Generatori di vapore pulito Spirax Sarco

Generatori di vapore pulito
Spirax Sarco
Funzionamento del generatore e
sistema di controllo per la regolazione
Corso IFTS, Faenza 2006
Impianto per la produzione del vapore
Corso IFTS, Faenza 2006
Funzionamento del generatore
Spurgo dell’acqua
Scambiatore
Scambiatore di
di recupero
recupero
Pompa
Corso IFTS, Faenza 2006
Sistema di regolazione del generatore
PI
TT
VS
Regolatore di
livello
Misura di
conducibilità
per TDS
VRT
LI
VI
Vapore
primario
Spurgo
acqua di
alimento
VR
VI
VI
VR
F
Acqua di
alimento
VI
TT=trasduttore di
temperatura
LI=indicatore di
livello
PI=manometro
VI
SC
VI
VM
Corso IFTS, Faenza 2006
Vapore
secondario
Scarico
acqua
Funzionamento della valvola
regolatrice di temperatura
Corso IFTS, Faenza 2006
Qualità del vapore: normativa e regolamentazione
Legislazione carente sulla definizione della
composizione del vapore pulito
“ Il vapore direttamente a contatto con i prodotti alimentari
non deve contenere alcuna sostanza che presenti un
rischio per la salute o possa contaminare il prodotto”
(Direttiva 93/43 CEE del Consiglio sull’igiene dei prodotti
alimentari del 14 giugno 1993)
Interruzione del percorso di
tracciabilità del ciclo di vita del
prodotto
Corso IFTS, Faenza 2006
Qualità del vapore: sistemi di controllo
Controllo
Composizione chimica
delle goccioline trascinate
Trattamento
dell’acqua di
alimento
Portata di goccioline
trascinate
Controllo del
TDS (Tasso Di
Salinità)
Obiettivo: limitare gli inconvenienti della
presenza di
Corso IFTS, Faenza 2006
Sistema di
regolazione sulla
portata di
goccioline
trascinate
inquinamento
corrosione
Composizione chimica delle goccioline trascinate:
Trattamento dell’acqua di alimento
ADDOLCITORE
A SCAMBIO
IONICO
PURIFICATORE
AD OSMOSI
INVERSA
DEGASATORE
Acqua di
alimento
Generatore di
vapore indiretto
Vapore
Spurgo
Corso IFTS, Faenza 2006
Composizione chimica delle goccioline
trascinate: Il controllo del TDS
TDSv≈0
Ga = portata in massa di acqua
di alimento
Gv
Ga
TDSa
Generatore
Generatore
indiretto
indiretto
orizzontale
orizzontale
Gs
TDS
Gs/Ga = TDSa/TDS
Ga = Gv +Gs
Gv = 400 kg/h
TDSa = 10 ppm
TDS = 500 ppm
Corso IFTS, Faenza 2006
Gv = portata in massa di
vapore prodotto
Gs = portata in massa di acqua
di spurgo
TDSa = concentrazione di sali
disciolti nell’acqua di alimento
TDS = concentrazione di sali
disciolti nell’acqua di spurgo
Ga = 408.163 kg
Gs =8.163 kg
Composizione chimica delle goccioline
trascinate: Il controllo del TDS
PC
PC
Legenda
VEs = attuatore per il
controllo della portata
di spurgo
TTDS = trasduttore per
la misura della
conducibilità elettrica
TTs = trasduttore di
temperatura
SA = scheda
acquisizione dati
PC = personal
computer
= PLC in
alternativa a
SA+PC
Corso IFTS, Faenza 2006
Vapore
prodotto
Ingresso vapore
primario
PLC
PLC
SA
SA
Tvs
T
Ts
Acqua di
alimento
Generatore indiretto
Uscita
vapore
orizzontale
primario
TTDS
TDS
Acqua di
VEs spurgo
Portata di goccioline nel flusso di vapore:
Il trascinamento Tr
Generatore indiretto
verticale
Vapore secondario
generato
Vapore
primario
Tr = Ma/Mm = 1-X = 1-Mv/Mm
X = titolo della miscela
Mv = massa di vapore
Ma = massa delle particelle di acqua trascinate
Mm = massa della miscela (acqua e vapore)
Tr = f (Vg, Pvs)
Spurgo
Corso IFTS, Faenza 2006
Vg = velocità del vapore in prossimità della
superficie evaporante
Pvs = pressione di generazione del vapore
Portata di goccioline nel flusso di vapore:
Il trascinamento Tr
Corso IFTS, Faenza 2006
Trascinamento:
Curve sperimentali velocità-pressione
4
A Vg = cost, se Pvs↑ → Tr ↑
3,5
Tr=10%
Tr = 10%
3
Tr=5%
• Aumenta la tensione
superficiale
• A parità di Qv, ρ↑ e quindi Gv↑
Tr = 10%
Vg (m/s)
2,5
Tr=2%
Vg = cost
2
Tr=1%
Aumento
del
Trascinamento
trascinamento
1,5
Tr=0.5%
1
crescente
Tr=0.2%
A Pvs = cost, se Vg ↑ → Tr ↑
0,5
Aumenta l’energia cinetica
conferibile alle goccioline
Pvs = cost
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Pvs (barg)
Corso IFTS, Faenza 2006
4
4,5
5
5,5
6
Trascinamento:
Curve sperimentali velocità-pressione
Aumento di portata Gv
richiesta dall’utenza
4
3,5
Tr = 10%
1
Tr=10%
3
Tr=5%
Tr = 10%
Vg (m/s)
Tr=2%
2
Percorso
Trascinamento
crescente
2,5
Tr=0.5%
1
Tr=0.2%
A
0
0,5
Percorso
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Pvs (barg)
Corso IFTS, Faenza 2006
4
A:
Incremento di velocità
dovuto all’aumento del
volume specifico (portata
di vapore di flash nulla)
Tr=1%
1,5
0
4,5
5
5,5
6
A
1:
Aumento di velocità dovuto
al solo vapore di flash
(volume specifico = cost)
Aumento di portata richiesta all’utenza
Corso IFTS, Faenza 2006
Trascinamento:
Curve sperimentali velocità-pressione
Portata di vapore di flash
4
3,5
Tr = 10%
1
Tr=10%
T
Diagramma:
Temperatura - Entropia
P0
P1
3
Tr=5%
Vg (m/s)
2,5
Tr = 10%
Trascinamento
crescente
Tr=2%
2
Tr=1%
1,5
Tr=0.5%
1
Tr=0.2%
P =cost
T=cost
0
1
1'
A
0
0,5
h=cost
P =cost
1''
Gflash=V*(∆X/∆t)*ρl
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Pvs (barg)
4
4,5
0
Se (-∆P/∆t) ↑, V↑ → Gflash ↑ → Vg ↑↑
Corso IFTS, Faenza 2006
V = volume di liquido
∆X/ ∆t = variazione di
titolo nell’unità di tempo
ρl = densità del liquido
S
Generazione del vapore di flash
T
Diagramma:
Temperatura - Entropia
P0
P1
0
1
1'
P =cost
T=cost
h=cost
P =cost
1''
Gflash=V*(∆X/∆t)*ρl
S
V = volume di liquido
Se (-∆P/∆t) ↑, V↑ → Gflash ↑ → Vg ↑↑
Corso IFTS, Faenza 2006
∆X/ ∆t = variazione di
titolo nell’unità di tempo
ρl = densità del liquido
Generazione del vapore di flash
Corso IFTS, Faenza 2006
Massa di liquido trascinata (MTr)
Ga
Tr ( X ) 
GT ( X )  G a
VTrTr=
M
t
t
0
0
,
GT ( X )  Gv  Gf ( X )
 Ga dt   Gv  Gf 
t
Gf = portata massica di vapore di flash in
transitorio
Gv = portata massica di vapore a regime
Ga = portata massica di liquido trascinato
t


