Capitolo 6

Impianti: alcuni esempi

6.1 Flussi di fluidi Nella progettazione di sistemi per il trasporto di aria, gas, olio, vapore ed acqua è necessario che sia disponibile una differenza di pressione tra monte e valle che sia sufficiente a produrre la portata desiderata. La relazione tra la portata e le perdite di carico è espressa dalle seguenti relazione:

R

PSQSW

cioè 2RSQP

dove Q è la portata volumetrica, W è la portata massica, ΔP rappresenta le perdite di carico, S è il peso specifico e R è una misura della resistenza totale. Queste prime formule, poco dettagliate, vogliono semplicemente indicare la relazione che esiste tra le variabili in oggetto. L’appena menzionata resistenza risulta dall’insieme di accessori, valvole, orifizi, fori limitatori di flusso, regolatori, contatori, valvole di tiraggio, tubazioni, condotti e camini. Alcune resistenze sono funzioni della portata, anche se le loro variazioni possono considerarsi complessivamente trascurabili, tranne per il caso in cui questa resistenza sia utilizzata per una misura della portata stessa. Intercambiabilità di pressione e velocità Il motivo dell’incremento della pressione su una corrente fluida è normalmente quello di creare maggiore portata (o velocità). E’ quindi importante studiare bene questa relazione, che verrà spesso riutilizzata nei paragrafi successivi. Terminologia. Molta della strumentazione per la pressione misura la differenza di questa tra due punti distinti. Sono normalmente predisposti a misurare la differenza di pressione tra

quella atmosferica e un’altra pressione. Questa particolare differenza è definita pressione relativa. La pressione atmosferica è dovuta al peso dell’aria e del vapor d’acqua sulla superficie della terra. La pressione atmosferica attuale varia con le condizioni atmosferiche, la latitudine e l’altitudine (circa mezzo psi in meno per ogni 1000 piedi sul livello del mare). La pressione assoluta è la somma della pressione relativa e dell’atmosferica. Una pressione assoluta uguale a zero esiste solo in un vuoto perfetto. Pressione totale, statica e dinamica (o di velocità). Se venisse fatto un foro su di un lato di un serbatoio di stoccaggio dell’aria, l’aria trafilerebbe con una velocità che dipenderebbe dalla differenza tra le pressioni interne ed esterna al serbatoio. La relazione tra questa differenza e la velocità è:

Pg

V

2

cioè g

VP

2

2

dove V è la velocità del fluido. Esempio: se la pressione dinamica nel condotto in figura xx è di 2 osi (ounce square inch), la tabella yy indica che la velocità nel tubo è 37,5 m/s. Se la pressione totale nel serbatoio è di 30 osi e vi apriamo istantaneamente, su di un lato, un foro che permetta all’aria di uscire verso una pressione uguale a 0, trasformando tutta l’energia di pressione in velocità, la velocità dell’aria sarebbe di 141 m/s.

Fig. 4: esempi di pressioni totale e statica

Studiando ora il comportamento per un serbatoio d’aria a cui è applicato un condotto di scarico, dovrà avvenire la stessa trasformazione di energia di pressione in velocità, affinché l’aria possa lasciare il serbatoio ed entrare nel condotto. Se un misuratore di pressione venisse installato su un lato di questo tubo registrerebbe la pressione

Pressione totale = 30 osi Pressione statica = 30 osi Pressione dinamica = 0 osi

Pressione totale = 30 osi Pressione statica = 28 osi Pressione dinamica = 2 osi

statica. Questa risulta sicuramente minore di quella misurata da un pressostato posizionato direttamente sul serbatoio (vedi figura 4). Ciò è dovuto al fatto che una parte dell’energia totale dell’aria si è convertita in energia cinetica (evidenziata dalla sua velocità). Se, comunque, venisse installato sul condotto in uscita un tubo di Pitot avremmo una visione più completa dell’effetto riuscendo a registrare la pressione totale. La differenza tra pressione totale e statica è la pressione dinamica o di velocità che non essendo misurabile direttamente viene calcolata con la relazione appena descritta: Pd = Pt – Ps. La pressione dinamica è esattamente quella che inseriamo nelle formule precedenti per il calcolo della portata. Pressione statica e dinamica interagiscono quindi tra loro. Con queste premesse e quelle più analitiche riportate nel capitolo 3 è possibile affrontare quelli che sono i problemi di controllo di sistemi e nel caso specifico della combustione. 6.2 Controllo della combustione Il campo del controllo della combustione comprende settori molto specifici, ognuno dei quali non potrà essere trattato in questo capitolo. Limiteremo il nostro approccio allo studio di valvole e regolatori utilizzati in sistemi di alimentazione: controlli di rapporto aria-combustibile, controlli di pressione sul combustibile e controlli di sicurezza. Valvole di controllo Considerando note le nozioni sulla portata e perdite di carico delle valvole vengono qui studiate altre importanti specifiche delle valvole di controllo. La caratteristica è la curva che rappresenta la relazione tra la portata e la posizione della valvola (figura 5).

