Products Solutions Services La misura della portata...
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1Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Products Solutions Services
La misura della portata volumetrica DeltaPi
Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Bologna
Dipartimento di Ingegneria Industriale
Slide 1 Antonio Festa
6 giugno 2017
Agenda
• Introduzione
• Orifice - Principio di misura
• I prodotti “DO”
• Tubo di Pitot - Principio di misura
• I prodotti “DP”
• Nozzle, Venturi, V-Cone, Wedge, Accessori
• Modlaità d’installazione
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2Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Che cosa è il dp-Flow
Il dp-Flow descrive la misura di una pressione differenziale (dp),
a monte e a valle di una restrizione.
Il dp è creato da un fluido che passa attraverso questa specifica
restrizione.
Con la misura del dp si calcola la portata.
dp
dpQ
Slide 3 Antonio Festa
6 giugno 2017
I principali vantaggi del dp-Flow
1. Norme costruttive e di calcolo, in particolare ISO5167
2. Universale per tutti i fluidi: gas, liquidi e vapore
3. Puramente meccanico, nessuna parte in movimento
4. Facilmente separato, per interventi di manutenzione/sostituzione del
trasmettitore…non è necessario interrompere il processo
5. Applicazioni per alta pressione (420 bar) e alta temperatura ( 1000 °C)
6. Trasmettitore di pressione differenziale disponibile sul mercato
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3Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Dp-Flow … 268 anni di esperienza
1732 Henry Pitot presents his paper on Pitot tube
1738 Daniel Bernoulli develops the hydraulic equation for flow rate calculations
1797 Giovanni Battista Venturi publishes his work on a flow meter
1887 Clemens Herschel develops the first commercial flow meter based on Venturi’s work
1912 Thomas Weymouth of United Natural Gas co. carries out test works using orificemeters on Nat Gas using flange taps
1913 Hickstein presents early data on orifice flow meters using taps at 2½xD and 8xD.This leads to D and D/2 taps and vena contract taps
1916 E.G. Bailey presents his paper on steam measurement using Orifice meters
1930 Joint AGA/ASME/NBS test program obtains enough data to develop a coefficientprediction equation.
1932 German DIN issues first Standard 1952 on Orifice meters.
1935 Buckingham fitting equations for various tapping arrangements are produced
1967 ISO standard R541 for orifices and nozzles issued after work in U.S is combined withEuropean practices. A year later the ISO R781 is issued for the Venturi tubes
1980 J. Stolz proposes universal orifice equation combining R541 and theR781 ISOstandard 5167
1986 extensive test programs have produced vast amounts of data for use in developingnew orifice discharge prediction equations to be used in custody transfer of Natural Gas
2003 latest revision of ISO 5167Stolz equation replaced by Reader-Harris/Gallagher equation
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6 giugno 2017
Gli elementi primari
Elementi sensibili alla pressione statica
• Strumenti standardizzati (calibrazione non richiesta)
• Orifice
• Nozzle
• Venturi tube
• V-Cone
• Produttore specifico (semplice calibrazione)
• Wedge meterWedge meter V-Cone
Prandtl-Tube
Pitot tube
Elementi sensibili alla pressione dinamica
• Produttore specifico (semplice calibrazione)
• Averaging
• Prandtl Tube
• Accelabar
Accelabar
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4Marketing Technical Competence Anno 2016
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Deltatop dp-flow è un prodotto su misura
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Applicazioni tipiche
Chemical industry• Gas di processo
• Aria compressa
• Vapore
• Acqua di raffreddamento
• turbine meter (aspirazione)
Petrochemical (O&G_Refining)• flare gas (gas di torcia)
• crude oil (olio grezzo)
• Gas naturale
Energy• Acqua di raffreddamento
• Misurazione delle emissioni
• Aria di combustione
• Misura dell’energia
• Misure di Vapore
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5Marketing Technical Competence Anno 2016
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Gas
Campo applicativo
ProlinePromag(Magn. Induttivo)
ProlinePromass(Coriolis)
ProlineProwirl(Vortex)
ProlineProsonic Flow(Ultrasonic)
Deltatop(diff. Pressure)
Prolinet-mass(thermal)
Liquidiconduttivi
Liquidi NONconduttivi Vapore
solo Prosonic B200 *
solo Promass F *
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Campo applicativo
Pressione [bar] 0 40
Deltabar
160
Temperatura[°C]
1000
250
Promass
Prowirl
Tmass
Prosonic FlowPromag
420400
-50
200
350
400
-200
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6Marketing Technical Competence Anno 2016
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dp-Flow > TEORIA
• Il principio
• Principio di Bernulli e sua equazione
• Principio degli elementi primari del tipo a restrizione
• Equazione della Portata
• Semplificazione dell’equazione della portata
• Relazione tra Portata e Pressione dp
• Esempi di calcolo veloce
• Standard ISO 5167
• dp-Flow e il mercato
• dp-Flow dove, perchè
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Principio di Bernulli
Teorema di Bernulli sul profilo alare
I dispositivi a strozzamento si basano sulla legge di Bernoulli, che descrive ilfenomeno per cui in un fluido, ad un incremento della velocità, corrisponde
una diminuzione della pressione.