Tr ( X )
Tr ( X )
Tr ( X )
dt
dt  Gf ( X ) 
dt  Gv 
1  Tr ( X )
1  Tr ( X )
1  Tr ( X )
0
0
Assumendo: Gv (t )  cost , l(t )  cost , V(t )  cos t
t
MTr
V
X, t )  Gv xv 
Tr(=(X,t)=G

0
Corso IFTS, Faenza 2006
Tr ( X )
dt 
1  Tr ( X )
t

0
dX
Tr ( X )


V
dt
l






dt

 1  Tr ( X )
Massa di liquido trascinata (MTr)
dX
 K  cos t
dt
0.001450
0.001410
0.001390
0.001370
0.001350
0.001330
VTrM( XTr, t )  Gv  V  K  l 
t

0
 cos t
0.001310
Tr ( X )
dt
1  Tr ( X )
0.001290
Variazione del titolo X
0.001430
0.001270
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
-0.3
0.001250
-0.35
Decremento di Pvs (bar)
Il decremento di pressione avviene
secondo un gradiente Pvs/t costante
f(X)
La massa di liquido trascinato è
funzione del solo trascinamento
Corso IFTS, Faenza 2006
Massa di liquido trascinata (MTr)
dT( X)
 KT  cost
dt
Assumendo:
t

