Modulo 0.1: Richiami di componentistica. Valvole ed attuatori

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale e Magistrale Modulo 0.1: Richiami di componentistica Valvole ed attuatori Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 2

3 Generalità Organi di intercettazione e regolazione (valvole) Col nome di organi di intercettazione e regolazione si intendono tutti quei dispositivi, detti comunemente valvole, che hanno la funzione di intercettare o regolare il flusso dei fluidi nelle tubazioni. Questi dispositivi sono realizzati nelle forme e nei materiali più svariati ed è quindi importante sceglierne il tipo più adatto in relazione alle caratteristiche d'impiego. Nello sviluppo di un progetto di impianto questa scelta occupa un posto quanto mai importante perché la conduzione dell'impianto, essendo effettuata in gran parte mediante manovre eseguite dalle valvole installate sul piping, dipende essenzialmente dalle loro prestazioni. 3

4 Generalità Componenti principali valvola manuale Corpo valvola: è la struttura principale della valvola, in cui sono ricavati i passaggi destinati allo scorrimento del Attuatore (manuale) fluido. Cappello: chiude l'apertura attraverso la quale vengono introdotti nel corpo valvola gli organi interni della valvola (otturatore e sede di tenuta) e gli organi destinati al comando dell'otturatore. Stelo: è l elemento di comando dell'otturatore. Passa attraverso il cappello e deve essere dotato di un sistema di tenuta (treccia e premistoppa). Otturatore: è il componente mobile, solidale allo stelo, che modifica la sezione di passaggio del fluido fino a chiuderla/aprirla totalmente. Sede di tenuta: componente solidale col corpo della valvola (al quale è collegato solitamente mediante filettatura). Al termine della sua corsa l'otturatore si appoggia sulla sede di tenuta, determinando l intercettazione del flusso attraverso la valvola. Attuatore: dispositivo atto a generare il movimento dello stelo. In Figura è mostrato un attuatore manuale (volantino), ma l attuatore può anche essere di tipo automatico (ad esempio, penumatico, elettrico, ). 4

5 Generalità A seconda del tipo di attuatore le valvole si possono distinguere in: - Valvola manuale; - Valvola automatica: attuatore di tipo elettrico, pneumatico, idraulico, elettropneumatico, elettroidraulico, ad azione diretta del fluido (valvola di non ritorno a clapet); Le valvole possono essere classificate anche per il tipo di funzione: - Valvola di intercettazione: la funzione è quella di favorire il completo passaggio del fluido (valvola aperta) o l arresto del fluido (valvola chiusa). - Valvola di regolazione: l otturatore varia la propria posizione tra quelle di chiusura e apertura. Così facendo, è possibile variare pressione e portata del fluido. - Altre valvole: Valvola unidirezionale (valvola di non ritorno) Valvola di sicurezza 5

6 Generalità Valvole di intercettazione: valvole a saracinesca P&I Sono caratterizzate da: Movimento dell otturatore perpendicolare rispetto al passaggio del cuneo L otturatore può essere metallico o gommato in funzione dell applicazione modalità di regolazione Criteri di scelta: Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia) Perdite di carico generate dalla valvola Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta) 6

7 Valvole di intercettazione: rubinetto a sfera P&I Generalità Sono caratterizzate da: Tenuta realizzata mediante una sfera che, ruotando, comprime le guarnizioni poste sul corpo valvola Numerose tipologie in funzione della forma costruttiva e dei materiali impiegati Perdite di carico contenute Criteri di scelta: Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia) Perdite di carico generate dalla valvola Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta) 7

8 Valvole di intercettazione: valvole a globo P&I Generalità Sono caratterizzate da: Corpo sferico con le due metà separate da un deflettore; Tenuta elevata e duratura nel tempo Criteri di scelta: Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia) Perdite di carico generate dalla valvola Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta) 8

9 Generalità Valvole per altre applicazioni: valvole di non ritorno P&I Funzione: impedire al fluido di refluire in direzione opposta al verso imposto Criteri di scelta: Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia) Cracking pressure: minima pressione del fluido a monte della valvola che determina l apertura della valvola; Back pressure: differenza di pressione fra monte e valle della valvola 9

10 Generalità Valvole per altre applicazioni: valvola di sicurezza P&I Funzione: in caso di sovrappressioni nel circuito scarica il fluido in atmosfera 10

11 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 11

12 12 In idraulica il diametro nominale (simbolo DN) è un valore convenzionale, espresso in mm, con cui vengono individuati componenti idraulici quali tubazioni, flange, valvole. Tale diametro, a seconda del materiale, viene dimensionato in funzione del diametro interno od esterno. Se il componente idraulico è dimensionato in funzione del suo diametro interno standardizzato si fa riferimento alla serie DN/ID (standard dimensionali basati sui diametri interni). Se invece è dimensionato in funzione del suo diametro esterno standardizzato viene riferito alla serie DN/OD. Il costruttore deve indicare se il DN si riferisce alla serie DN/ID o DN/OD. In generale per le tubazioni vale la seguente convenzione: ghisa sferoidale: DN/ID gres: DN/ID fibrocemento: DN/ID plastiche (PVC, PEAD): DN/OD acciaio: DN/ID Diametro di una tubazione Il pollice cui si fa riferimento nei diametri delle tubazioni («pollice gas»)non è lo stesso utilizzato nel sistema di misura anglosassone, ovvero non vale 25,4 mm.

13 Diametro di una tubazione La designazione «pollice gas» deriva dal passato ed in particolare dalle prime condotte per la distribuzione del gas. Le prime condotte da 1, infatti, presentavano effettivamente un diametro interno pari a 25,4 mm ed un diametro esterno pari a 33,7 mm (spessore pari a 4,25 mm). Nel corso degli anni, tuttavia, lo sviluppo tecnico di materiali più prestazionali e di nuove tecniche di realizzazione hanno reso possibile la riduzione degli spessori. Tale condizione consentiva: Riduzione del diametro esterno a parità di diametro interno, oppure Aumento del diametro interno a parità di diametro esterno La scelta ricadde sull aumento del diametro interno in quanto la scelta di ridurre il diametro esterno avrebbe comportato la necessità di modificare anche la raccorderia provocando conseguentemente un enorme sforzo del settore. Infatti, nella maggior parte dei casi, il collegamento tubo-raccordo è del tipo maschio-femmina in cui il tubo si innesta all interno del raccordo. La modifica del diametro esterno delle tubazioni avrebbe dunque comportato la necessità di variare anche tutta la raccorderia. Per questo motivo, per indicare le dimensione della tubatura si è introdotto il termine pollice gas. Tubo Raccordo Tubo 13

14 14 Diametro di una tubazione Anche i componenti non plastici possono essere dimensionati in funzione del diametro esterno. Per risalire al diametro interno si fa quindi riferimento allo spessore del tubo, progettato in funzione della pressione interna a cui è soggetto il componente meccanico. Il numero di schedula, schedule number (sch) nella dizione anglosassone fornisce un'informazione sulla pressione interna sopportabile da una tubazione, secondo la normativa americana ANSI. (La normativa italiana UNI, fa riferimento invece alla pressione nominale). (Valori degli spessori espressi in mm) La dicitura Standard (Std), Extra Strong (XS) e Double Extra Strong (XXS) che troviamo nelle tabelle seguenti fa riferimento invece alla vecchia normativa (del 1927).

