La Misura del Vapore

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La Misura del Vapore
Scegliere il misuratore di portata corretto per
ottenere il risparmio energetico desiderato
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d e l
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Indice
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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
Specificare la precisione
3.4
Spazio disponibile per l’installazione
4.0
Diversi principi di misura
4.1
Coriolis
4.2
Orifizio calibrato o flangia 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
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1.0 Sommario
Con l’aumento dei prezzi del combustibile e le sempre più
La precisione del misuratore è un altro importante fattore
rigide legislazioni per il controllo delle emissioni di CO2,
nel processo di selezione dell’apparecchio, ma il turndown,
l’individuazione di nuovi metodi di riduzione del consumo
ovvero il rapporto tra portata massima e portata minima è
energetico sta assumendo un ruolo centrale per molte
spesso ancora più importante.
aziende.
È quindi sensato scegliere il misuratore di portata con il più
ampio turndown possibile, riducendo al minimo la possibilità
I programmi di risparmio energetico più avanzati incoraggiano
di ritrovarsi con uno strumento che non è in grado di coprire
una migliore gestione dei consumi. Nello sforzo di rendere i
la portata effettiva.
singoli dipartimenti o centri di costo responsabili dell’energia
impiegata, la spinta al risparmio è fornita dalla presa di
Molto spesso, la maggiore efficienza energetica ottenuta
coscienza dell’utente.
in seguito all’installazione di un misuratore di portata del
vapore può aiutare a recuperare il costo dell’installazione
Alcune società stanno sperimentando che tali progetti di
in meno di due anni. È tuttavia fondamentale scegliere il
monitoraggio e di identificazione degli obiettivi possono
misuratore di portata adeguato a tale compito.
generare risparmi fino al 5%.
Nell’ambito dei recuperi energetici ove venga prodotta
Per addebitare agli utenti l’energia che consumano occorre
energia termica da sorgenti solitamente inutilizzate (fumi
in primo luogo misurare il loro consumo effettivo. Più precisa
esausti, blowdown, rievaporazione, processi esotermici),
è la misura, migliore è il controllo sul consumo. Oltre ai costi
le normative europee collegate alle quote di rimborso,
energetici più ovvi, come il gas e l'elettricità, il vapore è un
prevedono che per le misure dei gas e dell’acqua siano
servizio nel quale è possibile realizzare notevoli risparmi
adottate certificazioni fiscali (MID), lasciando perciò la misura
eliminando gli sprechi.
del vapore legata unicamente ad un criterio di massima
A tale scopo è essenziale scegliere un misuratore di portata
Spirax Sarco, leader mondiale nella gestione del vapore, ha
in grado di tenere conto di tutte le esigenze per una corretta
enfatizzato nella progettazione dei suoi misuratori. precisione ed affidabilità. Criterio che una società come
misura di un fluido come il vapore che spesso alimenta
una richiesta variabile e trasporta umidità con conseguente
danneggiamento di misuratori di tipo inadeguato.
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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 agevolazioni
Migliorare
identificate per proseguire verso questo obbiettivo sono
rallentare l’aumento delle bollette del combustibile rispetto
diversi nelle varie nazioni e collegate alla sensibilità ed alle
all’aumento del suo prezzo all’origine. Un fatto chiaramente
condizioni finanziarie delle stesse.
importante nel contesto dell’attuale rapido aumento dei
La Gran Bretagna è il primo paese al mondo a imporre limiti
prezzi del combustibile. Per esempio in Inghilterra tra
di emissioni di CO2 vincolanti, che taglieranno del 34%
il secondo trimestre del 2010 e il secondo trimestre del
entro il 2020 ed almeno dell’80% entro il 2050. Alcune di
2011, i prezzi medi per l’industria in termini correnti, inclusa
queste riduzioni saranno realizzate sviluppando tecnologie
l’imposta sul cambiamento climatico (CCL) sono aumentati
l’efficienza
energetica
consente
inoltre
di
per la produzione di energia, a basse emissioni di carbonio
del 2,7% per l’elettricità, del 34,1% per il gas e del 11,9%
ma il miglioramento dell’efficienza energetica rivestirà un
per il carbone.
ruolo fondamentale, secondo il Department of Energy
and Climate Change (DECC) (dipartimento britannico per
l’energia e il cambiamento climatico).