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7Marketing Technical Competence Anno 2016
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Principio di Bernulli
Consideriamo un fluido che si muove di moto stazionario lungo un tubo didiversa sezione,
sviluppando il principio di conservazione dell’energia, abbiamo:
l’equazione di Bernoulli ci dice che la somma di queste 3 quantità è semprecostante in qualunque punto del fluido, ossia i termini dell’equazionepossono variare se misurati in diversi punti, ma la loro somma è semprecostante.
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6 giugno 2017
Equazione di Bernulli
p rappresenta la pressione in un punto generico del tuboρ è la densità del fluido (considerata costante)v rappresenta la velocità del fluido nel punto consideratog è l'accelerazione di gravitàh l’altezza nel punto considerato
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8Marketing Technical Competence Anno 2016
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Principio degli elementi primari del tipo a restrizione
v1 v2 v1
dp pressure
dw
Pstat2
Pstat1
dP
Pdyn1
P tot
Pdyn2
Ptotal2= Pstat2
+Pdyn2+dwPtotal1
= Pstat1+Pdyn1
dp = Pstat1- Pstat2
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6 giugno 2017
Equazione della Portata
3.06
5.3
0.87.06
82
Re
10··
Re
·19000·0063.00188.0
Re
·10·000521.0·216.0·0261.05961.0
xxxxxxxxx
mQ
0254,08,2)75,0(011,0·
1
·2·8.0
1
·2·031.0 2
3.1
1.1
22 DX
LL
nomr
X
nomr
rnomrp
D
p
pp
max_
4
2/1
_
max__84 214
193,0256,0351,01
1
4
40.8
·7·10
1·
Re
·19000·11.01··123.0·08.0043.0 11
xxx
LL ee
nomm pd
CQ
2
1
1
4 4
2
nomm pKQ 2
pQ
Coefficiente di scarico C
Fattore di espansione
(o di comprimibilità)
Fattore K
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9Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Semplificazione dell’equazione della Portata
Flow computer RMS 621(Vapore & Acqua)
Energy manager RMC 621(Gas, Liquidi, Vapore)
mQ
r=Qv
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6 giugno 2017
Standard - ISO 5167
• ISO 5167-1:2003 Principi generali e requisiti
• ISO 5167-2:2003 Orifice plates
• ISO 5167-3:2003 Nozzles e Venturi nozzles
• ISO 5167-4:2003 Venturi tubes
• ISO 5167-5:2016 Cone meters
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10Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Orifice Plate : vantaggi e svantaggi
“DO” sono tutti i prodotti (elementi primari) del tipo “ORIFICE”
Video Orifice Plate
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6 giugno 2017
Flangia calibrata di tipo a saldare
ISO 5167-2DO61W
OrificeflangeASME B16.36DIN 19214flange taps
Preferito nelle industrie dove èapplicato lo standard ANSI
Vantaggi:
Conveniente(flange incluse)
Orifice sostituibile
Limitazioni:
Deve essere smontato per lasaldatura
Richiesta saldatura in sito
Non è possibile un test dipressione
PED difficile da garantire
D d
P+ P-
1”1”
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11Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Elemento primario - Orifice / flange tapping
ISO 5167-2DO61W
OrificeflangeASME B16.36DIN 19214flange taps
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6 giugno 2017
Elemento primario - Orifice / corner tapping
D d
P+ P-
Orifice con carrier ring“monolitico”prese ad angolo, foro singolo
ISO 5167-2DO62C
Preferito nelle industriedove è applicato lostandard ANSI
Vantaggi:
Conveniente, di facileproduzione
Massiccio, un solo pezzo(monolitico)
Limitazioni:
In caso di sostituzione…nuovo elemento completo
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12Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Elemento primario - Orifice / corner tapping
D d
P+ P-
Orifice con carrier ringsprese ad angolo, camera anulare
ISO 5167-2DO63C
Preferito nelle industrie dove èapplicato lo standard ANSI
Vantaggi:
Pressione differenzialemediata su tutta lacirconferenza
Orifice sostituibile
In accordo alla PED
Limitazioni:
Guarnizione internaaddizionale
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6 giugno 2017
Elemento primario - Orifice / corner tapping
Carrying ring
Corner tapped
Orifice con carrier ringsprese ad angolo, camera anulare
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13Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Elemento primario - Orifice plate
Orifice plate
ISO 5167-2DO64P
Preferito nelle industrie dove èapplicato lo standard ANSI
