ITPE20120010A1 - PRODUCTION OF ELECTRICAL ENERGY BY PLANT TO ARIETE - Google Patents
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Description
“ Produzione di energia elettrica mediante impianto a colpo d’ariete †⠀ œ Electricity production by means of a water hammer system â €
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
Campo di applicazione dell’invenzione Field of application of the invention
La presente invenzione si riferisce ad un sistema di generazione di energia elettrica che utilizza il sistema del’ariete idraulico. The present invention refers to an electric power generation system which uses the hydraulic ram system.
Descrizione dell’arte nota Description of the known art
Esistono vari brevetti su sistemi che utilizzano la sovra pressione derivante dal colpo d’ariete per l’azionamento di turbine There are various patents on systems that use the overpressure resulting from the water hammer to drive turbines
Gli unici brevetti a livello mondiale che presentano però aspetti correlati a quanto oggetto della presente domanda sono quelli di seguito menzionati ed esaminati. Il brevetto Oscillating U-tube pump†(SMITH THOMAS C.B.) n°GB2484345 del 2012 focalizza l’attenzione sul colpo d'ariete prodotto dal flusso dell’acqua posta in movimento da un pistone a pedale o motore termico che solleva l’acqua attraverso una tubazione posta centralmente al tubo ad U. L’attuazione del colpo d’ariete avviene chiudendo alternativamente prima una valvola e successivamente l’altra. Pur basandosi sullo stesso principio esìstono differenza sostanziali insite nella gestione del colpo d’ariete, innanzitutto il brevetto Oscillating U-tube pump prevede di utilizzare dei pedali od un motore per far defluire l’acqua attraverso le valvole, il che comporta l'utilizzo di una forza meccanica e quindi dispendio di energia. Il brevetto da noi proposto invece segue la prassi tradizionale sfruttando il salto geodedico sufficiente a far acquistare alla massa d’acqua la velocità necessaria, quindi senza alcun apporto di energia prodotta da macchine meccaniche. In secondo luogo, nei brevetto Oscillating U - tube pump non sono presenti apparecchiature che facciano in modo di avere la certezza delt’individuazione delia velocità di chiusura ed apertura delle valvole d’arresto, infatti si basa ancora sull’utilizzo della molla e della forza cinetica dell’acqua ottenendo tempi di chiusura difficilmente gestibili dato che dipendono dalla reattività della molla e quindi dalla sua costruzione e non possono essere modificate che cambiando la tipologia di molla. Inoltre il controllo à ̈ notevolmente impreciso e ciò causa oscillazioni della sovrappressione tra un ciclo e l’altro e differenze di tempi ciclo. Il brevetto da noi proposto prevede invece l’uso dell’attuatore pneumatico e del lettore di portata pertanto l’impulso di chiusura viene lanciato dal lettore dì portata al raggiungimento della velocità di calcolo mentre l’attuatore pneumatico effettua la chiusura nel tempo calcolato, inoltre lo stesso attuatore pneumatico lancia l’impulso di apertura della valvola mediante un contattore di fine corsa, si ottiene pertanto la continuità del tempo ciclo e costantemente la stessa pressione. In terzo luogo nel brevetto Oscillating U-tube pump non à ̈ presente l’accumulatore idraulico ne apparecchiature di controllo della pressione di invio in turbina, pertanto la portata che defluisce direttamente alla turbina varia da un valore massimo ad un valore inferiore, il tutto in frazione di secondo, pertanto non solo si ha una variazione di portata ma anche una discontinuità del flusso con interruzione tra un colpo d’ariete ed il successivo. Il brevetto da noi proposto invece prevede l’utilizzo dell'accumulatore idraulico e del riduttore di pressione. La funzione di queste due apparecchiature à ̈ quella di accumulare prima l’acqua alla pressione massima ed inviarla contemporaneamente alla turbina distribuendo il volume accumulato nel tempo ciclo ottenendo quindi la continuità e la costanza della portata. The only patents worldwide which however have aspects related to the subject of this application are those mentioned and examined below. The Oscillating U-tube pump patent (SMITH THOMAS C.B.) n ° GB2484345 of 2012 focuses attention on the water hammer produced by the flow of water set in motion by a pedal piston or heat engine that raises the Water through a pipe placed centrally to the U-tube. The water hammer is actuated by alternately closing first one valve and then the other. Although based on the same principle there are substantial differences inherent in the management of the water hammer, first of all the Oscillating U-tube pump patent provides for the use of pedals or a motor to let the water flow through the valves, which involves the use of a mechanical force and therefore energy expenditure. The patent proposed by us, on the other hand, follows the traditional practice by exploiting the geodedic jump sufficient to make the mass of water acquire the necessary speed, therefore without any input of energy produced by mechanical machines. Secondly, in the Oscillating U - tube pump patents there are no devices that make it possible to be sure of the detection of the closing and opening speed of the stop valves, in fact it is still based on the use of the spring. and the kinetic force of the water obtaining closing times that are difficult to manage since they depend on the reactivity of the spring and therefore on its construction and can only be modified by changing the type of spring. Furthermore, the control is notably inaccurate and this causes fluctuations in the overpressure between one cycle and the next and differences in cycle times. The patent proposed by us instead provides for the use of the pneumatic actuator and the flow reader therefore the closing impulse is launched by the flow reader when the calculation speed is reached while the pneumatic actuator closes in the calculated time, moreover, the same pneumatic actuator launches the valve opening impulse by means of a limit switch contactor, therefore the continuity of the cycle time and the constant pressure is obtained. Thirdly, in the Oscillating U-tube pump patent there is no hydraulic accumulator or turbine delivery pressure control equipment, therefore the flow rate that flows directly to the turbine varies from a maximum value to a lower value. in a fraction of a second, therefore, there is not only a variation in flow rate but also a discontinuity in the flow with interruption between one water hammer and the next. The patent proposed by us instead foresees the use of the hydraulic accumulator and the pressure reducer. The function of these two devices is to first accumulate the water at maximum pressure and send it at the same time to the turbine, distributing the accumulated volume over the cycle time, thus obtaining continuity and constancy of the flow rate.
