ITPD20080088A1 - Metodo e dispositivo per il controllo della erogazione di un gas combustibile, verso un apparecchio bruciatore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un metodo per il controllo della erogazione di un gas combustibile verso un apparecchio bruciatore, in accordo con le caratteristiche enunciate nel preambolo della rivendicazione principale n. 1 . Il trovato riguarda altresì un dispositivo valvolare operante secondo il metodo anzidetto.

L’invenzione trova particolare, sebbene non esclusiva, applicazione nel settore dei dispositivi valvolari predisposti per erogare una portata di gas regolabile in modo particolarmente accurato e preciso, ed in cui sia richiesta una modulabilità piuttosto ampia del campo di portate erogabili. Una tipica applicazione di questo tipo è prevista, ad esempio, in un sistema di generazione di calore ed energia elettrica basato sull’impiego di celle a combustibile (altrimenti conosciute con il term ine inglese “fuel celi”) . I n tali sistemi, oltre alla generazione di calore mediante processi di combustione di miscele combustibili, il gas è altresì convertito direttamente in energia elettrica mediante processi elettrochimici, all’interno delle celle a combustibile. In questi processi è richiesta una accurata regolazione della portata del gas combustibile (ad esempio gas naturale o liquido) , in particolare in corrispondenza dei valori minimi di portata richiesti nel campo di modulazione desiderato. Soluzioni note prevedono linee di alimentazione del gas del tipo cosiddetto a “circuito aperto”, in cui la portata erogata è direttamente correlata alla pressione di ingresso del gas dalla rete di alimentazione del medesimo. Tale pressione di ingresso del gas è tuttavia difficilmente mantenibile sotto controllo, essendo soggetta ad oscillazioni dipendenti dalle condizioni della rete di alimentazione. Di conseguenza il sistema di alimentazione lungo la linea risulta instabile e poco accurato, in particolare per valori di pressioni prossimi al valore minimo di pressione (e di portata) da erogare.

I noltre, anche la pressione all’uscita può essere soggetta ad oscillazioni difficilmente controllabili. Ad esempio, qualora la sezione di uscita sia posta in com unicazione con la sezione ristretta di un condotto Venturi, previsto per ottenere la m iscelazione del gas erogato dalla valvola con aria o altri aeriform i, la pressione di erogazione del dispositivo valvolare può subire oscillazioni tali da influenzare sensibilmente la portata erogata.

Il problema alla base della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un metodo ed un dispositivo strutturalmente e funzionalmente concepiti così da consentire il superamento dei lim iti lamentati con riferimento alla tecnica nota citata.

Questo problema è risolto dall'invenzione mediante un metodo di controllo della erogazione di un gas combustibile realizzato in accordo con le rivendicazioni che seguono, nonché mediante un dispositivo valvolare operante secondo tale metodo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue di un suo preferito esempio di attuazione illustrato, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento agli uniti disegni in cui:

- la figura 1 è una vista schematica in sezione longitudinale di un primo esempio di dispositivo valvolare operante secondo il metodo dell'invenzione,

- la figura 2 è una vista schematica in sezione longitudinale di un secondo esempio di dispositivo e metodo dell’invenzione.

Con riferimento iniziale alla figura 1 , con 1 è complessivamente indicato un dispositivo valvolare per il controllo dell’erogazione di un gas combustibile (di seguito indicato semplicemente come gas) realizzato in accordo con la presente invenzione.

Il dispositivo comprende un condotto di erogazione 2 per il convogliamento del gas da un elemento erogatore ad un apparecchio bruciatore (entrambi non raffigurati) , il quale è esteso tra una sezione 3 di ingresso del gas ed una sezione 4 di uscita del gas. In corrispondenza dell’uscita 4 il condotto presenta sezione ristretta, ad esempio conformata ad ugello 4a. In una applicazione preferita è previsto che l’ugello 4a sia collegato alla sezione ristretta 5 di un sistema a condotto Venturi 6 lungo il quale è alimentato un flusso di un mezzo aeriforme, ad esempio vapore (specificare meglio se opportuno) , al fine di ottenere la miscelazione di tali flussi e la formazione di una miscela idonea ad essere alimentata ad una unità 7 di celle a combustibile, solo schematicamente raffigurate, ove attraverso un processo elettrochimico avviene generazione diretta di energia elettrica. Tale sistema può essere integrato in apparecchi riscaldatori, quali caldaie, anche di tipo domestico, nei quali siano predisposti sistemi combinati sia di produzione di calore, mediante processi convenzionali di combustione del gas, che di energia elettrica, mediante processi elettrochimici del tipo sopra indicato.