Vantaggi:
Perfetto per tutti i tipi di tapping
Sostituzione / Ricambio perDO61W
Semplice retrofit (tra due flangeesistenti)
Non soggetto alla PED
Conveniente
Consegna breve
Limitazioni:
Tapping da disporre in loco
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6 giugno 2017
Elemento primario - Orifice plate
Orifice plate
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14Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Orifice Plate: vantaggi e svantaggi
Vantaggi
• Costi iniziali relativamente bassi
• Resistente ai danni dovuti ai colpi di ariete e agli shock termici
• Idoneo per applicazioni con vapore ad alte pressioni
Svantaggi
• Alte perdite di carico
• Difficile ottenere una elevata accuratezza (<0.5%)
• Turndown: limitazioni sul minimo e massimo valore di portata
• Le condizioni di processo devono essere conosciute e stabili
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6 giugno 2017
DN = Nozzles come elementi primari
“DN” sono tutti i prodotti (elementi primari) del tipo “Nozzle”
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15Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Nozzles : vantaggi e svantaggi
Vantaggi
Minor perdite di carico rispetto agli orifice plate
Design flessibile per diverse applicazioni
Non ci sono parti “affilate” che potrebbero degradare con il tempo
Turndown 10:1
Svantaggi
Problemi nella misura di gas umido e in presenza di condense
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6 giugno 2017
DV = Venturi come elemento primario
“DV” sono tutti i prodotti (elementi primari) del tipo “Venturi”
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16Marketing Technical Competence Anno 2016
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Venturi
Boccaglio grezzo (cast), gola forata
DN100…800, ß 0,3..0,75
DN50…500, ß 0,3…0,8
200000 < Re < 2000000
Boccaglio e gola forata (lavorato)
DN50…250, ß 0,4…0,75
200000 < Re < 1000000
Boccaglio calandrato e saldato, gola forata
DN200…1200, ß 0,4…0,7
200000 < Re < 2000000
4 prese di pressione a foro singolo a 0,5D e 0,5d
brevi tratti rettilinei come orifice e nozzle
disponibile solo come soluzione di ingegneria
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Elemento primario - Meter-run
Meter run con flange terminaliCorner taps, camera anulare
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17Marketing Technical Competence Anno 2016
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Elemento primario - Meter-run
ISO 5167-2DO65F
Meter run con flange terminaliCorner taps, camera anulare
P+ P-
Vantaggi
• Come il DO63C
• Include I tratti rettilineiin ingresso ed uscita,disponibile per piccolidiametri
• Inlet/outlet pipe inaccordo alla ISO5167
• Per piccoli diametri, dalDN10 al DN50(dal 3/8” al 2”)
• Calibrazione bagnatapossibile
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6 giugno 2017
Meter runs
Tratti rettilinei a monte e valle certi e definiti
Non è richiesto l’esatto diametro della tubazione
Raccomandato/standard per piccoli diametri < DN50
Anche disponibile per Nozzles
Possibile con Venturi tubes
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18Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
DP = Pitot Tube come elementi primari
“DP” sono tutti i prodotti (elementi primari) del tipo “PITOT TUBE”
Video Tubo di Pitot
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6 giugno 2017
Standard - ISO 5167
• ISO 5167-1:2003 Principi generali e requisiti
• ISO 5167-2:2003 Orifice plates
• ISO 5167-3:2003 Nozzles e Venturi nozzles
• ISO 5167-4:2003 Venturi tubes
• ISO 5157-5:2016 Cone meters
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19Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Pitot Tube - Shapes
DP – Pitot tubes
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6 giugno 2017
Pitot Tube per grandi diametri
diametro interno tubazione: DN 300 – 12000 pressione operativa max. 100 bar temperatura operativa max. 1200°C precisione: <1% della portata istantanea ripetibilità: 0.1% del valore misurato
Tubo PitotTubo Pitot
Speciale per gas sporchi
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20Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Esempio di misura di Portata con deltaP completa
In tubazioni con diametro fino a DN 12000
Con accesso per facile pulizia da entrambi i lati
Condotta tonda o rettangolare