1l brevetto “Hydroelectric generating system wìth verticaliy movabie tank†(YAMAHASHI KOUSAKU) n°JP55114884 del 1980 focalizza l'atenzione sul colpo d’ariete che solleva un cassone vuoto fino ad una determinata altezza, successivamente il cassone viene zavorrato con acqua che in virtù del peso comprime l’acqua accumulata che ha precedentemente sollevato il cassone, Il cassone viene vuotato, si ripete il colpo d’ariete il cassone rìsale e cosi’ via. Pur basandosi sullo stesso principio esistono differenze sostanziali nella gestione di tutto il procedimento. Innanzitutto il brevetto Hydroelectric generating system with verticaliy movabie tank pur utilizzando un serbatoio di accumulo dal quale defluisce l’acqua atta a provocare il colpo d’ariete non specifica le modalità con cui viene effettuato e si presume comunque l’utilizzo della solita molla ed energia cinetica dell’acqua, si concentra esclusivamente ne! sistema adottato per accumulare ed inviare l’acqua all’utiiizzo finale. Il sistema prevede dì sollevare un cassone inizialmente vuoto all'interno di un accumulatore, finita la corsa di sollevamento il cassone viene riempito con acqua, in virtù del peso il cassone spingerà l’acqua accumulata verso la turbina. Al termine dei deflusso dell’acqua accumulata, l'acqua contenuta all’interno del cassone viene scaricata in modo tale da alleggerirlo, non si specifica se lo scarico avviene all’interno dell’accumulatore od a uno scarico esterno. Qualunque sia la soluzione adottata dall’inventore il rendimento dell’impianto à ̈ notevolmente scadente. Innanzitutto il cassone anche se zavorrato fornisce una pressione di spìnta notevolmente inferiore a quella prodotta dal colpo d’ariete e la sua corsa di sollevamento à ̈ limitata in quanto una parte dell’acqua che defluisce nell’accumulatore viene direttamente sospinta in turbina, quindi avrà un volume di invio all’atto del coipo d’ariete che sarà inizialmente minore per poi terminare con un volume maggiore, successivamente la pressione della zavorra stabilizzerà il valore del volume operativo residuo. Altro fattore deleterio per il rendimento, presupponendo che il cassone sia perfettamente aderente all’accumulatore (non può essere diversamente se si vuole ottenere una pressione di spinta) , à ̈ rappresentato dalla resistenza opposta dall’attrito radente al movimento di sollevamento e successiva discesa per la spinta. il nostro brevetto oltre che prevedere il controllo puntuale sia tempistico che di intensità del colpo d’ariete, utilizza totalmente l’energia pressoria e del volume di acqua accumulato utilizzando l’accumulatore a pistone ed il regolatore di pressione. The patent â € œHydroelectric generating system wìth verticaly movabie tankâ € (YAMAHASHI KOUSAKU) n ° JP55114884 of 1980 focuses the attention on the water hammer that lifts an empty tank up to a certain height, then the tank is ballasted with water which by virtue of its weight compresses the accumulated water that has previously lifted the box, The box is emptied, the water hammer is repeated, the box rises and so on. Although based on the same principle, there are substantial differences in the management of the whole procedure. First of all, the patent Hydroelectric generating system with verticaly movabie tank while using an accumulation tank from which the water capable of causing the water hammer flows does not specify the modalities with which it is carried out and the use of the usual one is assumed in any case spring and kinetic energy of water, concentrates exclusively on it! system adopted to accumulate and send the water to the final use. The system involves lifting an initially empty box inside an accumulator, once the lifting stroke is finished the box is filled with water, by virtue of the weight the box will push the accumulated water towards the turbine. At the end of the outflow of the accumulated water, the water contained inside the tank is discharged in such a way as to lighten it, it is not specified whether the discharge takes place inside the accumulator or to an external drain. Whatever the solution adopted by the inventor, the efficiency of the system is remarkably poor. First of all, the body, even if ballasted, provides a significantly lower firing pressure than that produced by the water hammer and its lifting stroke is limited as a part of the water that flows into the accumulator is directly pushed in the turbine, therefore, it will have a volume of delivery to the action of the ram type which will initially be smaller and then end with a greater volume, subsequently the pressure of the ballast will stabilize the value of the residual operating volume. Another deleterious factor for performance, assuming that the body adheres perfectly to the accumulator (it cannot be otherwise if a thrust pressure is to be obtained), is represented by the resistance opposed by the sliding friction to the lifting and subsequent movement descent for the thrust. our patent, as well as providing precise control of both timing and intensity of the water hammer, fully uses the pressure energy and the volume of water accumulated using the piston accumulator and the pressure regulator.
