Allo stato attuale dell arte, gli otturatori delle valvole

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1 INGEGNERIA DI MANUTENZIONE Innovazioni sulle valvole dei compressori alternativi Studi ed esperienze per migliorarne la capacità di tenuta e l efficienza fluidodinamica M. Schiavone, A. Bianchi, Dott. Ing. Mario Cozzani srl, Arcola (SP) Allo stato attuale dell arte, gli otturatori delle valvole per compressori alternativi funzionano con movimento alternativo automatico; inoltre, allo scopo di ottenere un controllo della portata, vengono usati dispositivi pneumatici o elettro-idraulici. Dott. Ing. Mario Cozzani srl presenta un nuovo tipo di valvola brevettata; la valvola in questione lavora con un movimento rotatorio degli otturatori ed è comandata da un dispositivo elettromeccanico controllato da un driver elettronico. Questa soluzione permette il completo controllo del ciclo di lavoro della valvola, e, conseguentemente, la regolazione della portata del compressore. Con l introduzione dei materiali termoplastici nella costruzione degli otturatori valvola, sono stati studiati e sviluppati profili piani e curvi: mentre i primi assicurano una buona capacità di tenuta, gli ultimi presentano una migliore efficienza fluidodinamica. Ricerche fluidodinamiche condotte sui profili otturatori, hanno permesso la creazione di un nuovo profilo brevettato. Il nuovo profilo è sostanzialmente differente da quelli esistenti, esso associa contemporaneamente l alta efficienza fluidodinamica alla buona capacità di tenuta. Nel 1996 il Sistema Qualità della Cozzani srl è stato certificato in accordo alla Norma Iso Nei recenti anni, i programmi di ricerca della Cozzani hanno avuto come obiettivo il miglioramento dell efficienza e dell affidabilità delle valvole. Questi studi hanno portato alla nascita di due nuovi prodotti: una valvola rotante comandata da un driver elettronico, e un profilo otturatore a forma concava. 3.00e e e e e e e e e e e+0 Z Y X Path lines Colored by Particle Id Oct 12, 1999 FLUENT 5.2 (3d, segregated, ke) Fig. 1. Studio Cfd del flusso del gas attraverso la valvola rotante. Valvola rotante. Progetto valvola. Le valvole dei compressori alternativi funzionano tramite un movimento alternativo degli otturatori, una tipica valvola con otturatori termoplastici. Il ciclo di funzionamento delle valvole tradizionali è automatico, questo significa che il movimento dell otturatore è dovuto alla differenza di pressione tra l interno e l esterno del cilindro, e alla forza prodotta da alcuni componenti elastici inseriti nella valvola stessa. A ogni ciclo di lavoro del compressore, l otturatore è soggetto minimo a un doppio urto (uno sul lato sede e uno sul lato controsede). Per eliminare questi urti, critici per la durata della valvola, Cozzani ha considerato opportuno cambiare radicalmente il movimento di funzionamento dell otturatore, passando a un movimento di tipo rotatorio. Adesso l otturatore, solidale alla controsede, ruota intorno alla sede, e non risulta più soggetto a urti. Il nuovo tipo di valvola porta a una semplificazione del percorso che il fluido incontra nell attraversamento dei canali valvola. Al fine di ottenere una buona efficienza fluidodinamica differenti configurazioni geometriche sono state testate in sala prova. Studi teorici preliminari, mediante software Cfd, hanno contribuito alla scelta di alcune geometrie in grado di garantire le minori perdite di flusso, caratteristica sicuramente importante nella progettazione delle valvole perché direttamente legata al risparmio energetico dei compressori. In fig. 1 è rappresentato un output relativo agli studi fluidodinamici, si evidenzia come il fluido passa in modo diretto attraverso i canali della valvola. MANUTENZIONE, Tecnica e Management / GIUGNO

