Regolazione Portata e Bilanciamento

7/28/2019 Regolazione Portata e Bilanciamento

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Corso di

STRUMENTAZIONE E AUTOMAZIONE

INDUSTRIALE

ESERCITAZIONERegolazione e bilanciamento di portata

Prof. Ing. Cesare Saccani

Dott. Ing. Marco Pellegrini

DIEM Facolt di ingegneria - Universit degli Studi di Bologna


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Introduzione

Dimensionamento della pompa principale

Il bilanciamento di portata

La misura di portata

Strumentazione e sistema controllo

Agenda


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Introduzione

Oggetto della esercitazione il dimensionamento e successivadefinizione del sistema di regolazione e acquisizione dati di un

impianto di pompaggio e filtraggio che alimenta alcuni dispositivi

con acqua in pressione.

In particolare, lesercitazione si concentrer sulla modalit di

regolazione e bilanciamento di portata lungo la linea di

alimentazione dei dispositivi stessi. Pertanto, al di l dellaapplicazione specifica, la presente trattazione pu essere riferita a

qualunque impianto in cui richiesta una attivit di regolazione e

bilanciamento di portata.


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Introduzione

Caratteristiche dellimpianto

Le difficolt legate alla progettazione dellimpianto coinvolgono

aspetti che sono riconducibili a tipologie di impianto simili, in cuisi debbano risolvere problematiche di:

- pompaggio di fluidi;

- filtraggio;

- regolazione di portata su due diversi valori;

- bilanciamento di portate.


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Introduzione

Caratteristiche dellimpianto il Block Flow Diagram (BFD)

FILTRO

F1

POMPA

P1

FILTRO

F2

Acqua (di mare)

Q [m3

/h] Q1 [m3/h]

Q2 [m3/h]

Mesh

Nel caso in oggetto la portata viene suddivisa

su due rami, ma il caso riconducibile ad un

sistema con n ramificazioni


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Introduzione

Caratteristiche dellimpianto dati di partenza

Fluido: acqua di mare

Portata pompa P1: QD=80 m3/h (Q1D=Q2D=40 m

3/h)

QF=20 m3/h (Q1F=Q2F=10 m

3/h)

Due livelli di portata, corrispondenti al funzionamento di design(pedice D) e di flussaggio (pedice F) dellimpianto.

Mesh filtro F2: 1 mm (no intasamento dispositivi alimentati)

Regolazione: Q=costante

Bilanciamento: Q1=Q2


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Introduzione


Agenda





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Il dimensionamento della pompa si effettua sulla base delleseguenti caratteristiche:

- Portata di design;

- Prevalenza.

La portata di design nota (80 m3/h); occorre quindi determinare laprevalenza minima che la pompa deve erogare alla portata

nominale. Infine, occorre verificare che la pompa sia in grado di

funzionare alla portata di flussaggio (20 m3/h).


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Per determinare la prevalenza necessaria occorre quantificare leperdite di carico del circuito. Le perdite di carico si distinguono in:

- perdite di carico distribuite: pD=1/2**(*L/d)*V2

- perdite di carico concentrate: pC=1/2***V2

p: perdita di carico [Pa] d: diametro equivalente [m]

: densit del fluido [kg/m3] V: velocit del fluido [m/s]

: coefficiente di attrito : coefficiente di perdita concentrataL: lunghezza [m]


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La prevalenza della pompa p viene determinata sulla base dellasomma di perdite concentrate e distribuite, tenendo conto di un

congruo fattore di sicurezza maggiore di uno.

p=*(pD+pC)=1/2***[(*L/d*V2)+(*V2)]

La prevalenza viene calcolata in corrispondenza della condizione

di design, cio nella condizione pi critica di funzionamento

dellimpianto: pertanto, la velocit V quella corrispondente alla

portata di design.


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Perdite di carico distribuite

Sono le perdite di pressione generate dallattrito tra fluido in moto

e superficie interna del condotto e tra le particelle del fluidostesso.

pD=1/2**(*L/d)*V2

=f(Re, d/k)Re: numero di Reynolds

d: diametro idraulico [mm]

k: rugosit [mm]

Tipologia di tubazione Rugosit k [mm]

Tubi nuovi PE, PVC, PRFV, Rame, Acciaio Inox 0 - 0,02

Tubi nuovi Gres, Ghisa rivestita, Acciaio 0,05 - 0,15

Tubi in Cemento ordinario, tubi con lievi incrostazioni 0,10 - 0,4

Tubi con incrostazioni e depositi 0,6 - 0,8


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Perdite di carico distribuite esempio di calcolo

Re=*V*d/ : densit del fluido=1.000 kg/m3

V: velocit nel condotto= 2 m/s

d: diametro idraulico=85 mm

: viscosit dinamica del fluido=1*10-3

Pa*sRe=170.000

k=0,02 mm (tubo in inox nuovo)

d/k=4.250


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Perdite di carico distribuite esempio di calcolo

Re=170.000

d/k=4.250

pD=1/2**(*L/d)*V2


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Perdite di carico concentrate

Sono le perdite di pressione generate da variazioni di geometria

del condotto o di direzione del flusso rispetto al moto rettilineo.

pC=1/2***V2


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Per poter calcolare le perdite di carico occorrono informazioniquali:

- Lunghezza delle tubazioni;- Diametro delle tubazioni;

- Numero di accidentalit (curve, variazioni di sezione, valvole, ).