Disponibile unità di spurgo
Slide 39 Antonio Festa
6 giugno 2017
Altri dp-flowmeters
V-ConeNon richiede tratti rettilineisolo applicazioni di nicchia (teste pozzo)Un solo produttore (McCrometer)ma il brevetto è scaduto, DN < 3000
Wedgepiù adatto per I liquamiABB-Standard (calculation) DN < 300
Accelabar (Veris)concorrenza diretta con V-Conesalto TD, non richiede tratti rettilinei
Dall tubes
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21Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Venturi: esempi
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6 giugno 2017
V-Cone
• Il cono al centro della tubazione “mischia” i profili di flusso
(alte velocità al centro con basse velocità ai bordi)consentendo di rilevare anche basse portate
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22Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
V-Cone
Precision Tube V-Cone
(1/2” … 72”)
Wafer-Cone
(1” … 6”)
Singola curva Doppia curva
Facileinstallazione
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6 giugno 2017
V-Cone, Wedge
V-Conenon necessita di tratti rettilinei in ingressoaccuratezza elevata (circa 0,5%)DN < 3000
WedgePer slurrys e altri prodotti appiccicosi
ABB-Standard (calcolo) DN < 300
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23Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Comparazione sulla perdita di carico
all dp instr. DN350
Vortex DN300(Dmax)
dp [mbar] p loss [mbar] Inlet length [D]
after 2 x 90°
(ß=0,6)
Venturi tube 500 37 10
Venturi nozzle 500 42 26(48)
ISA nozzle 500 229 26(48)
Orifice 500 229 30(44)
Vortex 207 25(40)
Pitot tube 193 18 9(17)
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6 giugno 2017
Esempio di misura di Portata con deltaP completa
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24Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Split Range
10 mbarfor lowestflow rates
1000 mbar1000 mbarfor highflow rates
1000
3600
360
10
qkg/h
Rangedinamico(tipicamente:da 3:1 a 6:1)
10
36
dPmbar
0,1
360
qkg/h
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6 giugno 2017
Split Range
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25Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
DA = Accessori
“DA” sono tutti i prodotti (elementi primari) del tipo “Accessories”
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6 giugno 2017
Barilotti di condensa
Livello condensato definito (con grande superfice)
Livello idrostatico costante in entrambi gli impulse pipe anche in
condizioni di processo instabili
Protegge il trasmettitore dalle alte temperature
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26Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
DA61C – Barilotti di condensazione per Orifice
Barilotti di condensa per orifices DO6xx
300cm³ carbon steel (HII) e stainless steel (316L/PN100)
250cm³ versione alta temperatura (16Mo3/PN250)
Incluso nella struttura orifice come coppia
Pezzi singoli nella struttura accessori con identica caratteristica codici
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6 giugno 2017
DA62C – Barilotti di condensazione per Pitot Tube
Barilotti di condensa per pitot tubes DP6xD
300cm³ carbon steel (HII) e stainless steel (316L/PN100)
300cm³ versione per alte temperature (16Mo3/PN100)
20cm³ alte temperature / versione per alte temperature(16Mo3/PN250)
Incluso nella struttura orifice come coppia
Pezzi singoli nella struttura accessori con identica
caratteristica codici
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27Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Valvole di intercettazione
Valvole a spillo per tutte le applicazioni
Valvole a sfera per applicazioni gas a bassa pressione
Valvole a saracinesca per applicazioni pitot tubes con vapore
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6 giugno 2017
DA63M - Manifolds
Per tutti gli elementi primari
Incluso nella struttura dell’elemento primario
Manifold 3-valvole e 5-valvole
Per versioni compatte e remote
Per applicazioni con vapore ad alta temperatura
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28Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Seleziona caratteristiche
Manifolds
3-valvole fresato (da barra)
3-valvole forgiato
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6 giugno 2017
Seleziona caratteristiche
Manifolds
5-valvole fresato (da barra)
5-valvole forgiato
