La Misura Di Portata Per Vapore

8/18/2019 La Misura Di Portata Per Vapore

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La Misura del VaporeScegliere il misuratore di portata corretto per

ottenere il risparmio energetico desiderato

www.spiraxsarco.com/it


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M i s u r a d e l v a p o r e

1.0 Sommario

2.0 Il contenimento del consumo dei combustibili e delle emissioni di CO2 è una priorità internazionale

3.0 Garantire una misura precisa della portata del vapore

3.1 Considerazioni sulla temperatura, sull’erosione e sulla velocità

3.2 L'importanza del turndown

3.3 Speci care la precisione

3.4 Spazio disponibile per l’installazione

4.0 Diversi principi di misura

4.1 Coriolis

4.2 Ori zio calibrato o angia tarata

4.3 Tubo di Pitot

4.4 Turbina

4.5 Area variabile

4.5.1 Area variabile nella versione a molla precaricata (SILVA)

4.5.2 Area variabile target (TVA)

4.6 Ultrasuoni

4.7 Vortex

Indice


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Con l’aumento dei prezzi del combustibile e le sempre piùrigide legislazioni per il controllo delle emissioni di CO2,

l’individuazione di nuovi metodi di riduzione del consumoenergetico sta assumendo un ruolo centrale per molteaziende.

I programmi di risparmio energetico più avanzati incoraggianouna migliore gestione dei consumi. Nello sforzo di rendere isingoli dipartimenti o centri di costo responsabili dell’energiaimpiegata, la spinta al risparmio è fornita dalla presa dicoscienza dell’utente.

Alcune società stanno sperimentando che tali progetti di

monitoraggio e di identi cazione degli obiettivi possonogenerare risparmi no al 5%.

Per addebitare agli utenti l’energia che consumano occorrein primo luogo misurare il loro consumo effettivo. Più precisaè la misura, migliore è il controllo sul consumo. Oltre ai costienergetici più ovvi, come il gas e l'elettricità, il vapore è unservizio nel quale è possibile realizzare notevoli risparmi

eliminando gli sprechi.

A tale scopo è essenziale scegliere un misuratore di portatain grado di tenere conto di tutte le esigenze per una correttamisura di un uido come il vapore che spesso alimentauna richiesta variabile e trasporta umidità con conseguentedanneggiamento di misuratori di tipo inadeguato.

La precisione del misuratore è un altro importante fattorenel processo di selezione dell’apparecchio, ma il turndown,

ovvero il rapporto tra portata massima e portata minima èspesso ancora più importante.

È quindi sensato scegliere il misuratore di portata con il piùampio turndown possibile, riducendo al minimo la possibilitàdi ritrovarsi con uno strumento che non è in grado di coprirela portata effettiva.

Molto spesso, la maggiore ef cienza energetica ottenutain seguito all’installazione di un misuratore di portata delvapore può aiutare a recuperare il costo dell’installazione

in meno di due anni. È tuttavia fondamentale scegliere il

misuratore di portata adeguato a tale compito.

Nell’ambito dei recuperi energetici ove venga prodottaenergia termica da sorgenti solitamente inutilizzate (fumiesausti, blowdown, rievaporazione, processi esotermici),le normative europee collegate alle quote di rimborso,prevedono che per le misure dei gas e dell’acqua sianoadottate certi cazioni scali (MID), lasciando perciò la misuradel vapore legata unicamente ad un criterio di massimaprecisione ed af dabilità. Criterio che una società comeSpirax Sarco, leader mondiale nella gestione del vapore, haenfatizzato nella progettazione dei suoi misuratori.

1.0 Sommario


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2.0 Il contenimento del consumo dei combustibili e delle emissioni di CO2 è una priorità internazionale

Il vincolo a ridurre le emissioni di CO2 e le agevolazioniidenti cate per proseguire verso questo obbiettivo sono

diversi nelle varie nazioni e collegate alla sensibilità ed allecondizioni nanziarie delle stesse.La Gran Bretagna è il primo paese al mondo a imporre limitidi emissioni di CO2 vincolanti, che taglieranno del 34%entro il 2020 ed almeno dell’80% entro il 2050. Alcune diqueste riduzioni saranno realizzate sviluppando tecnologieper la produzione di energia, a basse emissioni di carbonioma il miglioramento dell’ef cienza energetica rivestirà unruolo fondamentale, secondo il Department of Energyand Climate Change (DECC) (dipartimento britannico perl’energia e il cambiamento climatico).