15 15 Diametro di una tubazione Il numero di schedula viene calcolato come: SCH = 1000 p i τ Dalla formula di Barlow abbiamo che: s = p i D i 2τ + c Si ha quindi: Dove: p i è la pressione interna alla tubazione τ è la tensione massima ammissibile dal materiale a temperatura ambiente Dove: s è lo spessore della tubazione c è il sovraspessore di corrosione D i il diametro interno della tubazione p i = 2(s c)τ D i da cui otteniamo l'espressione del numero di schedula in funzione dello spessore di parete della tubazione (a T ambiente): (s c) SCH = 2000 D i

16 Diametro di una tubazione Tubi di acciaio: diametri e spessori (schedule) (Valori espressi in mm) 16

17 17 Diametro di una tubazione Tabella comparativa diametri esterni delle tubazioni

18 Diametro di una tubazione Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni Il valore dopo la sigla PE (polietilene) diviso per 10 rappresenta la minima pressione garantita alla quale la condotta resiste in esercizio per 50 anni alla temperature di 20 C. PFA è la Pressione di Funzionamento Ammissibile in bar che la condotta può sostenere in esercizio in modo continuo. 18

19 Diametro di una tubazione Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni SN (Nominal Stiffness) in [N/mm^2] rappresenta la resistenza allo schiacciamento della condotta: infatti in assenza di pressione all interno la condotta può subire deformazioni a causa del peso del terreno sovrastante o della circolazione dei carichi stradali. E I SN = D 3 Dove E è il modulo di Young del materiale (N/mm^2), I è il momento di inerzia (mm^4/mm) e D è il diametro della condotta (mm). Maggiore è dunque SN maggiore è il carico esterno che la condotta può sostenere. 19

20 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 20

21 Valvole di regolazione Architettura 21

22 Coefficiente di perdita concentrata ξ Coefficiente di perdita concentrata: relazione con l alzata dell otturatore x: alzata dell otturatore d: diametro interno della tubazione ξ: coefficiente perdita concentrata Δp: perdita di carico sulla valvola V: velocità del fluido ρ: densità del fluido Valvole di regolazione ξ = 1.55 x^(-2) x 6 R^2 = 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 Rapporto x/d Variando x si va a variare ξ: quindi, regolando x posso regolare la velocità V (e quindi la portata volumetrica) e/o la perdita di carico Δp (e quindi la pressione). p = ξρ V2 2 Coefficiente reale Coefficiente stimato 22

23 Valvola a flusso avviato Valvole di regolazione In questo tipo di valvola il movimento dell'otturatore è perpendicolare alla direzione di passaggio convenzionale del fluido nella valvola. A tale scopo i condotti interni della valvola sono sagomati in modo da guidare il fluido verso la parte inferiore dell'otturatore, cioè con senso dal basso verso l'alto, oppure verso la parte superiore, cioè con senso dall alto verso il basso, facendogli comunque compiere una curva di circa 120 ed inviarlo con un'altra curva di 120, verso la sezione di uscita. Pertanto, le valvole a flusso avviato presentano un percorso del fluido sinuoso e con frequenti cambiamenti dell'area della sezione di passaggio. D altro canto, la valvola risulta compatta ed ha ridotti ingombri in senso longitudinale alla tubazione. 23

24 Valvole di regolazione Valvola a flusso libero In questo tipo di valvole il movimento dell'otturatore è inclinato a 45 rispetto al senso di passaggio convenzionale del fluido nella valvola. Questa soluzione, applicabile solo a valvole a via diritta, consente di ridurre in misura rilevante le perdite di carico, evitando totalmente i cambiamenti di direzione e riducendo le variazioni di sezione. A completa apertura, le valvole di questo tipo presentano un passaggio pressoché rettilineo. Ciò offre anche la possibilità di ispezionare la linea oltre la valvola senza doverla rimuovere e di poter introdurre sonde o altri attrezzi attraverso la valvola stessa. Di contro, la presenza dell otturatore inclinato aumenta notevolmente l ingombro della valvola in senso longitudinale alla tubazione. 24

25 Valvole di regolazione Valvola a flusso avviato vs. Valvola a flusso libero Valvola a flusso avviato ξ = 3-4 Valvola a flusso libero ξ = 1-2 Sezione passaggio: S=π*d*H 25

26 Valvole di regolazione Il corpo valvola Si cerca di costruire gli orifici interni di diametro uguale al diametro nominale della valvola (attacco flange) per avere una portata maggiore possibile. Si possono, tuttavia, trovare valvole con un corpo ed attacchi di diametro superiore a quello richiesto per la sede dell otturatore. Queste valvole si dicono a passaggio ridotto ed il loro impiego può essere determinato dall esigenza di una maggiore resistenza meccanica alle sollecitazioni esterne (tubazioni, flange, ecc ), minore velocità del fluido in ingresso e uscita, nonché dalla previsione di aumentare la potenzialità dell impianto, per il quale sarà sufficiente sostituire gli organi interni con altri di maggior diametro. Comunemente i minimi diametri di sede applicabili corrispondono al 50% del diametro nominale di valvola. 26

27 Valvole di regolazione Il corpo valvola I tipi fondamentali dei corpi valvola sono due: i) a seggio singolo e ii) a doppio seggio. 27

28 Valvole di regolazione Il corpo valvola Seggio singolo: Quando è richiesta una tenuta ottima è necessario impiegare valvole a seggio singolo, per le quali la perdita di fluido a valvola chiusa è inferiore allo 0,01% della capacità nominale. Nelle valvole a seggio singolo sorge però il problema dello squilibrio provocato sull otturatore dal differenziale di pressione fra monte e valle che normalmente viene calcolato moltiplicando l area del seggio per la differenza massima di pressione tra l ingresso e l uscita della valvola. A volte le spinte esercitate dalla differenza di pressione sull otturatore sono di tale entità che il servomotore standard non può superarle. Nel caso di utilizzo di un servomotore pneumatico, per le valvole che devono chiudersi in mancanza di aria (azione inversa) vengono previste molle di forza sufficienti a contrastare la spinta che la pressione d ingresso esercita sull otturatore. Per evitare il fenomeno del trascinamento ed urto in chiusura le valvole a seggio singolo vengono installate con flusso tendente ad aprire l otturatore. 28

29 Valvole di regolazione Il corpo valvola Seggio singolo trim bilanciato Nel caso in cui si debba installare una valvola caratterizzata da un elevata differenza di pressione fra monte e valle o da sedi di dimensione elevata, si fa uso di valvole a trim bilanciato che consentono di ridurre la spinta richiesta e dunque la taglia degli attuatori. Con il termine trim si fa riferimento a tutte le parti interne rimuovibile e rimpiazzabili della valvola che sono in contatto con il fluido di processo. Il passaggio di fluido attraverso il foro consente il raggiungimento dell equilibrio di pressione fra i due ambienti Nel caso riportato a fianco, il bilanciamento avviene mediante fori di equalizzazione. Attraverso i fori si ha il passaggio del fluido di processo. La differenza di pressione che agisce sui due lati dell otturatore è equilibrata. Come si osserva dalla figura a fianco il passaggio di fluido attorno all otturatore è evitato grazie alla presenza di o-ring di tenuta. Foro di equilibramento p1 p2 p1 > p2 p1 p1 29

30 Valvole di regolazione Seggio singolo Trim bilanciato Fori di equalizzazione della pressione Trim non bilanciato Si possono avere due possibili configurazioni L attuatore deve essere dimensionato per la massima differenza di pressione Flusso in ingresso 30