Fig. 5: caratteristiche di diversi tipi di valvole di controllo

La caratteristica viene spesso assunta come caratteristica d’area che rappresenta invece la relazione tra la posizione della valvola e l'area di passaggio. Il flusso può non essere direttamente proporzionale all'area di passaggio a causa delle caratteristiche aerodinamiche delle tubazioni a monte e a valle, e anche perché la perdita di carico sulla valvola si riduce all'aumentare delle perdite di carico del sistema ed infine anche a causa del fatto che le caratteristiche d'area e del flusso non sono sempre le stesse ed è difficile predire accuratamente la loro divergenza. L'unica possibilità di ottenere la caratteristica desiderata è di fare una scelta iniziale sulla base teorica per poi metterla a punto ad installazione avvenuta. La trattazione sarà quindi sulle varie caratteristiche d'area. Per assicurare la stabilità del controllo sull'intera escursione della valvola, è importante sceglierne una con caratteristica tale da poter far fronte alle dinamiche del processo. La caratteristica di una valvola ad apertura rapida è vantaggiosa per un controllo a due posizioni. Una caratteristica lineare (portata direttamente proporzionale alla posizione della valvola) è adeguata per sistemi di controllo di flusso e di livello dei liquidi. Le valvole con passaggio a v o di tipo parabolico modificato danno un'azione di strozzatura fine nei primi stadi di apertura, seguiti da una caratteristica lineare per l'equilibrio dell'escursione della valvola. Una caratteristica equipercentuale (per ogni medesima variazione nel movimento della valvola comporta uno stesso guadagno% della portata rispetto al valore precedente) è consigliabile per sistemi di controllo di flusso e pressione con perdite di carico ampiamente oscillanti. La figura 7 1 mostra nel settore grigio caratteristiche possibili per valvole con una luce di passaggio registrabile. Valvole ad otturatore scorrevole Nelle valvole ad otturatore scorrevole si può regolare la misura dell'orifizio muovendo appunto l'otturatore assialmente come in una valvola d'arresto. L'azione di scorrimento può essere prodotta da un movimento assiale diretto di un motore di controllo o dalla rotazione dello stelo filettato della valvola. La caratteristica è determinata dalla forma dell'otturatore che può essere a disco, a v, parabolico o ogni modifica di queste tre tipologie base. L'otturatore a disco come per un'ordinaria valvola d'arresto, da uguali incrementi di apertura per uguali incrementi di movimento dello stelo, cioè la caratteristica dell'area è una linea retta. Sebbene questa caratteristica a linea retta sia desiderabile, l'otturatore a disco ha lo svantaggio che il suo intero range si esaurisce in un movimento assiale molto ridotto.

Fig. 6: valvola per gas con otturatore Fig. 7: valvola per olio con otturatore scorrevole a v rotativo a v

Gli otturatori a v permettono una variazione più graduale dell'apertura della valvola. La figura 6 mostra una tipica valvola a v per gas. La caratteristica degli otturatori a v e parabolici approssima una curva semilogaritmica, uguali incrementi del movimento d’apertura della valvola determinano uguali incrementi percentuali nell'apertura dell'area. Valvole ad otturatore rotativo. Le valvole ad otturatore rotativo sono costituite da un otturatore che è ruotato attraverso un'apertura nel corpo valvola. Le caratteristiche di tali valvole, dipendono dalla forma dell'otturatore e dall'apertura nel corpo. La figura 7 mostra una valvola ad otturatore rotativo con un’apertura a forma di v, che dà una caratteristica simile a quella della valvola con otturatore a v scorrevole. La figura 8 mostra un altro otturatore rotativo di forma cilindrica avente per tutta la sua lunghezza un ingresso rettangolare, che approssima la caratteristica lineare. Ognuna delle valvole di figura 8 ha una barriera che può essere spostata assialmente provvedendo all'ottimizzazione dell'ingresso.

Fig. 8: valvole rotative per aria a basse pressioni (a sinistra) e gas o olio(a destra)

Queste valvole hanno perciò una caratteristica modificabile, così da poter adattare la resistenza della valvola a quella del sistema anche dopo l'installazione. Questo vantaggio va a discapito del range ma in forma minore rispetto a sistemi più rigidi.

