L’impianto d’approvvigionamento
L’impianto d’approvvigionamento del perossido d’idrogeno è un elemento essenziale per il corretto funzionamento del propulsore.
Nel presente capitolo si traccia la specifica dell’impianto e si conduce l’analisi concettuale necessaria al suo dimensionamento. Si illustra successivamente l’impianto d’approvvigionamento così come è stato realizzato ed utilizzato durante gli esperimenti.
4.1
La specifica
Le prestazioni richieste all’impianto d’approvvigionamento sono essenzialmente tre:
1. fornire la portata di perossido d’idrogeno, nelle opportune condizioni termodinamiche, necessaria al propulsore perchè produca la spinta richiesta;
2. garantire la sicurezza nell’ immagazzinare e manipolare il perossido d’idrogeno; 3. consentire un facile trasporto nei siti di interesse, dove effettuare gli spari.
Le condizioni da soddisfare sono di seguito elencate.
• L’impianto d’approvvigionamento deve essere in grado di alimentare correttamente i propul-sori. Tutte le grandezze di interesse sono già state calcolate e presentate nella tabella 3.2: per comodità, nella tabella 4.1 si ripropongono i risultati più importanti. Nella stessa tabella le grandezze sono valutate anche considerando una concentrazione di perossido
d’ idrogeno del 70%: si è previsto infatti di realizzare alcuni spari con una concentrazione differente da quella di progetto di 87.5%.
Tabella 4.1: Principali risultati del dimensionamento dei propulsori per concentrazione di perossido d’ idrogeno pari all’87.5% e al 70%.
Concentrazione in peso di H2O2 87.5% 70%
Spinta in condizioni di progetto F ,
[N] 5 25 5 25
Temperatura in camera di combustione Tc,
[K] 952 952 515.5 515.5
Pressione all’uscita dell’ugello pe,
[Pa] 13800 13800 13800 13800
Pressione in camera di combustione pc,
[atm] 10.06 9.92 10 10
Perdita di pressione nel letto catalitico, modello empirico di Morlan et al.,
[atm] 1.49 1.51 1.3 1.3 Pressione in ingresso pin, [atm] 11.55 11.43 11.3 11.3 Diametro di gola Dt, [mm] 2 4.5 2 4.5
Diametro della sezione di uscita De,
[mm] 5.6 12.7 5.4 12.2
Diametro della camera di combustione Dc,
[mm] 9 20.2 11.1 24.8
Portata ˙m,
[g/s] 3.544 17.693 4.85 24.27
Carico del letto catalitico G,
[kg/s · m2] 55.708 55.209 50 50
• L’impianto d’approvvigionamento deve svilupparsi in modo da essere completamente con-tenuto all’interno di un contenitore di forma prismatica munito di ruote, di cui si parlerà nella sottosezione 4.3.4 e che d’ora in poi chiameremo semplicemente ‘cubo’. Questa con-dizione nasce dall’esigenza di avere un sistema che possa garantire un facile trasporto nei siti di interesse.
• Non è posta alcuna condizione sul peso.
• L’impianto d’approvvigionamento deve interfacciarsi con il sistema di alimentazione elet-trica e con la bilancia di spinta.
4.2
Il progetto concettuale
La funzione principale che deve essere assolta dall’impianto d’approvvigionamento è fornire, nelle opportune condizioni termodinamiche, la portata di perossido d’idrogeno necessaria al
propulsore per fornire la spinta richiesta. Affinchè il propulsore lavori correttamente in regime stazionario, è necessario che l’impianto gli fornisca il perossido d’idrogeno con la portata e con la pressione di ingresso riportate nella tabella 4.1.
Per comprendere meglio quale debba essere la struttura dell’impianto d’approvvigionamento può convenire articolare la funzione principale in più funzioni parziali. A tali funzioni parziali è possibile associare uno o più componenti, che integrandosi tra loro, consentono di realizzare l’ impianto stesso. Le funzioni parziali individuate sono :
• regolare la portata e la pressione del fluido di lavoro; • monitorare le suddette grandezze;
• immagazzinare il perossido d’idrogeno;
• riempire l’impianto d’approvvigionamento col perossido d’idrogeno.
A queste funzioni parziali se ne associano delle altre legate all’altro importante requisito che è quello riguardante la sicurezza nelle operazioni d’immagazzinamento e manipolazione del peros-sido d’ idrogeno. All’elenco precedente si aggiungono le seguenti funzioni parziali:
• monitorare la pressione e la temperatura in diversi punti dell’impianto ed in primis nel serbatoio, al fine di poter immediatamente individuare un’eventuale decomposizione del perossido d’idrogeno;
• scaricare il perossido d’idrogeno in un luogo sicuro da un qualunque punto dell’ impianto; • ripulire le linee dell’impianto interessate dal passaggio del perossido d’idrogeno;
• consentire il controllo dell’intero impianto da una postazione remota, aumentando così la sicurezza degli operatori.
Oltre a realizzare un impianto d’approvvigionamento che fornisca il propellente al propul-sore e che sia sicuro, la specifica richiede anche che risulti sufficientemente piccolo da poter essere inserito all’interno di un contenitore prismatico, soddisfacendo così al requisito sulla trasportabilità.
Infine, si osserva che l’impianto d’approvvigionamento, oltre ad alimentare propulsori capaci di produrre spinte di 5 N e di 25 N in condizioni di regime stazionario, deve poter alimentare correttamente i propulsori anche in esperimenti diversi da quelli previsti, come ad esempio tests impulsivi e tests con propulsori capaci di spinte leggermente superiori ai 25 N. Di qui la richiesta di una certa versatilità.
4.2.1 Gli impianti preesistenti
Prima di procedere all’esame dei componenti a fronte dei requisiti e delle funzioni parziali individuate, può risultare utile condurre un’analisi degli impianti di manipolazione del perossido d’idrogeno già esistenti. In letteratura è possibile trovare alcuni esempi di impianti con requisiti simili a quelli precedentemente esposti: ad esempio, si possono consultare i riferimenti [65], [66], [67]. Questi impianti sono concettualmente simili, pertanto può risultare sufficiente analizzarne uno solo per capire quali siano le linee guida alla base del progetto di un impianto di manipo-lazione di una sostanza pericolosa come il perossido d’idrogeno. In particolare si prende in esame
l’ impianto utilizzato dalla General Kinetics, una società che effettua da tempo sperimentazione sui propulsori alimentati con perossido d’idrogeno. Lo schema del loro impianto è riportato in figura 4.1.
Figura 4.1: Lo schema dell’impianto utilizzato dalla General Kinetics. (da E. Wernimont e M. Ventura [66].)
L’impianto può essere suddiviso in due sottoimpianti: un primo sottoimpianto utilizzato per l’effettiva manipolazione del perossido d’idrogeno ed un secondo sottoimpianto, attraversato solo da azoto. Quest’ultimo sottoimpianto presenta tre linee a cui sono affidati compiti distinti:
• una linea di pressurizzazione, nella quale l’azoto, raggiunta la pressione desiderata grazie ad un regolatore di pressione, entra nella parte superiore del serbatoio contenente il perossido d’idrogeno dopo aver superato due valvole di non ritorno ed un filtro;
• una linea di ripulitura delle tubazioni;
• una linea di attuazione elettropneumatica delle valvole presenti nell’ impianto.
Per quanto riguarda il sottoimpianto di manipolazione, l’elemento primario è il serbatoio a cui sono collegati i dispositivi di sicurezza (nel dettaglio, un disco a rottura, una valvola azionata elettropneumaticamente ed una valvola normale), un trasduttore di pressione ed una termocoppia per monitorare continuamente le condizioni all’interno del serbatoio, la linea di
riempimento, la linea di scarico per il rapido svuotamento ed infine la linea di sparo. Sulla linea di sparo si trovano una valvola a sfera che può essere azionata elettropneumaticamente, un venturi cavitante utilizzato per regolare la portata, un trasduttore di pressione a monte ed uno a valle del venturi ed infine il propulsore.