31 Valvola a doppio seggio Valvole di regolazione 31

32 Valvole di regolazione Il corpo valvola Doppio seggio: Nelle valvola a doppio seggio le spinte esercitate sui due funghi dalla differenza di pressione del fluido si annullano quasi totalmente per cui è richiesta una forza minima di comando. D altro canto, a causa della differenza delle dilatazioni termiche tra corpo e otturatore nonché delle deformazioni elastiche dovute alla pressione, diventa difficile ottenere una tenuta perfetta su entrambi i funghi a valvola chiusa con normali superfici metalliche. Per le valvole a doppio seggio è ammesso un trafilamento dello 0,5% della portata di progetto. Poiché l otturatore a doppio fungo bilancia quasi interamente gli squilibri dovuti al differenziale di pressione del fluido, le valvole a doppio seggio generalmente non richiedono servomotori maggiorati anche con alte pressioni differenziali. Pertanto, qualora venga richiesta la tenuta perfetta, e tuttavia, a causa del forte differenziale di pressione, i servomotori disponibili non hanno potenza sufficiente ad azionare valvole a seggio singolo, si dovranno impiegare valvole a doppio seggio nelle quali la tenuta viene migliorata con inserti di materiale atti a sigillare il contatto sede-otturatore, sempreché la temperatura e la pressione di esercizio lo permettano. 32

33 Valvole di regolazione Premistoppa Il premistoppa è il dispositivo che effettua la tenuta lungo lo stelo della valvola. Deve dunque garantire una tenuta perfetta nei confronti dei prodotti che percorrono una valvola. Il premistoppa di una valvola viene guarnito con materiali diversi in base alle condizioni di esercizio: Anelli in Teflon (standard). Questa guarnitura non richiede il lubrificatore e può essere impiegata con fluidi alla temperatura massima di 230 C Anello grafitato costituito da una serie di anelli impregnati di grafite, adatto per temperature fino a 280 C; è richiesto il lubrificatore. 33

34 Valvole di regolazione Premistoppa Fibre per alta temperature (sostitutive dell amianto). La fibra di carbonio e la grafite espansa sono utilizzate nelle applicazioni dove si possono raggiungere alte temperature fino a 450 C ed oltre. Per basse temperature (inferiori a -5 C). Si usa una prolunga distanziatrice di lunghezza adeguata per permettere coibentazioni di grande spessore sulla tubazione e l eventuale riscaldamento del premistoppa mediante appositi serpentini a vapore od altri elementi riscaldanti 34

35 Valvole di regolazione Premistoppa Per fluidi pericolosi, tossici ed esplosivi e comunque quando si voglia garantire l assenza di gocciolii anche in mancanza di manutenzione, si impiegano soffietti metallici di tenuta sullo stelo, onde evitare in modo assoluto perdite di fluido attraverso il premistoppa. 35

36 Valvole di regolazione Forma dell otturatore La valvola si può distinguere anche in base alla forma dell otturatore. Le due principali tipologie di otturatore sono: - Otturatore a disco: rappresenta il tipo più diffuso, e consente una buona regolazione. - Otturatore a spillo (o ad ago): questa tipologia, largamente impiegata solo per piccoli diametri e per regolazioni precise, è caratterizzata dalla forma conica o tronco conica dell'otturatore. La forma dell'otturatore permette di ottenere piccole variazioni della sezione di strozzamento della valvola con grandi spostamenti dell'otturatore. Otturatore Otturatore Sede di tenuta Sede di tenuta Sagomando opportunamente la geometria dell otturatore è possibile determinare la caratteristica di regolazione della valvola, che, ricordiamo, è determinata dalla variazione della portata (o della perdita di carico) in funzione della corsa dell otturatore. Di seguito sarà illustrato come la geometria dell otturatore vada ad influenzare la capacità di regolazione della valvola. 36

37 Otturatore a piattello apertura rapida Valvole di regolazione L incremento della portata avviene quasi esclusivamente nella prima porzione di apertura dell otturatore dopo di che ulteriori incrementi della corsa determinano aumenti di portata quasi trascurabili. Per questo motivo l otturatore a piattello viene anche detto otturatore ad apertura rapida. Viene generalmente usato per controlli tutto-niente, in cui si desidera una portata più o meno costante oltre un certo grado di apertura della valvola. 37

38 Valvole di regolazione Otturatore lineare Con questo otturatore si ottiene la linearità tra la corsa dell otturatore e la portata che quindi risulta proporzionale al grado di apertura della valvola. Gli otturatori a caratteristica lineare si usano quando la pressione differenziale in esercizio non subisce apprezzabili variazioni oppure in processi con limitate variazioni di portata. Il profilo dell otturatore è normalmente di tipo parabolico. Perdite di carico: p = ξρ V2 2 38

39 Otturatore equipercentuale Valvole di regolazione Con questo otturatore ad uguali incrementi della corsa di apertura corrisponde una percentuale costante di aumento della portata a parità di pressione differenziale. Ad esempio, passando da 37,5 a 55% (+17,5% corsa valvola), si passa dal 10 al 20% (portata) cioè un incremento del 100%; da 55% a 72,5 % (ancora +17,5% corsa valvola) vado da 20 a 40% (+100%). La valvola eroga così la maggior parte della portata nell ultima frazione di apertura. Gli otturatori equipercentuali vengono usati nelle applicazioni in cui si ritiene opportuno, per motivi di sicurezza, lasciare all ultimo tratto di apertura della valvola gran parte dell incremento di portata. 39

40 Caratteristiche tecniche Valvole di regolazione E necessario un accurato dimensionamento del corpo valvola e dei vari organi per prevenire dannose deformazioni causate dalla temperatura e dalla pressione del fluido oltreché dagli sforzi meccanici trasmessi alla valvola dalle tubazioni. Il dimensionamento delle parti viene effettuato anche in funzione delle dilatazioni termiche onde garantire esatti accoppiamenti degli organi in movimento alle diverse temperature di esercizio e compensare adeguatamente i diversi coefficienti di dilatazione del corpo rispetto all otturatore. La resistenza all usura nella sezione ristretta di passaggio tra otturatore e sede di tenuta, dove il fluido può raggiungere velocità soniche, si ottiene con la stellitatura (lega cobalto-cromo) delle superfici o con l impiego di materiali di grande durezza come acciaio inossidabile AISI 440C, carburo di tungsteno e altre leghe speciali. Sono inoltre previste esecuzioni speciali utilizzabili in presenza di fenomeni di cavitazione o per funzionamento con gas e vapori umidi responsabili di una rapida erosione delle superfici. 40

41 Caratteristiche tecniche il materiale Valvole di regolazione 41

42 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 42

43 Attuatori Elementi costruttivi dei servomotori pneumatici Il servomotore o testata pneumatica ha la funzione di trasformare il segnale pneumatico in un movimento uniforme e lineare dell otturatore della valvola; è costituito da: Diaframma. In Perbuna internamente intessuta di nylon per garantire la massima flessibilità e resistenza anche a bassa temperatura Coperchi superiore ed inferiore della camera del diaframma. In acciaio stampato con superfici interne ed esterne sottoposte a trattamento antiossidante prima della verniciatura. Molle. In acciaio al silicio manganese, con colorazioni di identificazione secondo le caratteristiche ed i campi di lavoro. I campi normali delle molle sono 3-15 psi e 6-30 psi; sono inoltre disponibili campi ridotti per interventi sequenziali. Castello. In ghisa ad alta resistenza (in acciaio fuso a richiesta), disponibile, in varie grandezze e predisposto per il montaggio degli accessori come posizionatore, filtroriduttore, relè di blocco psi è l'acronimo di pound-force per square inch, locuzione inglese che significa libbre per pollice quadrato, ed è l'unità di misura della pressione nel sistema anglosassone. 1 psi = 68,95 mbar 43