Quindi, per dimensionare la pompa, occorre conoscere in maniera

abbastanza approfondita limpianto: il Block Flow Diagram non

pi sufficiente. Occorre un nuovo strumento, il Process FlowDiagram (PFD).


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Il Process Flow Diagram (PFD)


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Dimensionamento delle tubazioni esempio di calcolo

Velocit di design V: 1,5 m/s

Portata di design Q: 40 m3/h (flusso diviso su due linee)

A=(Q/3.600)/V=0,007 m2

=7.407 mm2

A=*d2/4 d=97 mm


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Dimensionamento delle tubazioni esempio di calcolo

d interno ottimale=97 mm la scelta ricade sul DN80

d=111 mm circa (DN100)

V=1,14 m/s

d=85 mm circa (DN80)

V=1,96 m/s


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Calcolo delle perdite di carico

E stato realizzato un foglio di calcolo per la determinazione delle

perdite di carico complessive sulla base di una bozza di lay-outdellimpianto (diametri e lunghezze tubazioni) e delle

caratteristiche resistive degli elementi principali dellimpianto

(filtro, valvole di regolazione, valvole di non ritorno, orifizi tarati).

La perdita di carico totale stimata pari a circa 6 bar: impiegando

un coefficiente di sicurezza pari a 1,30, si ottiene una prevalenza

richiesta alla pompa pari a circa 8 bar.


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Dimensionamento della pompa

Sono ora note:

- portata di design: 80 m3/h

- prevalenza: 8 bar

Quale tipologia di pompa (volumetrica, dinamica) meglio si adatta

alle caratteristiche dellimpianto?


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Dimensionamento della pompa

Curva caratteristica Costo Ingombro


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NK50-250/254

La pompa principale

Portata: 80 m3/h

Prevalenza: 8 bar

Rendimento: 71%

Potenza assorbita: 25 kW

NPSH: 3,5 m


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NK50-250/254

La pompa principale

Portata: 80 m3/h

Prevalenza: 8 bar

Rendimento: 71%


NPSH: 3,5 m

Ingombri: 1.600x660x530 mmPeso: 420 kg circa

DN in: DN65

DN out: DN50

Motore elettrico: 30 kW


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La pompa principale



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La pompa principale



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La pompa principale



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La pompa principale


NK50-250/254 BQQE-R

Portata: 80 m3/h

Prevalenza: 8 barRendimento: 71%


NPSH: 3,5 mIngombri: 1.600x660x530 mm

Peso: 420 kg circa

DN in: DN65

DN out: DN50Motore elettrico: 30 kW

Corpo e girante in acciaio inox

Tenuta con soffietto in gomma


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Come mantengo la portata costante su due livelli?

Opzione 1: regolazione con valvola


PT

Pompa Valvola di regolazione


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30


9 bar

15 kW




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Portata design

Portata: 80 m3/h



Portata di flussaggio

Portata: 20 m3/h

Prevalenza: 9 barRendimento: 33% circa


Consumi elettrici elevati!


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Opzione 2: impiego di due pompe in linea


PT

Pompa design Valvola di regolazione

Pompa flussaggio

Ottimizzo il funzionamento delle pompe ai diversi regimi, ma:

Aumento i costi (due pompe invece di una) e

Incremento gli ingombri


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33


Opzione 3: regolazione con inverter

n=60*f/ndi coppie di poli n: numero di giri della pompa [rpm]

f: frequenza [Hz]

Dal momento che 60 un valore costante ed il n di coppie di polidel motore della pompa fisso, lunica possibilit per variare il

numero di giri n della pompa quello di variare la frequenza f di

alimentazione del motore elettrico.

Esempio: n=60*50/1=3.000 rpm

n=60*50/2=1.500 rpm



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Nellinverter la tensione alternata della rete viene raddrizzata incorrente continua e viene quindi riconvertita in corrente alternata

trifase a frequenza variabile per alimentare il motore elettrico.

f=50Hzf=variabile


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Come mantengo la portata costante sudue livelli?


Le perdite di carico dellimpianto nel

caso di portata di flussaggio sono pari

a circa 0,5-1 bar; pertanto, regolando lafrequenza attorno al minimo consentito

(ovvero il 25% della frequenza

massima), possibile lavorare in

condizioni tali da garantire lerogazione

della portata di flussaggio.



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Portata design

Portata: 80 m3/h



Portata di flussaggio

Portata: 20 m3/h

Prevalenza: 1 bar circaRendimento: 60% circa

Potenza assorbita: 1 kW circa

Consumi elettrici ridotti!

Di i t d ll i i l


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Linverter

Consente la regolazione di velocit e quindi la variazione di portata

della pompa (vi un limite sotto i 12,5 Hz per il pericolo di

surriscaldamento del motore). Benefici:

- gli avvii e gli arresti graduali riducono gli stress sui componenti

meccanici, idraulici ed elettrici;

-si ottengono significativi risparmi energetici in quanto la pompaviene utilizzata per le effettive richieste del sistema idraulico;

- le protezioni elettroniche presenti nei convertitori consentonouna efficace e completa protezione della pompa;

- si eliminano gli spunti di avviamento, permettendo cos di nondover sovradimensionare i componenti elettrici e gli eventuali

gruppi elettrogeni di soccorso.