Nel condotto 2 è ricavata una sede 8 di valvola, cooperante con un otturatore 9, il cui stelo di comando 10 è connesso rigidamente ad una membrana 1 1 di comando del medesimo.

Nel condotto 2, a valle della sede valvolare 8, rispetto alla direzione del flusso, è provvista una strozzatura 12, o altro analogo restringimento della sezione trasversale del condotto, avente una prefissata ampiezza, tale da indurre una caduta di pressione a cavallo della strozzatura. Con Pu è indicata la pressione a monte della strozzatura, corrispondente alla pressione esistente a valle dell’otturatore 9. Con Pe è indicata la pressione esistente a valle della strozzatura 12, il differenziale di pressione attraverso la strozzatura, indicato con Dp, essendo pari a Pu-Pe. Con Pi è altresì contrassegnata la pressione del gas esistente all’Ingresso del condotto 2, dipendente dalle condizioni di alimentazione della rete.

La membrana 1 1 è inoltre assoggettata, da un lato, indicato con 11a, alla pressione Pu esistente a valle dell’otturatore 9, e dall’altro lato, indicato con 1 1 b, alla pressione Pe, il cui segnale è portato mediante un condotto di collegamento 13 esteso tra una sezione del condotto 2 a valle della strozzatura (nel tratto compreso tra la strozzatura e l'ugello) ed una camera 14 delimitata in parte dalla membrana 1 1 , come chiaramente illustrato in figura 1 .

I noltre, il lato 1 1 b di membrana è assoggettato ad un carico elastico F generato da un molleggio 15, le cui contrapposte estrem ità assiali 15a, 15b sono rispettivamente connesse alla membrana 1 1 e ad una parete stazionaria 14a della camera 14.

Il dispositivo valvolare descritto può altresì comprendere mezzi di richiamo dell’otturatore 9 nella condizione di chiusura della sede valvolare 8, ad esempio di natura elastica, quale un molleggio, non illustrato in figura 1 .

Nel funzionamento, il metodo di controllo dell’erogazione di gas secondo il trovato prevede che venga prescelta una prefissata ampiezza della strozzatura 12, in base alla quale viene indotto un rispettivo differenziale di pressione Dp, a cavallo della strozzatura stessa. Poiché le pressioni Pu e Pe sono portate ad agire sui lati contrapposti della membrana 11, l’equilibrio delle forze sulla membrana 10 di comando fa sì che il differenziale Dp sia sostanzialmente dipendente, in modo proporzionale, dal carico F (indicata con S la superficie della membrana 10, Dp= F/S) . Ne deriva che, poiché, come noto, la portata Q di gas erogata alla sezione di uscita 4 varia in funzione della radice quadrata del differenziale Dp, si ottiene vantaggiosamente che la portata Q erogata, e regolabile attraverso la registrabilità del carico elastico F, sia controllata in modo indipendente dai valori assoluti delle pressioni esistenti alle sezioni di ingresso (Pi) e di uscita (Pu) del condotto 2. Poiché in particolare la pressione di ingresso Pi, determinata dalle condizioni di alimentazione della rete, può essere soggetta ad oscillazioni, anche sensibili, e non facilmente controllabili, il metodo consente di regolare in modo accurato la portata Q, indipendentemente dalla pressione Pi.

Nella figura 2 è illustrato un secondo esempio di dispositivo valvolare operante secondo il metodo dell’invenzione, in cui particolari analoghi a quelli dell’esempio precedente sono contrassegnati dai medesimi riferimenti numerici. Questo esempio si differenzia da quello descritto in precedenza per il fatto che il dispositivo valvolare è realizzato come servo-valvola ed è previsto un circuito di pilotaggio derivato dal condotto 2, per il comando di servo-assistenza alla valvola principale (otturatore 9) .

Il lato 10b della membrana definisce una camera di pilotaggio 14, la quale è in comunicazione con il condotto principale 2, a monte della sede di valvola 8, tramite un condotto di pilotaggio 16. La sezione del condotto 16 che collega quest’ultimo alla camera 14 è selettivamente aperta o chiusa dall’otturatore di una elettrovalvola 17, predisposta per il comando di servo-assistenza della valvola principale 8.

Con 18 è indicata una strozzatura predisposta nel condotto 16.