Questi criteri, che possono variare da nazione a nazione,
rendono evidente che migliorare l’efficienza dei propri
sistemi di produzione del vapore deve diventare una priorità
Di fatto ogni paese dovrà ridurre il proprio consumo
assoluta.
energetico e le emissioni di CO2, con incentivi previsti dalle
normative locali e dal fisco. Ad esempio, la strategia di
Non si può controllare ciò che non si può misurare
riduzione delle emissioni di CO2 del National Health Service
Un’accurata misura è il prerequisito fondamentale in
(NHS) inglese richiede un taglio del 10% entro il 2015. Ciò
qualsiasi programma di controllo e gestione dell’energia.
implicherà non solo un contenimento dell’attuale livello di
Di fatto ciò pone gli strumenti di misura al centro di qualsiasi
crescita delle emissioni, ma un’inversione di tendenza con
sforzo atto ad identificare il consumo energetico. Secondo
conseguente riduzione definitiva.
il Carbon Trust, gli strumenti di monitoraggio automatico
(M&T) aiutano le industrie a ridurre i costi energetici del 5%
In altre parole, l’atteggiamento dei governi in merito ai
cambiamenti climatici ed il conseguente evolversi normativo
ricadrà sulle aziende e su altre organizzazioni attraverso le
bollette dell’energia.
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circa.
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Questi programmi mettono in relazione i consumi energetici
Oltre ad individuare gli sprechi, un efficente sistema
con altri fattori, tra cui le condizioni atmosferiche e i dati della
di monitoraggio può fornire una misura attendibile del
produzione, per aiutare le industrie a capire come l’energia
successo di eventuali iniziative di risparmio energetico,
viene utilizzata nei processi e per il comfort. In particolare
che altrimenti potrebbero essere difficilmente scindibili dal
serviranno ad identificare qualsiasi spreco evitabile o altre
complesso di fattori esterni come le condizioni atmosferiche
opportunità atte a ridurre i consumi.
o le variazioni dei livelli di produzione.
La raccolta dati può essere manuale, automatizzata o una
I dati raccolti consentiranno di evidenziare aree promettenti
combinazione di entrambe. Il suo svolgimento non deve
da sottoporre ad ulteriore indagine, permettendo di
essere impegnativo in termini di tempo né tanto meno
focalizzare l’attenzione su quelle più proficue.
complesso. Idealmente i dati si accumuleranno in modo
Il feedback fornito può essere utilizzato per incrementare la
regolare e forniranno informazioni atte a supportare tutte le
consapevolezza del personale ed incoraggiare la diffusione
attività di gestione energetica.
delle metodiche migliori.
Misuratori di portata
Perchè è importante l'impiego di un misuratore di
portata? Verso la fine del secolo scorso il fisico
inglese Kelvin affermò:
"non si può gestire quello che non è possibile
misurare".
Questa osservazione è valida oggi come nel secolo
scorso. Per il corretto controllo dei costi di esercizio
degli impianti di processo e per la gestione ottimale
del riscaldamento di grandi complessi abitativi, è
essenziale sapere quanto combustibile e quanta
energia viene utilizzata.
Quando questa logica viene applicata al vapore,
i misuratori di portata Spirax Sarco forniscono
informazioni vitali all'uso e i costi associati all'impianto
che ne migliorano l'efficenza in quattro settori di
particolare importanza:
Efficenza energetica
• Rilevamento dei risparmi energetici
• Confronto dell'efficenza energetica dei vari settori
dell'impianto
Controllo del processo
• Conferma costante dell'utilizzo della giusta
quantità di vapore alle volute condizioni di
pressione e temperatura
Monitoraggio continuo dei costi di linea
• Valutazione del costo del vapore come vettore
energetico
• Corretta determinazione dei costi delle singole
linee di prodotto
• Verifica dell'isolamento delle utenze inutilizzate
• Stabilire un corretto legame tra il costo del vapore
inteso come fonte energetica e rendimento totale
dell'impianto
• Verifica della corretta alimentazione della linea di
processo
• Monitoraggio delle prestazioni della singola
utenza
• Identificazione
manutenzione
• Corretto addebito del consumo di vapore
Efficenza d’impianto
di
eventuali
necessità
di
• Identificazione delle utenze con il maggior
consumo di vapore
• Evidenziazione delle fasce orarie di maggior
consumo
• Indicazione della validità gestionale del processo
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3.0 Garantire una misura precisa della portata vapore
La misura attendibile e accurata della portata del vapore
Repentine variazioni di carico, condizioni variabili del
presenta numerose differenze tecniche rispetto alla misura
processo, fermate non previste possono far variare pressione
di portate di altri fluidi e per essere attendibile deve tenere
e temperatura del vapore. La mancata compensazione
conto delle proprietà fisiche del vapore.