Di i t d ll i i l


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Linverter

Problematiche:

- apparecchio costoso (anche se meno che in passato);

- apparecchio delicato: si tratta di elettronica di potenza e quindisensibile alle caratteristiche ambientali (umidit, polvere, ecc);

- problemi di compatibilit elettromagnetica (armoniche, disturbi

ad apparecchiature elettroniche, ecc...);- necessita di una corretta installazione (ventilazione, ecc...);- richiede linstallazione in prossimit del motore alimentato (unadistanza tra motore ed azionamento superiore ai 200 m pu essere

causa di guasto dellazionamento).


Di i t d ll i i l


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Linverter

Modello: CUE 30 kW 96754727

Potenza: 30 kW

Frequenza di alimentazione: 50 HzVoltaggio: 3x380-440/441-500 V

Segnali in ingresso: n1 0-10V per impostazioni esterne

n1 4-20mA per impostazione da sensore

n4 ingressi digitali

n2 segnali per rel

Segnale in uscita: n1 0-20mA

Regolatore PIDLimite temperatura ambiente: 0-45C

Umidit relativa ambiente: 0-95%

Dimensioni: 242x260x624 mm

Peso: 27 kg


Di i t d ll i i l


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Il filtro sinusoidale per inverter

I filtri sinusoidali sono progettati per consentire solo alle

frequenze basse di passare. Pertanto, le frequenze pi elevate

sono eliminate, risultando cos una forma sinusoidale della

tensione concatenata o di linea cos come per la corrente.

Grazie allimpiego di filtri sinusoidali l'uso di inverter speciali conisolamento rinforzato non necessario. Inoltre, la rumorosit del

motore viene smorzata, si riducono lo stress di isolamento e le

correnti parassite, determinando in tal modo una vita utile

maggiore del motore. Infine, limpiego di filtri sinusoidali consente

l'uso di cavi di collegamento al motore pi lunghi.




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Il filtro sinusoidale per inverter

Modello: filtro sinusoidale - 96755021


Inoltre, il filtro sinusoidale in uscita

elimina i problemi di interferenza tra

inverter e altre apparecchiature

elettriche presenti nelle vicinanze



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Linverter




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43

Linverter




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Linverter




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45

Linverter




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Linverter




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Linverter




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Linverter


Autoclave



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Linverter




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50

Linverter




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51

Linverter




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Il controllo proporzionale-integrale-derivativo


b: banda proporzionale

e: errore

r: velocit di integrazione

q: tempo di derivazione



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Linverter




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Linverter

p p p p



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Il filtro in aspirazione alla pompa

A seconda del campo di applicazione, pu essere necessaria

linstallazione o meno di un filtro allaspirazione della pompa.

In particolare, occorre fare riferimento alle caratteristiche

geometriche della pompa (ad esempio, una pompa volumetrica a

vite presenta delle sezioni di passaggio ridotte, per cui occorreprestare particolare attenzione alla massima dimensione del

materiale solido in ingresso) ed alla qualit e composizione del

fluido pompato (ad esempio, nel caso di acqua di mare possibile

la presenza di elementi organici e inorganici di dimensioni anche

notevoli).

p p p p



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Lutilizzo di una pompa centrifuga pone limiti non particolarmente

stringenti in merito alla massima dimensione ammissibile per il

materiale solido in ingresso.

Daltro canto, essendo il fluido acqua di mare occorre valutare

attentamente due diverse problematiche:

- presenza di materiale organico e inorganico voluminoso;

- presenza di sabbia.

p p p p



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Il posizionamento di un filtro del tipo a griglia o simile pi che

sufficiente per limitare il problema dellaspirazione di materiale

voluminoso (quale, ad esempio, plastiche, legno, materiale

organico di varia natura).

Daltro canto, eliminare la sabbia eventualmente presenteallinterno dellacqua aspirata comporterebbe lutilizzo di filtri

molto meno grossolani e pi performanti, con un inevitabile

incremento della complessit dellimpianto e dei costi dello

stesso. Per risolvere questo problema, laspirazione della pompa

viene posizionata in un luogo in cui vi una condizione perdurante

di condizioni meteomarine stabili, cio in cui la sabbia non viene

trasportata in maniera rilevante dalle correnti marine.

p p p p



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Il calcolo dellNPSH a cosa serve?

Il fluido in aspirazione alla pompa si trova in una condizione di

temperatura praticamente costante e di pressione decrescente dal

punto del prelievo sino allingresso nella girante della pompa ed al

contatto con le pale.

Per questo motivo, pu accadere che, se vi un dislivello elevatotra punto di prelievo del fluido e ingresso nella pompa e/o se le

perdite di carico nel condotto di aspirazione sono elevate e/o le

perdite in ingresso alla pompa sono elevate, la pressione del fluido

vada a scendere al di sotto della tensione di vapore

corrispondente alla data temperatura del fluido.

p p p p



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Quando la pressione del fluido scende al di sotto della tensione di

vapore si ha il fenomeno della cavitazione. La dinamica del

processo quasi del tutto simile a quella dell'ebollizione: mentre

nel caso dellebollizione si creano bolle meccanicamente stabili,

perch piene di vapore alla stessa pressione del liquido

circostante, nella cavitazione la pressione del liquido a scendereimprovvisamente, mentre temperatura e tensione di vapore

restano costanti. Per questo motivo la bolla prodotta dalla

cavitazione resiste finch non incontra la pala della girante, che

provoca un incremento istantaneo nella pressione del fluido e lacontemporanea rottura della bolla.



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Il fenomeno si traduce quindi in una erosione della pala, nota

come pitting, e si accompagna ad emissioni sonore rilevanti.