La camera di pilotaggio 14 è collegata alla sezione di uscita 4 del condotto 2, a valle della strozzatura 12, tram ite un condotto di scarico 19 sul quale è provvisto un dispositivo regolatore di pressione, complessivamente indicato con 20. Esso è un regolatore di pressione a membrana 21 , in sé di tipo convenzionale, in cui un lato di membrana definisce una camera 22 di pilotaggio in com unicazione, mediante una parte 19a del condotto 19, con la sezione di uscita 4 ed è altresì suscettibile di intercettare la sezione di uscita dell’altra parte 19b di condotto 19 comunicante con la camera di pilotaggio 14. Il lato contrapposto di membrana è sollecitato da una molla di taratura 23 alloggiata in una camera 24, la quale è posta in collegamento, mediante un condotto 25, con una sezione di condotto 2 a monte della strozzatura 12. I l regolatore 20 è concepito per reagire alle variazioni di pressione di erogazione nonché per compensare le medesime e riportare la pressione ad un valore di taratura prefissato mediante regolazione del carico F’ della molla 23.

Nel funzionamento, tramite il circuito di servo-assistenza comandato dalla elettrovalvola 17, viene controllata l’apertura e la chiusura della sede principale di valvola 8.

Analogamente all’esempio precedente, il metodo di controllo dell’erogazione di gas secondo il trovato prevede che venga prescelta una prefissata ampiezza della strozzatura 12, in base alla quale viene indotto un rispettivo differenziale di pressione Dp, a cavallo della strozzatura stessa. Poiché le pressioni Pu e Pe sono portate ad agire sui lati contrapposti della membrana 21 , l’equilibrio delle forze sulla membrana 21 di comando fa sì che il differenziale Dp sia sostanzialmente dipendente, in modo proporzionale, dal carico F (indicata con S’ la superficie della membrana 21 , Dp= F/S’). Ne deriva che, poiché, come noto, la portata Q di gas erogata alla sezione di uscita 4 varia in funzione della radice quadrata del differenziale Dp, si ottiene vantaggiosamente che la portata Q erogata, e regolabile attraverso la registrabilità del carico elastico F, sia controllata in modo indipendente dai valori assoluti delle pressioni esistenti alle sezioni di ingresso (Pi) e di uscita (Pu) del condotto 2.

Da notare ulteriormente che in entrambi gli esempi descritti, il carico F, F indotto sulle corrispondenti membrane può essere reso modulabile in un prefissato campo di modulazione, mediante l’impiego di operatori attivi sulla membrana stessa. Si citano a solo titolo di esempio, operatori di tipo elettromagnetico, aventi steli di comando a magneti mobili, ovvero motori atti a comandare in modo controllato il movimento di traslazione di steli attuatori attivi sulla membrana. In tutte queste applicazioni, mediante la modulazione del carico F,F’ si può ottenere la modulabilità della portata erogata, in prefissati campi di modulazione definiti tra prescelti valori di portate ( e quindi pressioni) minime e massime.

L’invenzione risolve così il problema proposto, raggiungendo gli scopi prefissati, ottenendo i vantaggi indicati rispetto alle soluzioni note.

