ITTV20100048A1 - Dispositivo separatore liquido/gas - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO SEPARATORE LIQUIDO/GAS”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo separatore liquido/gas, in particolare acqua/idrogeno.

Oggigiorno sono note apparecchiature che separano l’ossigeno da un gas, in particolare dall’idrogeno (H2). Data una miscela di acqua (H2O) e gas bisogna separarli nel modo più netto possibile. L'esigenza nasce soprattutto per i generatori di H2tramite l'utilizzo di celle PEM (Proton Exchange Membrane). All'uscita di una cella PEM, per sua natura, si ottiene H2+ H2O, da cui la necessità di separarli. Normalmente l’acqua viene smaltita e l’idrogeno re-immesso come combustibile o gas di trasporto per analisi chimiche.

Dette apparecchiature hanno un funzionamento meccanico - si veda fig. 1 – con un principio di funzionamento molto primitivo. In un serbatoio 10 arriva con un condotto 20 una miscela di H2O e H2, spinta dalla pressione di una cella PEM a monte (non mostrata). Nel serbatoio 10 è presente un galleggiante 12 libero di fluttuare e dotato di due porzioni di gomma 14, una sulla faccia superiore e una sulla faccia inferiore. Il fondo del serbatoio 10 non è piatto ma al centro risale con un cono 16, che è cavo e aperto in corrispondenza della punta. Un uguale cono 18 è disposto sul cielo del serbatoio 10 e ha funzione di sfiato.

L’acqua che arriva nel serbatoio 10 cade sul fondo e si accumula, mentre l’idrogeno che è volatile esce dal cono 18. Quando l’acqua raggiunge un livello sufficiente per sollevare il galleggiante 12, comincia a defluire attraverso il cono 14, altrimenti la porzione di gomma 14 inferiore tappa il cono 14 e non vi è flusso. La porzione di gomma 14 superiore serve invece a non far uscire l'acqua dal cono 18 qualora si ostruisse il cono 14.

I principali problemi di questo sistema sono parecchi, vale a dire:

- il dimensionamento del galleggiante è difficile, perché è funzione della pressione di lavoro dell’idrogeno e della miscela in arrivo nel serbatoio 10;

- per realizzare il galleggiante 12 e i coni 14, 18 servono complesse lavorazioni meccaniche, soprattutto dove le porzioni in gomma 14 si appoggiano ai coni. Qui le lavorazioni devono essere molto precise perché il galleggiante 12 potrebbe altrimenti incastrarsi;

− non esiste modo diretto per capire se il dispositivo ha dei malfunzionamenti, in particolare se ci sono perdite di acqua o idrogeno;

− è sufficiente un corpo minuscolo (anche di un centesimo di mm) si depositi sull'orifizio di uscita del cono 14 o 18 e lo ostruisca, o ne manometta la chiusura compromettendone il funzionamento;

− non è possibile inserire un filtro prima del foro di uscita;

− l’Invecchiamento delle porzioni in gomma 14 determina l’immediato malfunzionamento del sistema, per cui esse devono essere sostituite regolarmente. Questo perché una condizione importante del dispositivo è che non esca idrogeno assieme all'acqua;

− in presenza di vibrazioni il sistema manifesta delle perdite di idrogeno.

La presente invenzione ha come scopo principale migliorare questo stato dell’arte. Altro scopo è ottenere un dispositivo affidabile nel tempo e di sicuro funzionamento.

Questo ed altri scopi sono ottenuti attraverso un dispositivo separatore definito come nella rivendicazione 1, mentre forme di realizzazione preferite dell’invenzione sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti.

La seguente descrizione di una forma preferita di esecuzione evidenzierà i vantaggi dell'invenzione, illustrata anche nel disegno allegato dove:

fig. 1 mostra una vista schematica di un separatore noto;

fig. 2 mostra una vista schematica di un separatore secondo l’invenzione; fig. 3 mostra una vista tridimensionale del separatore di fig.2;

fig. 4 mostra una vista tridimensionale in sezione di fig.2;

fig. 5 mostra in vista tridimensionale in sezione una variante del separatore; fig. 6 mostra in vista laterale in sezione la variante di fig.5.