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Il calcolo dellNPSH

[m]



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Il calcolo dellNPSH esempio di calcolo



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00 Perdita in ingresso al filtro:

=0,5

Stot=2*(1*0,35)+2*(0,35*0,5)+1*0,5=1,55 m2

Spassaggio=Stot*[(*82/4)/16*16)]=1,55*0,196=0,304 m2

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/Spassaggio=0,07 m/s

p=1/2***V2=1,2 Pa


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00 Perdita in ingresso al filtro con filtro intasato al 95%

=0,5

: sezione libera di passaggio= 5%

Spassaggio=Stot* *[(*82/4)/16*16)]=1,55*0,05*0,196=0,015 m2

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/Spassaggio=1,5 m/s

p=1/2***V2=563 Pa

Manutenzione: pulizia periodica delfiltro in ingresso (se non automatizzato)



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01 Perdita in ingresso alla tubazione DN150

=0,5

d=0,165 m2 (DN150)

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/(*d2/4)=1,0 m/s

p=1/2***V2=250 Pa



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02 Perdita valvola di non ritorno Socla 696V DN150

=0,5 (dato del costruttore)

d=0,114 m2 (DN150)

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/(*d2/4)=2,2 m/s

p=1/2***V2=1.210 PaManutenzione: verifica dello stato diintegrit della valvola di non ritorno



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03 Curva 90 DN150

d=0,165 m2 (DN150)

R/d=1,4

=0,5

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/(*d2/4)=1,0 m/s

p=1/2***V2=250 Pa



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04 Riduzione di sezione DN150-DN80

d1=0,165 m2 (DN150)

d2=0,085 m2 (DN80)

=0,05

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/(*d22/4)=3,9 m/s

p=1/2***V2=383 Pa



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05 Riduzione di sezione DN80-DN65

d1=0,085 m2 (DN80)

d2=0,070 m2 (DN65)

=0,05

Q=80 m3/h

V=(Q/3.600)/(*d22/4)=5,8 m/s

p=1/2***V2=833 Pa



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06 Perdite distribuite

=0,02

L con DN150=2,00+0,29+0,29+0,05+1,00= 3,63 m

L con DN80=0,14 m

L con DN65=0,26 m

Si calcola il p per ogni tratto a DN costante in base alla relativa

velocit nel condotto:

p distribuito=220 Pa + 251 Pa + 1.249 Pa=1.720 Pa



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[m]

Hf=3.489 Pa + 1.720 Pa = 5.209 Pa = 0,05 bar = 0,5 mHv (T=30C)=0,4 m

Hs=0,5 m (margine di sicurezza)



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NPSH=3,5 m



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[m]

Hf=3.489 Pa + 1.720 Pa = 5.209 Pa = 0,05 bar = 0,5 m

Hv (T=30C)=0,4 m

Hs=0,5 m (margine di sicurezza)NPSH=3,5 m

H=5,3 m poich in realt la quota massima di aspirazione

di 3 metri circa, il fenomeno della cavitazione

dovrebbe essere evitato: attenzione a intasamento

filtro e blocco valvola di non ritorno!



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Perch non eliminare la valvola di non ritorno?

La valvola di non ritorno ineliminabile poich indispensabile

nella fase di adescamento della pompa centrifuga.

Essendo installata sopra battente, la pompa centrifuga necessita

di una alimentazione in fase di avviamento che sia in grado di

riempire di fluido il volume compreso tra la tubazione e la mandatadella pompa.

Non essendovi in loco possibilit di allaccio alla rete idrica, si optato per lutilizzo di una pompa autoadescante come pompa di

adescamento per la pompa principale.



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La pompa di adescamento

La pompa autoadescante ad anello liquido costituita da un corpo

cilindrico esterno e da una girante interna a pale radiali con asse

eccentrico rispetto al corpo cilindrico esterno.

Se il corpo si riempie parzialmente di liquido e la

girante ruota, il liquido viene in parte pompato

alla mandata ed in parte proiettato per effettodella forza centrifuga contro la parete interna del

corpo stesso creando un anello liquido che va a

riempire lo spazio delimitato tra le palette della

girante, provocando cos una compressione

dellaria presente, che viene espulsa allamandata. In questo modo, allaspirazione si

realizza una progressiva depressione, che in

alcuni casi pu raggiungere valori prossimi al

97% della pressione atmosferica.

Girante a pale radiali

Corpo

Vortice

liquido

Camera

di lavoro

AspirazioneMandata

Parete del corpo




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Una parte di liquido da pompare rimane sempre allinterno della

pompa in seguito al primo avviamento: per il primo avviamento,

invece, va riempita la pompa, per la quale il funzionamento a seccorappresenta una condizione di funzionamento anomala, anche se

esistono versioni in grado di funzionare anche in tali condizioni.




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La valvola di non ritorno posizionata allaspirazione della pompa

principale presenta, solitamente, problemi di tenuta dopo un certo

numero di ore di funzionamento.

Per questo motivo, occorre prevedere una procedura di

avviamento della pompa principale che tenga conto di taleproblematica e preveda lausilio della pompa di adescamento per

tutti gli avviamenti e, quindi, non solo limitatamente al primo

avviamento.