Il brevetto “Water hammer generator†(FUJIWARA KATSUJI) n°JP54065565 del 1979 focalizza l’attenzione sulla valvola d’arresto che viene gestita tramite una leva ed una valvola dì sfiato della sovrappressione. Pur basandosi sullo stesso principio esistono differenze sostanziali nel procedimento di attuazione de! colpo d’ariete. Innanzitutto il brevetto Water hammer generator focalizza la sua attenzione esclusivamente nella valvola d’arresto trascurando il resto de! processo di impiego de! colpo d’ariete. Il procedimento adottato dall'inventore propone l’utilizzo di una leva collegata alla valvola d’arresto, la leva à ̈ provvista di una molla di contrasto che a! superamento di una determinata pressione si deforma dando sfogo all’acqua. In sintesi si tratta di una valvola di sfogo necessaria in quanto non esiste un sistema di controllo della pressione all’atto del colpo d’ariete. Il nostro brevetto controlla puntualmente l’intensità delia sovrappressione in quanto sia il lettore di portata che l’attuatore pneumatico assolvono alla loro funzione tramite il controllo della portata e della velocità di chiusura. The patent â € œWater hammer generatorâ € (FUJIWARA KATSUJI) n ° JP54065565 of 1979 focuses attention on the stop valve which is managed by means of a lever and an overpressure relief valve. Although based on the same principle, there are substantial differences in the procedure for implementing the hammer blow. First of all, the patent Water hammer generator focuses its attention exclusively on the stop valve, neglecting the rest of the! process of using de! hammer blow. The procedure adopted by the inventor proposes the use of a lever connected to the stop valve, the lever is equipped with a contrast spring which a! exceeding a certain pressure it deforms giving vent to the water. In summary, it is a necessary relief valve as there is no pressure control system at the time of the water hammer. Our patent punctually controls the intensity of the overpressure as both the flow reader and the pneumatic actuator perform their function by controlling the flow rate and the closing speed.
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
La presente invenzione si riferisce ail’utiiizzo de! colpo d’ariete effettuato tramite ariete idraulico. The present invention relates to the use of water hammer carried out by means of a hydraulic water hammer.
!! colpo d’ariete idraulico che non à ̈ altro che una sovra pressione che si genera in una tubazione percorsa dall’acqua quando avviene una chiusura improvvisa nella parte terminale della tubazione. !! hydraulic water hammer which is nothing more than an over pressure that is generated in a pipe crossed by water when there is a sudden closure in the terminal part of the pipe.
Il funzionamento delia macchina si basa sul principio del colpo d’ariete abbondantemente conosciuto in idraulica. In sintesi si provoca una sovra pressione arrestando tramite una valvola d’arresto, entro un determinato tempo, il flusso dell'acqua che scorre all'interno di una condotta controllandone l’intensità e la durata. Al fine di poter controllare l’intensità , che dipende dal tempo di chiusura della valvola d’arresto occorre controllare la velocità e ciò à ̈ possibile installando un attuatore pneumatico. La sovra pressione generatasi viene assorbita da un vaso dì espansione al cui interno viene sospinto un determinato quantitativo di acqua che comprime l’aria alla pressione ottenuta. Dal vaso di espansione l’acqua accumulata, non potendo defluire nuovamente nella condotta in quanto trattenuta all'interno da una valvola di ritegno defluisce lungo una condotta che collega il vaso di espansione alla turbina. Occorre pertanto gestire il processo descritto al fine di controllare sia la sovra pressione sia il tempo ciclo ovvero il tempo impiegato dall’acqua per raggiungere la velocità prefissata ed il tempo impiegato per la chiusura della valvola d'arresto. Contemporaneamente, durante il tempo impiegato nella fase precedentemente esposta l’acqua accumulata nel vaso di espansione nel precedente colpo d’ariete defluisce verso la turbina. Conoscendo il funzionamento del vaso di espansione sappiamo che l’aria compressa contenuta al suo interno dall’istante in cui l’acqua inizia a defluire verso l’esterno (in questo Gaso verso la turbina) si dilata passando da una pressione massima X ad una pressione inferiore Y, la variazione di pressione à ̈ progressiva e proporzionale al volume di acqua defluito. La variazione di pressione se non à ̈ controllata si ripercuote su! volume di acqua che defluisce inizialmente in grande quantità per poi divenire proporzionalmente alla diminuzione della pressione sempre più minore. Questa variazione dì volume di non poco conto a cui corrisponde una variazione di energia non consente l'utilizzo di turbine in quanto per un buon funzionamento delle stesse sono ammesse variazioni contenute tra un o - 5% Pertanto occorre controllare il flusso installando un regolatore di pressione che limita sia la pressione che la portata indipendentemente dalla pressione iniziale del aria nel vaso di espansione. Al fine di ottenere il massimo rendimento la pressione alla quale deve essere impostato il regolatore di pressione deve essere la metà di quella massima. Le funzioni di apertura e chiusura della valvola d’arresto sono assolte rispettivamente: per l’apertura da un contattore di fine corsa posto sullo stelo