44 Attuatori Elementi costruttivi dei servomotori pneumatici Collegamento tra stelo e asta del diaframma. Tale collegamento avviene mediante avvitamento diretto con dado di bloccaggio in modo da poter agevolmente variare la lunghezza dello stelo durante l aggiustaggio della corsa. Lo stelo trasferisce il movimento del diaframma all otturatore. Asta del diaframma, vite di aggiustaggio della molla e vite di regolazione del premistoppa. Sono realizzati in acciaio sottoposto a trattamento galvanico antiossidante che conferisce all acciaio una particolare colorazione simile all ottone. Disco indicatore della corsa. È realizzato in acciaio inossidabile. Piastrina indicatrice della corsa. È realizzata in alluminio anodizzato antiacido con graduazioni millimetriche e con indicazione della posizione di apertura e chiusura della valvola. Targhetta di identificazione. È realizzata in alluminio anodizzato con i dati caratteristici della valvola, le sigle di riferimento ed il numero di matricola. 44

45 Attuatori Servomotore a diaframma azionamento pneumatico Il servomotore o testata pneumatica ha la funzione di trasformare il segnale pneumatico in un movimento uniforme e lineare dell otturatore della valvola. Viene costruito in due versioni: testata diretta e testata rovescia. Testata diretta: l aumento della pressione dell aria sul diaframma provoca il movimento dello stelo verso il basso comprimendo la molla di contrasto. In mancanza di aria la molla spinge lo stelo verso l alto. Testata inversa: la pressione dell aria esercita una spinta al disotto del diaframma e solleva lo stelo vincendo l azione della molla. Speciali guarnizioni O-ring che non richiedono lubrificazione, garantiscono la perfetta tenuta di aria in corrispondenza dell asta di comando. 45

46 Attuatori Servomotore a diaframma azionamento pneumatico La scelta del servomotore a testata diretta o rovescia non vincola le condizioni normali della valvola. Infatti, per entrambe le tipologie di servomotore si può avere un otturatore che apre (Fig. 2A) o chiude (Fig. 1B e 1A) abbassandosi. Nel caso di testata diretta, in mancanza di aria l otturatore si alza trascinato dalla molla di contrasto. Nel caso, invece, di testata rovescia, in mancanza di aria l otturatore si abbassa, sempre per effetto della presenza della molla di contrasto. La scelta della testata definisce il verso del movimento dell otturatore all interno della sede. Come opero la scelta? Dipende dalla applicazione! 46

47 Attuatori Servomotore a diaframma azionamento pneumatico Caso 1. Servomotore a testata diretta: otturatore che chiude abbassandosi La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca il movimento dello stelo verso il basso: poiché l otturatore chiude abbassandosi, in queste condizioni (servomotore in pressione) la valvola è chiusa. Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla di contrasto trascina verso l alto l otturatore, lasciando libera la sede al passaggio del fluido di processo. Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è aperta, questa è una valvola normalmente aperta (NA o NO). 47

48 Attuatori Servomotore a diaframma azionamento pneumatico Caso 2. Servomotore a testata rovescia: otturatore che chiude abbassandosi La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca il movimento dello stelo verso l alto. Poiché l otturatore chiude abbassandosi, in queste condizioni la valvola è aperta. Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla di contrasto trascina verso il basso l otturatore, intercettando il passaggio del fluido di processo attraverso la sede della valvola. Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è chiusa, questa è una valvola normalmente chiusa (NC). 48

49 Attuatori Servomotore a diaframma azionamento pneumatico Caso 3. Servomotore a testata diretta: otturatore che apre abbassandosi La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca il movimento dello stelo verso il basso. Poiché l otturatore apre abbassandosi, in queste condizioni la valvola è aperta. Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla di contrasto trascina verso l alto l otturatore, intercettando il passaggio del fluido di processo attraverso la sede della valvola. Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è chiusa, questa è una valvola normalmente chiusa (NC). 49

50 Attuatori Servomotore a diaframma azionamento pneumatico Caso 4. Servomotore a testata rovescia: otturatore che apre abbassandosi La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca il movimento dello stelo verso l alto. Poiché l otturatore apre abbassandosi, in queste condizioni la valvola è chiusa. Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla di contrasto trascina verso il basso l otturatore, lasciando libero il passaggio del fluido di processo attraverso la sede della valvola. Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è aperta, questa è una valvola normalmente aperta (NA o NO). Valvola a sede doppia 50

51 Valvola a tre vie: deviatrici e miscelatrici Attuatori Testata diretta (Se manca l aria apro la via diretta e chiudo la via squadra) Testata inversa (Se manca l aria chiudo la via diretta e apro la via squadra) Testata diretta (Se manca l aria apro la via diretta e chiudo la via squadra) Testata inversa (Se manca l aria chiudo la via diretta e apro la via squadra) 51

52 Attuatori Servomotore elettroidraulico (Testata diretta, Valvola normalmente chiusa => Valvola solenoide (5) normalmente aperta) 52

53 Attuatori Valvola a solenoide Solenoide Corpo solenoide Solenoide Corpo valvola Molla Membrana Corpo solenoide Mandrino valvola O-ring Corpo valvola Corpo valvola Molla Piattello valvola FLUIDO Corpo valvola FLUIDO 53

54 Attuatori Valvola a solenoide meccanismo di comando Esempio: Valvola a due vie e due posizioni Solenoide Indica la posizione in cui si trova la valvola: le porte A e B sono intercettate e non c è passaggio di fluido Mandrino valvola O-ring Piattello valvola Molla Corpo valvola 54

55 Attuatori Valvola a solenoide meccanismo di comando A Esempio: Valvola a due vie e due posizioni P Solenoide Indica la posizione in cui si trova la valvola: le porte A e B sono collegate e c è passaggio di fluido Mandrino valvola O-ring Piattello valvola Molla Corpo valvola 55

56 Attuatori Esploso di elettrovalvola Elettrovalvola con servo comando a pistone VE3 56

57 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 57

58 Dimensionamento della valvola di regolazione 1) Scelta dell otturatore 58

59 Dimensionamento della valvola di regolazione 2) Scelta del corpo valvola La scelta viene effettuata usando il coefficiente di portata: KV, CV = Q ρ p CV: in unità americane, rappresenta la quantità di acqua a 15 C in galloni USA che passa in un minuto attraverso la valvola aperta con una pressione differenziale di 1 psi (1 gallone = 3,785 x10-3 m 3, 1 psi = 703,1 mm c.a.). KV: nel sistema di misura internazionale, definito come la portata di acqua a 15 C in metri cubi che passa in 1 ora attraverso la valvola aperta con una pressione differenziale di 1 bar. KV=0,86 CV 59

60 H, altezza colonna d acqua, [m] Dimensionamento della valvola di regolazione Determinazione del coefficiente KV (per fluidi incomprimibili) H = ρg = = 10, 2 m 9, KV = Q ρ p Q: portata in m 3 /h; ρ: densità in kg/dm 3 ; Δp: differenza di pressione in bar. Viscosità, [ E] Fattore di correzione 2 1,06 5 1, , ,32 Viscosità, [ E] Fattore di correzione 30 1, , , ,68 Nel caso di utilizzo di liquidi viscosi occorre moltiplicare il CV ottenuto per un fattore correttivo che dipende dalla viscosità del fluido (gradi Engler). 60

