel caso di magnete interno al fluido possono alterare le condizioni di rotazione.
SOMMARIO
È stato trovato un nuovo dispositivo di regolazione e misura di flusso di un fluido termovettore che risolve i problemi summenzionati. Diversamente dai dispositivi noti, esso non misura il flusso attraverso organi in movimento, ma utilizzando un sensore statico di flusso del tipo "cantilever beam".
Studi eseguiti dalla Richiedente hanno mostrato che à ̈ possibile adattare un tale sensore statico in modo da inserirlo in una valvola di connessione di un calorifero, opportunamente realizzata per accogliere a tenuta un sensore "cantilever beam", in modo che la parte sensibile a sbalzo sia immersa nel flusso e i fili di connessione con il mondo esterno fuoriescano dalla valvola.
Più precisamente, il dispositivo dell'invenzione ha una valvola con attacchi filettati idonei ad una connessione ad un calorifero e ad un rispettivo tubo di ingresso o di uscita del fluido termovettore, nel o dal calorifero, avente mezzi di chiusura/apertura della luce del tubo, e un sensore statico di flusso di tipo cantilever beam. La valvola ha un foro distinto dagli attacchi filettati praticato su una superficie esterna, adatto ad accogliere un sensore di tipo cantilever beam posizionato in modo da non interferire con i mezzi di chiusura/apertura. Il sensore ha una porzione a sbalzo sensibile al flusso di un fluido termovettore, sormontata da una testa dalla quale escono fili elettrici di connessione con il mondo esterno. La testa ha un codolo adatto ad essere inserito a tenuta nel foro in modo che la porzione sensibile sia immersa nel fluido termovettore e i fili di connessione fuoriescano all'esterno della valvola.
Secondo un'altra forma di realizzazione, un elemento sensibile a variazioni di temperatura del fluido termovettore à ̈ installato sulla porzione a sbalzo sensibile al flusso del fluido termovettore.
Secondo ancora un'altra forma di realizzazione, il nuovo dispositivo comprende un accumulatore ricaricabile di energia elettrica connesso al sensore statico e adatto ad alimentare un circuito di controllo, a sua volta configurato in modo da essere alimentato dall'accumulatore ricaricabile, in grado di leggere valori di flusso rilevati dalla porzione a sbalzo e di ricaricare l'accumulatore durante periodi in cui non legge i valori di flusso, convertendo in energia elettrica parte dell'energia del flusso di fluido termovettore che agisce sulla porzione a sbalzo sensibile del sensore.
Preferibilmente, la valvola del dispositivo ha un foro filettato distinto dagli attacchi filettati praticato su una superficie esterna della valvola, adatto ad accogliere un sensore di tipo cantilever beam posizionato in modo da non interferire con i mezzi di chiusura/apertura della luce del tubo di connessione al calorifero.
Preferibilmente, il sensore statico di flusso ha una porzione a sbalzo sensibile sormontata da una testa dalla quale escono fili elettrici di connessione, e la testa ha un codolo filettato avvitabile a tenuta in un corrispondente foro filettato della valvola in modo che la porzione sensibile sia immersa nel fluido termovettore e i fili di connessione fuoriescano all'esterno della valvola.
Il nuovo dispositivo permette di realizzare un sistema di contabilizzazione di energia termica e un sistema retroazionato di controllo del flusso del fluido termovettore installabile su un calorifero, nonché un sistema combinato di controllo e contabilizzazione in grado di ottimizzare i consumi termici locali e l'efficienza di un impianto di riscaldamento.
Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa descrizione e qui incorporate per espresso riferimento.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1 mostra una vista in prospettiva di una forma di realizzazione del nuovo dispositivo di regolazione e misura di flusso di un fluido termovettore, composto da una valvola con un foro e un sensore statico infilato a tenuta in esso.
La figura 2 mostra una vista in pianta del nuovo dispositivo di figura 1.
Le figure 3a e 3b mostrano viste in sezione trasversale del dispositivo di figura 2.
La figura 4 Ã ̈ una vista in prospettiva di un sensore statico per il nuovo dispositivo di figura 1, avente un codolo inseribile a tenuta in un corrispondente foro sulla superficie esterna di una valvola.
Le figure 5a e 5b mostrano viste di lato del sensore statico della figura 4.
La figura 6 mostra una vista in pianta del sensore statico di figura 4.
La figura 7 Ã ̈ una vista in prospettiva di un sistema di contabilizzazione di energia che utilizza una forma di realizzazione del nuovo dispositivo di figura 1, collegato ad un calorifero.
