ITMO20130051A1 - "valvola di regolazione con recupero energetico" - Google Patents

"valvola di regolazione con recupero energetico"

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ITMO20130051A1
ITMO20130051A1 IT000051A ITMO20130051A ITMO20130051A1 IT MO20130051 A1 ITMO20130051 A1 IT MO20130051A1 IT 000051 A IT000051 A IT 000051A IT MO20130051 A ITMO20130051 A IT MO20130051A IT MO20130051 A1 ITMO20130051 A1 IT MO20130051A1
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IT
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fluid
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Lorenzo Ferioli
Claudio Angelo Gavattari
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Lorenzo Ferioli
Gattavari Claudio Angelo
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Description

DESCRIZIONE
“VALVOLA DI REGOLAZIONE CON RECUPERO ENERGETICOâ€
La presente invenzione ha per oggetto una valvola di regolazione, vale a dire un dispositivo fluidodinamico atto a regolare e/o alterare la pressione o il flusso di fluido all’interno di un condotto. Tale fluido può essere in fase liquida, gassosa, di vapore o bifasica. In particolare, la valvola oggetto della presente invenzione à ̈ utilmente impiegabile in un circuito idraulico industriale, in particolare nell’industria petrolifera (Olii e Gas), chimica, petrolchimica ed energetica.
Le valvole di tipo noto comprendono un corpo valvola che presenta un’apertura di ingresso ed un’apertura di uscita, dalle quali transita un fluido. Un elemento di regolazione à ̈ posto all’interno del corpo valvola, in particolare fra le aperture di ingresso e di uscita, in modo tale da variare il flusso del fluido. In particolare, una valvola di questo tipo può essere impiegata per regolare e/o variare la pressione e la portata del fluido nel condotto lungo cui à ̈ montata la valvola.
Svantaggiosamente, qualora sia necessario ridurre drasticamente la pressione all’interno del condotto, à ̈ inevitabile la dissipazione di una determinata quantità di energia che può essere anche piuttosto elevata, sia in caso di piccole portate con grandi salti di pressione, sia in caso di grandi portate con salti di pressione limitati. La dissipazione di energia avviene normalmente sotto forma di calore e di vibrazioni.
Inoltre, una riduzione di pressione repentina può provocare fenomeni di cavitazione del fluido (per i liquidi) o di blocco sonico (per i gas).
Entrambi questi effetti sono indesiderabili, in quanto introducono delle irregolarità nel flusso del fluido quali ad esempio vibrazioni o turbolenze. Inoltre, soprattutto in caso di cavitazione, viene notevolmente accelerata l’usura dei tubi e delle eventuali parti meccaniche.
In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione à ̈ proporre una valvola che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.
In particolare, à ̈ scopo della presente invenzione mettere a disposizione una valvola in grado di recuperare l'energia dissipata attraverso una riduzione di pressione. Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ di evitare fenomeni di cavitazione e, in generale, fenomeni di irregolarità nel flusso del fluido.
Il problema tecnico à ̈ risolto da una valvola comprendente le caratteristiche tecniche della rivendicazione 1. L’elemento diffusore può introdurre un primo salto di pressione nel fluido, corrispondente ad una parte del salto di pressione totale desiderato. I mezzi di recupero, estraendo energia cinetica e/o potenziale dal fluido, introducono il salto di pressione principale e, allo stesso tempo, recuperano e rendono riutilizzabile parte dell’energia interna del fluido. L’energia interna del fluido, nella forma di realizzazione dell’invenzione in accordo con la rivendicazione 2, viene estratta dall'elemento rotante come lavoro meccanico anziché come energia termica e vibrazionale.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di una valvola, come illustrato negli uniti disegni in cui:
- la figura 1 Ã ̈ una vista prospettica parzialmente in sezione di una valvola secondo la presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ una vista in esploso e parzialmente in sezione della valvola di figura 1;
- le figure 3a e 3b sono rispettivamente una vista in sezione ed una in prospettiva di un particolare della valvola di figura 1, secondo una prima forma realizzativa;
- le figure 4a e 4b sono rispettivamente una vista in sezione ed una in prospettiva del particolare mostrato nelle figure 3a e 3b, secondo una forma realizzativa alternativa;
- le figure 5 e 6 sono viste prospettiche di un ulteriore particolare della valvola di figura 1, secondo due rispettive forme realizzative;
- la figura 7 à ̈ una vista in sezione di un’ulteriore forma realizzativa alternativa della valvola secondo la presente invenzione;
- le figure 8a e 8b sono viste in sezione di un’ulteriore forma realizzativa della valvola secondo la presente invenzione, rispettivamente in una posizione di apertura parziale ed in una posizione di chiusura;
- la figura 9 mostra una ulteriore forma di realizzazione della valvola secondo la presente invenzione;
- la figura 10 mostra una ulteriore forma di realizzazione della valvola secondo la presente invenzione.