4.2.2 L’analisi delle funzioni
La funzione di immagazzinare il perossido d’idrogeno è affidata ad un serbatoio che si è de-ciso di dimensionare in modo che contenesse una quantità di perossido d’idrogeno sufficiente a svolgere la generica sessione di esperimenti. Inoltre lo si è dimensionato in modo che resistesse alla pressione che è necessario avere nel serbatoio stesso per fornire il propellente all’opportuna pressione in camera di combustione del propulsore, considerando tutte le perdite che si hanno nelle tubazioni e negli altri dispositivi presenti lungo la linea. Può essere conveniente progettare e costruire il serbatoio così da poterlo interfacciare con un eventuale altro serbatoio di mag-giore capienza ed adibito all’immagazzinamento di grandi quantitativi di perossido d’idrogeno a pressione ambiente, come consigliato dalle linee guida sull’immagazzinamento. Considerando l’eventualità che il perossido d’idrogeno non venga completamente consumato durante le generica sessione di esperimenti, si preferisce realizzare il serbatoio con un metallo compatibile e rivestirlo con un materiale polimerico compatibile ed adatto all’immagazzinamento a lungo termine, come il PTFE. Tale scelta consente di utilizzare il serbatoio, adibito essenzialmente a serbatoio di riempimento e rapido svuotamento, anche come serbatoio d’immagazzinamento.
Per poter soddisfare le funzioni relative alla sicurezza, si è scelto di interfacciare il serbatoio con dei sensori per la misura in tempo reale della pressione e della temperatura e con una linea su cui collocare i dispositivi di sicurezza. Si è deciso inoltre di interfacciare il serbatoio con una linea di scarico rapido di emergenza e con la linea di pressurizzazione.
La funzione di regolare la pressione è affidata ad un’apposita linea di pressurizzazione la quale, sfruttando una sorgente di gas inerte pressurizzato, pressurizzi il serbatoio. Come gas inerte si è scelto l’azoto, data la sua compatibilità col perossido d’idrogeno, come è suggerito dalle linee guida sull’immagazzinamento e sulla manipolazione.
La funzione di regolare la portata è stata affidata ad un venturi cavitante che permette di rendere la portata indipendente dalla pressione a valle del venturi stesso se la cavitazione risulta opportunamente sviluppata. Infatti, una variazione della pressione a valle si traduce soltanto in un’estensione o in una riduzione della regione cavitante. La portata è controllata così dalla differenza di pressione tra la pressione a monte del venturi e la pressione alla quale ha inizio la cavitazione che coincide con la pressione di vapore del fluido di lavoro. Pertanto, ritenendo la temperatura del fluido costante, la portata può considerarsi dipendente dalla sola pressione a monte del venturi: è sufficiente pressurizzare il serbatoio ad un’ opportuna pressione per avere la portata di perossido d’idrogeno richiesta dal propulsore.
La possibilità, offerta dal venturi, di disaccoppiare ciò che accade a monte da ciò che accade a valle si traduce nell’interessante ed utile possibilità di disaccoppiare il comportamento dina-mico del perossido d’idrogeno nella camera di combustione del propulsore dal comportamento dinamico del perossido d’idrogeno contenuto nel serbatoio.
L’utilizzo del venturi cavitante ha lo svantaggio però di causare elevate perdite di carico con la conseguenza di innalzare la pressione all’ingresso del venturi e quindi nel serbatoio. Il venturi cavitante non può essere ottimizzato per una qualunque percentuale in peso del perossido
d’ idrogeno e quindi si è scelto di ottimizzarlo per una concentrazione in peso pari all’87.5%. Si è deciso inoltre di utilizzare due venturi, uno per ogni propulsore che si intende testare e per agevolarne la sostituzione si è scelto di collegarli a due tubi flessibili.
Per gli esperimenti impulsivi, qualora il transitorio di avviamento delle condizioni di cavi-tazione creasse dei problemi allo studio del transitorio d’accensione del propulsore, si è pensato di eliminare dalla linea il venturi cavitante e di sostituirlo con un semplice tratto di tubo flessibile. Il monitoraggio delle diverse grandezze termodinamiche è affidato ad appositi sensori, oppor-tunamente disposti lungo l’impianto, e collegati ad un sistema di acquisizione dei dati.
La possibilità di poter scaricare il perossido d’idrogeno in un luogo sicuro da un qualunque punto dell’impianto si traduce nell’assenza delle linee stagnanti o cieche e nell’ esigenza di inserire valvole che permettano di arrestare il flusso del perossido d’idrogeno ed incanalarlo con brevi percorsi in un pozzetto dove possa essere debitamente diluito.
La funzione di ripulire le linee dell’impianto d’approvvigionamento, dopo che sono state bagnate dal perossido d’idrogeno, è affidata ad un’apposita linea di ripulitura percorsa da un certo gas inerte e compatibile. Avendo già predisposto una sorgente di azoto in pressione per la linea di pressurizzazione, si è deciso di utilizzare la stessa sorgente anche per la linea di ripulitura. Osservando inoltre che per questioni di sicurezza conviene che le valvole presenti nell’impianto d’approvvigionamento siano azionate elettropneumaticamente da una postazione remota, si è deciso di utilizzare ancora la stessa sorgente di azoto per la linea di attuazione delle valvole. E’ evidente che le tre diverse linee percorse dall’azoto richiedano differenti pressioni e che quindi è necessario l’uso di tre differenti regolatori di pressione.
4.2.3 Lo schema concettuale dell’impianto d’approvvigionamento
Da quanto detto finora, si delinea un impianto composto da due distinti sottoimpianti: uno bagnato dal perossido d’idrogeno e l’altro percorso dall’azoto. Ricordando il vincolo sull’ in-gombro, si è pensato di applicare questo vincolo al solo sottoimpianto bagnato dal perossido d’ idrogeno, che così risulta l’unico sottoimpianto a dover essere inserito all’ interno del ‘cubo’. Si è deciso dunque di ‘staccare’ i due sottoimpianti e di disporre in una zona, esterna al ‘cubo’, la bombola di azoto con tutti i sistemi di regolazione della pressione ed in un’altra zona, all’ interno del ‘cubo’, la linea bagnata dal perossido d’idrogeno. Si è deciso di collegare queste due distinte ‘zone’ dell’impianto d’approvvigionamento con dei tubi flessibili, con la possibilità di porre la sorgente di azoto ad una sufficiente distanza di sicurezza dalla zona delle operazioni con il peros-sido d’idrogeno e con la conseguente possibilità di usare regolatori di pressione manuali. Tutto ciò semplifica una parte dell’ impianto, vista l’ assenza di dispositivi che devono essere azionati da remoto, e consente una riduzione dei costi.
Lo schema concettuale dell’impianto di approvvigionamento progettato è riportato nella figu-ra 4.2. Il perossido d’idrogeno è inserito nel serbatoio attfigu-raverso un’apertufigu-ra posta nella parte superiore, la quale è chiusa con una flangia cieca, una volta effettuato il riempimento. Nella parte superiore del serbatoio giunge la linea di pressurizzazione attraverso la quale arriva il gas pressurizzato, il cui ingresso nel serbatoio è regolato da una valvola a sfera attuata elettropneuma-ticamente. Sempre nella parte superiore del serbatoio si trovano i dispositivi di sicurezza: una valvola a sfera attuata elettropneumaticamente, una valvola di sfiato ed un disco a rottura. A monte di questi dispositivi è collocato un trasduttore di pressione che serve a misurare la pressione all’interno del serbatoio. Se la pressione raggiunge valori critici, l’operatore aziona la
valvola a sfera elettropneumatica, consentendo al gas di fuoriuscire. Qualora tale operazione per un qualunque motivo non riuscisse, si aprirebbe la valvola di sfiato, debitamente tarata ad una pressione ben definita. Se anche quest’operazione di sfiato dei gas non riuscisse, allora si avrebbe la rottura del disco a rottura, ad una pressione leggermente superiore a quella di apertura della valvola di sfiato, e finalmente lo sfiato dei gas. Oltre alla pressione è necessario monitorare anche la temperatura del serbatoio, per prevenire eventuali fenomeni di decomposizione del perossido d’idrogeno: di qui l’inserimento di una termocoppia.