Valvole a farfalla Una valvola a farfalla è una sezione di tubo diritto contenente un disco rotante come una valvola di tiraggio del tubo di una stufa (fig. 9). La perdita di carico nell'attraversamento di una valvola a farfalla completamente aperta è molto bassa. La quantità di trafilamenti dipende dalle tolleranze sul disco e sulla sede della valvola. La caratteristica è simile a quella di una valvola a v. Le valvole a farfalla sono principalmente usate per aria a bassa pressione. Queste con una guarnizione attorno all’albero vengono a volte utilizzate anche per gas. Esistono anche valvole a farfalla con ingresso ridotto cioè con caratteristica modificata in maniera permanente. 6.2.1 Controllo del rapporto aria-combustibile I vantaggi derivanti da una ottimizzazione del controllo del rapporto aria-combustibile sono oltre al risparmio di carburante, maggiore sicurezza, miglioramento dell'uniformità di temperatura e della qualità del prodotto. Il controllo d'area nel rapporto aria- combustibile è caratterizzato dall'uso di pressioni costanti e aree variabili. Un semplice meccanismo può essere utilizzato per generare il giusto rapporto di apertura delle aree di passaggio sulle valvole del combustibile e dell'aria. Questo richiede che le due valvole abbiano la stessa caratteristica e che le loro connessioni meccaniche producano movimenti direttamente proporzionali. In altre parole un movimento di 45 gradi di una valvola genera un movimento di 45 gradi sull'altra, e allo stesso modo se questo movimento genera un incremento della portata del 25% sulla prima, così avverrà sulla seconda. Se le caratteristiche sono diverse, i rapporti aria-combustibile saranno accettabili solo in pochi punti sul range. Due valvole rotative sullo stesso albero potrebbero essere usate per il controllo d'aria, ma una dis_ Fig. 9: differenti tipi di posizione affiancata con un braccio parallelo è valvole a farfalla preferibile per la possibilità di correzione per val_ vole con caratteristiche diverse. E’ anche consigliabile che almeno una, se non entrambe le valvole, includano la possibilità di un aggiustamento manuale dell'apertura per il settaggio del rapporto aria combustibile. Il sistema di controllo della valvola richiede un compressore ad aria con una caratteristica di pressione costante e regolatori di pressione di olio o gas

costante in testa alla valvola di controllo poiché le pressioni a monte (di aria e combustibile) devono essere costanti. Nel caso di olio combustibile, la temperatura dell'olio deve essere costante sulla valvola visto che le variazioni di viscosità dell'olio influenzerebbero la portata. Due valvole con la stessa caratteristica dell'area potrebbero essere ben utilizzate, ma è diverso dall'usare due con la stessa caratteristica di flusso, visto che le differenze di densità, fase, viscosità, tensione di superficie dei fluidi le rendono aerodinamicamente diverse. E esistono sistemi di messa a punto manuali ed elettronici, che permettono di ottimizzare il sistema correggendo gli errori appena evidenziati. Esistono sistemi più complessi come quello in figura 10 che richiedono la manutenzione e gestione da parte di personale qualificato.

Fig. 10: esempio di controllo d’area di un rapporto aria-combustibile in un bruciatore

a doppio combustibile. Il controllo d'area è il più economico da installare, ma il più dispendioso da gestire visto che realizza un controllo di rapporto poco preciso, e perciò utilizza molto carburante. Nel passato una valutazione generale ha decretato la convenienza economica dei sistemi a controllo d'area solo per gli ingressi superiori ai 25 milioni di Btu/h, dato da aggiornare in relazione ai nuovi prezzi dell'energia. Il controllo di pressione del rapporto aria-combustibile Si attua presupponendo che la resistenza al flusso a valle delle valvole di controllo sia una costante in entrambe le linee di aria e combustibile di un bruciatore. È noto che il flusso attraverso una resistenza costante e proporzionale alla radice quadrata bella pressione differenziale attraverso la resistenza stessa. Perciò se le pressioni di aria e combustibile sono mantenute uguali (o proporzionali) allora le loro portate saranno quantomeno proporzionali sull'intero range delle velocità di combustione. Mentre il sistema di controllo prima trattato lavora su pressioni costanti ed aree variabili, il sistema di controllo di pressioni, viceversa, lavora con aree costanti e pressioni variabili. Proprio da quest'ultima osservazione nasce la caratteristica di maggior accuratezza ed adattabilità ad una più ampia varietà di configurazioni. È

usuale posizionare la valvola di controllo dell'ingresso principale sulla linea dell'aria ed utilizzare un regolatore di rapporto sulla linea del combustibile, ovviamente connesso alla linea dell'aria. Questo regolatore è simile ad una valvola di arresto dove la presa è collegata ad una membrana e da essa mossa. La pressione su un lato della membrana è quella della linea dell'aria portata attraverso un tubicino, la pressione dall'altro lato della membrana è quella di feed back sulla linea combustibile a valle del regolatore. Così se le pressioni non sono le stesse, agisce una forza sulla membrana che la fa muovere fino a che un corrispondente movimento dell'otturatore riequilibra le pressioni.