delì’attuatore pneumatico a doppio effetto che lancia l’impulso all’elettrovalvola dell’aria compressa consentendo il movimento, mentre la chiusura viene comandata da un lettore di portata che giunta al valore impostato lancia l’impulso all’elettrovalvola dell’aria compressa che consente il movimento nel senso opposto. The operation of the machine is based on the water hammer principle widely known in hydraulics. In summary, an overpressure is caused by stopping the flow of water within a pipeline by means of a stop valve within a certain time, controlling its intensity and duration. In order to be able to control the intensity, which depends on the closing time of the stop valve, it is necessary to control the speed and this is possible by installing a pneumatic actuator. The overpressure generated is absorbed by an expansion vessel into which a determined quantity of water is pushed which compresses the air to the pressure obtained. The accumulated water from the expansion vessel cannot flow back into the duct as it is held inside by a check valve and flows along a duct that connects the expansion vessel to the turbine. It is therefore necessary to manage the process described in order to control both the over pressure and the cycle time, that is the time taken by the water to reach the preset speed and the time taken to close the stop valve. At the same time, during the time spent in the previously exposed phase, the water accumulated in the expansion tank in the previous water hammer flows towards the turbine. Knowing the functioning of the expansion vessel, we know that the compressed air contained inside it from the moment in which the water begins to flow outwards (in this Gaso towards the turbine) expands passing from a pressure maximum X at a lower pressure Y, the pressure variation is progressive and proportional to the volume of water drained. If the pressure variation is not controlled it affects! volume of water that initially flows in large quantities and then becomes proportionally to the decrease in pressure more and more lower. This not insignificant volume variation which corresponds to an energy variation does not allow the use of turbines as for a good functioning of the same are allowed variations contained between one or - 5% Therefore it is necessary to control the flow by installing a regulator of pressure that limits both the pressure and the flow rate regardless of the initial air pressure in the expansion vessel. In order to obtain maximum efficiency, the pressure at which the pressure regulator must be set must be half of the maximum. The opening and closing functions of the stop valve are performed respectively: for the opening by a limit switch placed on the stem of the double-acting pneumatic actuator that launches the impulse to the solenoid valve of compressed air allowing movement, while closing is controlled by a flow reader which, when it reaches the set value, launches the impulse to the compressed air solenoid valve which allows movement in the opposite direction.
Il sistema à ̈ realizzabile con componenti commerciali di facile reperibilità , e di basso costo. Quindi, l’invenzione nella sua globalità à ̈ applicabile industrialmente Breve descrizione delle figure The system can be built with easily available, low cost commercial components. Therefore, the invention as a whole is industrially applicable. Brief description of the figures
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni. The characteristics and advantages of the present invention will become evident from the following detailed description of a practical embodiment thereof, illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings.
In figura 1 à ̈ rappresentato l'impianto nella sua interezza e si compone dì un sistema di apertura e chiusura della valvola d’arresto (1) che controlla il colpo d’ariete. Figure 1 shows the system in its entirety and consists of an opening and closing system of the stop valve (1) which controls the water hammer.
In prossimità della valvola d’arresto, a monte della stessa, la tubazione viene collegata tramite un T di derivazione ad un vaso di espansione ad aria (2) che permette di mantenere l’acqua sotto pressione. Interposta tra il T di derivazione ed il vaso di espansione viene collocata una valvola di ritegno (4). In proximity to the stop valve, upstream of it, the pipe is connected by means of a derivation T to an air expansion tank (2) which allows the water to be kept under pressure. A check valve (4) is placed between the branch tee and the expansion tank.
Due misuratori di portata (5) posizionati nei due rami dell’impianto e che permettono all’elettronica di controllo di validare i tempi di attivazione ed il corretto funzionamento dell’impianto. L’impulso all’elettrovalvola a doppia uscita per la chiusura della valvola d’arresto viene generato dall’elettronica di controllo, li tempo di invio dell’impulso ed il suo ritardo viene calcolato dal sistema stesso a partire dalle misure di portata. Two flow meters (5) positioned in the two branches of the system and which allow the control electronics to validate the activation times and correct operation of the system. The impulse to the double output solenoid valve for closing the stop valve is generated by the control electronics, the sending time of the impulse and its delay is calculated by the system itself starting from the measurements of range.