Nella parte inferiore del serbatoio sono presenti due uscite, entrambe regolate da due valvole a sfera attuate elettropneumaticamente. La prima uscita consente lo svuotamento rapido del serbatoio; la seconda porta alla linea di sparo.
Sulla linea di sparo, procedendo verso il motore, sono disposti nell’ordine: una valvola di non ritorno, per impedire ogni possibile pericoloso ritorno nel serbatoio del perossido d’idrogeno; il venturi cavitante per regolare la portata; un flussimetro per monitorare la portata; una valvola di sparo soleinodale per gestire l’afflusso del perossido d’idrogeno nel propulsore. Alla linea principale di sparo si collegano altre linee. Prima della valvola di non ritorno è stato collocato un collegamento a croce di cui due vie sono impegnate, come già detto, dalla linea di sparo, una via serve per il collegamento con la linea di ripulitura e l’ultima via serve per l’eventuale sfiato dei prodotti della decomposizione del perossido d’idrogeno eventualmente rimasto intrappolato nel tratto posto tra le due valvole normalmente chiuse. Su questa linea è presente una valvola di sfiato. Un’altra valvola di sfiato è collocata tra il flussimetro e la valvola soleinodale di sparo. In questa posizione è stato collocato un altro collegamento a croce: due vie sono impegnate dalla linea di sparo, una via dalla valvola di sfiato e l’ultima via, controllata da una valvola a sfera attuata elettropneumaticamente, serve per il drenaggio del perossido d’idrogeno e quindi per svuotare il tratto di linea compreso tra il serbatoio ed il propulsore. Infine a monte ed a valle del venturi sono state inserite due diramazioni in corrispondenza delle quali sono stati inseriti un trasduttore di pressione differenziale per la misura del salto di pressione che si verifica nel venturi ed un trasduttore di pressione assoluto per la misura della pressione a valle del venturi. Le diramazioni in questione consentono anche il drenaggio del propellente, che viene controllato da due valvole attuate elettropneumaticamente.
Il sottoimpianto dell’azoto può essere suddiviso in tre linee: quella di pressurizzazione, quella di attuazione delle valvole elettropneumatiche e quella di ripulitura. Ognuna di queste linee necessita di una sua pressione e quindi sono disposti tre regolatori di pressione subito a valle della valvola a sfera manuale posta dopo la sorgente di azoto. Su ciascuna linea, a valle del regolatore di pressione, sono disposti anche un manometro ed una valvola a sfera manuale.
La linea di pressurizzazione serve a portare in pressione il perossido d’idrogeno contenuto nel serbatoio. Subito a valle della valvola a sfera manuale sono disposti: una valvola di non ritorno, un filtro ed una valvola a sfera attuata elettropneumaticamente. La valvola di non ritorno è un dispositivo di sicurezza contro eventuali malfunzionamenti. Il filtro serve a trattenere eventuali particelle presenti nell’azoto che potrebbero pericolosamente contaminare il perossido d’idrogeno. La pressione in questa linea dipende dal particolare propulsore che si intende testare e quindi può variare considerevolmente. Questa linea può inoltre funzionare anche come linea di ripulitura del serbatoio e la pressione necessaria è in questo caso dell’ordine di qualche atmosfera.
La linea di attuazione delle valvole serve per azionare gli attuatori elettropneumatici. Subito dopo la valvola a sfera manuale è posizionata una valvola di non ritorno, usata come dispositivo di sicurezza. La pressione tipica per questa linea, necessaria per l’attuazione delle valvole, è
dell’ordine delle 5-10 atm.
La linea di ripulitura serve a ripulire il tratto dell’impianto a valle del serbatoio. I componenti disposti su questa linea sono gli stessi di quelli disposti sulla linea di pressurizzazione e svolgono analoghe funzioni. La pressione tipica è dell’ordine di qualche atmosfera.
4.3
Il progetto concreto
Per poter dimensionare correttamente l’impianto d’approvvigionamento bisogna valutare la massima pressione di esercizio, determinata dalle condizioni nominali che si intendono raggiun-gere nella camera di combustione più tutte le perdite di carico che si hanno nel tratto compreso tra il motore ed il serbatoio. La conoscenza di questa pressione serve anche al dimensionamento del serbatoio, che evidentemente deve essere in grado di sopportarla.
Nella presente sezione si illustra un semplice modello per la valutazione di tutte le perdite di carico nell’impianto e si illustra l’andamento dei principali parametri propulsivi in funzione della pressione nel serbatoio. Successivamente si illustrano i componenti scelti e si descrive la loro disposizione all’interno della struttura mobile che ne permette il trasporto. Si conclude la sezione con il calcolo del costo complessivo dell’impianto d’approvvigionamento.
4.3.1 Le perdite di carico
4.3.1.1 Il venturi cavitante
Il venturi cavitante si presenta come un condotto con un tratto convergente, una sezione di gola ed un tratto divergente. Trova applicazione come strumento nella ricerca sulla natura e sul comportamento dei flussi cavitanti e come strumento per controllare o misurare il flusso. In quest’ultimo caso il venturi consente di rendere indipendente la portata dalla pressione a valle se la cavitazione è ben sviluppata: in queste condizioni, una variazione della pressione a valle si traduce solo in un’estensione o in una riduzione della regione cavitante. Il flusso è controllato quasi interamente dalla differenza tra la pressione a monte e la pressione alla quale ha inizio la cavitazione, che si pone approssimativamente uguale alla pressione di vapore del fluido. Quindi, finchè non viene variata la temperatura, la portata è praticamente funzione della sola pressione a monte. Nella regione cavitante del venturi, il flusso è caratterizzato da un getto, più o meno completamente liquido, circondato da una regione di vapore (figura 4.3).
E’ possibile elaborare un modello che permetta di valutare la caduta di pressione nel venturi cavitante ipotizzando un flusso ideale unidimensionale e stazionario. Facendo riferimento alla figura 4.3, la pressione più bassa si ha in corrispondenza della gola dove p = p∗. A seconda che tale pressione sia maggiore o minore della pressione di vapore pv del fluido si hanno due possibili
regimi.
• Regime non cavitante: p∗ > pv. Trascurando le perdite per attrito nel tratto convergente
rispetto a quelle che si hanno nel tratto divergente e considerando un flusso turbolento completamente attaccato, le equazioni del moto possono scriversi:
˙ m = ρ u∗A∗ (4.1) pt1− pt2= ξt 1 −A∗ A2 2 1 2ρ u 2 (4.2)
dove si è indicato con ˙m la portata, con ρ la densità del fluido, con u e ptrispettivamente
la velocità e la pressione totale del fluido nella generica sezione di area A. ξtè il coefficiente
di perdita espresso in termini di pressione totale ed è funzione dell’ angolo di semiapertura ϑ del tratto divergente del venturi (figura 4.4).
Figura 4.4: Andamento del coefficiente di perdita espresso in termini di pressione totale ξtin funzione
dell’angolo di semiapertura ϑ del tratto divergente del venturi.
E’ possibile combinare le due equazioni ottenendo l’espressione della portata:
˙ m = A∗ 1 − A∗/A2 s 2 ρ (pt1− pt2) ξt (4.3)
dalla quale si evince la dipendenza della portata dalle pressioni a monte ed a valle del venturi.
• Regime cavitante: p∗ < pv. E’ raggiunta in gola la condizione di cavitazione incipiente e si
forma una bolla di lunghezza l. Trascurando ancora le perdite nel tratto convergente può scriversi la pressione in gola come:
p∗= pt1−
1 2ρ u∗
2 (4.4)
da cui si ricava l’espressione di u∗ che sostituita nell’espressione della portata fornisce: ˙
m = A∗
p
che indica l’indipendenza della portata dalla pressione a valle del venturi.