La figura 8 Ã ̈ una vista di lato del sistema di contabilizzazione di figura 7.
Le figure 9a e 9b sono viste in sezione del sistema di contabilizzazione della figura 8. La figura 10 Ã ̈ una vista in prospettiva di un sistema di contabilizzazione di energia che utilizza un'altra forma di realizzazione del nuovo dispositivo, collegato ad un calorifero. La figura 11 Ã ̈ una vista di lato del sistema di contabilizzazione di figura 10.
Le figure 12a e 12b sono viste in sezione del sistema di contabilizzazione della figura 11.
La figura 13 Ã ̈ una vista in prospettiva di un sistema retroazionato di controllo di flusso di fluido termovettore attraverso un calorifero, che utilizza il nuovo dispositivo di figura 1.
La figura 14 Ã ̈ una vista di fronte del sistema di controllo di figura 13.
Le figure 15 e 16 sono viste rispettivamente dall'alto e di fianco del sistema di controllo della figura 13.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE
Una vista in prospettiva di una forma di realizzazione del nuovo dispositivo di regolazione à ̈ illustrata in figura 1; corrispondenti viste in pianta e in sezione sono mostrate rispettivamente nelle figure 2 e 3a-3b. Il nuovo dispositivo di regolazione comprende sostanzialmente una particolare valvola 1 e un sensore statico 5.
La valvola 1 ha attacchi filettati 2 adatti a collegare un calorifero o radiatore ad un tubo (non rappresentato) di afflusso o deflusso di un fluido termovettore, ad esempio acqua, e mezzi di chiusura/apertura 3 della luce del tubo che bloccano o permettono l'afflusso/deflusso di acqua calda nel/dal calorifero. Diversamente dalle valvole note, la valvola 1 del dispositivo qui proposto ha un foro 4, distinto dagli attacchi filettati 2 e praticato sulla superficie esterna della valvola 1, adatto ad accogliere un sensore 5 di tipo "cantilever beam".
I sensori di tipo "cantilever beam" sono ben noti nell'arte e sono facilmente reperibili in commercio. Ad esempio, sensori statici di tipo "cantilever beam" sono i sensori della serie AE-800 della SensorOne Technologies Corporation. Il sensore 5 usato per realizzare il nuovo dispositivo di regolazione ha una porzione a sbalzo sensibile 6 al flusso di un fluido, una testa 7 dalla quale escono dei fili elettrici 8 di connessione, nonché un codolo 9 adatto ad essere inserito a tenuta nel foro 4 in modo che la porzione a sbalzo sensibile 6 sia immersa nel fluido termovettore, come illustrato nelle figure 3a e 3b, e non interferisca con i mezzi di chiusura/apertura 3 della luce del tubo.
Viste di dettaglio del sensore statico 5 sono illustrate nelle figure 4, 5a, 5b e 6. Il codolo 9 preferibilmente ma non necessariamente à ̈ filettato e si avvita nel corrispondente foro 4 filettato della valvola 1. Preferibilmente, per impedire la fuoriuscita accidentale di fluido termovettore, il sensore 5 sarà fornito di un O-ring di tenuta 10, che sarà schiacciato dalla testa 7 contro la superficie esterna della valvola 1 quando il codolo 9 à ̈ avvitato nel foro 4. Il nuovo dispositivo di regolazione 1 non ha elementi magnetici o in movimento, per cui non risente delle limitazioni menzionate in precedenza tipiche dei misuratori di flusso a turbina.
Secondo un'altra forma di realizzazione, la porzione a sbalzo sensibile 6 supporta anche un elemento sensibile a variazioni di temperatura del fluido, per cui il sensore statico 5 à ̈ in grado di rilevare sia il flusso che la temperatura del fluido termovettore. Il nuovo dispositivo di questa forma di realizzazione quindi avrà un sensore di temperatura interno al tubo e non esterno ad esso, come invece accade nei contatori di calorie che attualmente vengono installati sui caloriferi. Di conseguenza esso sarà accurato, in quanto a diretto contatto con il fluido, e meno soggetto ad alterazioni della misura da parte di malintenzionati in quanto la parte sensibile 6 non à ̈ accessibile dall'esterno. Le tecnologie elettroniche attuali e i nuovi MEMS hanno ampliato considerevolmente le possibilità di realizzazione dei sensori in generale. Ciò ha permesso di realizzare su substrati di silicio elementi sensibili quali strain gauge, oppure di depositare su lamine metalliche strati di materiale piezoceramico realizzando sensori bimorfi, incrementando la possibilità di realizzare sensori su scala industriale e di conseguenza di ridurre i costi di produzione in maniera sensibile rispetto al recente passato.