Una valvola di regolazione della pressione (6) che permette di ottenere un flusso stabilizzato e non impulsivo alla turbina (8), una vasca di accumulo (7) che fornisce acqua a tutto rimpianto. A pressure regulation valve (6) which allows to obtain a stabilized and non-impulsive flow to the turbine (8), an accumulation tank (7) which supplies water to all regrets.
I rami dei impianto sono forniti di saracinesche (3) per isolare parte dell’impianto per la manutenzione e che sono aperte durante il funzionamento normale. The branches of the plant are equipped with gate valves (3) to isolate part of the plant for maintenance and which are open during normal operation.
In figura 2 à ̈ rappresentato il sistema di apertura e chiusura della valvola d'arresto che si compone di: attuatore pneumatico (9) che ha la funzione di aprire e chiudere la valvola d'arresto nel tempo prefissato, la valvola d'arresto (10) che ha la funzione di arrestare e rìavviare il flusso dell'acqua, un contattore di fine corsa (11) che ha la funzione di inviare l’impulso all'elettrovalvola dell'aria compressa per l'apertura della valvola d'arresto: la scheda elettronica provvede ai necessari ritardi fra la ricezione dell’impulso e l’apertura della valvola d’arresto. I sistemi tradizionali, invece, hanno una molla che funziona meccanicamente e che quindi non può essere controllata come tempi e ritardi. Figure 2 shows the opening and closing system of the stop valve which consists of: pneumatic actuator (9) which has the function of opening and closing the stop valve in the preset time, the stop valve ( 10) which has the function of stopping and restarting the flow of water, a limit switch contactor (11) which has the function of sending the impulse to the compressed air solenoid valve to open the valve. 'stop: the electronic board provides for the necessary delays between the reception of the impulse and the opening of the stop valve. Traditional systems, on the other hand, have a spring that works mechanically and therefore cannot be controlled in terms of times and delays.
In figura 3 à ̈ rappresentato l’accumulatore idraulico che ha la funzione di accumulare l'acqua in pressione all'atto del colpo d'ariete e si compone di camera d'aria (12) che ha la funzione di immagazzinare la pressione proveniente dal colpo d'ariete, valvola di ritegno (13) che ha la funzione di impedire il reflusso dell'acqua in pressione nella condotta di carico, fine corsa del pistone idraulico (14) che ha la funzione di evitare oscillazioni dovute alla compressione dell'aria. In figura 4 sono mostrati i collegamenti dell’elettronica di controllo (15). Figure 3 shows the hydraulic accumulator which has the function of accumulating water under pressure at the time of the water hammer and consists of an air chamber (12) which has the function of storing the pressure coming from the water hammer, check valve (13) which has the function of preventing the backflow of the pressurized water into the loading duct, stroke end of the hydraulic piston (14) which has the function of avoiding oscillations due to the compression of the air. Figure 4 shows the connections of the control electronics (15).
I segnali in ingresso sono il digitale del contattore di fine corsa (16) ed i due analogici relativa alla lettura della portata dell'acqua nei due rami di ingresso (17) e uscita (18). In uscita, l’elettronica di controllo provvede alla generazione degli impulsi (19), opportunamente ritardati per l’attuatore pneumatico che, chiudendo la valvola d’arresto, genera il colpo d’ariete successivo. The input signals are the digital of the limit switch contactor (16) and the two analog ones relating to the reading of the water flow rate in the two inlet (17) and outlet (18) branches. At the output, the control electronics generate the pulses (19), suitably delayed for the pneumatic actuator which, by closing the stop valve, generates the next water hammer.
Descrizione dettagliata dell’invenzione Detailed description of the invention
La macchina idraulica proposta trae le sue origini dall’ariete idraulico, The proposed hydraulic machine has its origins in the hydraulic ram,
il procedimento di calcolo dell’ariete idraulico utilizza sia le stesse formule adottate per il moto vario di un liquido indipendentemente dalle proprietà elastiche dei liquido e della condotta, sia le stesse formule utilizzate per il calcolo delle casse d’aria e le medesime formule adottate per la sopra elevazione di liquidi mediante recipienti in pressione. the hydraulic ram calculation procedure uses both the same formulas adopted for the various motion of a liquid regardless of the elastic properties of the liquid and the duct, and the same formulas used for the calculation of the air boxes and the same formulas adopted for the elevation of liquids by means of pressure vessels.
Questa macchina funziona sfruttando il principio del “colpo d’ariete†che non à ̈ altro che una sovra pressione che si genera in una tubazione percorsa dall’acqua quando avviene una chiusura improvvisa nella parte terminale della tubazione. This machine works by exploiting the “water hammer” principle which is nothing more than an overpressure that is generated in a pipe crossed by water when a sudden closure occurs in the terminal part of the pipe.