Quest’indipendenza si conserva a patto che siano soddisfatte determinate condizioni. Per capire meglio il comportamento del flusso nel venturi in regime cavitante conviene scrivere le equazioni di quantità di moto per il volume di controllo compreso tra la gola e la sezione di riattacco della bolla (equazione 4.6) e per il volume di controllo che dalla sezione di riattacco si estende fino alla sezione di uscita (equazione 4.7):
ρ u∗2A∗+ pvAr = ρ ur2Ar+ prAr (4.6) ptr− pt2 = ξt 1 −Ar A2 1 2ρ u 2 r (4.7)
Sostituendo nell’equazione 4.7 l’espressione di ptr ricavata dall’equazione 4.6, ricordando
che la velocità può porsi u = ˙m/ρ A ed eliminando la portata con l’ espressione 4.5, si ottiene un’equazione che, risolta, fornisce:
A∗ Ar = 1 + ξt A∗ A2 ± s 1 + ξt A∗ A2 2 − (1 − ξt) ξt A2∗ A22 + pt2− pv pt1− pv 1 1 + ξt (4.8)
Quest’equazione esprime la variazione del rapporto delle aree di gola e di riattacco in funzione del rapporto tra le pressioni totali a valle ed a monte diminuite della pressione vapore: nella figura 4.5 si riporta l’andamento di questa funzione. Delle due soluzioni è necessario prendere quella corrispondente al segno - che rappresenta la soluzione stabile: all’aumentare della pressione totale a valle del venturi si ha una riduzione dell’estensione della bolla.
Figura 4.5: Gli andamenti del rapporto delle aree di gola A∗/Ar e del rapporto tra le pressioni totali
a valle ed a monte diminuite della pressione vapore (pt2 − pv)/(pt1 − pv) e condizioni particolari di
funzionamento.
Come riportato nella figura 4.5, possono individuarsi tre particolari condizioni.
– Inception. Corrisponde alla condizione di inizio cavitazione. Ricordando l’ espres-sione della portata 4.5, possono ottenersi i seguenti valori della presespres-sione totale a valle del venturi e del rapporto tra le pressioni totali a monte ed a valle diminuite della
pressione di vapore: pt2|i = pt1− ξt 1 −A∗ A2 2 (pt1− pv) (4.9) pt2− pv pt1− pv i = 1 − ξt 1 −A∗ A2 2 (4.10)
– Desinence. Corrisponde al limite della regione stabile: matematicamente corrisponde alla condizione di uguaglianza delle due soluzioni.
pt2− pv pt1− pv d = 1 + ξt 2 −A∗ A2 A∗ A2 1 1 + ξt (4.11) A∗ Ar d = 1 + ξt A∗ A2 1 1 + ξt (4.12) Si osserva che nella condizione di desinence la pressione totale a valle del venturi è maggiore di quella della condizione di inception.
– Breakdown. Corrisponde al raggiungimento della sezione d’uscita da parte della bolla: Ar = A2. Vale la seguente espressione:
pt2− pv pt1− pv b = 2 −A∗ A2 A∗ A2 (4.13)
Per il corretto funzionamento del venturi cavitante è necessario che il punto di progetto sia compreso tra la condizione di inception e quella di breakdown. Per il dimensionamento si è fissato, quale condizione di progetto, il rapporto tra le pressioni a valle e a monte, ridotte della pressione di vapore, a 0.7. Questa condizione consente di valutare la pressione totale a monte una volta nota la pressione totale a valle: quest’ultima pressione può approssimarsi con la somma della pressione in camera di combustione e della caduta di pressione attraverso il letto catalitico, entrambe note dal dimensionamento del propulsore. Facendo uso dell’equazione 4.5, può ricavarsi l’area della sezione di gola. Successivamente si è fissato l’angolo di semiapertura del tratto divergente del venturi cavitante: si è scelto un valore di 9◦ al fine di tenere basso il coefficiente di perdita. Si sono anche fissati le aree di ingresso ed uscita del venturi: per questioni tecnologiche, si è scelto per entrambe le sezioni un diametro di 1/2”. A questo punto è stato possibile tracciare dei grafici come in figura 4.5 con l’ausilio dell’equazione 4.8.
Nella tabella 4.2 si riassumono i principali risultati ottenuti. Dalla tabella si può osservare un peggioramento delle prestazioni del venturi quando si utilizza perossido d’idrogeno al 70%: questo peggioramento è dovuto al fatto che si utilizza lo stesso venturi ottimizzato per una concentrazione pari all’ 87.5% e ha come conseguenza l’innalzamento della pressione nel serbatoio. Tuttavia si è deciso di utilizzare i due venturi, dimensionati per il perossido d’idrogeno all’ 87.5%, anche per il perossido d’idrogeno al 70% e la ragione di questa scelta è l’alto costo dei venturi.
Nella figura 4.6 si riportano i grafici che caratterizzano il funzionamento del venturi cavitante: in particolare si riportano i grafici sulla portata in funzione della pressione nel serbatoio e sul rapporto At/Ar in funzione di (pt2− pv)/(pt1− pv) per i due venturi utilizzati per i propulsori da
5 N e 25 N utilizzando il perossido d’idrogeno all’87.5%. Nella stessa figura si riportano anche le curve di cavitazione teorica per i due venturi nel caso in cui si utilizzi l’acqua come fluido di lavoro: questi grafici sono stati realizzati perchè la calibrazione dei venturi, di cui si parlerà
Tabella 4.2: Principali risultati del dimensionamento dei venturi cavitanti per una concentrazione di perossido d’idrogeno pari all’87.5% e al 70%.
Spinta in condizioni di progetto F ,
[N] 5 25 Concentrazione in peso di H2O2 87.5% 70% 87.5% 70% Portata ˙m, [g/s] 3.544 4.85 17.693 24.27 Diametro di gola Dt, [µm] 263 588 pt2− pv pt1− pv 0.7 0.37 0.7 0.37
Pressione statica a monte p1,
[bar] 16.3 30.5 16.3 30.5
nella sottosezione 6.2.1, è stata effettuata proprio con l’acqua non potendola fare col perossido d’idrogeno a causa del suo alto costo. Imponendo lo stesso numero di Reynolds in corrispondenza della gola e la stessa dimensione della bolla cavitante si è calcolata la portata equivalente d’acqua nelle stesse condizioni di funzionamento del venturi nei vari casi.
Sono stati tracciati anche altri grafici tra cui quelli che descrivono il funzionamento dei venturi quando si usa il perossido d’idrogeno al 70%: per questi grafici si può consultare il riferimento [79].
4.3.1.2 I raccordi
E’pratica ingegneristica comune descrivere le perdite di carico nei raccordi come perdite di carico di un tubo rettilineo di lunghezza equivalente nel quale il flusso è completamente turbolento: pt1− pt2 ρ = ξt 1 2u 2= f L D eq 1 2u 2 (4.14)
dove con f si è indicato il coefficiente d’attrito di Darcy. Valori tipici delle lunghezze equivalenti, basati sui dati forniti dal Crane Company Technical Paper 410, sono: per i raccordi a gomito 30 e per i raccordi a T 20.
4.3.1.3 Le valvole ed il flussimetro
Per le perdite di carico nelle valvole e nel flussimetro si è fatto riferimento al coefficiente di efflusso cv e si è utilizzata la seguente formula
ξt= f L D eq = 890.6032D 4 cv2 (4.15)
(a)
(b)
Figura 4.6: Alcuni grafici per il funzionamento dei venturi cavitanti. (a) Portata in funzione della pressione di ingresso: Dt = 263µm e perossido d’idrogeno all’87.5%. (b) At/Ar in funzione di (pt2−
(c)
(d)
Figura 4.6: Alcuni grafici per il funzionamento dei venturi cavitanti. (c) Portata in funzione della pressione di ingresso: Dt = 588 µm e perossido d’idrogeno all’87.5%. (d) At/Ar in funzione di (pt2−
(e)
(f)
Figura 4.6: Alcuni grafici per il funzionamento dei venturi cavitanti. (e) Portata in funzione della pressione di ingresso: Dt= 263 µm e acqua. (f) Portata in funzione della pressione di ingresso: Dt =
4.3.2 L’andamento dei parametri propulsivi
Calcolate le perdite di carico è possibile esaminare l’andamento dei vari parametri di funziona-mento del propulsore in funzione della pressione all’interno del serbatoio nell’ipotesi che tutti i transitori siano terminati.