Slide 56 Antonio Festa
29Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
DA63R – Flow Conditioner
Riduce i tratti rettilinei a montea17D
Spessore = D/8
Pressione addizionale
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6 giugno 2017
Requisiti generali di processo
tubazionepiena
no markse depositi
t
TP T,Pcondizioni
di processocostanti
t
TP T
P
L
L
sufficientitrattirettilinei
fluido omogeneo(compostezza costante nel tempo)
t
t
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30Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
DA62P _ Air Purge Unit
Purge unit per Pitot Tubes
Per evitare l’intasamento dei fori in presenza diparticolato
Consigliato con presenza di particolato conconcentrazione > 100mg/m³
Polvere concentrata > 500mg/m³ -> forte abrasione
Nessun segnale di misura durante lo spurgo
Attivazione esterna (mediante PLC)
Air
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6 giugno 2017
Perdite di carico: comparazione dispositivi dP
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0·1 0·2 0·3 0·4 0·5 0·6 0·7
Per
dit
edica
rico
(%del
dif
fere
nzi
ale)
b = d / D2 2 2
Orifice Plate
Flow Nozzle
Short Pattern Venturi
Classical Venturi
Slide 60 Antonio Festa
31Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Comparazione dei costi: Orifice vs Tubo di Pitot
$0
$5.000
$10.000
$15.000
$20.000
$25.000
$30.000
2" 4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 20" 24" 30" 36" 42" 48" 54" 60" 66" 72"
Tubo di Pitot
Orifice
Slide 61 Antonio Festa
6 giugno 2017
Montaggio dP-Flow Orifice Applicazione Gas
tubo orizzontale tubo verticale
Slide 62 Antonio Festa
32Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Montaggio dP-Flow Orifice Applicazione Gas
tubo orizzontale tubo verticale
Slide 63 Antonio Festa
6 giugno 2017
Montaggio dP-Flow Orifice Applicazione Liquidi/Vapore
tubo orizzontale tubo verticale
Slide 64 Antonio Festa
33Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Montaggio dP-Flow Tubo Pitot Applicaz. Liquidi/Vapore
tubo orizzontale tubo verticale
Slide 65 Antonio Festa
6 giugno 2017
Installazione Vapore
• Collegamento tipico per vapore
Slide 66 Antonio Festa
34Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Aggiustaggio dello Zero-point
Riempire gli impulse pipes e camere di condensa (vapore)
Attendere che il processo sia stabile
Chiudere il lato negativo (esempio valvola 2)
Aprire la valvola 3 di equalizzazione
Fare il set point
Non aprire mai tutte e 3 le valvole (1,2,3) insieme (Si rischia il
surriscaldamento del trasmettitore a contatto con il fluido ad alta
temperatura)
Process sideSlide 67 Antonio Festa
6 giugno 2017
Barilotti di condensazione
Si raccomanda di utilizzare i barilotti di condensazione nelleapplicazioni con vapore
I barilotti assicurano uno stabile zero point
I barilotti evitano fluttuazioni del segnale
23
1
4
2
3
1
4
Il Vapore entra dal processo
Il Vapore condensa sullasuperficie
La condensa torna indietro
Il livello dell’acqua è stabile
Entrambi i barilotti devono essere installaticorrettamente alla stessa altezza
Slide 68 Antonio Festa
35Marketing Technical Competence Anno 2016
6 giugno 2017
Orifice vs Pitot Tube
Orifice :
Standardizzato (ISO5167, AGA, ASME)
Calibrazione non richiesta (2”…40”)
Estrapolazione del calcolo (> 40”)
Calibrazione raccomandata (<2”)
Calcolo standard ripetibile
Perdite di carico relativamente alte
Rapporto ß modificabile, dP ottimiz.
Elevato dP -> Turndown possibile
Installazione tra le flange o saldato nellatubazione
Diametri dal DN10
Diametri fino a 40”
Sensibile alle abrasioni e ai depositi
Installazione solo in tubazini circolari
Tubo di Pitot :
Design dipendente dal costruttore
k-factor dipendente dal costruttore
Calcolo dipendente del costruttore
Perdite di carico molto basse
k-factor fisso, dp fisso
Piccolo dP -> Turndown ristretto
Installazione ad inserzione
Diametri dal DN 25
Diametri anche superiori ai 400”
Poco sensibile alle abrasioni
Possibile installazione in condottirettangolari
Slide 69 Antonio Festa
6 giugno 2017
Venturi vs Orifice
• Più robusto degli orifice plates e meno influenzato dal particolato
• Minor perdita di carico a parità di Dp
• Minore effetto di turbolenze e distorsione del profilo
• Richiesti tratti rettilinei più brevi in ingresso
• Opera su una gamma più ampia e lineare
• Meno influenzato dal numero di Reynolds
Slide 70 Antonio Festa