0
KT  t
dt 
1  KT  t
t

0
1
dt 
1  KT  t
VTrM( XTr, t ) 
Corso IFTS, Faenza 2006
t

0
VTrM( Tr
X, t )  Gv  V  K  l 
1  KT  t
dt 
1  KT  t
t

0
t

0
t

KT  t
dt
1  KT  t
1
1
dt  1 dt  
 ln1  KT  t   t
1  KT  t
KT
0
 1

Gv  V  K  l  ln1  KT  t  t 
 KT

Trascinamento:
Separabilità delle goccioline
Valutazione delle dimensioni
delle goccioline trascinate
Sistema di separazione adatto
A
d≤dl
dl = diametro limite di
trascinamento
Corso IFTS, Faenza 2006
d>dl
Trascinamento:
Separabilità delle goccioline
Software di
simulazione: TpSim
Trasporto di particelle
liquide in sospensione
• velocità effettiva delle goccioline
• velocità effettiva del vapore
• perdita di carico della corrente di
bifase
Corso IFTS, Faenza 2006
Simulazione effettuata per:
- d = 50 μm
- d = 150 μm
- d = 312 μm
Condizioni di funzionamento in
transitorio
Pvs = 2.5 bar
(∆P/∆t)max= -0.3 bar/sec
GT = Gv + Gf = 400+1354 = 1754 kg/h
Tr=10%
GT = portata di vapore totale
Gv = portata di vapore a regime
Gf = portata di vapore di flash in transitorio
Trascinamento: Separabilità delle goccioline
d= 150 μm
d= 312 μm
3,5
7
3,50
7
3,5
7
3
6
3,00
6
3
6
Velocità delle
goccioline
2
4
1,5
3
1
2
0,5
1
Perdita di carico del
flusso di vapore
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Distanza in verticale dalla superficie evaporante
(m)
2,50
5
2,00
4
1,50
3
1,00
2
0,50
1
0,00
0,00
0,20
0,40
0,60
0
0,80
Distanza in verticale dalla superficie evaporante
(m)
Simulazione TpSim
Corso IFTS, Faenza 2006
2,5
5
2
4
1,5
3
1
2
0,5
1
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Distanza in verticale dalla superficie evaporante
(m)
Perdita di carico del flusso di vapore (mbar)
5
V elocità della particella di acqua trascinata (m/s)
2,5
Perdita di carico del flusso di vapore (mbar)
Banda di variabilità della velocità della gocciolina
V elocità della particella di acqua trascinata (m/s)
Velocità del flusso
di vapore
Perdita di carico del flusso di vapore (m bar)
V elocità della particella di acqua trascinata (m/s)
d= 50 μm
Sistema di regolazione
antitrascinamento
Fenomeno fisico
Catena di misura
PLC in
alternativa
Trasduttore
Condizionamento
del segnale
Corso IFTS, Faenza 2006
Scheda di
acquisizione
dati
PC
Attuatore
Sistema di regolazione
antitrascinamento
PC
PLC
SA
VM
Vv
Pvs
Vapore
generato
VE
Legenda
VM =valvola regolata dall’utente
VE = attuatore
Pvs = trasduttore di pressione
Vv = trasduttore di velocità
SA = scheda di acquisizione dati
PC = personal computer
Vapore
primario
Spurgo
Corso IFTS, Faenza 2006
= PLC in alternativa di
SA+PC
Sistema di regolazione
antitrascinamento
4
3,5
Tr=10%
1
3
Stato fisico 1
(produzione di
vapore di
flash)
Aumento di portata
richiesta all’utenza
Tr=≡10%
10%
Tr
Tr=5%
Vg(m/s)
(m/s)
Vg
2,5
2
Trascinamento
limite Tr=2%
Tr=1%
1,5
Tr=0.5%
1
Tr=0.2%
0
0,5
Stato fisico 0
(condizione di regime)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Pvs (barg)
Corso IFTS, Faenza 2006
L’obiettivo è evitare che,
in condizioni di
transitorio, venga
superata la curva limite
di trascinamento
4
4,5
5
5,5
6
imposta
Sistema di regolazione
antitrascinamento
Soglia limite di intervento = f (Pvs, Vg)
4
Tr=10%
3,5
1
3
Stato fisico 1
(produzione di
vapore di flash)
10%
TrTr
=≡
10%
Soglia limite
g (m/s)
Vg V
(m/s)
2,5
Tr=2%
2
Tr=5%
Inizio regolazione
(chiusura valvola)
1,5
Tr=0.5%
1
Tr=1%
Tr=0.2%
0
0,5
Stato fisico 0
(condizione di regime)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Pvs (barg)
Corso IFTS, Faenza 2006
4
Sistema di regolazione antitrascinamento
4
3,5
Stato fisico 1
(produzione di vapore di
flash)
Tr=10%
1
3
Vg (m/s)
Vg (m/s)
Vg
(m/s)
2,5
Soglia
limite
Tr
Tr=≡10%
10%
Tr=5%
Tr=2%
2
Inizio regolazione
(chiusura valvola)
Tr=1%
1,5
Tr=0.5%
Distanza della
curva di set-point
dalla curva limite
Corso IFTS, Faenza 2006
Pvs (barg)
Funzione della
velocità di reazione
del sistema
Osservazioni conclusive
 Necessità di stabilire una
regolamentazione per la definizione
della composizione del vapore pulito ad
uso alimentare e medico.
 Progettazione di un sistema di
regolazione avanzato con il quale si
garantisca la produzione di vapore
pulito in ogni condizione di
funzionamento (transitorio, regime).
Corso IFTS, Faenza 2006