La portata del propellente è fissata dalla pressione a monte del venturi cavitante, nell’ipotesi di suo corretto funzionamento, che coincide con la pressione nel serbatoio a meno delle perdite di carico. La portata determina la pressione all’interno della camera di combustione, fissata la geometria del propulsore. La scelta del propellente determina la temperatura di decomposizione e di conseguenza la composizione dei gas di scarico. Con la conoscenza di questi dati in ingresso, si possono ottenere tutti i parametri propulsivi d’interesse, i cui andamenti in funzione della pressione nel serbatoio sono riportati nella figura 4.7.
Nella figura 4.7 (a) sono rappresentati gli andamenti della pressione in camera di combustione pc e della portata ˙m per il propulsore da 5 N. La linea rossa tratteggiata indica la situazione
di cavitazione incipiente nel venturi (inception): non si può abbassare la pressione al di sotto questo valore altrimenti si pregiudica il corretto funzionamento del venturi come regolatore di portata.
Nella figura 4.7 (b) sono riportati l’andamento della spinta F e dell’impulso specifico Isp: di-scostandosi dalle condizioni nominali di pressione in camera di combustione, e quindi di pressione nel serbatoio, è possibile ottenere spinte comprese tra i 4 N ed i 7.5 N.
Analoghe considerazioni possono svolgersi per gli andamenti dei parametri propulsivi relativi al propulsore da 25 N e relativi al propulsore da 5 N con una concentrazione in peso pari al 70% (figure 4.7 (c)-(f)). Per i grafici relativi alle altre grandezze propulsive si può consultare il riferimento [79].
4.3.3 I componenti scelti
4.3.3.1 Il serbatoio
Il serbatoio è realizzato assemblando insieme gli elementi, prodotti dalla Italprotec S.a.s., di seguito riportati. L’ordine dell’elenco segue la disposizione degli elementi assemblati dall’alto verso il basso (figura 4.8).
• Una flangia cieca con diametro nominale di 1/2”. La flangia è aperta per l’operazione di riempimento del serbatoio e chiusa durante l’esecuzione dell’esperimento.
• Una croce rivestita internamente in PFA, con diametro nominale di 1/2”. E’ dotata di quattro bracci uguali, lunghi 65 mm, che servono per il collegamento con la flangia cieca, con la linea di pressurizzazione, con la linea di fuga per i gas prodotti dall’ eventuale decomposizione del perossido d’idrogeno ed infine con la flangia ridotta.
• Una flangia ridotta con diametri nominali di 1/2” e 4”. Consente il passaggio graduale della croce al tubo che costituisce l’elemento centrale del serbatoio.
• Un tubo internamente rivestito in PTFE con un diametro nominale di 4” ed una lunghezza di 300 mm.
• Una presa per strumenti con diametro nominale di 4”. E’ dotata di una flangia ANSI 300 DN20 PN40 per il collegamento col pozzetto della termocoppia.
(a)
(b)
Figura 4.7: Andamento dei parametri propulsivi al variare della pressione nel serbatoio. (a) pc e ˙m per
il propulsore da 5 N e perossido d’idrogeno all’87.5%. (b) F e Isp per il propulsore da 5 N e perossido
(c)
(d)
Figura 4.7: Andamento dei parametri propulsivi al variare della pressione nel serbatoio. (c) pc e ˙m per
il propulsore da 25 N e perossido d’idrogeno all’87.5%. (d) F e Isp per il propulsore da 25 N e perossido
(e)
(f)
Figura 4.7: Andamento dei parametri propulsivi al variare della pressione nel serbatoio. (e) pc e ˙m
per il propulsore da 5 N e perossido d’idrogeno al 70%. (f) F e Isp per il propulsore da 5 N e perossido
• Un’altra flangia ridotta, di dimensioni uguali alla precedente. Serve per il collegamento tra la presa per strumenti ed il raccordo a T.
• Un raccordo a T con diametro nominale di 1/2”. E’ dotato di tre bracci uguali di lunghezza pari a 65 mm. Questo raccordo è utilizzato per collegare il serbatoio con la linea di scarico rapido e con la linea di sparo.
Figura 4.8: Il serbatoio ed i suoi componenti. Si possono anche osservare, in corrispondenza del tubo centrale, le staffe che fissano il serbatoio alla griglia di supporto.
Tutti questi elementi sono realizzati in acciaio AISI 304L e sono internamente rivestiti con PTFE e con PFA. Il materiale scelto è compatibile col perossido d’idrogeno ed il rivestimento interno consente l’immagazzinamento per un lungo periodo.
Il volume interno è approssimativamente di tre litri. Questo volume, come detto nell’ analisi delle funzioni, è adeguato alla quantità di perossido d’idrogeno che si intende consumare nella generica sessione di esperimenti. Consente, infatti, un tempo di sparo di circa 160 s con il motore da 25 N alimentato con perossido d’idrogeno al 70%: questo tempo, valutato nella condizione
più critica, è ritenuto sufficiente. Il tempo di sparo sale a circa 1140 s nel caso migliore di motore da 5 N alimentato con perossido d’idrogeno all’87.5%.
4.3.3.2 I raccordi
Al fine di garantire la tenuta e l’assoluta pulizia nei raccordi tra i tubi della linea bagnata dal perossido d’idrogeno, si è deciso di utilizzare raccordi a tenuta frontale con guarnizione metallica VCR R prodotti dalla Swagelok. La tenuta è garantita da una guarnizione metallica serrata tra le
teste lucidate di due codoli da saldare ai tubi, in seguito all’accoppiamento di un dado maschio con un dado femmina. Poichè la tenuta non avviene sui filetti, non ci sono zone dove possa restare intrappolato il perossido d’idrogeno. Nella figura 4.9 si riporta lo schema del raccordo a tenuta frontale con guarnizione metallica VCR R
e nella figura 4.10 si riportano i due gruppi VCR R tipici, costituiti da quattro o cinque componenti.
Figura 4.9: Lo schema del raccordo VCR R.
Figura 4.10: I gruppi VCR R tipici.
Ai raccordi VCR R è possibile applicare la specifica di pulizia Swagelok SC-01, riportata
soddisfino i requisiti dei sistemi ad alta purezza, come appunto l’impianto d’ approvvigionamento. I raccordi, i codoli e le guarnizioni sono in acciaio AISI 316L.
Tutti gli strumenti e tutte le valvole presenti nell’impianto d’approvvigionamento si interfac-ciano con delle flange ANSI 300 da 1/2”. Il loro collegamento con i tubi da 1/4” è realizzato mediante adattatori flangiati, prodotti ancora dalla Swagelok (figura 4.11). Queste flange sod-disfano la specifica di pulizia SC-10, riportata in appendice D. A queste flange, realizzate di pezzo, si saldano col procedimento di saldatura orbitale i codoli per il raccordo VCR R
. Le saldature orbitali sono state realizzate presso la TGE s.r.l.
Figura 4.11: L’adattatori flangiato.
Per la linea dell’azoto sono stati scelti raccordi e collegamenti filettati NPT, data l’ assenza di specifiche esigenze.
4.3.3.3 Le tubazioni
Poichè il grosso delle perdite si concentra nell’attraversamento del letto catalitico e del venturi cavitante, poichè le portate sono relativamente piccole e poichè esistono dei vincoli sull’ ingombro dell’impianto d’approvvigionamento, si è deciso di utilizzare linee da 1/4”. Questa scelta consente anche di ridurre i costi.
