Utilizzo di un prototipo e confronto con altri sistemi di misura capacitivi per la determinazione delle caratteristiche igrometriche del cippato

Actually biomasses generate about 7% of national electricity coming from sustainable power sources. The use of wood by-products, such as wood-chips, has economic advantages because, with the same produced energy, the final product has a lower price than other fuels and production and storage systems are less expensive. This thesis work began at the Mombracco power station (Envie, CN), which uses wood-chips obtained from wastes of sawmills and pruning in a range of about 20 km from the power station. The main factor affecting the quality of the wood-chip is its moisture quantity because, if it is high, the quantity of energy used to evaporate water is greater. Different types of moisture meters exist: some of them use the polarity of water, others use magnetic characteristics of hydrogen. Resistive meters are based on the capacity of moisture to reduce the electric resistance and others use the capacitive measurement system, based on the measure of the voltage of an electric field passing through an humid medium. This type of meters, called capacitors, are present in different devices, inserting and extracting manually wood-chips from the capacitor, so requiring a considerable use of time, human resources and money. To solve this disadvantages, the C.N.R. Imamoter Institute designed and realized a wood-chip moisture meter (capacitive type), planned to be directly placed in the wood chippers, in order to measure moisture continuously, more times in a minute, when wood-chips come out from the cut equipment of the wood chipper. When the prototype has been realized, it has been calibrated, to correctly assign a correct voltage to the humidity present in the wood-chip; during the execution of the tests for the calibration, some modification to the structure and to the circuit of the prototype has been done, with the aim to make the instrument more precise. The calibration phase was done introducing plastic containers (500 ml capacity) full of water inside the capacitor: when the water incremented, the voltage diminished. More difficult was to find out the relation between the voltage of the capacitor and the humidity present in the wood-chips into the prototype. These tests started with the humidity measurement of different types of wood-chip (essence, chip size) all mixed together: during all the tests, the reference values were obtained by drying the chips in an airy stove. Afterwards, the mixed wood chip samples were divided in three size classes: inferior to 16 mm, from 16 to 34 mm and from 35 to 64 mm. This was done to better understand if the electric field inside the capacitor (and therefore the voltage) could be influenced from both the ratio wood/air and the layout of the chip fibers as to the plates. A good relation between moisture and voltage has been observed, to determine a curve which could be used as reference point for the calibration of the instrument. The experimental results strengthened, as expected, the inversely proportionality between voltage and humidity. Differences in the chip sizes were observed: in the wood-chips with small size there was a considerable quantity of air that increased the values of the voltage, whereas wood-chip with large size was often associated with sawdust that, on the contrary, reduced the voltage values; these evidences are present also in the others capacitive instruments, as a proof of the fact that the prototype operate correctly even if it must be improved.

Attualmente le biomasse producono circa il 7% dell'energia elettrica nazionale proveniente da fonti rinnovabili. L'utilizzo di derivati del legno, come cippato, ha vantaggi economici perché, con la stessa energia prodotta, il prodotto finale ha un prezzo più basso di altri combustibili e anche la produzione e lo stoccaggio sono meno costosi. Il lavoro di tesi ha avuto inizio presso la centrale della Società Mombracco (Envie, CN), che utilizza cippato ottenuto da scarti di segherie e potature in un raggio di circa 20 km dalla centrale. La centrale utilizza biomassa legnosa per produrre energia elettrica, che immette nella rete elettrica nazionale, ed energia termica, collegata ad una rete di teleriscaldamento. Il fattore che più influisce sulla qualità del cippato è la sua quantità di umidità perché, più è alta, maggiore è la quantità di energia impiegata per far evaporare l'acqua. Esistono diversi tipi di misuratori di umidità: alcuni sfruttano la polarità dell'acqua, altri utilizzano le caratteristiche magnetiche dell'idrogeno. Quelli resistivi si basano sulla capacità dell'umidità di ridurre la resistenza elettrica e altri utilizzano il sistema di misura capacitivo, basato sulla misurazione della tensione di un campo elettrico che attraversa un mezzo umido. Questo tipo di misuratori (condensatori) prevedono l'inserimento e l'estrazione del cippato manualmente nel condensatore, con un notevole dispendio di tempo, risorse umane e denaro. Per ovviare a ciò, l'Istituto Imamoter del C.N.R. ha studiato e realizzato un misuratore di umidità di tipo capacitivo, progettato per essere installato direttamente sulle cippatrici, al fine di misurare l'umidità in continuo quando il cippato fuoriesce dall'organo di taglio della cippatrice. Dopo la realizzazione del prototipo, è stato calibrato per assegnare una corretta tensione all'umidità; durante l'esecuzione delle prove sono state effettuate alcune modifiche alla struttura e al circuito, per renderlo più preciso. La fase di calibrazione è iniziata introducendo contenitori di plastica (500 ml di capacità) pieni di acqua dentro il condensatore: quando l'acqua aumentava, la tensione diminuiva. Maggiori difficoltà ci sono state nel trovare la relazione tra tensione e umidità del cippato dentro il prototipo. Queste prove sono iniziate con le misurazioni di umidità di differenti tipi di cippato (essenze e dimensioni) mescolati e i valori di riferimento sono stati ottenuti con essiccazione del cippato in stufa ventilata. Successivamente, i campioni di cippato misto sono stati divisi in tre classi di lunghezza (inferiore a 16 mm, da 16 a 34 mm e tra 35 e 64 mm) per capire meglio se il campo elettrico nel condensatore (e quindi la tensione) potesse essere influenzato dal rapporto legno/aria e dalla disposizione delle fibre delle scaglie rispetto alle piastre delle armature. È stata osservata una stretta relazione tra umidità e tensione, che ha permesso di risalire ad una curva di tendenza da utilizzare come punto di riferimento per la taratura dello strumento. Differenze sono state osservate riguardo alla pezzatura: nel cippato a pezzatura più piccola è spesso presente segatura che abbassa i valori di tensione; nel cippato a pezzatura più grande, al contrario, si trova una notevole quantità di aria che alza i valori di tensione. Queste osservazioni si hanno per tutti i misuratori di tipo capacitivo già esistenti, a dimostrazione che il prototipo funziona correttamente, anche se deve essere migliorato.