61 Dimensionamento della valvola di regolazione Determinazione del coefficiente KV (fluidi comprimibili) KV = m p P , 05 Vapor d acqua saturo, P 2 >58%P 1 m: portata in kg/h; Δp: differenza di pressione in bar; P 1 : pressione assoluta del vapore in ingresso in bar; P 2 : pressione assoluta del vapore in uscita in bar. KV = m 11, 7 P 1 Vapor d acqua saturo, P 2 <58%P 1 m: portata in kg/h; P 1 : pressione assoluta del vapore in ingresso in bar; P 2 : pressione assoluta del vapore in uscita in bar. KV = m p P 1 F S 17, 44 Vapor d acqua surriscaldato, P 2 >55%P 1 m: portata in kg/h; F S : fattore di correzione; Δp: differenza di pressione in bar; P 1 : pressione assoluta del vapore in ingresso in bar; P 2 : pressione assoluta del vapore in uscita in bar. 61

62 Dimensionamento della valvola di regolazione Determinazione del coefficiente KV (fluidi comprimibili) KV = m P 1 F S 11, 7 Vapor d acqua surriscaldato, P 2 <55%P 1 m: portata in kg/h; F S : fattore di correzione; P 1 : pressione assoluta del vapore in ingresso in bar; P 2 : pressione assoluta del vapore in uscita in bar. KV = Q n p P 2 T k 480, 4 Aria e gas, P 2 >53%P 1 Q n : portata in Nm 3 /h; Δp: differenza di pressione in bar; k: densità relativa all aria (aria=1); T: temperatura assoluta del fluido in K; P 1 : pressione assoluta del gas in ingresso in bar; P 2 : pressione assoluta del gas in uscita in bar. KV = Q n P 1 T k 239, 8 Aria e gas, P 2 <53%P 1 Q n : portata in Nm 3 /h; k: densità relativa all aria (aria=1); T: temperatura assoluta del fluido in K; P 1 : pressione assoluta del gas in ingresso in bar; P 2 : pressione assoluta del gas in uscita in bar. 62

63 Dimensionamento della valvola di regolazione Scelta della valvola esempio dati Lineare Piattello Il KV calcolato tramite l equazione precedente viene confrontato con il valore riportato sul catalogo e che identifica ciascuna valvola. Qualora non si riesca a trovare un valore coincidente con il KV, bisogna selezionare la valvola con il KV il più possibile vicino (di solito superiore) al KV calcolato, detto KVs tenendo in considerazione le necessità dell applicazione specifica. 63

64 Dimensionamento della valvola di regolazione Dimensionamento seggio della valvola Una volta noti la caratteristica del corpo valvola (sede semplice, sede doppia, tre vie miscelatrici, etc.), il tipo di otturatore e il CV della valvola è possibile attraverso schede tecniche, come quella riportata in tabella, individuare il diametro nominale del seggio della valvola. Noto il diametro del seggio e nota la pressione differenziale sul seggio è possibile calcolare la spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido e quindi dimensionare il servomotore a diaframma. Legenda: EQP = equipercentuale profilato; PL = parabolico lineare; PT = piattello (apertura rapida); MFP = microflussioprofilato; MFS = microflusso a sgusci; LV = otturatore parabolico lineare a V 64

65 Dimensionamento della valvola di regolazione Dimensionamento del servomotore a diaframma Le tabelle sotto riportate evidenziano le caratteristiche di nove servomotori. Nota la pressione differenziale sull otturatore e l area nominale del seggio è nota la forza che agisce sullo stelo. Occorrerà quindi effettuare una verifica relativa alla resistenza dello stelo. È così nota anche la forza necessaria per chiudere completamente la valvola, che serve per dimensionare il servomotore in funzione delle pressioni di comando, area utile del diaframma, forza della molla di contrasto, etc 65

66 Dimensionamento della valvola di regolazione Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione Dimensionamento di una valvola a sede semplice, N.A. con otturatore P.L. che chiude abbassandosi (servomotore a testata diretta) per una condotta di acqua alle seguenti condizioni di progetto: 1) Portata, Q: 100 m 3 /h. 2) Densità (alla temperatura di progetto t = 15 C), ρ = 1 kg/dm 3. 3) Pressione differenziale a valvola chiusa (fra monte e valle della valvola), Δp = 8 bar; 4) Caduta di pressione attraverso la valvola aperta e portata pari al valore nominale pari a Δp = 1 bar. Essendo un liquido: CV = 1, 17Q ρ 1 = 1, p 1 = 117 Dalla tabella a fianco si vede che non si trova esattamente il valore 117. Si sceglie allora il Cv immediatamente superiore Cv = 118. Il diametro nominale del seggio risulta essere quello da 3, ossia circa 80 mm. 66

67 Dimensionamento della valvola di regolazione Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione Noto il diametro nominale del seggio è possibile calcolarne l area: A = πd2 = 50, 26 cm2 4 La spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido in condizioni di valvola chiusa, essendo presente una caduta di pressione di 8 bar vale 402 kg (50,3 x 8). Dalla tabella 1 si evince che il servomotore più piccolo utilizzabile è quello 500/3, poiché la massima pressione differenziale ammissibile per un diametro di seggio pari a 3 è 9 bar, maggiore del p di progetto. Occorre ricordare che la pressione di comando varia fra 3 15 psi, ovvero fra 0,21 1,05 bar Verifiche: 1. Il carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg > 402 kg (dovuto al processo). 2. La spinta massima del servomotore sull otturatore è: 1,05 bar x 990 cm kg> 402 kg (il servomotore vince la pressione di processo). 3. Carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg > 1040 kg (dovuta all azione del servomotore). 67

68 Dimensionamento della valvola di regolazione Riassumendo Per la scelta della corretta valvola si adotta il seguente procedimento: 68

69 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 69

70 Valvole termostatiche La valvola termostatica: un esempio di valvola di regolazione Le valvole termostatiche sono utilizzate per la regolazione proporzionale della portata in base alle impostazioni e alla temperatura del sensore. La gamma di valvole termostatiche comprende versioni per la regolazione sia nei sistemi di raffreddamento che in quelli di riscaldamento. Le valvole funzionano senza bisogno di alimentazione ausiliare come elettricità o aria compressa. La temperatura desiderata viene mantenuta costante senza spreco di: i) acqua di raffreddamento in sistemi di refrigerazione, ii) acqua calda o vapore in sistemi di riscaldamento. L'economia di esercizio e l'efficienza sono ottimizzati. Il bulbo ha un volume V=V 0 *(1+αT), con α coefficiente di dilatazione termica. In caso di otturatore lineare, il coefficiente α deve essere costante nel range di temperatura del processo, per garantire tale linearità. 70

71 Valvole termostatiche Componenti principali 71

72 Principio di funzionamento Valvole termostatiche Quindi il bulbo si comporta come un termometro. Ma se il liquido dovesse vaporizzare alle condizioni di esercizio, il bulbo si comporterebbe come un termostato, trasformando la valvola in una valvola a due posizioni 72