Di fatto ogni paese dovrà ridurre il proprio consumoenergetico e le emissioni di CO2, con incentivi previsti dallenormative locali e dal sco. Ad esempio, la strategia diriduzione delle emissioni di CO2 del National Health Service(NHS) inglese richiede un taglio del 10% entro il 2015. Ciòimplicherà non solo un contenimento dell’attuale livello di

crescita delle emissioni, ma un’inversione di tendenza con

conseguente riduzione de nitiva.

In altre parole, l’atteggiamento dei governi in merito aicambiamenti climatici ed il conseguente evolversi normativoricadrà sulle aziende e su altre organizzazioni attraverso lebollette dell’energia.

Migliorare l’ef cienza energetica consente inoltre dirallentare l’aumento delle bollette del combustibile rispetto

all’aumento del suo prezzo all’origine. Un fatto chiaramenteimportante nel contesto dell’attuale rapido aumento deiprezzi del combustibile. Per esempio in Inghilterra trail secondo trimestre del 2010 e il secondo trimestre del

2011, i prezzi medi per l’industria in termini correnti, inclusa

l’imposta sul cambiamento climatico (CCL) sono aumentati

del 2,7% per l’elettricità, del 34,1% per il gas e del 11,9%per il carbone.

Questi criteri, che possono variare da nazione a nazione,

rendono evidente che migliorare l’ef cienza dei proprisistemi di produzione del vapore deve diventare una prioritàassoluta.

Non si può controllare ciò che non si può misurar eUn’accurata misura è il prerequisito fondamentale inqualsiasi programma di controllo e gestione dell’energia.Di fatto ciò pone gli strumenti di misura al centro di qualsiasisforzo atto ad identi care il consumo energetico. Secondoil Carbon Trust, gli strumenti di monitoraggio automatico(M&T) aiutano le industrie a ridurre i costi energetici del 5%circa.


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Questi programmi mettono in relazione i consumi energeticicon altri fattori, tra cui le condizioni atmosferiche e i dati della

produzione, per aiutare le industrie a capire come l’energiaviene utilizzata nei processi e per il comfort. In particolareserviranno ad identi care qualsiasi spreco evitabile o altreopportunità atte a ridurre i consumi.

La raccolta dati può essere manuale, automatizzata o una

combinazione di entrambe. Il suo svolgimento non deveessere impegnativo in termini di tempo né tanto menocomplesso. Idealmente i dati si accumuleranno in modo

regolare e forniranno informazioni atte a supportare tutte leattività di gestione energetica.

Oltre ad individuare gli sprechi, un ef cente sistemadi monitoraggio può fornire una misura attendibile del

successo di eventuali iniziative di risparmio energetico,che altrimenti potrebbero essere dif cilmente scindibili dalcomplesso di fattori esterni come le condizioni atmosfericheo le variazioni dei livelli di produzione.

I dati raccolti consentiranno di evidenziare aree promettenti

da sottoporre ad ulteriore indagine, permettendo difocalizzare l’attenzione su quelle più pro cue.Il feedback fornito può essere utilizzato per incrementare laconsapevolezza del personale ed incoraggiare la diffusionedelle metodiche migliori.

Misuratori di portata

Perchè è importante l'impiego di un misuratore diportata? Verso la ne del secolo scorso il sicoinglese Kelvin affermò:"non si può gestire quello che non è possibilemisurare".

Questa osservazione è valida oggi come nel secoloscorso. Per il corretto controllo dei costi di eserciziodegli impianti di processo e per la gestione ottimaledel riscaldamento di grandi complessi abitativi, èessenziale sapere quanto combustibile e quantaenergia viene utilizzata.Quando questa logica viene applicata al vapore,i misuratori di portata Spirax Sarco fornisconoinformazioni vitali all'uso e i costi associati all'impiantoche ne migliorano l'ef cenza in quattro settori diparticolare importanza:

Ef cenza d’impianto• Veri ca dell'isolamento delle utenze inutilizzate• Veri ca della corretta alimentazione della linea di

processo

• Identi cazione di eventuali necessità dimanutenzione

• Identi cazione delle utenze con il maggiorconsumo di vapore

• Evidenziazione delle fasce orarie di maggiorconsumo

• Indicazione della validità gestionale del processo

Ef cenza energetica

• Rilevamento dei risparmi energetici• Confronto dell'ef cenza energetica dei vari settori

dell'impianto

Controllo del processo

• Conferma costante dell'utilizzo della giustaquantità di vapore alle volute condizioni dipressione e temperatura