2 2,813 2,500 Coppia 2,188 Coppia (nm) 1,875 1,503 1,250 0,938 LIFT 0,625 0,313 80,0 160,0 240,0 320,0 400,0 480,0 560,0 640,0 720,0 Angolo ( ) Fig. 2. Diagramma dei test di coppie. Fig. 5. Passaggio del fluido attraverso una valvola a otturatori piani. to valve motor to valve motor Fig. 3. Schema del controllo elettronico. Time (sec) input data from encoder brushless speed (rpm) from pressure vessel Fig. 4. Curve di riempimento di un serbatoio a pressione di 4 bar. 0 i 30 i -5 i La sola discontinuità presente è dovuta al passaggio attraverso la sede, infatti non esiste più l alzata. Architettura della valvola rotante. Nella nuova valvola il movimento dell otturatore non è più automatico ma viene fornito da un motore elettrico controllato da driver elettronico, come illustrato nel seguente capitolo. Otturatori e canali sono progettati per mantenere inalterate le prestazioni durante la vita della valvola. Componenti elastici sono studiati per recuperare il gioco generato dall attrito tra otturatore e sede. A differenza delle valvole tradizionali, in questa valvola, le molle lavorano in modo statico, e non risultano soggetti ai problemi dinamici. Speciali connessioni sono usati per unire l albero della valvola al motore. Test sui materiali. Ricerche preliminari, atte a valutare le usure della nuova valvola, sono state condotte nei laboratori. Differenti materiali termoplastici a basso attrito sono stati testati mediante l utilizzo di una macchina simulante il movimento delle nuove valvole. Alcuni di questi materiali si sono comportati molto bene nei riguardi dell usura. È stato centrato l obbiettivo di raggiungere le ore di simulazione della vita del compressore, mediante un funzionamento continuo a rpm. In fig. 2 mostra un diagramma relativo ai valori delle coppie di torsione da applicare all albero in funzione delle differenti velocità di rotazione della stessa. Questi ultimi test sono stati condotti per determinare l esatto dimensionamento dei motori necessari alla movimentazione della valvola, allo stesso tempo forniscono indicazioni sulle forze di attrito tra sede e otturatore. Controllo elettronico. Come precedentemente menzionato, per controllare il ciclo di funzionamento della valvola il motore riceve il segnale da un driver elettronico. Ma come viene definito il profilo di velocità della valvola? Il driver elettronico riceve i segnali da apparecchiature e strumentazioni montati sull impianto. Il segnale principale è sicuramente quello ricevuto dall encoder montato solidale all albero di manovella del compressore. Il suddetto segnale permette il completo controllo dell angolo di manovella, e quindi il controllo dell i- 42 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / GIUGNO 2002

3 great turbulence zone higher velocity zone Jun 26, 2000 Fig. 6. Distribuzione delle velocità nella valvola a otturatori piani. Fig. 7. Distribuzione delle velocità nella valvola a otturatori convessi. nizio del ciclo di apertura e chiusura della valvola. Naturalmente i valori di apertura e chiusura sono funzione del ciclo di funzionamento del compressore, e determinano la scelta del profilo del motore. Tutti i parametri desiderati sono introdotti, tramite opportuno software, nel driver. Altro segnale importante è quello proveniente dal serbatoio di pressione, che viene utilizzato per il controllo della portata come descritto nel capitolo successivo. Nella seguente fig. 3 è mostrato un semplice schema del controllo elettronico, in cui si evidenziano i due segnali indispensabili per il funzionamento del sistema (segnale encoder e segnale pressione del serbatoti). Sensori di pressione all interno del cilindro o sensore di flusso posizionato sulla tubazione possono essere usati per monitorare il compressore. Naturalmente, a seconda delle condizioni di lavoro del compressore, possono essere usati motori antideflagranti, criogenici o altri speciali motori. Controllo della portata. Siccome il controllo elettronico permette il totale controllo del ciclo di funzionamento della valvola, conseguentemente, esso permette il totale controllo del ciclo di funzionamento del compressore. Cambiando i profili di velocità dei motori è possibile produrre dei ritardi di chiusura determinando pertanto la variazione della portata. La valvola non necessita più di componenti pneumatici o idraulici. In che modo la valvola è in grado di capire quando e come variare la portata? Viene costruita una curva che associa il valore della portata ai differenti profili di velocità del motore. Un segnale elettrico, proveniente da un sensore di pressione montato sul serbatoio o posto lungo la tubazione di mandata, viene inviato al programma di gestione del driver elettronico. Il driver, ricevuto il segnale, adegua i motori ai rispettivi profili preimpostati. In questo modo il sistema elettronico è in grado non solo di ottimizzare il ciclo di lavoro della valvola ma anche di controllare la regolazione della portata. Nella fig. 4 noi possiamo vedere alcune curve sperimentali relative al tempo di riempimento di un serbatoio a pressione di 4 bar. Ogni curva è correlata a differenti valori del parametro di inizio ciclo del profilo valvola. Come si osserva, variando la velocità del motore differenti valori di portata sono ottenuti. B B P P Fig. 8. Schema dell effetto Coanda. A Contours of Static Pressure (pascal) A Fig. 9. Pressione del fluido con otturatore concavo. Pressure bag MANUTENZIONE, Tecnica e Management / GIUGNO