comporta errori sostanziali nel calcolo della portata.
Errore cumulativo, kg
Portata, kg/h
Pressione
effettiva
del sistema
Pressione bar
Portata
Errore cumulativo
Ore trascorse
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 fine della
giornata, si possono accumulare gravi errori. Questa situazione è tipica di molti sistemi di monitoraggio.
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3.1 Considerazioni sulla temperatura, sull’erosione e
sulla velocità
3.2 L’importanza del turndown
Anche altre caratteristiche del vapore devono essere
accurate indipendentemente dalle condizioni di processo o
considerate. Le temperature elevate ad esempio, associate
alla misura della portata possono influire sull’accuratezza e
sulla longevità degli organi di misura. L’erosione causata dal
vapore umido danneggia nel tempo per esempio gli orifizi
calibrati con conseguente perdita di precisione o misure non
affidabili.
Per esseri sicuri che le informazioni relative alla portata siano
dalla richiesta è essenziale che un misuratore di portata sia
in grado di garantire le sue prestazione per l’intero campo
di funzionamento, dal basso carico fino al massimo della
domanda del processo. Poiché la richiesta reale è spesso
sconosciuta o può variare ampiamente, un misuratore di
portata deve avere un campo di misura più ampio possibile
La tubazione del vapore è spesso sovraddimensionata
rispetto ad altri fluidi per mantenere bassa la velocità e limitare
l’erosione. Tale condizione può ridurre le performance di
molti misuratori che raggiungono la massima accuratezza
a velocità elevate.
basato su condizioni di portata pratiche. Dovrà essere fatta,
inoltre, particolare attenzione affinchè il campo di misura
richiesto sia basato su velocità realistiche del flusso.
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 non
perdere le portate ad inizio o fondo scala. Ovviamente il
turndown deve essere accompagnato dal rispetto della
precisione.
Portata effettiva
Errore cumulativo
Portata, kg/h
Errore cumulativo, kg
Ore trascorse
Portata al di sotto del valore minimo di 250 kg/h (ossia 1.000 kg/h ÷ 4)
Il grafico mostra una curva tipica di un sistema di distribuzione vapore con carico elevato iniziale e domanda variabile nel corso
della giornata. Un misuratore, con un turndown 4:1 e dimensionato sul carico di punta di 1000 kg/h, avrà per portate inferiori
a 250 kg/h errori elevati o misure inattendibili.
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3.3 Specificare la precisione
Misurando il 10% della portata (100kg/h) l’errore effettivo
Anche la modalità di definizione della precisione dei
può ancora essere +/-10kg/h, pertanto la portata effettiva
misuratori di portata può influenzarne la performance in
può essere compresa tra 90 e 110kg/h con un conseguente
particolari installazioni.
errore del 10%!
Esistono due modi per specificare la precisione di un
% di errore del valore letto
misuratore: % di errore a fondo scala (FSD) e % di errore del
Portata totale = 1000kg/h, precisione +/-1% di lettura.
valore letto. I due metodi sono molto differenti ed è importante
Misurando la portata totale (1000kg/h) l’errore effettivo può
capire il motivo per cui alcuni produttori preferiscono usare
essere +/- 10kg/h, pertanto la portata effettiva può essere
la % di errore sul FDS per far sembrare la precisione dello
compresa tra 990 e 1010kg/h = un errore dell’1%.
strumento da loro proposto migliore.