Monitoraggio continuo dei costi di linea

• Valutazione del costo del vapore come vettoreenergetico

• Corretta determinazione dei costi delle singolelinee di prodotto

• Stabilire un corretto legame tra il costo del vaporeinteso come fonte energetica e rendimento totaledell'impianto

• Monitoraggio delle prestazioni della singolautenza

• Corretto addebito del consumo di vapore


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3.0 Garantire una misura precisa della portata vapore

La misura attendibile e accurata della portata del vaporepresenta numerose differenze tecniche rispetto alla misura

di portate di altri uidi e per essere attendibile deve tenereconto delle proprietà siche del vapore.

Repentine variazioni di carico, condizioni variabili delprocesso, fermate non previste possono far variare pressione

e temperatura del vapore. La mancata compensazionecomporta errori sostanziali nel calcolo della portata.

Importanza della compensazione della densità. In questo esempio un semplice misuratore non compensato è impostato a

6 bar g. La pressione effettiva nel sistema varia nell’arco della giornata e se il misuratore non è compensato, alla ne dellagiornata, si possono accumulare gravi errori. Questa situazione è tipica di molti sistemi di monitoraggio.

Ore trascorse

Errore cumulativo

Pressioneeffettiva

del sistema

Portata

P o r t a t a , k

g / h

P r e s s i o

n e

b a r

E r r o r e c u m

u l a t i v o , k

g


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3.1 Considerazioni sulla temperatura, sull’erosione esulla velocità

Anche altre caratteristiche del vapore devono essereconsiderate. Le temperature elevate ad esempio, associate

alla misura della portata possono in uire sull’accuratezza esulla longevità degli organi di misura. L’erosione causata dalvapore umido danneggia nel tempo per esempio gli ori zicalibrati con conseguente perdita di precisione o misure nonaf dabili.

La tubazione del vapore è spesso sovraddimensionatarispetto ad altri uidi per mantenere bassa la velocità e limitarel’erosione. Tale condizione può ridurre le performance di

molti misuratori che raggiungono la massima accuratezzaa velocità elevate.

3.2 L’importanza del turndown

Per esseri sicuri che le informazioni relative alla portata siano

accurate indipendentemente dalle condizioni di processo odalla richiesta è essenziale che un misuratore di portata siain grado di garantire le sue prestazione per l’intero campodi funzionamento, dal basso carico no al massimo delladomanda del processo. Poiché la richiesta reale è spessosconosciuta o può variare ampiamente, un misuratore di

portata deve avere un campo di misura più ampio possibile

basato su condizioni di portata pratiche. Dovrà essere fatta,inoltre, particolare attenzione af nchè il campo di misurarichiesto sia basato su velocità realistiche del usso.

Il parametro che sintetizza il rapporto tra portata minima e

massima è appunto il “turndown” o rapporto di misurabilità.Maggiore è il turndown maggiori sono le garanzie di nonperdere le portate ad inizio o fondo scala. Ovviamente ilturndown deve essere accompagnato dal rispetto dellaprecisione.

Portata al di sotto del valore minimo di 250 kg/h (ossia 1.000 kg/h ÷ 4)

Ore trascorse

Portata effettiva

P o r t a

t a , k

g / h

Errore cumulativo

E r r or e

c um

ul a

t i v o ,k g

Il gra co mostra una curva tipica di un sistema di distribuzione vapore con carico elevato iniziale e domanda variabile nel corsodella giornata. Un misuratore, con un turndown 4:1 e dimensionato sul carico di punta di 1000 kg/h, avrà per portate inferioria 250 kg/h errori elevati o misure inattendibili.


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3.3 Speci care la precisione

Anche la modalità di de nizione della precisione dei

misuratori di portata può in uenzarne la performance inparticolari installazioni.

Esistono due modi per speci care la precisione di unmisuratore: % di errore a fondo scala (FSD) e % di errore delvalore letto. I due metodi sono molto differenti ed è importantecapire il motivo per cui alcuni produttori preferiscono usarela % di errore sul FDS per far sembrare la precisione dellostrumento da loro proposto migliore.

% di FSD

Portata totale = 1000kg/h, precisione +/-1% di FSD.Misurando la portata totale (1000kg/h) l’errore effettivo puòessere +/- 10kg/h, pertanto la portata effettiva può esserecompresa tra 990 e 1010kg/h = un errore dell’1%.