Secondo ancora un'altra forma di realizzazione, il nuovo dispositivo à ̈ dotato di un accumulatore ricaricabile di energia elettrica e di un circuito di controllo del sensore, alimentato dall'accumulatore ricaricabile. Il circuito di controllo sarà configurato in modo da essere alimentato dall'accumulatore e sarà in grado di leggere valori di flusso rilevati dal sensore e a ricaricare l'accumulatore durante periodi in cui non legge i valori di flusso, convertendo in energia elettrica parte dell'energia del flusso di fluido termovettore che agisce sulla porzione a sbalzo sensibile 6 del sensore statico 5. Un tale dispositivo quindi non necessita di essere collegato alla rete elettrica per funzionare e, sfruttando il moto del fluido stesso per ricaricare l'accumulatore, potrà utilizzare un accumulatore di capacità relativamente limitata.
La misura di flusso (o di portata una volta nota la sezione), unitamente alla misura del salto termico tra la temperatura di mandata e la temperatura di ritorno, permette la realizzazione di un nuovo contatore di calore, mostrato nelle figure 7, 8, 9a e 9b, per impianti a colonne montanti, che consente una precisione più elevata nel calcolo dell’energia fornita, al fine del calcolo della ripartizione dei consumi di energia termica e dei relativi costi. A tal fine, il sensore statico 5 di flusso e di temperatura à ̈ collegato tramite il filo 8 ad un contatore di calore ad integrazione 11, che fornisce sul display 12 un conteggio di energia assorbita a partire dai valori di temperatura e di flusso rilevati dal sensore statico 5.
La struttura dei contatori di calore ad integrazione nonché gli algoritmi che essi implementano sono ben noti al tecnico esperto, per cui non saranno discussi ulteriormente.
Nella forma di realizzazione di figura 7, la valvola 1 ha un corpo a 90° ("detentore") con attacchi filettati, ma la forma del corpo della valvola 1 può anche essere diversa. Ad esempio, nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 10, 11, 12a e 12b, analoghe alle figure 7, 8, 9a e 9b, il corpo della valvola à ̈ dritto e gli attacchi filettati 2 sono l'uno di fronte all'altro.
Con il nuovo dispositivo di regolazione si può realizzare un sistema retroazionato di controllo come mostrato nelle figure da 13 a 16. Il sistema di controllo mostrato rileva la temperatura e il flusso del fluido termovettore e, tramite un'opportuna elettronica di controllo, comanda un motore di apertura/chiusura o regolazione fine della luce del tubo di afflusso di acqua calda, contenuto nella manopola 13. Esso quindi può essere usato al posto delle attuali valvole termostatiche per effettuare una regolazione fine del flusso stesso a seconda dei valori di temperatura e di flusso rilevati. Ciò consentirebbe di poter gestire, tramite opportuni algoritmi gestiti dall’elettronica di controllo, i parametri di lavoro del singolo gruppo riscaldante, e di conseguenza migliorare l’efficienza del gruppo riscaldante stesso.
Ovviamente tali algoritmi saranno dedicati e selezionabili in funzione del tipo di gruppo riscaldante, a cui sono associati gli apparati di misura, regolazione, controllo e contabilizzazione sopra citati. I parametri configurabili dall’utente o dal gestore del servizio, oltre ai calcoli di consumo di energia termica, potranno essere ricevuti e trasmessi, anche tramite radiofrequenza evitando connessioni elettriche di centralizzazione e rendendo il sistema integrato in grado di funzionare in modalità stand alone.