Con riferimento alle figure allegate, con 1 Ã ̈ indicata una valvola di regolazione secondo la presente invenzione.
La valvola 1 comprende un corpo valvola 2. Tale corpo presenta un’apertura di ingresso 3 ed un’apertura di uscita 4 per il transito di un fluido.
Il corpo valvola 2 può avere una qualsiasi forma adatta a permettere il passaggio del fluido dall’apertura di ingresso 3 all’apertura di uscita 4. Nella forma realizzativa di figura 1 il corpo valvola ha forma sostanzialmente tubolare. In forme realizzative alternative, non illustrate, il corpo valvola 2 può avere forme più complesse.
Si noti che tutte le forme realizzative descritte ed illustrate presentano una singola apertura di ingresso 3 e una singola apertura di uscita 4. Sono possibili ulteriori varianti realizzative, non illustrate, presentanti un numero qualsiasi di aperture di ingresso 3 e di uscita 4. Vantaggiosamente, il flusso del fluido all’interno della valvola 1 può essere non necessariamente mono direzionale.
La presente invenzione comprende un elemento diffusore 6 posto all’interno del corpo valvola 3. In particolare, l'elemento diffusore 6 à ̈ posto fra le aperture di ingresso 3 e di uscita 4. L’elemento diffusore 6 à ̈ configurato in modo tale da indirizzare il fluido verso i mezzi di recupero 5 secondo una direzione e/o una distribuzione spaziale desiderata. L’elemento diffusore 6 à ̈ inoltre strutturato per assumere una configurazione di chiusura nella quale blocca il flusso del fluido e chiude la valvola 1. In altri termini l'elemento diffusore 6 può avere la funzione di trim della valvola 1. Vantaggiosamente, l'elemento diffusore 6 contribuisce a limitare e/o evitare i fenomeni di cavitazione e/o di blocco sonico. Diverse forme di realizzazione particolarmente vantaggiose dell’elemento diffusore 6 verranno descritte in dettaglio nel seguito della presente descrizione.
La valvola 1 comprende dei mezzi di recupero 5 configurati per convertire energia cinetica e/o potenziale del fluido in lavoro meccanico e per trasferire tale lavoro meccanico fuori dal corpo valvola 2. In altre parole, i mezzi di recupero 5 estraggono dell’energia interna dal fluido e la convertono in energia cinetica, in particolare lavoro meccanico. L’energia estratta o recuperata dai mezzi di recupero 5 si traduce, in effetti, in una perdita di carico del fluido che ne riduce la pressione.
I mezzi di recupero 5 sono contenuti all’interno del corpo valvola 2, ovvero non richiedono un corpo di contenimento distinto da associare al corpo valvola 2. Ciò consente di contenere gli ingombri complessivi della valvola secondo la presente invenzione, e di mantenere tali ingombri sostanzialmente all’interno degli ingombri delle valvole di regolazione attualmente disponibili.
In una preferita forma di realizzazione, i mezzi di recupero 5 comprendendo un elemento rotante 7 posto all’interno del corpo valvola 2, in particolare a valle dell’elemento diffusore 6. L'elemento rotante 7 à ̈ configurato per essere posto in rotazione dal fluido che transita all’interno del corpo valvola 2, e presenta un’asse di rotazione “A†. Preferibilmente l’asse di rotazione “A†à ̈ fisso.
Grazie alla collocazione dell’elemento rotante 7 a valle dell’elemento diffusore 6, il fluido incide sull’elemento rotante 7 con una direzione sostanzialmente costante, a meno delle turbolenze localizzate eventualmente prodotte dall’elemento diffusore 6.
L'elemento rotante 7 comprende almeno una pala 8, configurata per intercettare il flusso del fluido e mettere in rotazione l'elemento rotante 7. Nel contesto della presente invenzione, per “pala†si può intendere un qualsiasi elemento atto ad interagire con il fluido e a consentire lo sviluppo di forze aero/idrodinamiche in grado di mettere in rotazione l'elemento rotante 7.
Preferibilmente, come mostrato ad esempio nelle figure 4a e 5a, l'elemento rotante 7 ha struttura sostanzialmente tubolare e cilindrica. In altre parole, l'elemento rotante 7 presenta una parete esterna 7a ed una porzione centrale 7b. Fra la parete esterna 7a e la porzione centrale 7b à ̈ definita una zona interna 7c, nella quale transita il fluido. Una o più pale 8 sono poste in corrispondenza di tale zona interna 7c.