Fig. 11: regolatore di rapporto aria-gas

La figura 11 mostra uno spaccato di un regolatore di rapporto utilizzato nel controllo di flussi gassosi. Da notare sotto la membrana il piccolo ingresso di connessione con la linea dell'aria. Se la connessione fosse lasciata aperta all'atmosfera, il regolatore produrrebbe del gas alla pressione atmosferica per miscelatori sull'aspirazione e bruciatori di pre-miscelazione. La molla sotto lo stelo serve a controbilanciare il peso dello stesso stelo, dell'otturatore e della membrana che si trova così libera di fluttuare. La pressione del gas a monte, agente sulla parte inferiore può sollevare l'otturatore, quindi una membrana bilanciante è attaccata allo stelo tra il corpo valvola e la sede della membrana. Nelle applicazioni in cui la massima pressione ammissibile del gas, è minore della massima pressione dell'aria di combustione, il Sistema appena descritto non riuscirebbe a mantenere proporzionali le pressioni dell'aria e del combustibile alle più alte velocità di flusso dell'aria. In tale situazione è necessario generare una pressione sulla linea di collegamento minore, ma proporzionale, rispetto a quella della linea dell'aria di combustione. Ciò è ottenuto tramite l'utilizzo di un riduttore, che comporta un determinato trafilamento riducendo la pressione agente sulla membrana del regolatore. La figura 12 mostra proprio il sistema appena descritto.

Fig. 12: piping di un regolatore di rapporto aria-gas agente sulle pressioni

La valvola di restrizione del flusso è la resistenza ad area costante sulla linea del gas. L’apertura di questa valvola può essere settata per dare il desiderato rapporto quando il sistema è inizialmente messo in funzione. La pressione dell'olio da bruciare deve essere di molte volte superiore alla pressione dell'aria, questo rapporto è mantenuto costante da una regolatore come quello in figura 13 dove l'area della membrana superiore è maggiore di quella della membrana inferiore. La pressione dell'aria spingendo verso il basso sulla membrana superiore, tende ad aprire la valvola stessa. Viceversa l'olio, passando attraverso lo spazio tra l'albero e il corpo valvola, va a spingere verso l'alto sulla membrana inferiore, andando a chiudere la valvola. Lo spazio tra le membrane è aperto all'atmosfera. Se il rapporto tra le aree fosse di 12 a uno, la pressione dell'olio dovrebbe essere 12 volte più grande di quella dell'aria. Se così non fosse la valvola sull'olio si aprirebbe fino all'ottenimento del rapporto di pressione ottimale. Una molla di tensione viene posizionata per bilanciare il peso dello stelo, della membrana e dell'otturatore. Una più debole, di compressione, mantiene una determinata posizione quando non è applicata nessuna pressione. Questa è la posizione corrispondente alla minima portata d'aria del bruciatore.

Fig. 13: regolatore di rapporto aria-olio

Fig 14: piping per un regolatore di rapporto aria olio

La figura 14 mostra un classico piping per un regolatore di rapporto. Da notare la valvola dell'olio per la correzione manuale sul bruciatore. Questa che costituisce la resistenza d'area costante sulla linea dell'olio e può essere registrata per produrre il rapporto aria-combustibile per ottenere un determinato ambiente nel forno.

Ci sono dei limiti sulla massima pressione a monte che può essere applicata ad un regolatore di rapporto. Questi limiti sono definiti da un compromesso sull'accuratezza. È auspicabile avere membrane con alta resistenza a rottura anche se questa caratteristica le rende meno sensibili. L'uso di un riduttore di pressione, che poi descriveremo, a monte del regolatore, è raccomandato per la protezione dello stesso e la garanzia di una pressione di ingresso che assicura un ottimo livello di prestazioni. Controllo di flusso nel rapporto aria-combustibile Questo sistema misura le portate dei due fluidi e crea una rapporto definito tra queste. Le portate vengono calcolate attraverso la misura delle pressioni differenziali attraverso un diaframma sulle linee rispettive di aria e combustibile. Questo valore, opportunamente trasmesso ad un sistema di calcolo, viene elaborato per poter regolare le portate e mantenere il rapporto necessario.

Fig. 15: controllo di rapporto aria-combustibile agente sul flusso

In figura 15 è rappresentato proprio questo tipo di sistema. Le prese di pressione a monte e a valle di un diaframma agiscono ai lati opposti di una membrana. Analogamente sulla linea del combustibile le due pressioni agiscono su un'altra membrana che si opporrà ai movimenti di quella sull'aria. Il movimento risultante dello stelo è amplificato e trasmesso da un sistema di tipo idraulico o elettrico o pneumatico. Questo segnale amplificato aziona una valvola a farfalla di controllo sulla linea dell'aria. Questo Sistema può essere configurato manualmente al fine di variare il rapporto desiderato. Lo stesso è utilizzato per grandi stazioni di miscelazione di gas e di propano-aria.