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3 bar

13,8 m3/h




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80


Modello: Liverani EP 50 M/TF




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Modello: Liverani EP 50 M/TF

Portata: 10 m3/h

Prevalenza: 1 bar

Ingombri: 435x250x194 mm

Peso: 26 kg circa

DN in: d50DN out: d50

Motore elettrico: 1,86 kW




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p p

Rispetto a quanto strettamente necessario, la pompa di

adescamento stata scelta in maniera tale da poter funzionare

anche come unit di back-up nel caso in cui la pompa principaledovesse essere ferma per opere di manutenzione ordinaria o

straordinaria.

La portata inferiore a quella minima (flussaggio), ma per lutilizzo

specifico si ritenuta accettabile per condizioni di emergenza.




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g ( )


La valvola VSO-1


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84

Dimensioni: DN65

Fluido: acqua di marePortata: circa 10 m3/h

Tipologia: valvola on-off automatizzata

Segnale in uscita: inizio/fine corsa


Valvola a farfalla Sylax DN65 41284N257


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y

Dimensioni: DN65

Corpo: ghisaLente: Acciaio inox AISI316

Manicotto: EPDM




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Servomotore: VALPES ER Plus 35.50A.G00

Coppia: 35 NmAlimentazione: 90V/240V AC 50/60Hz - 90V/350V DC

Consumi: 15 W

Tempo di manovra: 19 secondi (senza carico)

26 secondi (con carico)




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88




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VOLANTINO MANUALE

Agenda


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Introduzione





La regolazione di portata, come descritto, viene effettuata tramite

l i i d l di i i d ll i lli i di



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91

la variazione del numero di giri della pompa grazie allimpiego di

un inverter con regolazione PID.

Il bilanciamento di portata, invece, richiede necessariamente lapresenza di valvole di regolazione.




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Le valvole di regolazione VR-1 e VR-2



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Dimensione: DN80


Portata: 40 m3/h

Tipologia di valvola: valvola di regolazione automatizzata

Uscita: segnale 4-20mA relativo alla posizione dellotturatore

Il bilanciamento di portataLe valvole Omal DN80 - V377XE71


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Dimensioni: DN80

Corpo: ghisa

Lente: bronzo-alluminio

Manicotto: EPDM

Le valvole Omal DN80 EA0035C2C000



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Attuatore: elettrico modulante

Coppia: 35 Nm

Alimentazione: 24 Vdc

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Il bilanciamento di portataLe valvole Omal DN80 KEMRBCC2


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Tipologia: posizionatore modulante (accessorio)

Posizionatore modulante

Attuatore elettrico

Indicatore visivo

di posizione



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99

La Scheda per il Controllo Modulante contenuta nel Box

ausiliario: la sua funzione quella di consentire il monitoraggio

della posizione raggiunta dallattuatore, tramite la generazione diun segnale 4-20 mA, a loop passivo, proporzionale alla posizione

effettiva dellalbero.

Il movimento rotatorio a quarto di giro viene rilevato da un

potenziometro calettato direttamente sullalbero di uscita

dellattuatore e tradotto nello standard 4-20 mA tramite un sistema

elettronico di precisione. Sono disponibili due finecorsa ausiliariSPDT con contatti dorati e camme regolabili su tutta la corsa.



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100

Temperatura di impiego: da -25C a +80C

Alimentazione loop passivo: 12-32 Vdc

Segnale in uscita: 4-20 mA

Ripetibilit: 2%

Indicatore di posizione



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101

Action mode: possibile far corrispondere ad un incremento nel

segnale in ingresso una rotazione in senso orario (DIR) oppure

una in senso antiorario (REV, preset di fabbrica); in posizione SO(Signal Off) si scollega il segnale in ingresso.

Zero: tramite un potenziometro possibile far coincidere una

determinata posizione della valvola (ad esempio, tutta chiusa) con

il segnale 4 mA. Ruotando in senso orario il potenziometro si

aumenta la corsa utile, in caso contrario la corsa utile vieneridotta.



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102

Span: tramite un potenziometro possibile regolare la lunghezza

della corsa utile, cio far corrispondere al valore di 20 mA, ad

esempio, la posizione di valvola completamente aperta.

Sensitivity: tramite un selettore ad 8 posizione possibile

ottimizzare il grado di precisione ottenibile dallattuatore.



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103

Safety Mode: possibile fare si che in assenza di segnale, o con

valori inferiori a 3 mA, lattuatore compia una delle azioni seguenti:

- Rotazione in senso anti-orario sino a fine corsa;

- Stop (preset di fabbrica, nessuna rotazione);

- Rotazione in senso orario sino a fine corsa.



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104

Il bilanciamento di portataIl bilanciamento di portata si ottiene nella seguente maniera: se si

verifica una differenza di portata (ad esempio, portata sul ramo 1


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maggiore che sul ramo 2), prima apro gradualmente la valvola del

ramo 2; quando la valvola sul ramo 2 risulta completamente

aperta, allora chiudo gradualmente la valvola del ramo 1.

Fino a che grado chiudo?


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Introduzione

Agenda


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108

Introduzione






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La misura di portataInduzione magnetica

I b ll l di F d lli d i ti i


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110

In base alla legge di Faraday sullinduzione magnetica, in un

conduttore che si muove in un campo magnetico viene indotta una

tensione.

La misura di portataInduzione magnetica

Il fl ido che defl isce il cond ttore in mo imento La tensione


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Il fluido che defluisce il conduttore in movimento. La tensione

indotta proporzionale alla velocit di deflusso ed fornita ad un

amplificatore tramite due elettrodi di misura. La portatavolumetrica calcolata in base alla sezione del tubo.