II funzionamento della macchina avviene in virtù dello scorrimento dell’acqua nella condotta orizzontale, dopo l'apertura della valvola d’arresto terminale, l’acqua scorrendo acquista sempre più maggiore velocità sino a quando la sua velocità giunge a quella dì calcolo rilevata dal lettore di portata che invia l'impulso di chiusura all'attuatore pneumatico tramite l’elettrovalvola dell’aria compressa. Ovviamente il tempo di chiusura viene controllato tramite la regolazione della pressione dell’aria compressa. The operation of the machine takes place by virtue of the flow of water in the horizontal pipe, after the opening of the terminal stop valve, the water as it flows acquires more and more speed until its speed reaches that of calculation detected by the flow rate reader which sends the closing impulse to the pneumatic actuator through the compressed air solenoid valve. Obviously, the closing time is controlled by regulating the pressure of the compressed air.
Il tempo che intercorre dall’istante dell’apertura della valvola sino alla sua chiusura à ̈ il tempo di avviamento della condotta. The time that elapses from the instant the valve opens until it closes is the start-up time of the duct.
La chiusura della valvola produce l’effetto del “colpo d’ariete†che in pratica genera una sovra pressione che partendo dalia valvola d’arresto si trasmette lungo la condotta sino al serbatoio alla velocità prossima a quella del suono. The closing of the valve produces the effect of the â € œ ram strokeâ € which in practice generates an over pressure which, starting from the stop valve, is transmitted along the pipe to the tank at a speed close to that of sound.
L’intensità massima si avvera in prossimità della valvola e decresce linearmente verso monte sino al serbatoio, da qui viene riflessa per tornare nuovamente verso la valvola d’arresto. The maximum intensity occurs near the valve and decreases linearly upstream to the tank, from here it is reflected back to the stop valve.
Successivamente alla fase di sovra pressione iniziale si produce lungo la condotta una fase dì depressione. Following the initial overpressure phase, a depression phase is produced along the pipeline.
li tempo composto dall’apertura della valvola, il tempo di scorrimento ed il tempo di chiusura possiamo identificarlo come “tempo ciclo†. The time composed by the opening of the valve, the sliding time and the closing time can be identified as â € œcycle timeâ €.
La sovra pressione propagandosi lungo la condotta si trasmette anche alla derivazione che collega la condotta al vaso di espansione provocando l’apertura della valvola di ritegno interposta tra il vaso di espansione ed il T di derivazione della condotta orizzontale comprimendo l’aria contenuta all'interno del vaso di espansione e facendovi defluire un certo quantitativo di acqua. The overpressure propagating along the duct is also transmitted to the derivation that connects the duct to the expansion vessel, causing the opening of the check valve interposed between the expansion vessel and the T branch of the horizontal duct, compressing the air contained in the inside the expansion tank and letting a certain amount of water flow into it.
La stessa depressione, che avviene successivamente alla fase di sovra pressione, produce la chiusura della valvola di ritegno collocata alla base dell’accumulatore idraulico impedendo cosi all’acqua contenuta nei vaso di espansione di rientrare nella condotta orizzontale. The same depression, which occurs after the overpressure phase, closes the check valve located at the base of the hydraulic accumulator, thus preventing the water contained in the expansion tank from re-entering the horizontal pipe.
La pressione immagazzinata all’interno del vaso di espansione si trasmette The pressure stored inside the expansion tank is transmitted
all’acqua contenuta al suo interno sospingendola lungo la condotta verticale sino to the water contained inside, pushing it along the vertical pipeline up to
ad una determinata altezza, dipendentemente dall’intensità della pressione at a certain height, depending on the intensity of the pressure
stessa. itself.
Il volume di acqua che fuoriesce dalla sommità della condotta verticale sarà in The volume of water that escapes from the top of the vertical pipe will be in
funzione della pressione di esercizio derivante dai calcoli che verrà applicata e a function of the operating pressure deriving from the calculations that will be applied e
regolata tramite un regolatore di pressione. Il regolatore di pressione percepisce regulated by a pressure regulator. The pressure regulator senses
la variazione della pressione che avviene all’interno dell'accumulatore idraulico, the pressure variation that occurs inside the hydraulic accumulator,
variazione dovuta al graduale deflusso dell’acqua che produce la corrispondente variation due to the gradual flow of water that produces the corresponding one
espansione dell’aria e conseguente diminuzione delia pressione. Un otturatore air expansion and consequent pressure decrease. A shutter
interno adatta di volta in volta la sezione di sbocco stabilizzando la pressione ai interior adapts the outlet section from time to time by stabilizing the pressure ai
parametro impostato. parameter set.