In una prima forma di realizzazione, mostrata nelle figure 4a e 4b, l'elemento rotante 7 ed in particolare la zona interna 7c à ̈ predisposta per essere attraversata da un flusso di fluido che scorre sostanzialmente parallelo all’asse di rotazione “A†.
In una seconda forma di realizzazione, mostrata nelle figure 3a e 3b, l'elemento rotante 7, ed in particolare la zona interna 7c, à ̈ configurata per guidare il fluido lungo un percorso almeno parzialmente trasversale rispetto all’asse di rotazione “A†dell'elemento rotante 7. In dettaglio, in questa forma di realizzazione il fluido segue un percorso orientato, almeno per un tratto, lungo una direzione radiale. A tal fine, la porzione centrale 7b presenta delle aperture che mettono in comunicazione la zona interna 7c con una zona interna alla porzione centrale 7b. Una o più pale 8 possono essere collocate all'interno della porzione centrale 7b. Vantaggiosamente, questa forma di realizzazione à ̈ più adatta nel caso di portate minori e di variazioni più alte di pressione.
Come mostrato schematicamente nelle figure 8a, 8b, 9 e 10, l'elemento rotante 7 può avere dimensioni differenti a seconda delle prestazioni fluidodinamiche che si vuole ottenere dalla valvola 1. Esso può comprendere più porzioni tubolari 71,72, nel caso rappresentato due, ciascuna delle quali à ̈ provvista di pale esterne 81,82. Una porzione tubolare interna 71 può essere provvista anche di pale interne 83. La presenza di più porzioni tubolari, ciascuna dotata di pale esterne e/o interne, incrementa la quantità di energia recuperata dell'elemento rotante. La presenza di più porzioni tubolari consente inoltre di regolare il calo di pressione prodotto dall’elemento rotante. Indirizzando il fluido verso una porzione tubolare o verso più porzioni tubolari consente in effetti di regolare il calo di pressione che si produce nel fluido durante l’attraversamento dell’elemento rotante 7.
Nelle forme di realizzazione che comprendono un elemento rotante 7, la valvola secondo la presente invenzione determina nel fluido un calo di pressione che, in sostanza, si trasforma in energia cinetica dell'elemento rotante 7 stesso.
Il cilindro rotante, grazie alla propria configurazione, può efficacemente controllare e limitare i fenomeno di flashing e cavitazione, nel caso di fluidi incomprimibili, e il blocco sonico, nel caso di fluidi comprimibili. Ciò consente di ridurre drasticamente la rumorosità della valvola.
La geometria della pala o delle pale 8, ovvero l’angolo di inclinazione che esse presentano rispetto al flusso del fluido, nonché l’estensione che esse presentano in direzione longitudinale, consentono di determinare la caduta di pressione e la portata massima del fluido.
L’angolo di inclinazione e l’estensione longitudinale delle pale 8 consentono di produrre il salto di pressione richiesto alla valvola 1 in modo graduale e non repentino, trasformandolo in lavoro meccanico.
La struttura dell’elemento rotante 7 permette inoltre di limitare al massimo le perdite sotto forma di vibrazioni e sotto forma di calore, in quanto si riduce drasticamente l’attrito con il fluido, cosicché si rende massima la conversione dell’energia in lavoro meccanico.
Per convertire l’energia cinetica dell'elemento rotante 7 in energia elettrica, i mezzi di recupero 5 comprendono uno statore (non illustrato) preferibilmente associato al corpo valvola 2 e posto in corrispondenza dell'elemento rotante 7. L'elemento rotante 7 stesso definisce un rotore accoppiato elettromagneticamente con detto statore. Vantaggiosamente, questo permette di ottenere un’alta efficienza di conversione contenendo gli ingombri.
In alternativa, i mezzi di recupero 5 comprendono un generatore di energia elettrica (non illustrato) posto all’esterno del corpo valvola 2. Dei mezzi di trasmissione meccanica (non illustrati) sono configurati per trasferire dell’energia cinetica dall'elemento rotante 7 al generatore. Vantaggiosamente, questa configurazione evita accoppiamenti elettromagnetici all’interno della valvola 1, ed à ̈ preferibile se il fluido che transita all’interno della valvola 1 à ̈ infiammabile. I mezzi di trasmissione meccanica non vengono ulteriormente descritti in quanto di per sé noti al tecnico del ramo.