I tubi utilizzati nella parte dell’impianto d’approvvigionamento bagnata dal perossido d’ idro-geno sono in parte rigidi ed in parte flessibili. I tubi rigidi sono in acciaio inossidabile AISI 316L e sono in grado di reggere una pressione di esercizio di 350 bar. I tubi flessibili sono costituiti da un tubo realizzato in PTFE e da un rivestimento intrecciato in acciaio AISI 304 SS e hanno una pressione di esercizio di 206 bar a 20◦C ( figura 4.12 (a)).
Alle estremità dei tubi rigidi sono stati saldati i codoli per i raccordi VCR R
mentre i tubi flessibili sono già predisposti con uscite VCR R.
Per il sottoimpianto dell’azoto si sono adottati dei tubi flessibili multiuso con pressione di esercizio di 24.1 bar a 20 ◦C per le linee di attuazione delle valvole e di ripulitura e dei tubi flessibili in acciaio inossidabile, con pressione operativa massima di 213 bar, per la linea di pressurizzazione (figura 4.12 (b)-(c)).
(a)
(b) (c)
Figura 4.12: I tubi flessibili: (a) per la linea bagnata dal perossido d’idrogeno; (b) per le linee di attuazione delle valvole e di ripulitura; (c) per la linea di pressurizzazione.
4.3.3.4 Le guarnizioni
Per i collegamenti flangiati non dotati di un’apposita tenuta integrale, sono state acquistate delle guarnizioni in PTFE.
4.3.3.5 Le valvole a sfera
Le valvole a sfera utilizzate per regolare l’entrata e l’uscita dal serbatoio e per azionare la ripulitura sono valvole da 1/2” in acciaio inossidabile 316L, con guarnizioni in PTFE vergine, e dotate di flange ANSI B16 classe 300 come connessioni (figura 4.13 (a)). Sono prodotte dalla Conbraco Industries Inc. e soddisfano elevati standards di pulizia, essendo specifiche per uso ossigeno.
Le valvole a sfera impiegate per il drenaggio del perossido d’idrogeno a monte ed a valle del venturi e prima del motore sono valvole da 1/4” in acciaio inossidabile 316 con guarnizioni in PTFE e dotate di connessioni VCR R
(figura 4.13 (b)). Sono prodotte dalla Swagelok e soddisfano la specifica di pulizia SC-11, riportata in appendice D.
Tutte le valvole a sfera sono azionate da appositi attuatori elettropneumatici.
Tutte le valvole a sfera utilizzate sono dotate di sfera con l’apposito sfiato di sicurezza per evitare sovrappressioni in caso di decomposizione del perossido d’idrogeno rimasto intrappolato nell’impianto. Quando la valvola è aperta, il perossido d’idrogeno vi fluisce attraverso ed il foro di sfiato non è interessato da questo passaggio. Quando invece la valvola è chiusa, l’eventuale sovrappressione prodottasi a valle della valvola può essere controllata dal foro, che consente lo sfiato direttamente in atmosfera. Lo schema di funzionamento è illustrato nella figura 4.14.
(a) (b)
Figura 4.13: Le valvole a sfera. (a) La valvola prodotta dalla Conbraco: è possibile notare le staffe che fissano la valvola alla griglia di sostegno. (b) La valvola prodotta dalla Swagelok.
Figura 4.14: Lo schema di funzionamento della sfiato nelle valvole a sfera.
Le valvole a sfera presenti sulla linea dell’azoto, non dovendo soddisfare nessuna esigenza particolare se non quella di resistere alla pressione di lavoro, sono delle semplici valvole a sfera manuali.
4.3.3.6 Le valvole di non ritorno e di sfiato
La valvola di non ritorno è una valvola completamente saldata, realizzata in acciaio AISI 316L e dotata di connessioni VCR R
. E’ in grado di consentire il passaggio del perossido d’ idrogeno verso valle ed arrestare il ritorno a monte con una differenza di pressione di 0.14 bar. Nella figura 4.15 sono illustrate la valvola utilizzata e la sua posizione a monte del venturi.
Anche le valvole di sfiato sono delle valvole di non ritorno, la cui apertura è regolata da una molla che può essere tarata alla pressione di sfiato desiderata. Queste valvole possono essere regolate in un intervallo di pressione compreso tra 24.2 e 41.4 bar: nell’impianto d’ approvvi-gionamento sono state tarate per consentire lo sfiato ad una pressione di 25 bar. Sono realizzate in acciaio inossidabile 316 e sono dotate di connessioni VCR R (figura 4.16).
(a) (b)
Figura 4.15: La valvola di non ritorno. (a) Foto della valvola usata. (b) La valvola, coperta dal tubo flessibile proveniente dal serbatoio, è posizionata a monte del venturi.
Figura 4.16: La valvola di sfiato.
dal perossido d’idrogeno sono in materiali compatibili. La valvola di non ritorno completamente saldata soddisfa la specifica di pulizia SC-01 e le altre valvole soddisfano la specifica SC-11.
Le valvole di non ritorno presenti sulla linea dell’azoto sono in acciaio inossidabile 316 L, con componenti interni in materiale compatibile col perossido d’idrogeno. Hanno connessioni filettate NPT femmina da 1/4”. Sono prodotte dalla Hamlet (figura 4.17).
Figura 4.17: La valvola di non ritorno posta sulla linea dell’azoto. Le linee di pressurizzazione e di ripulitura, bagnate dall’azoto, prevedono una valvola di non ritorno seguita da un filtro.
4.3.3.7 La valvola di sparo
Le valvole di sparo scelte sono delle valvole solenoidali con tempi di risposta inferiori ai 20 ms(figura 4.18). Sono realizzate in acciaio inossidabile. Presentano connessioni NPT da 1/4”. Possono resistere fino ad una pressione di 100 bar e la temperatura massima del fluido che le attraversa è di 100◦ C. Sono prodotte dalla ERA-SIB.
diametro del foro di passaggio, che è di 1.2 mm per il motore da 5 N e di 1.6 mm per quello da 25 N: questa scelta è giustificata dal voler minimizzare le perdite.
(a) (b)
Figura 4.18: La valvola di sparo (a) ed il suo posizionamento a monte del propulsore (b).
4.3.3.8 Il disco a rottura
Il disco a rottura scelto è prodotto dalla Schlesinger Gmbh. ed ha il notevole vantaggio di poter essere inserito in un raccordo VCR R, nella fattispecie in un raccordo VCR R da 1/4”, al
posto della guarnizione (figura 4.19).
E’ stato tarato ad una pressione di rottura di 38 bar.
4.3.3.9 I regolatori ed i manometri
Dal momento che l’azoto è impiegato come gas pressurizzato su più linee, ciascuna delle quali opera con una propria pressione di esercizio, occorre installare dei regolatori di pressione. I regolatori di pressione scelti sono realizzati in ottone e consentono di avere una pressione in ingresso fino a 240 bar ed una pressione in uscita compresa tra 0.3 e 41 bar. I collegamenti sono tutti di tipo NPT femmina da 1/4”.
I manometri scelti hanno un fondoscala di 70 bar e l’attacco al processo è da 1/4” NPT maschio.
I regolatori di pressione ed i manometri, illustrati in figura 4.20, sono stati acquistati presso la Tescom.
Figura 4.20: I regolatori ed i manometri: è possibile osservare il collegamento tra la bombola d’ azoto e le tre linee di pressurizzazione, di ripulitura delle tubazioni e di attuazione delle valvole elettropneumatiche.
4.3.3.10 I filtri
I filtri sono caratterizzati da un maglia di 5µm, dimensione che soddisfa le specifiche richieste per eseguire un corretto filtraggio delle linee di ripulitura e di pressurizzazione. I filtri sono del tipo in linea e sono dotati di collegamenti filettati NPT femmina da 1/4” (figura 4.17). Sono prodotti dalla HAM-LET.
4.3.3.11 La termocoppia
La termocoppia usata per monitorare la temperatura all’interno del serbatoio è una termo-coppia isolata in ossido minerale con calibrazione J, con intervallo di temperatura compreso tra 0 ◦C e 760◦C.