Al momento in cui tutto il volume dì acqua contenuto nell’accumulatore idraulico à ̈ At the moment in which the entire volume of water contained in the hydraulic accumulator is
stato inviato alla turbina abbiamo contemporaneamente il successivo colpo been sent to the turbine we simultaneously have the next shot
d’ariete . I! tempo trascorso per l’invio dell’acqua contenuta nell’accumulatore of ram. THE! time elapsed for sending the water contained in the accumulator
idraulico alla turbina coincide esattamente con il tempo ciclo ( tempo di apertura to the turbine exactly coincides with the cycle time (opening time
della valvola d’arresto più tempo dì scorrimento più tempo di chiusura della of the stop valve the longer the flow time the longer the closing time
valvola d’arresto ). stop valve).
L’apertura della valvola d’arresto avviene tramite un contattore di fine corsa che The opening of the stop valve takes place via a limit switch contactor which
viene azionato dallo stelo dell’attuatore pneumatico al termine della corsa dì it is activated by the stem of the pneumatic actuator at the end of the stroke
chiusura delia valvola. Il contattore invia l’impulso all 'elettrovalvola che inverte closing the valve. The contactor sends the impulse to the solenoid valve which inverts
l’ingresso del’aria compressa nell’attuatore stesso. the inlet of compressed air into the actuator itself.
Il controllo dell’intensità della sovra pressione dipende oltre che dalla velocità di The control of the intensity of the overpressure depends not only on the speed of
scorrimento dell’acqua, anche dalla lunghezza della condotta, dall’altezza di carico od altezza geodedica e dal tempo di chiusura della valvola d’arresto. water flow, also from the length of the pipeline, from the loading height or geodedic height and from the closing time of the stop valve.
La successione cadenzata dei colpi d’ariete si definisce tempo ciclo. The cadenced succession of water hammers is called cycle time.
Durante il tempo ciclo si devono verificare le condizioni temporali di apertura della valvola d’arresto, avviamento della condotta e chiusura della valvola d’arresto, contemporaneamente a queste fasi impiegando lo stesso tempo, l’acqua presente nel l’accumulatore deve defluire in turbina senza alcuna ne interruzione ne sovrapposizione del flusso in ingresso e in uscita. During the cycle time, the temporal conditions for opening the stop valve, starting the pipeline and closing the stop valve must be checked, at the same time as these phases using the same time, the water present in the accumulator it must flow into the turbine without any interruption or overlapping of the incoming and outgoing flow.
Osservando il progetto della macchina si nota che la turbina viene posizionata immediatamente al di sopra del serbatoio dì accumulo dell’acqua, questo, anche se comporta una diminuzione dell’energia cinetica inviata alla turbina consente di recuperare una quota parte dell’acqua impiegata per il funzionamento dell’ariete idraulico, pertanto l’unico consumo di acqua sarà dato da quel volume che fuoriesce dalla valvola d’arresto nelle fasi di apertura, scorrimento e chiusura. Ovviamente per ottenere un rendimento apprezzabile occorre mantenere l’altezza del pelo libero dell’acqua nel serbatoio entro limiti accettabili tenendo presente che le perdite di carico continue e localizzate nella tubazione orizzontale sono determinate sia dalla velocità dell’acqua sia dalle dimensioni e spessori delle tubazioni e sia dalle apparecchiature, di contro occorre raggiungere l’intensità prefissata della sovrapressione che viene determinata dai parametri suddetti oltre che dal tempo di chiusura. Observing the design of the machine, it can be seen that the turbine is positioned immediately above the water storage tank, which, even if it involves a decrease in the kinetic energy sent to the turbine, allows to recover a part of the water. water used for the operation of the hydraulic ram, therefore the only water consumption will be given by the volume that comes out of the stop valve during the opening, sliding and closing phases. Obviously, to obtain an appreciable efficiency, it is necessary to keep the height of the free surface of the water in the tank within acceptable limits, bearing in mind that the continuous and localized pressure drops in the horizontal pipe are determined both by the speed of the water and by the dimensions and thicknesses of the pipes and both of the equipment, on the other hand it is necessary to reach the predetermined intensity of the overpressure which is determined by the aforementioned parameters as well as by the closing time.
Altro parametro fondamentale à ̈ rappresentato dal quantitativo di acqua da immagazzinare nell’accumulatore idraulico che viene determinato dalla pressione e dalle dimensioni e caratteristiche dell’accumulatore idraulico. Another fundamental parameter is represented by the quantity of water to be stored in the hydraulic accumulator which is determined by the pressure and by the dimensions and characteristics of the hydraulic accumulator.
Tramite i calcoli occorre bilanciare accuratamente tutti i parametri suddetti. Through the calculations it is necessary to accurately balance all the above parameters.
La prevalenza utile à ̈: The useful head is:
a C„ in Câ € ž
A. TO.
Î ̄Γ Î ̄Î "
2g 2g
dove Qtà ̈ il volume di acqua accumulata all’interno dell’accumulatore idraulico, Au à ̈ l’area dell’ugello di uscita, Cv à ̈ il coefficente di contrazione di vena, g à ̈ ì’accellerazione di gravità . where Qtà the volume of water accumulated inside the hydraulic accumulator, Au is the area of the outlet nozzle, Cv is the vein contraction coefficient, g ì⠀ ™ acceleration of gravity.