In una prima forma di realizzazione l’elemento diffusore 6 comprende almeno una prima 10 ed una seconda piastra 11 poste trasversalmente rispetto all’asse di rotazione “A†dell'elemento rotante 7. In particolare, la prima 10 e la seconda piastra 11 presentando ciascuna almeno un’apertura di passaggio 12. La prima 10 e la seconda piastra 11 sono mobili l’una rispetto all’altra per passare reversibilmente da una configurazione di chiusura, in cui la aperture di passaggio 12 sono completamente disallineate l’una rispetto all’altra per impedire il passaggio del fluido, ad almeno una configurazione di apertura, in cui la aperture 12 di passaggio sono almeno parzialmente sovrapposte per permettere il passaggio del fluido.
Con ulteriore dettaglio, la prima 10 e la seconda piastra 11 sono preferibilmente circolari e disposte coassialmente in modo da poter ruotare fra loro. Più in dettaglio, la prima 10 e la seconda piastra 11 presentano un asse centrale sostanzialmente coincidente con l’asse di rotazione “A†dell'elemento rotante 7. Le aperture di passaggio 13 hanno sostanzialmente la forma di settori circolari.
Si noti che la prima piastra 10 à ̈ preferibilmente fissata al corpo valvola 2, mentre la seconda piastra 11 à ̈ girevolmente associata alla prima piastra 10. Inoltre, la prima 10 e/o la seconda piastra 11 comprendono una griglia 13 posta in corrispondenza dell’apertura di passaggio 12. Vantaggiosamente, la griglia 13 può occupare totalmente o parzialmente l’apertura di passaggio 12, per ottenere la variazione del flusso del fluido richiesta dalla particolare applicazione. Ancor più vantaggiosamente, la griglia 13 contribuisce, ove necessario, ad evitare la cavitazione del fluido all’interno della valvola 1. Un ulteriore vantaggio della griglia 13 à ̈ legato all’abbattimento del rumore causato dal passaggio del fluido all’interno della valvola 1.
Secondo una forma di realizzazione alternativa dell’invenzione, mostrata nelle figure 7 e 10, l’elemento diffusore 6 comprende un otturatore 14 associato all’apertura di ingresso 3. L’otturatore 14 à ̈ mobile in allontanamento/avvicinamento rispetto all’apertura di ingresso 3, in modo tale da aprirla e/o chiuderla. In particolare, si noti che l’otturatore 14 à ̈ disposto coassialmente rispetto all'elemento rotante 7. Vantaggiosamente, questo consente di ottenere una valvola 1 più compatta. La forma di realizzazione illustrata in figura 10 comprende un elemento rotante 7 provvisto di due elemento tubolari 71,71. Ciascun elemento tubolare può essere raggiunto dal fluido attraverso aperture radiali 71a,72a ricavate sulla parete laterale di un condotto assiale 141 lungo il quale à ̈ scorrevole l’otturatore 14. Scorrendo lungo tale condotto assiale 141, l’otturatore 14 scopre progressivamente le aperture radiali 71a,72a.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione alternativa dell’invenzione (mostrata in figure 8a e 8b) l’elemento diffusore 6 può essere di tipo eccentrico, vale a dire girevole rispetto ad una cerniera 15 posta trasversalmente al percorso del fluido. L’elemento diffusore 6 può ruotare attorno alla cerniera 15 in modo tale da aprire e/o chiudere, anche parzialmente, l’accesso all'elemento rotante 7. A titolo di esempio, l’elemento diffusore 6 può essere a settore sferico oppure una sfera.
Secondo una terza forma di realizzazione alternativa dell’invenzione, illustrata in figura 9, l’elemento diffusore 6 comprende un’unica piastra che presenta due porzioni 61,62 incernierate fra loro in corrispondenza di un asse di cerniera P. Tali porzioni 61,62 possono ruotare tra una configurazione di maggiore apertura, illustrata in figura 9, nella quale chiudono il passaggio al fluido, e si possono avvicinare fra loro ruotando attorno all’asse di cerniera per aprire il passaggio del fluido, come rappresentato in linea tratteggiata in figura 9.
Secondo ulteriori forme di realizzazione alternative, l’elemento diffusore 6 può essere del tipo a sfera e/o di tipo a farfalla. Vantaggiosamente, questo consente di adattare la forma specifica della valvola 1 alle diverse esigenze operative.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1) Valvola di regolazione (1) comprendente: un corpo valvola (2) che presenta un’apertura di ingresso (3) ed un’apertura di uscita (4) per un fluido; mezzi di recupero (5) configurati per trasferire dell’energia cinetica e/o potenziale estratta da detto fluido fuori da detto corpo valvola (2); un elemento diffusore (6) posto all’interno di detto corpo valvola (2) fra dette aperture (3, 4) di ingresso e di uscita, detto elemento diffusore (6) essendo configurato per indirizzare il fluido verso i mezzi di recupero (5) e per assumere una configurazione di chiusura della valvola (1).
