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(Materiale gentilmente fornito dalla ACCORRONI S.p.A.)
TOTEM (TOTAL ENERGY MODULE)
MODULO DI COGENERAZIONE
AD ENERGIA TOTALE
Il TOTEM è un cogeneratore ad alto rendimento che produce contemporaneamente 15 KW di potenza elettrica e 39 KW (33.500 kcal/h) di potenza termica.
una serie di scambiatori di calore
un sistema elettrico/elettronico di regolazione e controllo.
Il tutto alloggiato in un involucro di ingombro ridotto, isolato all’interno con materiale di alta capacità coibente che impedisce la dispersione del calore e nello stesso tempo riduce notevolmente la rumorosità del motore termico.
Il generatore elettrico eroga 15kW di potenza a tensione trifase mentre tutto il calore ricuperato viene trasferito all’utenza sotto forma di acqua calda
Il totem è un apparecchio previsto per essere utilizzato in impianti di cogenerazione asserviti ad installazioni di tipo CIVILE – INDUSTRIALE – AGRICOLO.
Data la notevole diversità di applicazioni in cui può essere impiegato esso si presta ad una vasta gamma di soluzioni impiantistiche. Può essere alimentato con un’ampia scelta di gas (metano, gas liquido, gas di città, biogas).
Nel settore agricolo la produzione del biogas, attraverso appositi impianti, sta diventando una necessità in relazione all’inquinamento ambientale che gli allevamenti intensivi possono generare.
La gestione e il controllo del TOTEM sono realizzati da un sistema elettronico costituito da un microprocessore, da convertitori A/D e trasduttori analogici.
I segnali analogici provenienti dai trasduttori (pressione, temperatura, livello, ecc.) sono convertiti in forma digitale e inviati al microprocessore.
Se i valori assunti dalle grandezze controllate sono superiori ai valori di soglia impostati, il microprocessore blocca il funzionamento del TOTEM segnalando sul display l’anomalia (minima pressione, fuori giri, fuga gas, ecc.) che ha causato l’arresto.
Per il funzionamento a isola, il controllo della frequenza di rete e la modulazione della potenza elettrica erogata, in funzione della richiesta dell’utenza, sono accentrate in un’unica funzione di asservimento della valvola a farfalla sul condotto di alimentazione.
Si tratta di un loop di controllo che tende ad annullare le variazioni della frequenza di rete agendo sul comando del motorino lineare (attuatore) che aziona la farfalla sul condotto.
Infatti quando si ha una variazione di carico elettrico, il generatore asincrono risponde variando il suo scorrimento, con una conseguente variazione di frequenza (il regime di rotazione istantaneo non varia). Il controllo registra questa variazione di frequenza e risponde con un comando sull’attuatore della farfalla. In tal modo la frequenza si riporta al valore nominale ed il motore termico corregge il suo punto di funzionamento per adeguarsi alla variazione di potenza richiesta. Essendo la velocità di risposta del sistema assai elevata, ne risulta un controllo efficace e preciso.
Il motore può essere alimentato con diversi tipi di gas (metano, gas liquido, biogas, ecc.); a tal fine sul coperchio distribuzione è montata una piastrina appositamente studiata che permette la variazione dell’anticipo in funzione del gas utilizzato: 45° per biogas (1° foro in alto), 35° per metano (2° foro), 25° per GPL (3° foro).
Diagramma di Sankey: evidenzia il recupero dei calori generati e la suddivisione del calore perso.
Analizziamo, in maniera più approfondita i vari componenti del totem:
a. Motore termico FIAT 100 GL (903 cm3 di cilindrata) appositamente adattato per il TOTEM. La meccanica principale del motore termico base è rimasta inalterata. Le modifiche principali riguardano la forma della coppa olio, un serbatoio olio supplementare, l’alimentazione, il circuito di raffreddamento e la trasmissione del moto a mezzo di giunto elastico.
b. Generatore elettrico. L’energia elettrica è generata da una macchina asincrona trifase con rotore a gabbia di scoiattolo in alluminio pressofuso e con camicia in ghisa per raffreddamento.
c. Circuito idraulico primario. E’ un circuito chiuso percorso da liquido refrigerante che scambia calore a diverse temperature e posti, rispettivamente: sulla coppa motore, sul basamento e sullo scarico fumi. Il circuito idraulico primario scambia infine calore con il circuito secondario (scambiatore acqua/acqua) il quale fornisce le varie utenze.
d. Sistema adduzione gas. E’ composto da due elettrovalvole interne alla macchina una delle quali con regolazione di portata. La tubazione seguente porta direttamente ad un miscelatore aria/gas posto sulla aspirazione motore.
e. Telaio. Tutti i componenti del TOTEM sono montati su uno chassis ed isolati dall’esterno da pannelli coibentati muniti di una serie di guarnizioni. In questo modo si evita la dispersione del calore verso l’esterno, si riduce la rumorosità del motore termico a meno di 64dB ad 1 metro di distanza dal TOTEM.
f. Sistema elettronico di regolazione e controllo. I controlli e le regolazioni delle varie funzioni del TOTEM sono affidati ad un sistema elettronico costituito da una scheda elettronica, convertitori A/D e trasduttori analogici di segnali. Il sistema controlla il corretto funzionamento del TOTEM, l’asservimento del gruppo a regolazioni esterne dipendenti dall’impianto e provvede inoltre ad arrestare il gruppo nel caso di avaria. L’avaria è visualizzata sul display del pannello di controllo.
g. Controllo di minima e massima tensione e frequenza. E’ un dispositivo che inserito in un sistema trifase con neutro, è in grado di fornire un allarme (diseccitazione di un relè) se per un certo numero di periodi consecutivi la frequenza o la tensione di una delle tre fasi sono uscite da un campo di valori prefissato. Il relè torna ad eccitarsi automaticamente non appena la frequenza o la tensione sono rientrate nel campo di valori prefissato.