Fig. 16: versione a doppio combustibile di un controllo di flusso sul rapporto aria-combustibile La figura 16 mostra lo schema di controllo del rapporto per un sistema aria-doppio combustibile. Un sistema a più combustibili è semplicemente composto da un maggior numero di valvole. 6.2.2 Controlli di pressione Regolatori di pressione I regolatori riduttori di pressione (o regolatori di pressioni di linea) vengono usati a monte di molti controlli di rapporto aria-combustibile per ridurre la pressione di alimentazione ad un livello per cui si mantiene costante la pressione di ingresso per ogni portata. Un tal tipo di regolatore può asservire più regolatori di rapporto. La figura 17a mostra un regolatore riduttore di pressione a gas e la 17b ad olio. In entrambi, la pressione a valle (quella regolata) agisce su un lato della membrana, mentre una molla preinstallata agisce sull'altro lato contrastando l'azione bella pressione. La valvola rimarrà aperta tanto a lungo quanto la pressione a valle rimarrà troppo bassa per bilanciare la spinta costante della molla. La camera a monte del regolatore di pressione del gas andrebbe collegata con l'esterno, per sicurezza, nel caso di rottura della membrana. Una valvola di sicurezza che scarica in atmosfera andrebbe collocata a valle del regolatore di pressione a gas per scaricare la pressione in eccesso che si viene a formare nelle valvole e nei regolatori di rapporto a bruciatori spenti.

Fig. 17: regolatore per la riduzione di pressione del gas (in alto) e dell’olio (in basso) A parità di prestazioni l’unica differenza è che nel controllo di pressione c’è bisogno di una alimentazione esterna (idraulica, pneumatica o elettrica). I controllori vengono utilizzati al posto dei regolatori nel caso della presenza di gas sporchi e per linee molto grandi. 6.2.3 Controlli di sicurezza Lo scopo di un sistema di sicurezza sulla combustione è di fermare il flusso di carburante quando si estingue la fiamma. Se il flusso di carburante non venisse fermato, la camera di combustione verrebbe riempita da una miscela esplosiva di combustibile ed aria. Una fiamma pilota non è una protezione sufficiente. Può spegnersi o essere insufficiente a riaccendere prontamente la fiamma principale estinta se ad esempio la miscela (aria-combustibile) è troppo ricca o troppo povera, o se l'alimentazione è troppo veloce o troppo lenta, o se l'ottimizzazione è scarsa. Vista la non totale affidabilità della fiamma pilota, anche nel caso di fiamma pilota non continua, per prevenire l'accumulo di carburante incombusto nella camera di combustione, vengono utilizzati dei sistemi di monitoraggio della fiamma che comandano le valvole automatiche di blocco carburante. I requisiti più importanti di queste valvole sono che non possano essere bloccate manualmente in posizione aperta, facciano tenuta e che siano sensibili a qualsiasi problema del sistema. In più che siano accessoriate di un dispositivo di chiusura manuale, facilitazioni meccaniche per una facile apertura ed uno switch ausiliario.

Fig. 18: operazione di riarmo manuale per una valvola di intercettazione del combustibile La figura 18 mostra l’operazione di riarmo manuale di una valvola di intercettazione combustibile. Quando il circuito di controllo viene interrotto l’elettromagnete non mantiene più la valvola aperta ed una molla rigida la fa scattare in modo da interrompere velocemente il flusso di combustibile. Una volta risolto il problema, il circuito viene chiuso di nuovo e la valvola può essere riaperta tramite l’utilizzo di una leva manuale. Se, comunque, il problema non dovesse essere risolto in maniera soddisfacente, il circuito rimarrebbe aperto e la valvola non potrebbe essere riaperta nemmeno col movimento della leva manuale visto che lo stelo della valvola rimane disabilitato anche rispetto all’intervento manuale. Questo tipo di valvole a riarmo manuale, piuttosto che automatico, vengono utilizzate quando la presenza di un operatore è richiesta per necessità di maggiore sicurezza.

6.2.4 Sistemi di controllo di rapporto Sono state fin qui descritte le funzioni dei regolatori di rapporto aria-gas e aria olio. Vanno sempre installati su linee orizzontali a meno di una specifica nota del manuale di installazione che può includere altre soluzioni. Ogni zona di controllo (ogni zona, cioè, con valvola di controllo dell’aria motorizzata o manuale) richiede un regolatore di rapporto separato. Un regolatore per ogni bruciatore fornisce grande flessibilità al sistema, ma più bruciatori possono essere controllati da un solo regolatore se i parametri di questo sono adeguatamente programmati. I regolatori di rapporto andrebbero collocati il più vicino possibile ai bruciatori, evitando il surriscaldamento, in modo da minimizzare le variazioni a valle. Un regolatore di rapporto richiede una ostruzione ostante a valle. Le connessioni della linea di impulso alla linea di combustione principale (aria) vanno collocate almeno a 5 diametri a valle della valvola di controllo e 3 diametri a monte del successivo accessorio in modo che la pressione di impulso non sia affetta da errore per una distribuzione irregolare della pressione lungo il tubo. I rubinetti non