Misurando il 10% della portata (100kg/h) l’errore effettivo
% di FSD
compresa tra 99 e 101 kg/h = un errore del 1%!
può essere +/-1kg/h, pertanto la portata effettiva può essere
Portata totale = 1000kg/h, precisione +/-1% di FSD.
Misurando la portata totale (1000kg/h) l’errore effettivo può
essere +/- 10kg/h, pertanto la portata effettiva può essere
compresa tra 990 e 1010kg/h = un errore dell’1%.
È chiaro che a portate ridotte una precisione definita come
% di lettura sarà migliore rispetto ad una definita come %
di FSD.
Dove installare il misuratore di portata? Il punto ideale per misurare le portate non sempre corrisponde a quello che consente
misurazioni più precise perché valvole, accessori di linea o brusche variazioni di sezione nella tubazione possono dar a luogo
a variazioni di carico eccessive od eccessivamente ampie.
Per garantire prestazioni e misure accurate, il profilo di flusso del vapore deve essere più stabile ovvero meno “perturbato” possibile
in ingresso al misuratore e all’uscita dallo stesso: a tale scopo occorre installare il misuratore su un tratto di tubazione libera (priva di
valvole, gomiti, riduzioni…) e rettilinea, la cui lunghezza minima sia pari a 6 diametri di tubazione a monte e 3 a valle.
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3.4 Spazio disponibile per l’installazione
Oltre alle proprietà fisiche del vapore, è necessario considerare
altri importanti fattori relativi all’installazione.
Lunghezze d’installazione minori …
6D
Il sistema di misura ad area variabile richiede solo sei diametri di tubazione libera
rettilinea a monte e tre a valle: è la scelta ideale per installazioni in spazi ristretti.
3D
è
Flusso di
vapore
D = Diametro nominale della tubazione
8D
Tubo di
Pitot multiplo
Vortex
4D
è
Flusso di vapore
15D
5D
è
Flusso di vapore
20D
Flangia tarata
7D
è
Flusso di vapore
Modificando il profilo di flusso la portata è più stabile …
A differenza di altri misuratori di portata che richiedono
il vapore che viaggia alla massima velocità a metà profilo
tubazioni rettilinee più o meno lunghe il cono dell'aria
con quello che, invece, è a bassa velocità in prossimità delle
variabile riesce a stabilizzare il flusso semplicemente
pareti della tubazione. Questo mix consente al misuratore ad
appiattendone il profilo di velocità a monte, immediatamente
area variabile di essere montato su brevi tratti di tubazione
prima del punto di misura. Il flusso diventa, infatti, più stabile
rettilinea, rendendolo il misuratore di portata ideale per
grazie al design del cono mobile che permette di mixare
spazi d’installazione limitati.
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4.0 Diversi principi di misura
Le proprietà del vapore fanno sì che alcuni misuratori
4.4 Turbina
comunemente usati per altri fluidi non siano i più appropriati
I misuratori a turbina dispongono di un rotore multipala
per la misura del vapore. Spesso si tratta di scegliere tra le
tecnologie disponibili quella corretta, mettendo a confronto i
pro e i contro per effettuare la scelta migliore.
4.1 Coriolis
installato ad angolo retto rispetto al flusso e sospeso nel
flusso del fluido su un supporto scorrevole. La velocità di
rotazione è proporzionale alla portata volumetrica.
Nelle grandi tubazioni, le turbine possono essere installate
su bypass. Questi misuratori offrono un turndown tipico
I misuratori Coriolis determinano direttamente la massa. Uno
di 10:1 e una precisione del ± 0,5%. Poco usati a livello
o più tubi vibranti piegati, diritti o a U sono posizionati nel
industriale e solitamente non su vapore saturo.
flusso del fluido. Quando il fluido passa attraverso i tubi crea
una vibrazione ad alta frequenza. L’entità dell’oscillazione è
4.5 Area variabile
direttamente proporzionale alla portata ed alla massa.