Le versioni del TOTEM presenti sul mercato sono:
1) TOTEM BASE;
2) TOTEM STAND-BY: a) PARALLELO-EMERGENZA
b) INDIPENDENTE
TOTEM BASE: questa versione è prevista per il solo funzionamento al massimo regime. Quindi è sprovvisto di qualsiasi controllo sull’alimentazione.
Funzionamento in Parallelo-Emergenza: In condizioni normali, cioè con rete elettrica pubblica attiva, il TOTEM STAND-BY è collegato ad essa in parallelo e produce 15 kW di energia elettrica e 39 kW termici.
In caso di mancanza di corrente (black out) il TOTEM STAND-BY si sgancia automaticamente dalla rete e fornisce il servizio elettrico di continuità per le utenze privilegiate. In questa fase il TOTEM STAND-BY provvede ad adeguarsi ai carichi di utenza elettrica con una proporzionale produzione di calore.
Senza interruzione di funzionamento, nel momento in cui la rete elettrica pubblica torna attiva il TOTEM STAND-BY vi si inserisce in fase con la massima sicurezza. L’avviamento del TOTEM STAND-BY, indipendentemente dalla situazione della rete elettrica pubblica (attiva o in black out), avviene per mezzo di un motorino e di una batteria.
Funzionamento in indipendente: Quando non esiste la rete elettrica pubblica, o venga scelto il funzionamento ad isola, il TOTEM Stand-by si rivela un vero e proprio gruppo elettrogeno a potenza variabile, con contemporanea produzione di calore.
L’accensione elettronica statica è un sistema controllato da microprocessori che, sulla base delle informazioni provenienti dagli ingressi, elabora ed attua l’angolo d’anticipo più corretto alle diverse condizioni del motore.
Il sistema realizza inoltre, in modo elettronico mediante due bobine a doppia uscita, la distribuzione statica dell’alta tensione.
La soluzione adottata sfrutta le diverse condizioni di pressione e di ambiente esistenti contemporaneamente nei due cilindri 1-4 e 3-2.
Infatti, mentre il cilindro in compressione si avvicina alla fase di scoppio in presenza di miscela ‘aria-gas”, nell’altro cilindro si ha una fase di bassa pressione con lo scarico del gas della combustione.
L’interruttore della corrente primaria genera, per induzione una elevata tensione dell’ordine di 20.000 V, alle due uscite di alta tensione (secondario cil. 1-4 e 3-2). Una piccolissima parte di tensione 500 V circa innesca la scintilla persa sul cilindro in fase di scarico, di conseguenza l’alta tensione generata si localizzerà sul cilindro in compressione consentendo l’accensione della miscela.
La distribuzione statica dell’alta tensione (collegamento diretto bobina-candele) mantiene elevate le prestazioni.
La generazione di energia elettrica è effettuata da una macchina asincrona trifase con rotore a gabbia di scoiattolo e con camicia di raffreddamento ad acqua.
A comando, il motore elettrico si avvia e trascina il motore termico che in meno di 2 secondi viene lanciato a 3000 giri/min; a tale regime il motore asincrono diventa generatore ed elemento di regolazione del sistema, che viene così mantenuto a regime costante.
Il circuito primario è composto da:1) Scambiatore olio/acqua, 2) Camicia d’acqua del motore, 3) Scambiato gas di scarico/acqua, 4) By-pass termostatizzato, 5) Vaschetta di espansione, 6) Scambiatore acqua/acqua, 7) Pompa di circolazione, 8) Tappo di taratura della pressione nel circuito primario.
Il circuito secondario è composto da: 6) Scambiatore acqua/acqua, 9) Camicia d’acqua del generatore asincrono.
Condizioni generali d’esercizio del circuito primario:
In fase di avviamento il termostato parzializza il circuito interno fino al raggiungimento della temperatura minima, regolando poi la temperatura in funzione dello scambio con il circuito esterno.
- Tmin ingresso acqua coppa olio = 70 °C;
- Tmax uscita acqua scambiatore gas/acqua = 97°C;
- Fluido di lavoro = acqua non addolcita leggermente additivata di anti-incostranti;
- Portata acqua : >2000 l/h;
- Pressione d’esercizio = 500-800 mbar;
- Capacità totale del circuito = 20 l.
Condizioni generali d’esercizio del circuito secondario:
- Tmin ingresso motore elettrico = 20°C;
- Tmax ingresso motore elettrico = 90°C;
- Tmax uscita scambiatore acqua/acqua = 90°C;
- Pressione di esercizio = 4 bar;
- Portata minima = 1000 l/h;
- Capacità totale del circuito = 10 l.
Con questo diagramma si riportano le temperature nei due circuiti, la regolazione termostatica e l’eventuale intervento delle protezioni sul primario e sul secondario.
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delta
T utile = 15 °C.
Consumo specifico: Metano: 2,0 – 5,7 Nm3/h
G.P.L. : 1,5 – 4,2 kg/h
Biogas*: 3,0 – 8,4 Nm3/h * : tenore di CH4 = 60%.
Per il buon funzionamento dell’impianto il gas deve avere le caratteristiche seguenti:
- Pressione di alimentazione 20 mb (metano), 28?30 mb (butano), 37 mb (propano).
- Filtraggio al 99,9% delle polveri con diametro superiore a 5 micron (per tutti i tipi di gas).
- Grado di umidità: liquido assente, oppure vapore saturo secco (per tutti i tipi di gas).
- Tenore di H2S massimo ammesso: 0,01% in volume (Biogas).