vanno collocati sulla parte inferiore della linea dell’aria, dove si potrebbero tappare con sporcizie, acqua e olio. Sistemi di controllo di rapporto aria/gas I sistemi di bruciatori a gas con premiscelazione richiedono il gas “zero”, che è gas a pressione atmosferica. In figura 19a viene mostrata la configurazioni di un regolatore per questo tipo di controllo. Nelle applicazioni che prevedono una pressione del forno differente da quella atmosferica o addirittura fluttuante, è necessario collegare la camera della membrana con quella del forno come mostrato in figura 19b. I bruciatori con ugello di miscelazione (nozzle mixing burners) necessitano di un gas ad una pressione superiore a quella del forno e deve essere proporzionale a quella dell’aria nel bruciatore. Come mostrato in figura 19c. Una linea di impulso è utilizzata per trasportare il set di pressione dell’aria dalla valvola di controllo dell’aria al regolatore di rapporto del gas, che quindi produce automaticamente una pressione del gas in uscita uguale alla pressione di impulso dell’aria. Così le perdite di carico tra la valvola di controllo dell’aria ed il forno sono le stesse tra il regolatore del gas ed il forno stesso. Dalla regolazione della valvola di strozzamento sul gas è possibile definire il rapporto desiderato tra i flussi di aria e gas. Questo rapporto sarà mantenuto a tutte le velocità di fuoco grazie al regolatore che mantiene sempre uguali le perdite di pressione attraverso gli orifizi dell’aria verso il bruciatore e quelle sulla valvola di strozzamento sul gas. Ciò si verifica solo alla condizione che Fig. 19:

tutta l’aria arrivi al bruciatore. Le fluttuazioni della pressione del forno hanno uguale effetto sia sull’aria che sul gas, così da non aver bisogno di una qualsiasi altra connessione tra questo sistema e la pressione della camera di combustione. Per ogni sistema di bruciatore con ugello miscelatore dove la pressione disponibile del gas sia minore della somma della pressione dell’aria e delle perdite di pressione sul regolatore, si rende necessario l’utilizzo di un bleeder come mostrato in figura 19d. Un bleeder altro non fa che generare una perdita costante sulla linea di impulso così da ridurre l’impulso applicato al regolatore ad un valore proporzionalmente più basso. Ciò implica che la pressione in uscita dal regolatore sarà minore, ma proporzionale a quella della linea dell’aria. La valvola con l’orifizio dovrà trovarsi necessariamente in una situazione di apertura maggiore rispetto a quella in figura 19c.

6.3 Automatismi elementari - Linee elettriche Tramite linea elettrica o linea pneumatica può essere realizzata una sequenza di operazioni e funzioni atte a svolgere un processo. Ci poniamo l'obiettivo di realizzare tramite linea elettrica un piccolo automatismo elementare. È necessario però definire alcuni fondamenti base per la realizzazione di una linea elettrica; in particolare definiamo (secondo la normativa di legge vigente) le protezioni per la sicurezza degli utenti necessarie ed obbligatorie per legge in ogni impianto elettrico. Da una linea trifase, fornita dall'ENEL a 380 V, all'ingresso di ogni utenza civile od industriale che sia, partono le linee di utilizzo che per ovvi motivi di sicurezza necessitano di protezione. Sia per gli impianti industriali che per gli impianti ad uso civile, si indicano: protezioni da sovra correnti, protezioni da contatti diretti ed indiretti. Per protezione da contatto si intende la necessità di impedire, con opportuni interventi sull'impianto, il passaggio di corrente (anche accidentale) tra l'uomo e una qualunque parte conduttrice dell'impianto. Si interviene sostanzialmente in due modi:

1- Per contatti diretti si fa in modo che tutto il materiale elettrico costitutivo l'impianto, sia inserito e ben chiuso all'interno di appositi quadri, scatole, canali, canaline, tubi, ecc..

2- Per contatti indiretti si usano gli interruttori ad azione differenziale (i cosiddetti salva vita). Questi interruttori si inseriscono in tutti gli impianti sia civili che industriali, e sono in grado di valutare la differenza di corrente che per diverse cause circola in un circuito (o meglio entra ed esce da un circuito oppure parte e ritorna) interrompendo lo stesso.

Vediamo due applicazioni. Applicazione civile: l’interruttore differenziale interviene quando nel circuito si crea una dispersione di corrente o comunque una corrente differenziale superiore a quella ammessa dalla taratura dell'interruttore e cioè superiore a 30 mA. Si può applicare