Si fa notare in particolare come con il metodo ed il dispositivo secondo il trovato, la portata erogata sia controllata in modo tale da risultare funzione sostanzialmente del differenziale di pressione esistente a cavallo della strozzatura prefissata.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Metodo per il controllo della erogazione di un gas combustibile attraverso un dispositivo valvolare disposto lungo un condotto di erogazione con una sezione di ingresso ed una sezione di uscita del gas, il dispositivo comprendendo una sede di valvola in detto condotto associata ad un otturatore con comando a membrana e mezzi di richiamo dell’otturatore verso una posizione di intercettazione della sede di valvola, caratterizzato dalle seguenti fasi: indurre un differenziale di pressione in una sezione del condotto a valle di detto otturatore, rispetto alla direzione del flusso, mediante una strozzatura del condotto, di prefissata sezione trasversale, detto differenziale di pressione essendo definito da una prima pressione a monte della strozzatura ed una seconda pressione a valle di detta strozzatura, - prelevare il segnale di detta seconda pressione a valle di detta strozzatura e portare detta seconda pressione ad agire sul lato di membrana contrapposto a quello su cui agisce la prima pressione, - generare un carico regolabile sulla membrana di detto comando a membrana, indipendente da dette prime e seconde pressioni, così da regolare il differenziale di pressione tramite regolazione di detto carico attivo sulla membrana, detto carico essendo correlato proporzionalmente con detto differenziale, in modo tale che la portata di gas erogata alla sezione di uscita, che è funzione di detto differenziale di pressione, venga controllata indipendentemente dai valori delle pressioni esistenti alla sezione di ingresso e di uscita di detto condotto.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui detto carico è generato sulla membrana di detto comando mediante una azione elastica di un mezzo a molla avente una estremità attiva sulla membrana e l’altra contrapposta estrem ità riscontrata da una parte stazionaria di detto dispositivo valvolare.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui è previsto di alloggiare detto mezzo a molla in una camera delim itata, almeno in parte, da detta membrana e posta in com unicazione con un secondo condotto predisposto per prelevare il segnale di detta seconda pressione, così che detta seconda pressione sia portata in detta camera per agire sul lato di membrana affacciato alla medesima.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui detto dispositivo valvolare è realizzato come servo-valvola ed è previsto di: - prelevare i segnali di dette prima e seconda pressione, a cavallo della strozzatura, mediante rispettivi condotti, e portare dette pressioni su lati contrapposti di una seconda membrana di un regolatore di pressione disposto su di un circuito di pilotaggio della servo-valvola, - di generare detto carico regolabile esclusivamente su detta seconda membrana del regolatore di pressione, indipendentemente da dette prime e seconde pressioni, così da regolare il differenziale di pressione tramite regolazione del carico attivo su detta seconda membrana, il carico essendo correlato proporzionalmente con detto differenziale di pressione, in modo tale che la portata di gas erogata alla sezione di uscita, che è funzione di detto differenziale di pressione, venga controllata indipendentemente dai valori assoluti delle pressioni esistenti alla sezione di ingresso e di uscita di detto condotto.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui è previsto di prelevare una segnale di una pressione di pilotaggio del circuito servo in una sezione del condotto a monte della sede di valvola, di portare detto segnale in una camera di pilotaggio delimitata almeno in parte dalla membrana del comando associato a detta sede di valvola, e di porre in com unicazione detta camera di pilotaggio con il regolatore di pressione portando la pressione di pilotaggio sul lato della membrana di detto regolatore assoggettata a detta seconda pressione.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui è previsto di modulare detto carico generato associato alla corrispondenza membrana, così che il differenziale di pressione e la portata erogata alla sezione di uscita siano modulabile in modo proporzionalmente correlato alla variazione del carico.
7. 7. Dispositivo valvolare per il controllo della erogazione di un gas combustibile comprendente un condotto principale di erogazione del gas con una sezione di ingresso ed una sezione di uscita, una sede di valvola provvista in detto condotto ed associata ad un otturatore con comando a membrana e mezzi di richiamo dell’otturatore verso una posizione di intercettazione della sede di valvola, caratterizzato dal fatto di comprendere: - una strozzatura in detto condotto avente prefissata sezione trasversale, a valle dell’otturatore rispetto alla direzione del flusso, così che sia indotto un differenziale di pressione a cavallo di detta strozzatura definito da una prima pressione a monte della strozzatura ed una seconda pressione a valle della medesima, - un secondo condotto di collegamento di una sezione del condotto principale a valle della strozzatura con una camera definita da detta membrana, così da portare la seconda pressione ad agire sul lato di membrana di detta camera contrapposto al lato su cui agisce detta prima pressione, - mezzi per generare un carico regolabile sulla membrana del comando a membrana, in modo tale che il differenziale di pressione sia regolabile tramite regolazione di detto carico e sia ad esso correlato proporzionalmente, al fine di erogare alla sezione di uscita una portata di gas che sia funzione di detto differenziale e venga controllata indipendentemente dai valori delle pressioni esistenti alla sezione di ingresso e di uscita di detto condotto.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detti mezzi per generare detto carico sulla membrana comprendono una molla avente una estremità attiva su detta membrana ed una contrapposta estrem ità riscontrata da una parte stazionaria di detto dispositivo.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detta molla è alloggiata in una camera delimitata, almeno in parte, da detta membrana e posta in com unicazione con una sezione del condotto principale a valle della strozzatura, mediante detto secondo condotto.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, realizzato come servo-valvola e comprendente un circuito di pilotaggio di detta servo-valvola ed un regolatore di pressione a membrana provvisto nel circuito di pilotaggio, condotti essendo previsti per portare detta prima e seconda pressione, esistenti a monte e a valle della strozzatura, sui rispettivi lati della membrana di detto regolatore, detti mezzi per generare un carico essendo attivi esclusivamente sulla membrana di detto regolatore, così che il differenziale di pressione sia controllato tramite regolazione del carico attivo sulla membrana del regolatore di pressione, al fine di erogare una portata in detta sezione di uscita che sia funzione di detto differenziale di pressione e venga controllata indipendentemente dai singoli valori delle pressioni esistenti alla sezione di ingresso e di uscita del condotto principale.