Un dispositivo secondo l’invenzione è indicato con 50. Esso comprende un serbatoio 52 cui arriva con un condotto 54 una miscela di H2O e H2, spinta dalla pressione di una cella PEM a monte (non mostrata). Nel serbatoio 52 è presente un galleggiante sferico 56 libero di fluttuare sull’acqua che si accumula. La forma sferica del galleggiante è vantaggiosa perché elimina qualsiasi rischio che esso si incastri.

Il fondo del serbatoio 52 comunica tramite un condotto 58 di uscita acqua con un’elettrovalvola 60, la quale serve a bloccare il flusso d’acqua verso un serbatoio di raccolta (non mostrato). In luogo dell’elettrovalvola 60 si possono anche usare ad es. valvole proporzionali o equivalenti mezzi a valvola. Il cielo del serbatoio 52 comunica invece tramite un condotto 62 di uscita idrogeno verso mezzi di raccolta di idrogeno (non mostrati).

All’esterno delle pareti laterali del serbatoio 52 vi sono due trasmettitori di raggi infrarossi 70, 72 (ad es. LED IR), e due ricevitori o sensori a raggi infrarossi 74, 76 (ad es. fotodiodi IR), messi a due a due su un asse orizzontale in modo che un sensore riceva il fascio infrarosso del rispettivo trasmettitore. I due sensori 70, 72 sono connessi ad un microprocessore o unità logica 78, che ne rileva il segnale. Il microprocessore 78 è a sua volta collegato alla valvola 60 per pilotarne l’apertura o la chiusura.

Il serbatoio 52 è preferibilmente fatto di materiale trasparente, ad es. plexiglass. In questo modo l’elettronica e soprattutto gli emettitori IR 70, 72 possono stare all’esterno del serbatoio 52, vicino alla sua superficie laterale esterna, e i raggi IR meglio riescono ad intercettare il galleggiante 56.

Vantaggiosamente i trasmettitori 70, 72 e due ricevitori 74, 76 sono montati su due relativi circuiti stampati 90 (a forma di U) che vengono posti di misura attorno al serbatoio 52 (fig. 3). Si noti che si possono usare altri tipi di sensori per il livello dell’acqua, ad es. dei sensori capacitivi, una videocamera, ecc.

Il funzionamento del dispositivo 50 è il seguente.

Grazie alla pressione della miscela di H2O e H2(superiore a quella atmosferica) e/o per gravità, dal condotto 54 giungono nel serbatoio 52 sia H2O che H2.

L'acqua scende e si accumula sul fondo del serbatoio 52, mentre l'idrogeno sale verso l'alto. L'acqua accumulandosi fa salire il galleggiante 56 finché esso si interpone tra e viene rilevato dalla prima coppia di emettitore ricevitore IR 70, 74, che rispetto al fondo si trova ad una quota inferiore rispetto all’altra coppia 72, 76.

Il microprocessore 78 opera attraverso un’opportuna logica o programma e aziona la valvola 60 commutando il suo stato da aperto a chiuso, o viceversa. Sfruttando la pressione interna nel serbatoio 52, con la valvola 60 aperta l'acqua esce spontaneamente lungo il condotto 58. Una piccola parte di liquido rimane sempre presente per evitare che dal fondo tramite il condotto 58 possa uscire l'idrogeno.