Un misuratore ad area variabile, spesso denominato anche
Il principale vantaggio del sistema di misura Coriolis consiste
nel fornire direttamente la misura della massa, senza dover
ricorrere ad accessori per misurare la temperatura o la
pressione. Questa misura, studiata per il settore chimico/
petrolchimico non è comunemente impiegata per la misura
del vapore. Svantaggi: costo elevato, alta perdita di carico,
rotametro, è costituito da un tubo verticale con un piccolo
foro rastremato all’estremità inferiore e un galleggiante
che si muove liberamente nel fluido. Quando il fluido risale
attraverso il tubo, la posizione del galleggiante dipende dalla
spinta verso l’alto del fluido e dalla massa del galleggiante,
che indicano la portata. Poco usati a livello industriale.
non adatto al fluido vapore.
4.5.1 Area variabile nella versione a molla precaricata
(SILVA)
4.2 Orifizio calibrato o flangia tarata
Questi strumenti utilizzano una molla come forza di
Misurano il calo di pressione del fluido quando passa
bilanciamento rendendoli pertanto insensibili alla gravità,
attraverso un foro calibrato circolare praticato in una piastra
essendo cosi in grado di essere utilizzati in qualsiasi
che abbraccia l’ampiezza del tubo. La pressione differenziale
orientamento, anche capovolti.
a monte e a valle del foro, è utilizzata per calcolare la portata.
Il corretto dimensionamento e la corretta installazione della
L’area di flusso tra il cono ed il tubo è progettata per
piastra forata sono assolutamente essenziali, ma un sistema
aumentare quando la molla si sposta di modo che la
adeguatamente progettato può raggiungere un turndown
pressione differenziale nel misuratore sia direttamente
massimo compreso tra 4:1 e 5:1. E’ il sistema più impiegato
proporzionale al flusso. Fondamentalmente ciò significa che
per le misure di portata. Vantaggi: basso costo, riferibilità
lo spostamento della molla o della pressione differenziale
ad elemento primario standard. Svantaggi: basso turndown,
nel misuratore è lineare in rapporto al flusso.
deterioramento nel tempo.
Sfruttando questo principio, i misuratori SILVA offrono un
4.3 Tubo di Pitot
turndown che può arrivare fino a 100:1 con una precisione
Principio simile all’orifizio calibrato ma adatto a tubazioni di
pari a ±1%.
grande diametro. E’ determinante una buona installazione
per evitare errori causati da filetti fluidi.
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4.5.2 Area variabile target (TVA)
adatti alle misure su vapore necessitano solitamente che
Il principio di funzionamento dei flussometri TVA è simile a
quello dei flussometri SILVA. Tuttavia, invece di misurare la
pressione differenziale, essi misurano la forza generata su di
un cono mobile utilizzando celle di carico di alta qualità. Più
elevato è il flusso di vapore, maggiore è la forza applicata
alla cella di carico.
trasmettitori e ricevitori siano direttamente affacciati al
fluido ciò comporta l’installazione di tronchetti con lo stesso
diametro della tubazione, con integrati i sensori. Vantaggi:
elevata precisione, elevato turndown, bassa perdita di
carico. Svantaggi: costi elevati e difficile calibrazione. 4.7 Vortex
I flussometri TVA hanno generalmente una precisione del
±2% su un turndown di 50:1.
Il misuratore si basa sul principio di investire un corpo, con
una sagoma appositamente studiata, da un fluido creando
di conseguenza dei vortici a valle di questo ostacolo.
4.6 Ultrasuoni
Opportunamente misurati in termine di frequenza questi
I sistemi di misura ad ultrasuoni si basano sul principio
vortici sono direttamente proporzionali alla velocità e di
che il tempo necessario agli ultrasuoni per andare da un
trasmettitore ad un ricevitore varia in funzione di un fluido
che ne modifica il percorso. I sistemi di misura ad ultrasuoni
conseguenza alla portata del fluido stesso. Vantaggi: di facile
installazione e di costo contenuto. Svantaggi: influenzati da
vibrazioni richiedono una certa velocità del fluido.
Tabella: Misuratori utilizzati per la portata di vapore a confronto
Tipo di misuratore Vapore
Vapore
di portata
surriscaldato? saturo?
Vapore
umido?
Rapporto
turndown*
Precisione*
Costo
Orifizio 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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IT.301 Edizione 1 IT - 2012.05
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