Per proteggere la termocoppia dall’azione corrosiva del perossido d’idrogeno si è deciso di inserirla in un apposito pozzetto da tubo, di diametro 10x1.5 mm con profondità d’immersione di 152 mm, realizzato in AISI 316 e rivestito in PTFE. L’attacco al processo avviene tramite flangia DN 20 PN 40.
Figura 4.21: La termocoppia ed il suo pozzetto: si può notare il collegamento flangiato con la presa per strumenti del serbatoio.
4.3.3.12 I trasduttori di pressione
I trasduttori di pressione assoluta utilizzati per monitorare la pressione nel serbatoio ed a valle del venturi sono del tipo a singola uscita. Presentano un’unica connessione VCR R da 1/4”.
Operano nell’intervallo di pressione compreso tra 0 e 40 bar. Le parti bagnate sono realizzate in acciaio 316 VIM-VAR e Elgiloy, compatibili col perossido d’idrogeno. Sono prodotti dalla Swagelok.
Il trasduttore di pressione differenziale, usato per misurare il salto di pressione nel venturi cavitante, ha le parti bagnate in Hastelloy C276 ed acciaio 316 SS. Presenta connessioni VCR R
da 1/4”. E’ in grado di misurare differenze di pressione di 25 bar. E’ prodotto dalla Honeywell Sensotec.
Nella tabella 4.3 sono riassunte le caratteristiche principali dei trasduttori utilizzati e nella figura 4.22 si riportano le loro foto.
Tabella 4.3: Caratteristiche principali del trasduttore di pressione assoluta della Swagelok e del trasduttore di pressione differenziale della Sensotec.
Trasduttore di pressione assoluta Trasduttore di pressione differenziale Linearità, [%F.S.] ≤ 0.2 ≤ 0.01 Isteresi, [%F.S.] ≤ 0.03 ≤ 0.01 Non ripetibilità, [%F.S.] ≤ 0.05 ≤ 0.01 Campo di temperatura d’impiego, [◦C] -20 ÷ 85 -20 ÷ 140 Campo di temperatura compensato, [◦C] -20 ÷ 85 5 ÷ 60
(a) (b)
Figura 4.22: I trasduttori di pressione: (a) assoluta; (b) differenziale.
4.3.3.13 Il flussimetro
Per monitorare la portata a valle del venturi cavitante, si è scelto un flussimetro che sfrutta il principio di Coriolis per il suo funzionamento (figura 4.23). Le parti bagnate sono in acciaio AISI 316L. Ha connessioni flangiate ANSI 300 da 1/2” ed è dotato di una piastra di montaggio integrale che facilita l’installazione in posizione orizzontale o verticale. Consente di misurare anche la densità e la temperatura. Le altre caratteristiche sono riportate nella tabella 4.4. E’ prodotto dalla KHRONE.
Tabella 4.4: Caratteristiche principali del flussimetro.
Portata nominale
[kg/h] 350
Massima portata 130% della portata nominale Precisione di misura,
liquidi
± 0,1% della portata istantanea misurata più la stabilità di zero Precisione di misura,
gas
± 0,5% della portata istantanea misurata più la stabilità di zero Ripetibilità 0,05% più la stabilità di zero Stabilità di zero ± 0,05% della portata nominale Intervallo di densità,
[kg/m3] 500 ÷ 2000
Accuratezza della misura di densità,
[kg/m3]
± 2 Intervallo di temperatura,
[◦C] -10 ÷ 150
Accuratezza della misura di temperatura,
[◦C]
Figura 4.23: Il flussimetro.
4.3.3.14 Il venturi cavitante
I venturi cavitanti sono stati progettati dalla Flowmaxx secondo i seguenti dati di progetto: fluido di lavoro perossido d’idrogeno all’87.5%; portata nel punto di progetto di 3.65 g/s per il motore da 5 N e di 18.25 g/s per il motore da 25 N; pressione nel punto di progetto di 16.4 bar. I venturi sono stati realizzati praticando un foro di apposita forma nel centro di una flangia piena ANSI 300 da 1/2”. Le dimensioni di gola sono di 0.010” e 0.023” rispettivamente per il motore da 5 N e da 25 N. Nella figura 4.24 si riporta una foto del venturi da 5 N.
Figura 4.24: Il venturi cavitante: si può notare come il venturi sia racchiuso tra due adattatori flangiati, uno dei quali è tenuto fermo da un’apposita staffa.
4.3.4 La distribuzione spaziale
I componenti dell’impianto d’approvvigionamento sono stati disposti spazialmente consideran-do il vincolo sull’ingombro: questo vincolo, come già detto, è nato dalla volontà di inserire l’impianto all’interno di un sistema che ne consentisse un facile trasporto.
Il sistema scelto, prodotto dai fratelli Faenzi, è un ‘cubo’ munito di ruote e di gancio per il trasporto mediante veicoli terrestri (figura 4.25 (a)). Il volume interno è suddiviso in una zona dedicata all’impianto d’approvvigionamento, un’altra dedicata alla bilancia di spinta e un’ ultima destinata ai componenti elettrici e vi si accede mediante portelloni ricavati in tre delle quattro facce laterali del ‘cubo’. Questi portelloni sono dotati di serratura impedendo l’ accesso all’ im-pianto d’approvvigionamento, e quindi ad una zona potenzialmente pericolosa, al personale non autorizzato.
L’impianto d’approvvigionamento è fissato su una griglia quadrata di lato 1390 mm e spessa 20 mm (figura 4.25 (b)). E’ realizzata in acciaio inossidabile ed è ha la possibilità di scorrere all’ in-terno del ‘cubo’, consentendo di variare lo spazio dedicato all’impianto d’ approvvigionamento e alla bilancia di spinta. La griglia è inoltre appoggiata su dei cuscinetti ad aria che consentono di ridurre le vibrazioni percepite dall’impianto durante l’eventuale trasporto. Il serbatoio, le valvole a sfera e le flange di collegamento al venturi cavitante sono tenuti in posizione da robuste staffe che si impegnano alla griglia. Il flussimetro, il trasduttore di pressione differenziale e le valvole a sfera prodotte dalla Swagelok sono invece fissate su una piastra di appoggio posta anteriormente alla griglia. A tal proposito, è stato necessario realizzare presso l’officina di Alta S.p.A. la suddetta piastra di appoggio, insieme ad alcuni elementi di sostegno per il flussimetro e per la piastra stessa: i loro disegni sono riportati nell’appendice E.
Sul piano di appoggio posteriore si è posto invece la bilancia di spinta, di cui si parlerà nel capitolo 5, che è disposto in modo che il propulsore possa sparare attraverso un’idonea apertura realizzata sull’unica faccia laterale del ‘cubo’ che non si apre (figura 4.25 (c)).
Nella zona dedicata ai componenti elettrici, illustrata in figura 4.25 (d), si è disposto il pannello per l’alimentazione, che fornisce i valori corretti di tensione agli strumenti di misura e agli attuatori elettropneumatici delle valvole. Si è anche inserito un pannello che consente mediante degli interruttori di azionare manualmente tutte le valvole.
Il ‘cubo’ presenta inoltre una serie di aperture e condotti che consentono di disporre ordi-natamente i numerosi fili elettrici ed i tubi flessibili necessari al collegamento tra la linea bagnata dal perossido d’idrogeno e quella bagnata dall’azoto. Si ricorda che nel ‘cubo’ è stata inserita la sola linea dell’impianto d’approvvigionamento bagnata dal perossido d’idrogeno.
4.3.5 Il costo
Nella tabella 4.5 si riporta un elenco dettagliato di tutti i componenti dell’impianto d’ approv-vigionamento e del loro costo.
Per il sottimpianto bagnato del perossido d’idrogeno, è stato necessario prendere un numero maggiore, rispetto a quello strettamente necessario, di guarnizioni argentate ed in PTFE: infatti, ogni qualvolta si sostituisce il propulsore ed il venturi cavitante ed in generale ogni qualvolta si ef-fettua un’operazione di manutenzione e sostituzione attorno all’impianto d’ approvvigionamento, non è possibile utilizzare le stesse guarnizioni.