anche senza la messa a terra che però oggi è fortunatamente diventata obbligatoria. Per messa a terra si intende (sia negli impianti civili che in quelli industriali) la possibilità di scaricare correnti, attraverso un paletto ficcato in apposito pozzetto in profondità, nel terreno, su una resistenza, quella di terra, piccolissima. Applicazione industriale: allacciamento di un motore a cilindro non trifase alla rete. La carcassa del motore è isolata dagli avvolgimenti elettrici e vi è quindi una resistenza praticamente infinita. Tuttavia questa resistenza può ridursi fino a valori molto bassi (usura isolante avvolgimenti, umidità, ecc...) tali da indurre un passaggio di corrente verso la carcassa stessa che le norme di sicurezza impongono collegata a terra. Si deve poi garantire che la carcassa non superi la tensione di 50 V: V = 50 V Rt = 5 Ω (resistenza di terra) IΔ = 50 / 5 = 10 A (corrente differenziale) Se abbiamo un interruttore con una corrente di intervento IΔ = 0,03 A, allora si ha: Rt = 5 Ω (resistenza di terra) IΔ = 0,03 A (corrente differenziale) V = R x I = 5 x 0,03 = 0,15 V < 50 V Su ogni linea si inserisce anche un interruttore ad azione magnetotermica. Esso interviene, interrompendo il circuito, nel caso di uno sovraccarico (assorbimento di potenza) di corrente sulla linea stessa. Le lamine sottili che lo costituiscono, una volta percorse da corrente a causa del sovraccarico, per dilatazione termica aprono il circuito. Ora costruiamo il sistema di automatismo elementare trasduttore-relay-attuatore. Distinguiamo innanzitutto due linee: una linea di servizi sulla quale stanno i trasduttori (pressostati, termocoppie, elettrovalvole, ecc…) ed una linea di potenza sulla quale stanno gli attuatori (motori, pompe, soffianti). La linea dei servizi è una linea a bassa tensione (≤ 110 V) che viene prelevata e trasformata dalla linea trifase di potenza (generalmente a 380 V 50 A).

R S T N

Possiamo definire il relay quel dispositivo elettromeccanico che rende automatico un interruttore; in pratica esso risulta costituito da un elettromagnete e da una barra mobile (chiamata anche ancora) porta contatti. L’ancora mobile a riposo è distaccata dal nucleo fisso, ma viene attratta da questa non appena la bobina di eccitazione viene percorsa da corrente; l’ancora trascina con se i contatti mobili che vengono spinti contro i corrispondenti contatti fissi determinando le connessioni elettriche volute.

Fig. 2: Schema di un relay doppio

I contatti sono contraddistinti dal simbolo: Per NA e NC si intende il tipo di funzionamento quando il relay è in condizioni normali, cioè di diseccitazione. Con NA si indica lo stato normalmente aperto e con NC quello normalmente chiuso. I contatti 1-3 e 1-4 sono (nel caso siano NA oppure NC) quelli della linea di potenza; rappresentano le possibilità di apertura o di chiusura del circuito della linea di potenza dovute all'eccitazione del solenoide 2-7 sulla linea dei servizi. Simmetricamente lo stesso discorso vale per i contatti 8-5 e 8-6.

8 1

7 2

6 3

5 4

220 V 110 V

Scatola

Lampadina

Pressostato

Sulla linea dei servizi abbiamo schematizzato un'ipotesi di funzionamento inserendo una pressostato, che sentendo un segnale di pressione, apre o chiude il circuito dei servizi eccitando o diseccitando il relay che, a sua volta, chiude o apre i contatti di potenza (sui quali nel nostro esempio abbiamo inserito una spia luminosa). Vediamo meglio, attraverso uno schema, il funzionamento delle linee in questione con l'inserimento del relay.

Fig. 3: esempio di relazione tra linea dei servizi e di potenza tramite relay I numeri 11,12 e 13 indicano la successione dei contatti per la corretta connessione dei cavi.

Il contatto segnato con questo simbolo è quello che viene aperto o chiuso dall'eccitazione o meno del relay R1 dovuta all'apertura o chiusura del ramo della linea dei servizi da parte del pressostato. Per assegnare le condizioni di normalmente aperto o normalmente chiuso ai contatti si usano questi simboli:

Nel nostro caso del relay doppio è possibile realizzare quattro contatti sulla linea di potenza, inserire cioè quattro dispositivi: per esempio potrebbero essere due pompe e le rispettive spie luminose; quindi facendo riferimento alla figura successiva, potremmo avere rispettivamente:

R1

110 V

R1

220 V

Pompa

LINEA POTENZA LINEA SERVIZI

R1

NA NC

contatti 1-3 ( NA ) pompa A contatti 1-4 ( NC ) pompa B contatti 8-5 ( NC ) lamp B contatti 8-6 ( NA ) lamp A

N.B. i simboli utilizzati per gli attuatori (pompe e lampadine) sono del tutto intuitivi; si rimanda per le corrette indicazioni ad approfondimenti successivi. Vediamo ora un'applicazione del relay per la gestione d'avviamento ed esclusione di una linea: Circuito in autoritenuta il circuito in auto ritenuta è un sistema che, una volta dato un impulso d'avviamento, rimane eccitato da solo. Con riferimento alla figura spieghiamo il funzionamento: premendo il pulsante A eccito il relay RAE (la bobina) che chiude il contatto RAE (che era NA) nonostante il pulsante A sia ritornato in posizione aperta; sulla linea ora passa corrente fino ad un intervento successivo di esclusione. Il relay ritiene se stesso e dà sempre la possibilità di riportarsi alle condizioni normali; è un tipo di azione ed esclusione volontaria.