Dove installare il misuratore di portata? Il punto ideale per misurare le portate non sempre corrisponde a quello che consentemisurazioni più precise perché valvole, accessori di linea o brusche variazioni di sezione nella tubazione possono dar a luogoa variazioni di carico eccessive od eccessivamente ampie.

Per garantire prestazioni e misure accurate, il pro lo di usso del vapore deve essere più stabile ovvero meno “perturbato” possibilein ingresso al misuratore e all’uscita dallo stesso: a tale scopo occorre installare il misuratore su un tratto di tubazione libera (priva divalvole, gomiti, riduzioni…) e rettilinea, la cui lunghezza minima sia pari a 6 diametri di tubazione a monte e 3 a valle.

Misurando il 10% della portata (100kg/h) l’errore effettivopuò ancora essere +/-10kg/h, pertanto la portata effettiva

può essere compresa tra 90 e 110kg/h con un conseguenteerrore del 10%!

% di errore del valore letto

Portata totale = 1000kg/h, precisione +/-1% di lettura.Misurando la portata totale (1000kg/h) l’errore effettivo puòessere +/- 10kg/h, pertanto la portata effettiva può esserecompresa tra 990 e 1010kg/h = un errore dell’1%.Misurando il 10% della portata (100kg/h) l’errore effettivopuò essere +/-1kg/h, pertanto la portata effettiva può esserecompresa tra 99 e 101 kg/h = un errore del 1%!

È chiaro che a portate ridotte una precisione de nita come% di lettura sarà migliore rispetto ad una de nita come %di FSD.


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Lunghezze d’installazione minori …

Modi cando il pro lo di usso la portata è più stabile …

Il sistema di misura ad area variabile richiede solo sei diametri di tubazione liberarettilinea a monte e tre a valle: è la scelta ideale per installazioni in spazi ristretti.

Tubo diPitot multiplo

Flangia tarata

è

6D 3D

8D 4D

20D 7D

è

è

Vortex

15D 5D

è

D = Diametro nominale della tubazione

Flusso divapore

Flusso di vapore

Flusso di vapore

Flusso di vapore

A differenza di altri misuratori di portata che richiedonotubazioni rettilinee più o meno lunghe il cono dell'ariavariabile riesce a stabilizzare il usso semplicementeappiattendone il pro lo di velocità a monte, immediatamenteprima del punto di misura. Il usso diventa, infatti, più stabile

grazie al design del cono mobile che permette di mixare

il vapore che viaggia alla massima velocità a metà pro locon quello che, invece, è a bassa velocità in prossimità delle

pareti della tubazione. Questo mix consente al misuratore ad

area variabile di essere montato su brevi tratti di tubazione

rettilinea, rendendolo il misuratore di portata ideale per

spazi d’installazione limitati.

3.4 Spazio disponibile per l’installazione

Oltre alle proprietà siche del vapore, è necessario considerare

altri importanti fattori relativi all’installazione.


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4.0 Diversi principi di misura

Le proprietà del vapore fanno sì che alcuni misuratoricomunemente usati per altri uidi non siano i più appropriati

per la misura del vapore. Spesso si tratta di scegliere tra letecnologie disponibili quella corretta, mettendo a confronto ipro e i contro per effettuare la scelta migliore.

4.1 Coriolis

I misuratori Coriolis determinano direttamente la massa. Unoo più tubi vibranti piegati, diritti o a U sono posizionati nel

usso del uido. Quando il uido passa attraverso i tubi creauna vibrazione ad alta frequenza. L’entità dell’oscillazione èdirettamente proporzionale alla portata ed alla massa.

Il principale vantaggio del sistema di misura Coriolis consistenel fornire direttamente la misura della massa, senza doverricorrere ad accessori per misurare la temperatura o la

pressione. Questa misura, studiata per il settore chimico/

petrolchimico non è comunemente impiegata per la misuradel vapore. Svantaggi: costo elevato, alta perdita di carico,non adatto al uido vapore.

4.2 Ori zio calibrato o angia tarata

Misurano il calo di pressione del uido quando passa

attraverso un foro calibrato circolare praticato in una piastrache abbraccia l’ampiezza del tubo. La pressione differenzialea monte e a valle del foro, è utilizzata per calcolare la portata.Il corretto dimensionamento e la corretta installazione dellapiastra forata sono assolutamente essenziali, ma un sistemaadeguatamente progettato può raggiungere un turndownmassimo compreso tra 4:1 e 5:1. E’ il sistema più impiegatoper le misure di portata. Vantaggi: basso costo, riferibilitàad elemento primario standard. Svantaggi: basso turndown,deterioramento nel tempo.