Si è ritenuto inoltre opportuno acquistare alcuni raccordi e tubi flessibili di riserva, che si sono rivelati estremamente utili. Infatti, poco prima dell’inizio della campagna sperimentale e
(a)
(b)
Figura 4.25: Il ‘cubo’ ed il banco di prova. (a) Il cubo è chiuso e contiene al suo interno l’intero banco di prova. E’ pronto al trasporto. (b) Vista dal lato dell’impianto d’approvvigionamento: è possibile notare la griglia di supporto e, in basso a sinistra, il contenitore per lo scarico rapido d’emergenza del perossido d’idrogeno.
(c)
(d)
Figura 4.25: Il ‘cubo’ ed il banco di prova. (c) Vista dal lato della bilancia di spinta: è possibile osservare l’unico lato del cubo che non si apre, nel quale è presente una fessura per consentire al propulsore di sparare. (d) Vista dal lato elettrico. Si possono notare procedendo dall’alto verso il basso: il pannello per l’apertura/chiusura manuale delle valvole; il pannello per l’alimentazione degli strumenti di misura; le vaschette con i connettori da cui partono i cavi elettrici, provenienti dagli strumenti di misura e diretti al sistema d’acquisizione dei dati.
dopo aver caratterizzato sperimentalmente il venturi, il flussimetro si è rotto ed è stato necessario riconfigurare l’impianto d’approvvigionamento: figura 4.26.
Anche questi componenti aggiuntivi sono stati conteggiati nel costo totale dell’impianto d’ approvvigionamento.
Figura 4.26: L’impianto d’approvvigionamento senza il flussimetro. Si è provveduto al collegamento diretto con dei tubi flessibili tra il venturi cavitante ed il propulsore.
Tabella 4.5: Elenco dei componenti acquistati per l’impianto d’approvvigionamento e loro costo.
Società Componente Modello Q.tà Costo unitario
Costo totale Italprotec Flangia cieca
304L/PFA DN 1/2” ANSI 300 1 30,00 30,00 Croce 304L/PFA DN 1/2” ANSI 300 1 196,00 196,00 Flangia ridotta 304L/PFA DN 4”x1/2” ANSI 300 2 345,00 690,00 Tubo 304L/PFA DN 4” ANSI 300 1 437,00 437,00
Presa per strumenti 304L/PFA DN 4” ANSI 300 DN 20 PN 40 1 368,00 368,00 Tee 304L/PFA DN 1/2” ANSI 300 1 138,00 138,00 Co-partecipazione costo attrezzatura per la flangia ridotta
250,00
Subtotale Italprotec 2109,00 Swagelok Unione a gomito
VCR R maschio 1/4”
SS-4-VCR-9 5 27,85 139,25
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Società Componente Modello Q.tà Costo unitario Costo totale Unione a T VCR R maschio 1/4” SS-4-VCR-T 9 36,78 331,02 Unione a croce VCR R maschio 1/4” SS-4-VCR-CS 7 49,14 343,98 Codolo lungo a saldare di testa 1/4” 6LV-4-VCR-3-4TB2 7 9,79 68,53 Codolo lungo a saldare di testa 1/2” 6LV-8-VCR-3-8TB2 13 15,60 202,80 Dado maschio 1/4” per codolo SS-4-VCR-4 1 4,63 4,63 Dado femmina 1/4” per codolo SS-4-VCR-1 6 5,49 32,94 Dado maschio 1/2” per codolo lungo
SS-8-VCR-4 13 9,25 120,25 Unione a femmina girevole VCR R 1/4” SS-4-WVCR-6-DF 20 50,00 1000,00 Doppio raccordo maschio VCR R 1/4” SS-4-VCR-6-DM 2 14,31 28,62 Doppio raccordo di riduzione femmina 1/2” - 1/4” SS-8-VCR-6-DF-4 3 30,22 90,66 Adattatore di riduzione VCR R femmina 1/2” maschio 1/4” SS-4-VCR-7-8VCRF 8 29,57 236,56 Connettore NPT maschio 1/4” SS-4-VCR-1-4 2 10,65 21,30 Connettore NPT femmina 1/4” SS-4-VCR-7-4 2 16,35 32,70 Connettore NPT maschio 1/2” SS-8-WVCR-1-8 2 66,03 132,06 Adattatore di riduzione NPT femmina 1/2”- 1/4” SS-8-RA-4 2 17,64 35,28 Tappo femmina VCR R 1/4” SS-4-VCR-CP 3 12,48 37,44 Adattatori flangiati 1/2” ANSI 300 SS-8-TA-F8-300 13 89,71 1166,23 Guarnizione senza fermo non argentata 1/4” SS-4-VCR-2-VS 80 1,94 155,20 Guarnizione senza fermo non argentata 1/2” SS-8-VCR-2-VS 20 2,48 49,60 Tubo flessibile con uscite VCR R femmina 1/4” e lunghezza di 8 in SS-TL4RF4RF4-8 2 97.43 194,86 Tubo flessibile con uscite VCR R femmina 1/4” e lunghezza di 26 in SS-TL4RF4RF4-26 7 109,71 767,97 Tubo flessibile con uscite VCR R femmina 1/4” e lunghezza di 122 in SS-TL4RF4RF4-122 8 175,71 1405,68
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Società Componente Modello Q.tà Costo unitario Costo totale Tubo flessibile in metallo con uscite NPT maschio 1/4” SS-FL4PM4PM4-300CM 1 292,29 292,29 Tubo flessibile multiuso PB-4-BK 76 m 6,32 480,32 Connessione per tubo flessibile NPT maschio 1/4” SS-PB4-PM4 40 8,61 344,40 Tubo in 316L con diametro 1/4” e spessore 0.035” SS-T4-S-035-6ME 6 m 10,70 64,20 Trasduttore di pressione
0-40 bar (di estrem-ità) PTU-S-AG40-23AD 2 498,11 996,22 Valvola a sfera con attuatore elettropneumatico ed uscite VCR maschio 1/4” SS-62TNDVVCR4LDSC11-31DCB 3 782,29 2346,87
Valvola di non ritorno serie ‘CA’
con uscite VCR R
maschio 1/4”
SS-4CA-VCR-350-SC11 3 120,14 360,42
Valvola di non ritorno completamente saldata con uscite VCR R maschio 1/4” 6L-CW4VR4-P 1 136,67 136,67 Subtotale Swagelok 11618,95 TGE Saldature orbitali
tra adattatori flangiati e codoli da 1/4” 4 38,50 154,00 Saldature orbitali tra adattatori flangiati e codoli da 1/2” 13 38,50 500,50 Subtotale TGE 654,50 Conbraco Valvola a sfera
Attuatore elettropneumatico Valvola solenoidale SB-C13-ARHP1 3TD-720-00A 3T8-411-20 5 727,47 3637,35 Subtotale Conbraco 3637,35 Watlow Termocoppia e pozzetto MRR100/304/152/10/PTFE 1 275,00 275,00 Subtotale Watlow 275,00 Schlesinger Disco a rottura 3 96,60 289,80 Subtotale Schlesinger 289,80 Krohne Flussimetro MFS 7100 S04 1 4970,00 4970,00 Subtotale Krohne 4970,00 Flowmaxx Venturi cavitante 2 850,00 1700,00 Subtotale Flowmaxx 1700,00 Sensotec Trasduttore
differenziale
FP2000 FDW 1 2u 6a 1 1372,00 1372,00
Subtotale Sensotec 1372,00
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Società Componente Modello Q.tà Costo unitario Costo totale Gore Guarnizioni flangia 1/2” 50 5,00 250,00 Guarnizioni flangia DN 25 PN 40 5 5,00 25,00 Subtotale Gore 275,00 Precision Regolatore di pressione 44-5216-243-V 3 311,08 933,24 Manometro 4802-1000N 3 87,87 263,61 Filtro in linea HAM-LET 2 55,50 111,00
Valvola di non ritorno HAM-LET
3 41,20 123,60
Subtotale Precision 1431,45 Totale impianto d’approvvigionamento 28342,05