Il campo magnetico in corrente continua generato da due bobine

alimentate in corrente continua, a polarit alternata.

La misura di portataForze di Coriolis

Il principio di misura basato sulla generazione controllata di


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112

Il principio di misura basato sulla generazione controllata di

forze di Coriolis. Queste forze sono sempre presenti quando siano

sovrapposti movimenti di traslazione e rotazione.

FC = 2 m (v )

FC = forza di Coriolis;m = massa in movimento;

= velocit angolare;

v = velocit radiale in un sistema rotante o oscillante.


Invece di una velocit angolare costante il sensore Promass


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113

Invece di una velocit angolare costante , il sensore Promass

utilizza l'oscillazione. Il sensore contiene due tubi di misura

paralleli in cui scorre il liquido. Tali tubi oscillano in controfase,comportandosi come un diapason.

Le forze di Coriolis prodotte nei tubi di misura provocano uno

sfasamento nelle oscillazioni dei tubi:

- quando si registra una portata pari a zero, ossia quando il liquido

fermo, i due tubi oscillano in fase (1);

- la portata massica causa decelerazione dell'oscillazione

all'ingresso dei tubi (2) e accelerazione all'uscita (3).



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114


La differenza di fase (A-B) aumenta con l'aumento della portata


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La differenza di fase (A-B) aumenta con l aumento della portata

massica. Sensori elettrodinamici registrano le oscillazioni del tubo

in entrata e in uscita.

L'equilibrio del sistema garantito dall'oscillazione in controfase

dei due tubi di misura. Il principio di misura opera

indipendentemente da temperatura, pressione, viscosit,conducibilit e profilo del fluido.


I tubi di misura sono continuamente eccitati alla loro frequenza di


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I tubi di misura sono continuamente eccitati alla loro frequenza di

risonanza. Quando si verifica una variazione della massa e,

conseguentemente, della densit del sistema oscillante(comprendente i tubi di misura e il liquido) si determina un

corrispondente aggiustamento automatico della frequenza di

oscillazione.

La frequenza di risonanza quindi funzione della densit del

prodotto.


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La misura di portataVortici di Von Karman

Questi misuratori di portata a precessione di vortici si basano sul


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118

Questi misuratori di portata a precessione di vortici si basano sul

principio teorizzato da Karman: quando un fluido scorre ed

incontra una barra generatrice, si formano in alternanza dei vortici,

che si distaccano da entrambi i lati con senso di rotazione

opposto.

Ogni vortice genera una bassa pressione locale. Le fluttuazioni dipressione sono rilevate dal sensore e convertite in impulsi

elettrici. I vortici sono generati con regolarit entro i limiti

applicativi del misuratore. Di conseguenza, la frequenza di

generazione dei vortici direttamente proporzionale alla portatavolumetrica.

La misura di portataVortici di Von Karman

Entro i limiti applicativi, il fattore K dipende solo dalla geometria


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119

Entro i limiti applicativi, il fattore K dipende solo dalla geometria

del misuratore. Non dipende dalla velocit di deflusso e dalle

caratteristiche di viscosit e densit del fluido.

Di conseguenza, il fattore K non dipende dal tipo di prodotto da

misurare, che sia vapore, gas o liquido. Il segnale di misura

primario gi digitale (segnale in frequenza) ed una funzionelineare della portata. Il fattore K viene determinato in fabbrica con

una calibrazione eseguita al termine del ciclo di produzione del

misuratore; tale fattore non soggetto a deriva a lungo termine o

del punto di zero. Il misuratore non comprende parti in movimentoe non richiede manutenzione.

La misura di portataConfronto strumentazione Endress+Hauser


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Fluido Induzione CoriolisVortici di

Karman

Liquido conduttore X X X

Liquido non conduttore X X

Gas X X

Vapore X


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La misura di portataContatore


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122

La misura di portataOrifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale


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123

Orifizio tarato o diaframma


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Le norme UNI EN ISO 5167-1 e 5167-2 definiscono come misurare


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125

la portata dei fluidi mediante dispositivi a pressione differenziale

inseriti in condotti a sezione circolare piena.

La portata in massa qm viene determinata tramite la equazione:

qm

= C**d2*(/4)*(2*p*)1/2/(1-4)1/2

C: coefficiente di efflusso (dipende dalla portata);

: fattore di espansione (per fluidi incomprimibili uguale a 1);

: fattore geometrico, pari al rapporto tra d e D.



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Faccia rivolta a monte del flusso

h


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127

0,005*D


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128

d>12,5mm

0,10


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=D =D/2

=25,4mm=25,4mm

Metodo 2: prese di pressione sulle flange


La norma applicabile se sono rispettati i seguenti precetti:


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130

ReD=4*qm/(**D)


Quanto vale il coefficiente di efflusso?


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131

ReD=4*qm/(**D)



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132


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Metodo iterativo (UNI EN ISO 5167-1)


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Con un trasduttore di pressione

rilevo il valore di p e poi, attraverso

un algoritmo di calcolo, determino

per approssimazioni successive il

valore reale di qm.


Precisione (UNI EN ISO 5167-1)


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Precisione: 0,5% della misura


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La misura di portataCome si procede?

1) Dimensionamento dellorifizio tarato;


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137

2) Nota la perdita di carico corrispondente alla massima portata,

individuo lo strumento di misura adatto allapplicazione

specifica.