Con un tale sistema retroazionato di controllo come quello qui proposto si ridurrebbe in maniera significativa il tempo di risposta dell'impianto di riscaldamento rispetto a quello delle attuali valvole termostatiche e si potrebbe fare in modo di avere una maggior efficienza della eventuale caldaia a condensazione associata.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di regolazione e misura di flusso di un fluido termovettore, comprendente: una valvola (1) avente un corpo con attacchi filettati (2) idonei ad una connessione ad un calorifero e ad un rispettivo tubo di ingresso o di uscita di detto fluido termovettore nel o dal calorifero, avente mezzi di chiusura/apertura (3) della luce di detto tubo, detta valvola (1) avente un foro (4) distinto dagli attacchi filettati (2) praticato su una superficie esterna della valvola (1), adatto ad accogliere un sensore statico di tipo cantilever beam (5) posizionato in modo da non interferire con detti mezzi di chiusura/apertura (3); un sensore statico (5) di flusso di tipo cantilever beam avente una porzione a sbalzo (6) sensibile al flusso di un fluido termovettore, sormontata da una testa (7) dalla quale escono fili elettrici (8) di connessione, detta testa (7) avente un codolo (9) adatto ad essere inserito a tenuta in detto foro (4) in modo che detta porzione sensibile (6) sia immersa nel fluido termovettore e i fili di connessione (8) fuoriescano all'esterno della valvola (1).
- 2. Dispositivo di regolazione secondo la rivendicazione 1, in cui detto foro (4) Ã ̈ filettato e detto codolo (9) Ã ̈ filettato e avvitabile a tenuta in detto foro filettato (4).
- 3. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore di flusso (5) comprende inoltre, su detta porzione a sbalzo (6) sensibile al flusso di un fluido termovettore, un elemento sensibile a variazioni di temperatura del fluido termovettore.
- 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di chiusura/apertura (3) sono idonei ad una regolazione fine della luce di detto tubo.
- 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: - un accumulatore ricaricabile di energia elettrica connesso a detto sensore statico (5), adatto ad alimentare un circuito di controllo; - un circuito di controllo configurato in modo da essere alimentato da detto accumulatore, in grado di leggere valori di flusso rilevati da detta porzione a sbalzo (6), adatto a ricaricare detto accumulatore durante periodi in cui non legge detti valori di flusso, convertendo in energia elettrica parte dell'energia del flusso di fluido termovettore che agisce sulla porzione a sbalzo sensibile (6) del sensore statico (5).
- 6. Valvola (1) avente un corpo con attacchi filettati (2) idonei ad una connessione ad un calorifero e ad un rispettivo tubo di ingresso o di uscita di un fluido termovettore nel o dal calorifero, avente mezzi di chiusura/apertura (3) della luce di detto tubo, detta valvola (1) avente un foro filettato (4) distinto dagli attacchi filettati (2) praticato su una superficie esterna della valvola, adatto ad accogliere un sensore statico (5) di tipo cantilever beam posizionato in modo da non interferire con detti mezzi di chiusura/apertura (3).
- 7. Valvola (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detti mezzi di chiusura/apertura (3) sono idonei ad una regolazione fine della luce di detto tubo.
- 8. Sensore statico (5) di flusso di tipo cantilever beam, avente una porzione a sbalzo (6) sensibile ad un flusso di un fluido termovettore, sormontata da una testa (7) dalla quale escono fili elettrici (8) di connessione, detta testa (7) avente un codolo filettato (9) avvitabile a tenuta in un corrispondente foro filettato (4) di una valvola secondo la rivendicazione 6 o 7 in modo che la porzione sensibile (6) sia immersa nel fluido termovettore e i fili di connessione (8) fuoriescano all'esterno della valvola.
- 9. Sensore statico (5) secondo la rivendicazione 8, comprendente su detta porzione a sbalzo (6) un elemento sensibile a variazioni di temperatura del fluido termovettore.
- 10. Sistema di contabilizzazione di energia termica, comprendente: dispositivi secondo la rivendicazione 3 di regolazione e misura di flusso e di temperatura di un fluido termovettore in ingresso e in uscita da un radiatore o calorifero; un contatore di calore ad integrazione collegato a detti dispositivi di regolazione di ingresso e di uscita, adatto a generare segnali rappresentativi di conteggio dell'energia dissipata da detto radiatore o calorifero.
- 11. Sistema retroazionato di controllo di flusso di fluido termovettore attraverso un radiatore o calorifero, comprendente: almeno un dispositivo di secondo la rivendicazione 3 di regolazione e misura di flusso e di temperatura di detto fluido termovettore; un motore adatto ad azionare i mezzi contenuti nella valvola di chiusura/apertura della luce del detto tubo; un'elettronica di controllo di detto motore, configurata in modo da ricevere 5 segnali rappresentativi del flusso e della temperatura del fluido termovettore generati dal sensore statico di detto dispositivo di regolazione, e da fornire corrispondenti segnali di comando a detto motore determinati in funzione di valori di temperatura e di flusso rilevati dal sensore statico.
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