La valvola 60 viene azionata ad impulsi, preferibilmente a distanza di 500 msec per un tempo variabile da 5msec a 30msec. In questo modo l'acqua esce in piccole quantità senza generare particolari cali di pressione (drop). Per una maggiore precisione si preferisce che i mezzi a raggi infrarossi 70, 74 (e 72, 76), il microprocessore 78 e la valvola 60 costituiscano un anello in retroazione, in cui ad es. l’algoritmo eseguito digitalmente dal microprocessore 78 è di tipo PID. L'azionamento impulsivo della valvola 60 quindi fa sì che il livello dell'acqua rimanga costante alla quota (circa) dei mezzi a raggi infrarossi 70, 74 (o meglio, del loro fascio).

Se il livello dell'acqua cresce tanto da portare il galleggiante 56 ad interrompere il fascio IR del secondo emettitore ad infrarosso 72, il sistema interpreta questa condizione come indicante che lo scarico dell'acqua non funziona correttamente e quindi si deve segnalare l’evento per attivare le opportune azioni di sicurezza. A questo provvede una specifica parte di codice nel microprocessore 78, il quale può forzare la massima apertura della valvola 60, e/o attivare segnalatori acustici o visivi, e/o mandare un segnale specifico ad un PC remoto e/o gestire la visualizzazione di un messaggio di allarme su un display (non mostrati).

Come ulteriore misura di sicurezza, si può considerare che se il galleggiante 56 non arriva ad invadere il fascio del primo sensore infrarosso 70 entro un tempo prestabilito, allora si è verificata un’anomalia del sistema. Ancora, a questo può provvedere una specifica parte di codice nel microprocessore 78, il quale può essere collegato a o simulare internamente dei mezzi temporizzatori. Scaduto il tempo massimo fissato, il microprocessore 78 può attivare e/o gestire la segnalazione di allarme (ad es. coi mezzi e metodi indicati per la condizione precedente).

Si noti che il sistema può funzionare anche senza galleggiante, ad es. rilevando il livello dell’acqua con altri mezzi o sensori che non lo prevedano. Durante i test sperimentali si è notato tuttavia che possono formarsi gocce sulle pareti del serbatoio 52, per fenomeni legati alla pressione, temperatura e non perfetta pulizia dell'acqua, che disturbano il rilevamento diretto. Per rendere più sicuro il rilevamento è allora preferibile inserire il galleggiante (ad es. una piccola sfera di plastica) o un elemento galleggiante opaco e fargli interrompere ad es. un fascio di radiazioni elettromagnetiche.

La posizione della presa d’uscita dal serbatoio 52 per l’acqua, a monte del condotto 58, può anche stare ad una certa altezza dal fondo del serbatoio 52, in modo da ricavare nel serbatoio 52 un piccolo sotto-serbatoio o volume (nella sua parte inferiore) per eventuali depositi di impurità.

Da quanto detto, è facile capire che i vantaggi del separatore 50 sono molteplici. Oltre alle dimensioni compatte, esso viene prodotto con bassi costi per le lavorazioni meccaniche. L’affidabilità è decisamente superiore, ad es. perché non ci sono fori di scarico inferiori a 0.3mm che potrebbero ostruirsi. Vi è poi un sistema di rilevazione di mancato funzionamento, totalmente assente nella tecnica nota. Il controllo elettronico garantisce infine la necessaria versatilità di programmazione delle funzioni e la precisione di intervento.

Si noti che l'utilizzo di un’elettrovalvola rende immune il separatore 50 dalla presenza di eventuali corpi estranei nella miscela H2O H2, perlomeno di piccole dimensioni. L’elettrovalvola 60 è di natura un componente molto affidabile, per cui la manutenzione è ridotta al minimo. Va sottolineato che nel separatore 50 l’utente può controllare costantemente se il sistema funziona o meno, rendendo tutto il sistema più affidabile. Allo scopo il microprocessore 78 può essere interfacciato con mezzi di visualizzazione (display, monitor, ecc.) e/o allarme e/o segnalazione.

Altro vantaggio è la possibilità di lavorare in presenza di vibrazioni. I modelli della tecnica nota, in presenza di vibrazioni, presentano perdite di H2, cosa che con l’invenzione non accade.