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La misura di portataDimensionamento dellorifizio tarato

qv=40/3.600=0,011 m3/s

=1.025 kg/m3 (temperatura di 20C ed una salinit di 35 g/kg)


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g ( p g g)

=1 (fluido incomprimibile)

qv*= C**d2*(/4)*(2*p*)1/2/(1-4)1/2

Scelta di tentativo: d=54 mm =54/82,9=0,651

Per determinare C devo conoscere il numero di Reynolds calcolato

a monte del diaframma.


qv=40/3.600=0,011 m3/s

=1.025 kg/m3 (temperatura di 20C ed una salinit di 35 g/kg)


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140

g ( p g g)

D=82,9 mm

=1,077*10-3 Pa*s (temperatura di 20C ed una salinit di 35 g/kg)

ReD=4*qv*/(**D)=1,6*10^5



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141

C=0,6146


C=0,6146


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p = 8*(qv*)2*/(1-4)/(2*C2*d4) = 262 mbar

p max = 250 mbar circa


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Trasduttore di pressione differenziale

Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE



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Il Deltabar M PMD55 identifica uno

specifico prodotto della gammaDeltabar (trasduttori di pressione)

con membrana metallica come

elemento sensibile.


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La trasmissione del segnale 4-20mA avviene in contemporaneacon un segnale digitale in corrente alternata (che non altera la

lettura del segnale continuo 4-20 mA) sulla base dello standard

HART Protocol (Highway Addressable Remote Transducer) e che

pu essere ricevuto da un qualunque PC ed impiegato pereseguire operazioni di diagnostica e configurazione in parallelo

alla lettura dellout-put dello strumento.





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Il campo di misura



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Definizioni

Turn down (TD) o rangeability: il rapporto tra il fondoscala e il

minor valore normalizzato allunit per il quale sono validi i dati di



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minor valore, normalizzato all unit, per il quale sono validi i dati di

accuratezza e precisione.

Un valore elevato di TD pertanto indice di applicabilit delsensore in un ampio campo di misura. Ad esempio, un sensore di

portata con TD 20:1, con fondo scala di 100 m3/h e accuratezza

dell1% registra, con tale accuratezza, portate comprese tra 5 e 100

m3/h. Al di fuori di questo range le prestazioni possono esseremolto scadenti.

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Definizioni

Accuratezza: il massimo scostamento tra la misura fornita dal

sensore ed il valore reale della grandezza fisica misurata



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sensore ed il valore reale della grandezza fisica misurata.

In parziale contraddizione con il nome assegnatogli, si tratta

quindi di un parametro che implica una misura migliore quanto piesso basso. Si trova espresso come percentuale del campo di

misura (o del fondo scala, se l'altro estremo lo zero).

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Precisione di riferimento



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La misura di portataTrasduttore di pressione differenziale



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Installazione (misura con liquidi)


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Montare il Deltabar M al di sotto del

punto di misura, in modo che la

tubazione pressurizzata sia sempre piena

di liquido e le bolle di gas possano

ritornare nella tubazione di processo.


Funzionamento

Per la visualizzazione e il controllo disponibile un display a cristalli liquidi (LCD) con 4


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righe. Il display on-site visualizza valori di misura, finestre di dialogo, messaggi di guastoe messaggi di avviso. Per una maggiore comodit di utilizzo, possibile rimuovere il

display dalla custodia (vedere figura, punti 1-3). Il display connesso al dispositivo

tramite un cavo da 90 mm e pu essere ruotato a passi di 90 (vedere figura, punti 4-6), in

base all'orientamento del dispositivo. Questa possibilit semplifica il controllo dello

strumento e facilita la lettura dei valori misurati.


FunzionamentoVisualizzazione del valore misurato a 8 cifre, inclusi

segno e virgola decimale.

Grafico a barre quale visualizzazione grafica del


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valore di pressione corrente misurato in relazione alcampo di pressione impostato nel blocco

trasduttore di pressione. Il campo di pressione

viene impostato per mezzo del parametro

SCALE_IN (tramite il programma di configurazione

FF, non tramite il display on-site).

Tre tasti di funzionamento.Menu guidato semplice ed esauriente grazie alla

distinzione dei parametri in diversi livelli e gruppi.

Per facilitare la navigazione, a ogni parametro

assegnato un numero d'identificazione a 3 cifre.

Possibilit di configurare il display secondo

requisiti specifici e preferenze personali, ad es.

lingua, visualizzazione alternata, visualizzazione di

valori misurati aggiuntivi, come la temperatura del

sensore, definizione del contrasto.

Funzioni diagnostiche complete (messaggi di

guasto e di avviso, ecc...).


Regolazione della posizione di zero


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La misura di portataTrasduttore di pressione

differenziale

Misura di portata operazioni

preliminari


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Misura di portata - impostazioni


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Loperazione associa alla portata (nel nostro caso volumetrica) massima rilevabile la perdita di

carico associata (da calcolarsi secondo le UNI EN ISO 5167-2). In sostanza, stiamo fornendo allo

strumento il valore del parametro C (coefficiente di efflusso come definito dalla UNI EN ISO 5167-1).