  2. 2) Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di recupero (5) comprendendo un elemento rotante (7) posto all’interno di detto corpo valvola (2) a valle dell’elemento diffusore (6) e configurato per essere posto in rotazione da detto fluido.
  3. 3) Valvola (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di recupero (5) comprendono uno statore associato al corpo valvola (2) e posto in corrispondenza di detto elemento rotante (7); detto elemento rotante definendo un rotore accoppiato elettromagneticamente con detto statore.
  4. 4) Valvola (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di recupero (5) comprendono un generatore di energia elettrica posto all’esterno di detto corpo valvola (2) e dei mezzi di trasmissione meccanica configurati per trasferire dell’energia cinetica da detto elemento rotante (7) a detto generatore.
  5. 5) Valvola (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento rotante (7) Ã ̈ provvisto di almeno una pala (8) o altro elemento atto ad interagire con il fluido e a consentire lo sviluppo di forze aero/idrodinamiche in grado di mettere in rotazione l'elemento rotante (7).
  6. 6) Valvola secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento rotante (7) ha struttura sostanzialmente tubolare e cilindrica e comprende una parete esterna (7a) ed una porzione centrale (7b), concentrica alla parete esterna (7a), fra le quali à ̈ definita una zona interna (7c) lungo la quale può transitare il fluido.
  7. 7) Valvola secondo la rivendicazione 6, in cui almeno una pala (8), o altro elemento atto ad interagire con il fluido e a consentire lo sviluppo di forze aero/idrodinamiche in grado di mettere in rotazione l'elemento rotante (7), Ã ̈ disposta in corrispondenza di tale zona interna (7c).
  8. 8) Valvola (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detta zona interna (7c) Ã ̈ configurata per guidare detto fluido lungo un percorso almeno parzialmente trasversale rispetto a detto asse di rotazione (A) di detto elemento rotante (7).
  9. 9) Valvola (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detta zona interna (7c) Ã ̈ configurata per guidare detto fluido lungo un percorso sostanzialmente parallelo a detto asse di rotazione (A) di detto elemento rotante (7).
  10. 10) Valvola (1) secondo la rivendicazione (6), comprendente almeno due porzioni tubolari (71,72) ciascuna delle quali à ̈ provvista di pale esterne (81,82).
  11. 11) Valvola (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 2 alla 9, caratterizzata dal fatto che detto elemento diffusore (6) comprende almeno una prima (10) ed una seconda piastra (11) poste trasversalmente rispetto all’asse di rotazione (A) dell'elemento rotante (7); dette prima (10) e seconda piastra (11) presentando ciascuna almeno un’apertura di passaggio (12); dette prima (10) e detta seconda piastra (11) essendo mobili l’una rispetto all’altra per passare reversibilmente da una configurazione di chiusura in cui dette aperture (12) di passaggio sono completamente disallineate l’una rispetto all’altra per impedire il passaggio del fluido ad almeno una configurazione di apertura in cui dette aperture (12) di passaggio sono almeno parzialmente sovrapposte per permettere il passaggio del fluido.
  12. 12) Valvola (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni dalla 2 alla 9, in cui l’elemento diffusore (6) comprende due porzioni (61,62), incernierate fra loro in corrispondenza di un asse di cerniera (P), le quali possono ruotare tra una configurazione allargata, nella quale chiudono il passaggio al fluido, ed un configurazione stretta, nella quale consentono il passaggio del fluido.
  13. 13) Valvola (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento diffusore (6) comprende un otturatore (14) associato a detta apertura di ingresso (3) e mobile in allontanamento/avvicinamento da detta apertura di ingresso (3) per aprirla e/o chiuderla.
  14. 14) Valvola (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che detto otturatore (14) Ã ̈ disposto coassialmente rispetto a detto elemento rotante (7).
  15. 15) Valvola (1) secondo la rivendicazione 14, in cui: l'elemento rotante (7) provvisto di due elementi tubolari (71,72) ciascuno dei quali presenta delle aperture radiali (71a,72a) ricavate sulla parete laterale di un condotto assiale (141) lungo il quale à ̈ scorrevole l’otturatore (14); scorrendo lungo detto condotto assiale (141), l’otturatore (14) scopre o chiude progressivamente le aperture radiali (71a,72a).
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