La funzione caratteristica dell'impianto può essere calcolata con la formula: The characteristic function of the plant can be calculated with the formula:
AH = Ht+J HaAH = Ht + J Ha
dove Ht à ̈ l’altezza del tubo di uscita, J rappresenta le perdite di carico continue e localizzate della condotta escluse le perdite dall’ugello, Ha à ̈ la prevalenza utilizzabile da! sistema. where Ht is the height of the outlet pipe, J represents the continuous and localized pressure drops of the duct excluding the nozzle losses, Ha is the usable head from! system.
La forza motrice generata in kgm à ̈ calcolabile come: The motive force generated in kgm can be calculated as:
p. -a-iooo-ff. p. -a-iooo-ff.
Mentre la potenza prodotta, tendendo conto dei rendimenti à ̈ pari a: While the power produced, taking into account the yields, is equal to:
RtRt
kW t R t kW t R t
102 102
Dove Rt à ̈ il rendimento della turbina, Ra à ̈ il rendimento dell’alternatore e 102 à ̈ il fattore di conversione da chilogrammetri a kilowatt. Where Rt is the turbine efficiency, Ra is the alternator efficiency and 102 is the conversion factor from kilogrammeters to kilowatts.
Il sistema à ̈ costituito dai seguenti componenti: The system consists of the following components:
1 . lettore dì portata: misura la portata nella condotta e fornisce l'impulso di chiusura della valvola d'arresto 1. flow rate reader: measures the flow rate in the pipeline and provides the shutoff valve closing impulse
2. valvola d'arresto: interrompe il flusso di uscita dell’acqua dalla condotta provocando il colpo d'ariete 2. stop valve: it interrupts the water outlet flow from the pipeline causing the water hammer
3. attuatore pneumatico: apre e chiude la valvola d'arresto 3. pneumatic actuator: opens and closes the stop valve
4. contattore dì fine corsa: fornisce l'impulso per l'apertura della valvola d'arresto 4. limit switch contactor: provides the impulse to open the stop valve
5. valvola di ritegno: impedisce il reflusso dell'acqua nella condotta principale 5. check valve: prevents water from flowing back into the main pipeline
6. accumulatore idraulico a pistone: accumula l'acqua alla pressione massima all'atto del colpo d'ariete 6. hydraulic accumulator with piston: it accumulates the water at the maximum pressure at the time of the water hammer
7. regolatore di pressione: stabilizza la pressione di mandata in turbina ad un limite minimo definito 7. pressure regulator: stabilizes the turbine delivery pressure to a defined minimum limit
8. compressore per aria compressa: fornisce l'aria necessaria per le manovre del attuatore pneumatico 8. Compressor for compressed air: it supplies the necessary air for the maneuvers of the pneumatic actuator
9. regolatore di pressione pneumatico: regola la pressione di esercizio dell'aria inviata al regolatore di pressione 9. pneumatic pressure regulator: regulates the operating pressure of the air sent to the pressure regulator
10. elettrovalvola per aria compressa: inverte alternativamente l'ingresso deii'aria nell’attuatore pneumatico 10. solenoid valve for compressed air: alternately reverses the entry of air into the pneumatic actuator
11. scheda elettronica per la gestione dell'impianto: invia gli impulsi di manovra a tutte le componenti dell'impianto e gestisce tutti gli ingressi, uscite digitali e le acquisizioni analogiche (misuratore dì portata, temperatura, corrente elettrica generata, voltaggio, ecc.) 11. electronic card for system management: sends the maneuver impulses to all system components and manages all digital inputs, outputs and analogue acquisitions (flow meter, temperature, generated electric current, voltage, etc. .)
Ogni parte del sistema à ̈ realizzata con componenti commerciali di facile reperibilità e di basso costo. Each part of the system is made with easily available and low cost commercial components.
Quindi, l’invenzione nella sua globalità à ̈ realizzabile industrialmente. Therefore, the invention as a whole is industrially feasible.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT000010A ITPE20120010A1 (en) | 2012-07-04 | 2012-07-04 | PRODUCTION OF ELECTRICAL ENERGY BY PLANT TO ARIETE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT000010A ITPE20120010A1 (en) | 2012-07-04 | 2012-07-04 | PRODUCTION OF ELECTRICAL ENERGY BY PLANT TO ARIETE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITPE20120010A1 true ITPE20120010A1 (en) | 2014-01-05 |
Family
ID=46832973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| IT000010A ITPE20120010A1 (en) | 2012-07-04 | 2012-07-04 | PRODUCTION OF ELECTRICAL ENERGY BY PLANT TO ARIETE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITPE20120010A1 (en) |
Citations (6)
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2012
- 2012-07-04 IT IT000010A patent/ITPE20120010A1/en unknown
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