73 Valvole termostatiche Elenco materiali Per fluidi aggressivi (SS: stainless steel) 73

74 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa # Descrizione SA Serbatoio di accumulo VT VT Valvola termostatica F C Compressore a due stadi S F SC F C P&I impianto aria compressa VT F VT Acqua di raffreddamento Aria compressa F PM (8 bar) Pm (5 bar) S F SC PS (10 bar) SA F SC VS U F SC S P m P M PS U VS Filtro Scaricatore di condensa Separatore di condensa Pressostato di minima Pressostato di massima Pressostato di sicurezza Utenze Valvola di sicurezza 74

75 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa Poiché avviene un innalzamento della temperatura dell aria quando viene compressa, si rende necessario provvedere ad un raffreddamento, in modo che la temperatura risultante del compressore non sia tanto alta da impedire una soddisfacente lubrificazione. Elemento termostatico Raffreddamento camicie compressore Valvola termostatica In figura uno schema di raffreddamento delle camicie del compressore con circolazione a ciclo aperto su compressore a due stadi. In questo caso, lo scopo della regolazione automatica di temperatura è quello di evitare un eccessivo raffreddamento, che potrebbe causare condensazioni all interno del cilindro e peggiorare le condizioni di lubrificazione, oltre a evitare un inutile spreco di acqua. E importante che il regolatore (valvola termostatica) non intercetti mai completamente il flusso dell acqua di raffreddamento, onde evitare la formazione di una «sacca» di acqua stagnante intorno al bulbo (elemento termostatico), che quindi potrebbe raffreddarsi e non dare più luogo all apertura della valvola. Alcune valvole termostatiche garantiscono un minimo di flusso; in alternativa, occorre realizzare un by-pass con valvola manuale. 75

76 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa Un intercooler è applicato tra gli stadi in un compressore multistadio. Lo scopo è quello di raffreddare l aria tra uno stadio ed il successivo, per ridurne il volume e limitare la temperatura dell aria compressa. Inoltre, il raffreddamento favorisce la condensazione del vapor d acqua contenuto nell aria e che, se passasse al successivo stadio di compressione, potrebbe condensare sulle pareti del cilindro, con conseguenti danni al compressore. Elemento termostatico Valvola termostatica In figura uno schema di raffreddamento dell aria tra due stadi di compressione, in cui la portata di fluido di raffreddamento viene regolata tramite una valvola termostatica, installata sul ramo caldo del fluido di raffreddamento. La condensa prodotta dal raffreddamento dell aria viene allontanata dal circuito tramite un separatore con scaricatore di condensa. Raffreddamento aria compressa 76

77 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero La valvola di laminazione agisce come un dispositivo di regolazione fra il lato alta pressione ed il lato bassa pressione di un impianto frigorifero e garantisce che la quantità di refrigerante che fluisce nell evaporatore sia identica alla quantità di liquido refrigerante che evapora nell evaporatore stesso (regolazione portata). Rispetto agli schemi teorici riportati di seguito, va ricordato che in tali impianti va realizzato un lieve sottoraffreddamento all uscita del condensatore (punto 3) e un lieve surriscaldamento all uscita dell evaporatore (punto 1) per poter permettere agli strumenti di misurare una variazione di temperatura. 77

78 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero La valvola di laminazione può essere realizzata con una valvola di espansione termostatica con orificio tarato. L elemento termostatico è il motore della valvola; un bulbo sensibile è collegato al gruppo diaframma mediante un tubo capillare che trasmette la pressione presente all interno del bulbo alla camera superiore del gruppo diaframma. La pressione presente all interno del bulbo è direttamente correlata alla temperatura. Quando aumenta la pressione della carica termostatica il diaframma si deforma, trasferendo questo spostamento all otturatore che si allontana dalla sua sede e permette al liquido di passare. Una molla di contrasto agisce in opposizione alla spinta del diaframma ed il suo carico può essere variato con una vite di regolazione laterale (asta di regolazione). 78

79 Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero Il gruppo orificio intercambiabile assicura un ampia gamma di potenzialità. La molla tiene l otturatore stabilmente a contatto con la sede per minimizzare il trafilamento attraverso la valvola; per garantire una chiusura totale è però richiesta l installazione di una valvola solenoide a monte della valvola d espansione termostatica. La regolazione della portata agli evaporatori essere effettuata mediante l inserimento di una valvola principale comandata da valvole pilota che determinano la sua funzione. Valvola di regolazione pressione e temperatura Valvole termostatiche Stelo manuale Cover + Corpo valvola Canale nel corpo valvola Stelo della valvola Otturatore Sede Controllo di temperatura Controllo di pressione S1, S2, P sono attacchi per l inserimento delle valvole pilota p1 è la pressione di condensazione; p2 è la pressione al di sopra del servo pistone; p3 è la pressione al di sotto del servo pistone; p4 è la pressione in ingresso all evaporatore. Evaporatore con controllo di temperatura e pressione per grado di surriscaldamento 79

80 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero Fase di apertura della valvola Per analizzare il funzionamento si consideri la figura a fianco in cui è presente una sola valvola pilota del tipo a solenoide (1). La valvola pilota potrebbe essere anche una tipologia differente di valvola, come per esempio una valvola termostatica pilota o una valvola pilota di controllo della pressione. La valvola solenoide è NC e la sua apertura è funzione della pressione misurata alla mandata dell evaporatore. Nella fase iniziale la valvola pilota (1) è chiusa (non è eccitata) e dunque non si ha il passaggio di fluido dall ambiente (2) all ambiente (3). (1) Valvola pilota solenoide NC (3) (2) 80

81 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero Fase di apertura della valvola Valvola pilota solenoide NC Nel momento in cui il solenoide della valvola pilota (1) viene eccitato, il fluido a più alta pressione passa dall ambiente (2) all ambiente (3). Il fluido esercita quindi una sovrapressione sul servo-pistone della valvola pari alla caduta di pressione che il fluido subisce nel passaggio attraverso il foro di equalizzazione (4). Tale foro si rende necessario per bilanciare la pressione che agisce sul servo-pistone in accordo con il grado di apertura della valvola. In assenza del foro di equalizzazione in caso di chiusura della valvola solenoide il fluido presente nell ambiente (3) rimarrebbe intrappolato all interno (la pressione in (2) risulta infatti maggiore) impedendo dunque il corretto funzionamento della valvola. Nella valvola è presente un ulteriore passaggio (5) che consente lo sfogo del fluido alla mandata della valvola (6). (2) (3) (4) (6) (5) 81

82 Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero Fase di apertura della valvola La sovrapressione sul servo-pistone (pari alla caduta di pressione del fluido attraverso il foro di equalizzazione 4) garantisce il movimento verso il basso dell otturatore e dunque l allontanamento dalla sede. Tale condizione determina dunque l apertura del passaggio principale del fluido fra monte e valle della valvola. Valvole termostatiche Valvola pilota solenoide NC (3) (4) (5) Valvola aperta 82

83 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero Fase di chiusura della valvola Valvola pilota solenoide NC Per intercettare la portata di fluido della valvola principale, il solenoide della valvola pilota viene diseccitato. La mancata alimentazione della bobina della valvola solenoide provoca il suo passaggio alle condizioni normali (chiusura). Chiudendo il passaggio della valvola solenoide, il fluido non passa più dalla mandata (2) all ambiente (3) venendo infatti intercettato. Il fluido presente nell ambiente (3) grazie alla sua maggior pressione continua a passare attraverso i passaggi (4) e (5) alla mandata della valvola. Conseguentemente si ha la riduzione progressiva della pressione in (3) pari alla somma della pressione in mandata e delle perdite di carico attraverso (4) e (5). (2) (3) (4) (5) 83