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Strumentazione e sistema di controlloTrasduttore di pressione

Cerabar T PMC131 A15F1A3E


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Tensione di alimentazione: 11-30 Vcc

Segnale in uscita: 4 20 mA


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177

Segnale in uscita: 4-20 mA


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Strumentazione e sistema di controlloFiltro F2

Portata di design: 80 m3/h


Grado di fil trazione: superiore ad 1 mm

Funzionalit: autopulente senza interruzione di servizio


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Funzionalit: autopulente, senza interruzione di servizio

Strumentazione e sistema di controlloFiltro Poly Spin Klin Arkal 3x3

Portata ottimale: 110 m3/h

Portata media: 80 m3/h

Portata minima: 45 m3/h

Grado di fil trazione: 40 mesh


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Grado di fil trazione: 40 meshMassima pressione ammissibile: 10 bar

Minima pressione per controlavaggio: 2,8 bar

Funzionamento ordinario Controlavaggio


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Command pressure is applied to the top side of the diaphragm

through port D. The diaphragm moves down, pushing the sealed

body by the shaft. Port A is closed by the seal, preventing flow to

the filter. Port C is now open allowing flushing water to flow fromt B (filt ti ) t th d i


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185

p g gport B (filter connection) to the drain.



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186


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Azionamento controlavaggio:Logica temporale+pressione differenziale


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Per la completa automazione del sistema occorrono:

- Trasduttore di pressione differenziale tra ingresso e uscita del

filtro (pulizia);


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189

- Trasduttore di pressione allingresso del filtro (protezione dasovrappressione).

Strumentazione e sistema di controllo


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Cerabar T PMC131 A15F1A1S


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191


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Strumentazione e sistema di controlloNel controllore logico programmabile (PLC, Programmable Logic Controller) lo

schema di controllo definito tramite un programma memorizzato. Il PLC un

elaboratore di tipo industriale concepito per risolvere problemi di controllo edautomazione. Le principali caratteristiche sono affidabilit, espandibilit,

semplicit di programmazione e semplicit di integrazione con dispositivi

commerciali differenti.


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Sezione

INPUTCPU

Alimentazione

Memoria

Dal

processo

Sezione

OUTPUT

Al

processo


Il PLC esegue le istruzioni racchiuse nel programma in maniera

ciclica.

LETTURA DEGLI

INGRESSI

Allinizio del ciclo di esecuzione del programma il

sistema operativo legge gli ingressi.

CARICAMENTO Il sistema operativo carica i dati in ingresso in una


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INGRESSI IN

MEMORIA

Il sistema operativo carica i dati in ingresso in una

specifica sezione della memoria, creando una

immagine del processo in quel dato istante.

Si ha una acquisizione sincrona degli ingressi,poich il PLC pu modificare lo stato logico delle

uscite solo al termine di ogni ciclo di lettura ed

esecuzione dellintero programma (questo tempoviene definito ciclo operativo).

Strumentazione e sistema di controlloLETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA


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Vengono calcolati i valori delle uscite in base aquanto stabilito dal programma.ELABORAZIONE

DEL PROGRAMMA

I valori delle uscite sono caricati in unapposita

sezione della memoria.

CARICAMENTO

USCITE IN

MEMORIA


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LETTURA DEGLI

INGRESSI

CARICAMENTO

INGRESSI IN

MEMORIA

ELABORAZIONE DEL

Perch limmagine in memoria?

Se gli ingressi non venissero campionati ad inizio

ciclo ma letti al momento dellutilizzo (rete

asincrona), la correttezza del controllo potrebbe

dipendere dallordine con cui vengono eseguite leistruzioni del programma.


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ELABORAZIONE DEL

PROGRAMMA

CARICAMENTO

USCITE IN MEMORIA

ATTUAZIONE DELLEUSCITE

p g

Difatti, in tempi diversi dallavviamento del ciclo di

istruzioni, uno stesso ingresso potrebbe assumerevalori differenti. Questo fatto renderebbe piuttosto

complicata lattivit di programmazione, rendendo

altres molto difficile modificare correttamente ilprogramma.



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Strumentazione e sistema di controlloIl controllo sulle portate

Dato in ingresso:

- Q1: Portata su ramo 1 (da misuratore PT4)

- Q2: Portata su ramo 2 (da misuratore PT5)


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200

Dato calcolato:

- Qtot: Portata totale (calcolata) = Q1+Q2

Set-point:

- Qmax=80 m3/h- Qmin=20 m3/h- Q (differenziale tra le portate sui due rami)


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Retroazione:

Se Qtot diverso da Qmax o Qmin interviene linverter, andando a

variare il numero di giri della pompa coerentemente con quantorilevato (se la portata calcolata inferiore a quella desiderata


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202

aumento il numero di giri, e viceversa).


Retroazione:

Se la differenza tra Q1 e Q2 supera una certa soglia Q (definita

dallutente) intervengo secondo la seguente logica dibilanciamento:


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203

- Q1


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Strumentazione e sistema di controlloIl filtro autopulente F2

Verifica:

- PT3>PT3max

- PT2>PT2max- t>tmax


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205

Retroazione:

Se PT3>PT3max oppure t>tmax allora viene azionata la procedura di

lavaggio del filtro F2.

Se PT2>PT2max, allora si agisce sullinverter diminuendo il numero

di giri e portando la pressione al di sotto della pressione massima.

Strumentazione e sistema di controlloLa pompa principale P1

Dato in ingresso:

- PT1: Pressione ingresso pompa;

- PT2: Pressione mandata pompa.

S t i t


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Set-point:

- PT1min: 650 mbar (Qmax) e 400 mbar (Qmin);- PT2min: p (da rilevare sullimpianto).

Strumentazione e sistema di controlloLa pompa principale P1

Verifica:

- PT1


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207

Retroazione:

Se PT1


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Documents

Regolazione Portata e Bilanciamento