R1 R1 R1 R1

Pompa A Pompa B Lamp. A Lamp.B

220 V

Fig. 4: Esempio di autoritenuta

RAE

RAE

E 110 V

A

Fig. xx: Schema di un impianto frigorifero

# Descrizione

P Pompa

V Ventola

C Compressore

Vl Valvola di laminazione

Vs Valvola a solenoide

Fd Filtro disidratatore

Pd Pressostato differenziale olio

SO Separatore olio

Pms Pressostato di minima di sicurezza

PMs Pressostato di massima di sicurezza

PmV Pressostato di minima (18 bar)

PMV Pressostato di massima (20 bar)

LC Livellostato controllo compressore

LP Livellostato controlla aspir. pompa

T Termocoppia

Pms

C MPd

PMs

PmV

PMV

Vs

Vl

Vl

Dagli evaporatoti

Agli evaporatoti

P

S.O.

T

T

Fd

V

Lc

Lp

Fig. 1: quadro elettrico di un impianto frigorifero

IΔN

Imax

V

P

C

T3

T2

T1

220 110

RAE

RAE

A

E

V

RAE

R

RAE

RAE

AVVIAMENTO / ESCLUSIONE

R S T N

VALVOLA SOLENOIDE

R1

PMS

PmS

T1

R1

R2

R1

R2

R

R1

V

R2

R2

Lc

COMPRESSORE

VS (NC)

T1

T3

R4

T2

R3

V

R3

R

R3

V

R4

R

R4

R3

Lp

R4

R4

Pm18 PM20

VENTOLA POMPA

# Descrizione 1 Motore ventilatore ………… 2 Ventilatore ……………. 3 Riduttore di pressione generale 4 Supporto elastico ventilatore 5 Manicotto elastico 6 Pressostati ………….. 7 Valvole a sfera 8 Valvola a riarmo manuale di sicurezza 9 Valvola di sfiato NA 10 Valvola motorizzata 11 Prelievo di pressione ¼” 12 Valvola a farfalla 13 Premiscelatore 14 Modulatore bilanciato – governor - 15 Valvola solenoide 16 Torcia di accensione 17 Premiscelatore (bruciatore pilota) 18 Regolatore di pressione 19 Torcia regolatrice miscela (bruciatore pilota) 20 Torcia regolatrice miscela (potenza max-min) 21 Contatore totalizzatore di portata

VM1

VE2VE3

VE1

Bruciatore

16

11

11 8

3

15 7

6

5

4

2 1

21

21

20

19

17

13 12 11 11

11

10

9 6

14

18

7 7

7

7 7

7

7

7

½”

*

IΔN

Imax

S

T

220 110

RAE

RAE

A

E

V

RAE

R

RAE

RAE

AVVIAMENTO / ESCLUSIONE

R S T N

TERMOCOPPIA SICUREZZA 850°C ±1%

TERMOCOPPIA REGOLATRICE 800°C ±1%

ELETTROVALVOLA DI SFIATO

PILOTA

R3

380 6000

FIAMMA PILOTA E

A TERMICA

1

2 4

3

5 + -

R3

R1

1

2 4

3

5 + - T

R2

P1 P2

R3 E

R2 A VE

1 VE

2

R2

R3

R1

R2

R3

VE NC

ELETTROVALVOLA GAS

110/24

V. MOTORIZZATA

R1 R1

T

T

A

E

VALVOLA MOTORIZZATA ARIA

SOFFIANTE

AUT/MAN

NA NC

CHIUDE APRE

IΔN

Imax

*

MAGNETE

# Descrizione

SA Serbatoio di accumulo

T Termostato

VT Valvola termostatica

C Compressore a due stadi

F Filtro

SC Scaricatore di condensa

S Separatore di condensa

PM Pressostato di massima

Pm Pressostato di minima

FC

F

F

F

F F

F SC

SC

SC

VT

VT

VT

T

T

T

S

S

SA

Pm (5 bar)

PM (8 bar)

alle utenze

PMS

IΔN

Imax

C

T

220 110

RAE

RAE

A

E

V

RAE

R

RAE

RAE

AVVIAMENTO / ESCLUSIONE

R S T N

T

R1

COMPRESSORE (I° soluzione)

R

R1

V

R1

COMPRESSORE (II° soluzione) COMPRESSORE (III° soluzione)

R2

R1

RS

PM (8 bar) ( )

R1

R2

Pm (5 bar) ( )

RS

PMS (10bar) ( )

R

R1

V

R1

T

R1 R2

R1

RS

PM (8 bar) ( )

R1

R2

Pm (5 bar) ( )

RS

PMS (10bar) ( ) E

RS

A

RS

PMS (10bar) ( ) E

RS

A

R

R

RS

PM (8 bar) ( )

Pm (5 bar) ( )

T

R