84 Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero Fase di chiusura della valvola Valvole termostatiche Riducendo la pressione nell ambiente (3) il servo-pistone risale verso l alto trascinando l otturatore all interno della sede e dunque chiudendo il passaggio principale. Valvola pilota solenoide NC (4) Valvola chiusa (3) (5) 84

85 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione di valvole termostatiche: impianto frigorifero 1. Elemento termostatico 2 2. Membrana 3. Insieme orificio intercambiabile 4. Corpo valvola 5. Asta di regolazione 3 1 Il filtro di ingresso garantisce il buono stato della sede e quindi del controllo nel tempo

86 86 Valvole termostatiche Esempi tipici di applicazione di valvole termostatiche: impianto frigorifero TR: Ton of Refrigeration It is defined as the heat of fusion absorbed by melting 1 short ton (i.e pounds) of pure ice at 0 C in 24 hours. 1 TR = circa 3,5 kw. I codici riportati sulle prime due colonne sono specifici per ogni singolo produttore, come identificativo del prodotto. La valvola è poi caratterizzata da una potenza frigorifera che è funzione del fluido frigorifero utilizzato, secondo le sue caratteristiche specifiche. A partire dall 1/1/15 non è più possibile in Europa utilizzare il refrigerante R-22 per ricaricare o riparare qualsiasi tipo impianto frigorifero. Le valvole termostatiche sono testate secondo la normativa ANSI/ASHRAE 17. I valori derivano da test effettuati nelle seguenti condizioni per ciascun fluido: Temperatura del liquido in ingresso alla valvola pari a 37,8 C; Temperatura di condensazione pari a 43,3 C; Temperatura di evaporazione pari a 4,44 C.

87 Valvole termostatiche Valvola di espansione termostatica con orificio tarato 87

88 Valvole termostatiche Dimensionamento della valvola termostatica Al momento della selezione della valvola, la cosa più importante è che questa sia in grado di fornire, in ogni momento, la quantità necessaria di fluido di raffreddamento, a prescindere dal carico. Per poter scegliere la valvola più idonea è essenziale conoscere l'esatta quantità di potenza di raffreddamento richiesta. Inoltre, per evitare regolazioni instabili (oscillazioni), le valvole non dovranno essere troppo grandi. Il tipo di carica dovrà essere scelto in base alla temperatura da mantenere e sulla valutazione delle caratteristiche di ciascun modello. L'obiettivo principale è quello di selezionare la valvola più piccola in grado di assicurare il flusso necessario. È inoltre opportuno che la temperatura richiesta per il sensore sia al centro del campo di temperatura prescelto. Si consiglia, inoltre, di collocare un termometro vicino al sensore per una regolazione precisa della valvola. 88

89 Esempio di dimensionamento Valvola di raffreddamento ad acqua per regolare la temperatura di una pompa per il vuoto. Dati di progetto: - Refrigerazione a piano carico: 10 kw; - Set point temperatura pompa: 45 C; - Scarico acqua (p 3 ): 0 bar g; - Temperatura acqua raffr (T 1 ): 20 C; - Temperatura scarico (T 2 ): 30 C. Valvole termostatiche Obiettivo: - Calcolo portata; - Dimensionamento circuito; - Dimensionamento valvola di regolazione; - Dimensionamento della pompa. 89

90 Valvole termostatiche Esempio di dimensionamento ΔT = T 2 T 1 = 30 C 20 C = 10 C P = 10 kw Dalla curva: portata Q=0,85 m 3 /h Ho determinato la portata: occorre calcolare il Kv Il diagramma riporta in forma grafica l equazione per il calcolo della potenza: P= Q*ρ*cl*ΔT Dove ρ è la densità del fluido e cl il suo calore specifico. Q=P/(ρ*cl*ΔT)=10*3600/(1000*4,186*10) =0,85m 3 /h 90

91 Esempio di dimensionamento Valvole termostatiche Per calcolare il KV devo fare una valutazione della perdita di carico ammissibile sulla valvola. Solitamente, con la valvola completamente aperta, la perdita di carico deve essere circa il 50% della caduta di pressione totale in tutto l impianto: in questa maniera è possibile, da un lato, consentire una regolazione efficace e, dall altro, limitare le perdite di carico (costi di pompaggio). Il circuito (diametro tubazione, curve, riduzioni, scambiatore di p 1 -p 3 [bar] Resistenza impianto + valvola calore, ) è dimensionato sulla base del valore di portata 3 bar calcolato in precedenza: si Caratteristica pompa ottiene, ad esempio, una perdita di carico pari a 1,5 bar. Pertanto, la valvola di regolazione deve produrre, in Resistenza impianto posizione aperta, una perdita di Resistenza valvola carico pari a 1,5 bar (eguale a quella del circuito). p 1 = 3 91 bar g 0,85 m 3 /h Q [m 3 /h]

92 Valvole termostatiche Esempio di dimensionamento Perdita di carico sulla valvola aperta: Δp= p 1 - p 2 = 1,5 bar Posso calcolare il Kv! Dalla curva: 0,6<Kv<0,8 Dalla formula: Kv=Q/Δp 0,5 Kv=0,85/(1,5) 0,5 =0,694 Relazione tra la portata di acqua e la perdita di carico nella valvola 92

93 Esempio di dimensionamento KV della valvola AVTA 10=1,4 KV calcolato =0,7 Valvole termostatiche Prendiamo in considerazione il catalogo delle valvole termostatiche. La valvola deve essere selezionata in modo che il valore Kv desiderato si trovi il più possibile vicino al Kv della valvola, ed all interno della banda nera, che rappresenta il campo di valori consigliati dal costruttore per ogni singola valvola. La valvola AVTA 10 è la valvola prescelta. 93

94 Perdita di carico nella valvola Esempio di dimensionamento Portata con valvola completamente aperta Valvole termostatiche AVTA 10: perdita di carico a valvola aperta in condizioni di portata nominale Q pari a: Q=0,85 m 3 /h => Δp=0,35 bar (<< 1,5 bar ipotizzati) Perdita impianto: 1,5 bar Perdita valvola: 0,35 bar Perdita valvola = 19% Perdita totale (vs. 50%) La valvola individuata può essere impiegata con un otturatore di tipo equipercentuale: la regolazione è compresa tra 0 e 0,85 m 3 /h fino all 80% circa della corsa dell otturatore, poi aprendo ulteriormente l otturatore si ottiene un surplus di portata rispetto al valore di portata nominale calcolato in precedenza. In alternativa, si può pensare di impiegare un otturatore parabolico lineare che regola la portata tra lo 0% ed il 50% della corsa dell otturatore, ovvero tra lo 0% ed il 50% della portata massima (cioè, ancora una volta, tra 0 e 0,85 m 3 /h). Attenzione! Da valutare gli effetti dell incremento di portata sulle perdite di carico nel circuito. In altre parole: 94 il problema si sposta sul dimensionamento della pompa.