4.3 Tubo di Pitot

Principio simile all’ori zio calibrato ma adatto a tubazioni digrande diametro. E’ determinante una buona installazioneper evitare errori causati da letti uidi.

4.4 Turbina

I misuratori a turbina dispongono di un rotore multipala

installato ad angolo retto rispetto al usso e sospeso nelusso del uido su un supporto scorrevole. La velocità di

rotazione è proporzionale alla portata volumetrica.

Nelle grandi tubazioni, le turbine possono essere installatesu bypass. Questi misuratori offrono un turndown tipicodi 10:1 e una precisione del ± 0,5%. Poco usati a livelloindustriale e solitamente non su vapore saturo.

4.5 Area variabile

Un misuratore ad area variabile, spesso denominato anche

rotametro, è costituito da un tubo verticale con un piccolo

foro rastremato all’estremità inferiore e un galleggianteche si muove liberamente nel uido. Quando il uido risaleattraverso il tubo, la posizione del galleggiante dipende dallaspinta verso l’alto del uido e dalla massa del galleggiante,che indicano la portata. Poco usati a livello industriale.

4.5.1 Area variabile nella versione a molla precaricata(SILVA)

Questi strumenti utilizzano una molla come forza dibilanciamento rendendoli pertanto insensibili alla gravità,

essendo cosi in grado di essere utilizzati in qualsiasiorientamento, anche capovolti.

L’area di usso tra il cono ed il tubo è progettata peraumentare quando la molla si sposta di modo che la

pressione differenziale nel misuratore sia direttamenteproporzionale al usso. Fondamentalmente ciò signi ca chelo spostamento della molla o della pressione differenzialenel misuratore è lineare in rapporto al usso.

Sfruttando questo principio, i misuratori SILVA offrono unturndown che può arrivare no a 100:1 con una precisionepari a ±1%.


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4.5.2 Area variabile target (TVA)

Il principio di funzionamento dei ussometri TVA è simile a

quello dei ussometri SILVA. Tuttavia, invece di misurare lapressione differenziale, essi misurano la forza generata su diun cono mobile utilizzando celle di carico di alta qualità. Più

elevato è il usso di vapore, maggiore è la forza applicataalla cella di carico.

I ussometri TVA hanno generalmente una precisione del±2% su un turndown di 50:1.

4.6 Ultrasuoni

I sistemi di misura ad ultrasuoni si basano sul principioche il tempo necessario agli ultrasuoni per andare da untrasmettitore ad un ricevitore varia in funzione di un uidoche ne modi ca il percorso. I sistemi di misura ad ultrasuoni

adatti alle misure su vapore necessitano solitamente che

trasmettitori e ricevitori siano direttamente affacciati al

uido ciò comporta l’installazione di tronchetti con lo stessodiametro della tubazione, con integrati i sensori. Vantaggi:elevata precisione, elevato turndown, bassa perdita di

carico. Svantaggi: costi elevati e dif cile calibrazione.

4.7 Vortex

Il misuratore si basa sul principio di investire un corpo, con

una sagoma appositamente studiata, da un uido creandodi conseguenza dei vortici a valle di questo ostacolo.Opportunamente misurati in termine di frequenza questivortici sono direttamente proporzionali alla velocità e di

conseguenza alla portata del uido stesso. Vantaggi: di facileinstallazione e di costo contenuto. Svantaggi: in uenzati davibrazioni richiedono una certa velocità del uido.

Tabella: Misuratori utilizzati per la portata di vapore a confronto

Tipo di misuratoredi portata

Vaporesurriscaldato?

Vaporesaturo?

Vaporeumido?

Rapportoturndown* Precisione* Costo

Ori zio calibrato Sì Sì Sì 4:1 3% Basso

A turbina Sì No No 10:1 0.5% Basso

SILVA Sì Sì Sì 100:1 1% Medio

TVA Sì Sì Sì 50:1 2% Medio

Vortex Sì Sì No 12:1 2% Medio

Tubi di Pitot Sì Sì No 4:1 5% Basso

Ad ultrasuoni Sì Sì Sì 20:1 2% Alto

Coriolis Sì No No 50:1 / 100:1 0.1 – 1% Alto


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Spirax-Sarco S.r.l.Via per Cinisello, 18 - 20834 Nova Milanese (MB)

Tel.: 0362 49 17.1Fax: 0362 49 17 307


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