Le figure 5 e 6 mostrano una variante 100 per il dispositivo separatore dell’invenzione. Come si vede vi è un filtro 104 (ad es. in fibra di acciaio o titanio) posto sul fondo del serbatoio 112 a monte del condotto di uscita 102 di H2O. Il filtro 104 si presenta come una lamina o un disco, posto a copertura dell’imboccatura del condotto di uscita per l’acqua.

Con il filtro 104 si evita che qualche corpo estraneo blocchi il condotto o foro 102 di uscita per l’acqua o l'elettrovalvola 160 che sta a valle. Si noti che le condizioni per utilizzare una valvola proporzionale piuttosto che ON/OFF (aperta/chiusa) diventano così più favorevoli.

Nel sistema della tecnica nota descritto inizialmente non è possibile inserire un filtro in questa posizione. L'unica possibilità sarebbe inserirlo prima dell'ingresso del separatore ma, nel caso si intasasse, genererebbe un problema di sicurezza – per sovra-pressione - del circuito a monte.

Claims (11)

1. “DISPOSITIVO SEPARATORE LIQUIDO/GAS” RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (50) separatore liquido/gas comprendente un contenitore (52) per contenere la miscela di liquido e gas, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (70, 74) per rilevare il, o il raggiungimento di un, livello di liquido nel contenitore; mezzi a valvola (60) disposti su un’uscita per il liquido dal contenitore; mezzi di regolazione (78) cooperanti con i mezzi per rilevare onde riceverne la rilevazione del livello di liquido e atti a operare conseguentemente sui mezzi a valvola per mantenere nel contenitore un livello di liquido prefissato.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi per rilevare comprendono mezzi emettitori (70, 72) e ricevitori (74, 76) di radiazioni elettromagnetiche atti a generare un fascio di radiazioni elettromagnetiche interrompibile al livello prefissato, e in cui i mezzi di regolazione comprendono un microprocessore.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui i mezzi per rilevare comprendono un elemento galleggiante (56) atto a galleggiare su una quantità di liquido che si accumula sul fondo del contenitore e ad interrompere un fascio di radiazioni elettromagnetiche al livello prefissato.
4. 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il serbatoio (52) è fatto di materiale trasparente.
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente secondi mezzi (74, 76) per rilevare un secondo livello di liquido nel contenitore superiore a detto livello di liquido prefissato, e in cui i mezzi di regolazione sono cooperanti con i secondi mezzi per segnalare un’anomalia e/o arrestare il dispositivo e/o forzare lo stato dei mezzi a valvola se il livello del liquido raggiunge detto secondo livello.
6. 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti da 2 a 5, in cui i mezzi emettitori e ricevitori di radiazioni elettromagnetiche sono montati su un circuito stampato (80) posto attorno al, o in modo da abbracciare il, serbatoio (52).
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi temporizzatori associati ai mezzi per regolare, questi ultimi essendo atti a segnalare un’anomalia e/o arrestare il dispositivo e/o forzare lo stato dei mezzi a valvola se entro un tempo prestabilito misurato dai mezzi temporizzatori i mezzi per rivelare non indicano il raggiungimento di un livello minimo di liquido.
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una presa d’uscita di liquido sul contenitore (52) che sta ad una certa distanza dal fondo del contenitore (52) stesso, in modo da ricavare nel serbatoio (52) un piccolo sottoserbatoio o volume per eventuali depositi di impurità.
9. 9. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di regolazione sono configurati per operare sui mezzi a valvola (60) commutando periodicamente il loro stato da aperto a chiuso o viceversa.
10. 10. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi per rilevare, i mezzi di regolazione e i mezzi a valvola sono collegati in modo da formare un sistema retroazionato il cui riferimento è un livello prefissato per il liquido.
11. 11. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un filtro (104) posto tra i mezzi a valvola e l’uscita per il liquido dal serbatoio atto a trattenere eventuali corpuscoli presenti nel liquido.