95 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 95

96 Valvola autoregolatrice di pressione Principio di funzionamento Il gruppo membrana (solidale con l otturatore) divide in due camere separate la testata di comando della valvola. La camera 1 è collegata alla pressione atmosferica, la camera 2 al pilota. In condizioni di normale esercizio nelle due camere non c è pressione e la molla della valvola, agendo sul gruppo membrana, tiene l otturatore in chiusura (vedi figura). 96

97 Valvola autoregolatrice di pressione Principio di funzionamento Quando la pressione controllata supera il valore di taratura del pilota, il pilota convoglia la pressione nella camera 2. La pressione agisce sul gruppo membrana generando un carico maggiore a quello della molla della valvola e porta l otturatore della valvola in apertura (vedi figura). Ristabilita in rete la normale condizione di esercizio, avviene il processo inverso. Il pilota interrompe la pressione in arrivo alla camera 2 che, non essendo più alimentata, si svuota tramite il gicleur (ugello di scarico in ambiente): di conseguenza la molla della valvola di sfioro riporta l otturatore in chiusura. 97

98 Agenda Valvole e attuatori Generalità Diametro di una tubazione Valvole di regolazione Attuatori Dimensionamento della valvola di regolazione Valvole termostatiche Valvola autoregolatrice di pressione Valvola di sicurezza 98

99 Valvole di sicurezza Componenti 99

100 Valvole di sicurezza Parametri caratteristici p t = pressione di taratura ( set pressure): pressione prestabilita a cui in una valvola di sicurezza si verifica l'inizio dell'alzata p s = sovrapressione della valvola di sicurezza (overpressure): aumento di pressione rispetto alla pressione di taratura della valvola di sicurezza p r = pressione di richiusura (re-seating pressure): pressione di ingresso a cui l'otturatore ristabilisce il contatto con la sede p r = scarto di richiusura della valvola di sicurezza (blowdown): differenza tra la pressione di taratura e la pressione di richiusura p s = pressione di scarico (relieving pressure): pressione di taratura più sovrapressione corrispondente alla portata certificata Scarico p s p t p s Ingresso 100

101 Valvole di sicurezza Parametri caratteristici p c = contropressione imposta (superimposed back pressure): pressione statica esistente a valle della valvola nell istante precedente lo scarico p cs = contropressione generata allo scarico (built-up back pressure): pressione statica esistente allo scarico durante l efflusso p tb = pressione di prova taratura al banco (cold differential test pressure): pressione di ingresso a cui è sottoposta una valvola di sicurezza sul banco di prova con contropressione atmosferica e temperatura ambiente affinché si abbia l'inizio dell'alzata Scarico Ingresso 101

102 Valvole di sicurezza Parametri caratteristici h = alzata (lift): alzata rispetto alla posizione di valvola chiusa A = area di efflusso (flow area) Q c = portata certificata (certified capacity): (portata di riferimento per l'uso della valvola di sicurezza, pari alla portata teorica moltiplicata per il coefficiente di efflusso K e moltiplicata per il coefficiente di riduzione (o di sicurezza) K s =0,9) Q t = portata di efflusso teorica (calcolata) (theoretical flowing capacity) Q c =Q t *K*K s Scarico h Q r = portata di efflusso reale (misurata) (measured flowing capacity) A Q r =Q t *K Ingresso 102

103 Valvole di sicurezza Parametri caratteristici Portata di efflusso teorica (calcolata) (theoretical flowing capacity) p b = contropressione allo scarico p s = pressione di scarico Si possono avere due condizioni: Condizioni supercritiche p p b s 2 k 1 k k1 q q ts = portata teorica specifica (kg/(h*mm 2 )) p s = pressione di scarico (bar a) k = esponente della trasformazione isoentropica Z = fattore di comprimibilità T s = temperatura assoluta di scarico (K) C = coefficiente d'espansione M = peso molecolare (kg/kmole) V = volume molare (m 3 /kmole) K b = coefficiente di correzione ts p s C M ZT s C p s v Condizioni subcritiche p p b s k 2 1 k k1 q ts p s C K b M ZT s C K b p s v 103

104 104 Valvole di sicurezza Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) A = area orifizio (mm 2 ) G s = portata teorica da scaricare (kg/h) G c = portata certificata da scaricare (kg/h) p s = pressione di scarico (bar a) d = diametro orifizio (mm) Z = fattore di comprimibilità T s = temperatura assoluta di scarico (K) C = coefficiente d'espansione M = peso molecolare (kg/kmole) K = coefficiente d'efflusso K s = coefficiente di riduzione (coefficiente di sicurezza) = 0,9 s s s c p C K K M T Z G A Norma ISO Norma ISO s s s c T Z M A p C K K G s s c G K K G s s s c T Z M A p C K K G

105 105 Valvole di sicurezza Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) p s = pressione di scarico (bar a) p s = sovrapressione (bar a) t s t s t s p p 1 p p p p

106 Valvole di sicurezza Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) C = coefficiente di espansione k = esponente della trasformazione isoentropica C k k 2 1 k1 k1 106

107 Fattore di comprimibilità Z Valvole di sicurezza Fattore di comprimibilità Z Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) determinazione di Z Temperatura ridotta T r =T s /T c Z=pV/nRT (Z=1 per i gas perfetti) Ogni gas è caratterizzato da un «punto critico», identificato da un valore di temperatura e pressione. Infatti, per ogni gas esiste una temperatura detta temperatura critica T c al di sopra della quale, per quanto si aumenti la pressione, è impossibile liquefare il gas. La pressione richiesta per fare liquefare un gas alla temperatura critica è detta pressione critica p c. Pressione ridotta p r =p s /p c 107

108 Valvole di sicurezza Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) p b = contropressione allo scarico p s = pressione di scarico Condizioni supercritiche p p b s k 2 1 k k1 Condizioni subcritiche p p b s k 2 1 k k1 A K s Z T G M K C ps s K b 108

109 Valvole di sicurezza Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) p b = contropressione allo scarico p s = pressione di scarico p b /p s 109

110 Valvole di sicurezza Dimensionamento (calcolo area orifizio di efflusso) Size = dimensioni del diametro di ingresso e del diametro di uscita (d i xd u ) Rating = dimensioni valvola (spessori del corpo valvola e del cappello alla pressione e temperatura di progetto da normativa pren ) 110

111 Rating ANSI Valvole di sicurezza Per motivi di standardizzazione e semplificazione nella scelta delle valvole e delle flange, nella ANSI/ASME B16.34 e nella ANSI/ASME B16.5 sono definite 8 classi per diverse tipologie di materiali; in particolare per ogni classe e tipologia di materiale sono riportati i rating di temperatura e pressione. Ciascun componente deve essere caratterizzato da un rating in termini di temperatura e pressione maggiore o uguale rispetto alle condizioni di temperatura e di pressione di design in cui va ad operare. Pressure Temperature Tables: sono tabelle in cui per definita classe e materiale sono riportati i rating di temperatura e pressione a cui il componente può essere sottoposto. Esempio di classificazione ANSI per 316 SS. 111

112 Valvole di sicurezza Rating ANSI Esempio: p t = 60 bar T s = 300 C 112

113 Valvole di sicurezza Rating ANSI Dal grafico si ricava che la valvola deve avere le seguenti caratteristiche Size Diametro in ingresso (d i ) = 3 Diametro in uscita (d u ) = 4 Rating rating in ingresso = 600 rating in uscita = 150 Dal grafico è possibile determinare il materiale della valvola (corpo e cappello) che resiste alla pressione di taratura e alla temperatura di ingresso di progetto 216 WCB (il materiale indicato nel diagramma deve essere compatibile con il fluido di processo) 113

114 Valvole di sicurezza Dimensionamento (scelta orifizio di efflusso) 114