4 higher velocity Fig. 10. Velocità del fluido con otturatore concavo. Fig. 11. Schema del banco prova. Test sul compressore. Il primo test della valvola rotante è stato fatto nella sala prove. La macchina selezionata per il test è un compressore ad aria monocilindrico a singolo effetto, avente una velocità di 765 rpm, una pressione aspirante atmosferica e una di mandata di 4 bar. Il primo prototipo di valvola di aspirazione testato; sul lato di mandata è stata montata una valvola del tipo tradizionale. Il compressore è equipaggiato con un sensore di pressione allo scopo di monitorare la pressione nel cilindro. Il sensore è connesso a un oscilloscopio digitale al fine di analizzare il ciclo PV. Nella seguente fotografia è mostrato il compressore dotato della valvola aspirante di nuova concezione. Nuovo profilo otturatore. Come è generalmente conosciuto, gli otturatori piani non hanno un elevata efficienza fluidodinamica, mentre gli otturatori a profilo convesso, in seguito alle dilatazioni termiche, presentano maggiori problematiche di tenuta. Per queste ragioni Cozzani ha ricercato nuovi profili otturatori in grado di combinare la buona tenuta dei primi all alta efficienza dei secondi. Otturatori piani. Nel caso di valvole con otturatori piani (anelli o dischi) l efficienza fluidodinamica è relativamente bassa in seguito alle discontinuità geometriche che il fluido incontra durante il passaggio attraverso la valvola. Come si può vedere in fig. 5, il flusso, durante il passaggio nei canali valvola, è costretto a deviare in modo brusco il proprio percorso. Il parametro alzata ha grande influenza sulla sezione di passaggio e conseguentemente sulla caduta di pressione. Allo scopo di comprendere meglio i fenomeni che si verificano all interno dei canali, sono stati condotti Cfd. La fig. 6 mostra la distribuzione di velocità in una valvola di mandata. Si osserva, dalla figura, che il massimo valore della velocità non è in corrispondenza della sezione di minimo passaggio ma in un zona localizzata dopo questa, ciò significa una zona di più ampia turbolenza e conseguentemente una maggiore perdita in pressione. Sono stati condotti anche simulazioni di tipo tridimensionali per determinare il valore delle perdite. Tuttavia, sia nei confronti delle dilatazioni termiche, sia nei confronti degli otturatori di grandi dimensioni, il contatto tra due superfici piane e parallele è in grado di garantire, alla valvola, una buona tenuta. Un buon progetto otturatore/sede è in grado di assicurarne buone performance di funzionamento. Otturatori convessi o simili. Le valvole a otturatori convessi presentano alti valori di efficienza fluidodinamica. In queste valvole la massima velocità del flusso è in corrispondenza della sezione di minimo passaggio, come 44 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / GIUGNO 2002

5 P m = 0,5 bar 1,5 bar 1 bar 2 bar P m = 0,5 bar 1 bar 1,5 bar 2 bar 120 P (mbar) P (mbar) Portata (dm 3 /s ANR) Portata (dm 3 /s ANR) Fig. 12. Otturatore piano: diagramma portata e caduta pressione. si può vedere nella fig. 7. Nella progettazione delle valvole, un aspetto che non deve essere trascurato, o minimizzato, è quello legato alla diversità dei materiali che la costituiscono. Sappiamo che i materiali termoplastici hanno dilatazioni termiche notevolmente superiori all acciaio. Considerando le condizioni termiche in cui operano le valvole, gli otturatori convessi presentano una maggiore difficoltà di tenuta rispetto a quelli piani. Infine, un altro aspetto per molti ritenuto significativo è quello relativo alla manutenzione; infatti le valvole a otturatori convessi, in seguito alla particolare forma dei seggi della sede, richiedono una più complicata operazione di revisioni. Fluido turbolento. Cosa può essere detto sulla natura del fluido all interno dei canali valvola? L elevato numero di giri del compressore implica elevate velocità del fluido attraverso la valvola. Se si calcola il numero di Reynolds all interno dei canali si ottiene un fluido di natura turbolenta. Pertanto, nello studio dell otturatore, possiamo applicare l effetto Coanda. Effetto Coanda. Nel 1930 Enrico Coanda scopri un fenomeno fluidodinamico riguardante la possibilità di guidare un flusso turbolento attraverso una pressione pilota (vedi fig. 8). Un flusso turbolento (A) può essere guidato tramite una pressione pilota (P', P") nella direzione voluta (B', B"). Questo fenomeno è largamente usato per elementi logici pneumatici, nel settore aeronautico, in quello automobilistico, ecc. Otturatore concavo. Come può l effetto Coanda essere usato nelle valvole dei compressori? Attraverso la creazione di una pressione pilota nella parte centrale dell otturatore. Cozzani ha quindi realizzato e brevettato la sua nuova valvola CC, costituita da un nuovo profilo otturatore a forma concava. Il suddetto profilo crea una sacca di pressione nella zona centrale dell otturatore capace di indirizzare il fluido attraverso i canali della controsede (vedi fig. 9). Come si può vedere nella fig. 10, adesso il valore della massima velocità è in corrispondenza della minima sezione della valvola. Questo è un aspetto molto importante, perché significa basse turbolenze e minore energia cinetica spesa durante il passaggio del fluido. Tutto ciò porta a minori perdite di pressione e quindi Fig. 13. Otturatore concavo: diagramma portata e caduta di pressione. maggiore efficienza della valvola. In questo tipo di valvola la tenuta avviene per contatto di superfici piane, nello stesso modo visto per gli otturatori piani., ne derivano tutti i vantaggi riguardo la tenuta della valvola visti nei paragrafi precedenti. Quindi il nuovo profilo associa l alta efficienza a una buona tenuta. Test sugli otturatori concavi. Questa nuova forma di otturatore è stata inizialmente testata nei laboratori (fig. 11). Il compressore usato è quello descritto precedentemente. Successivamente Cozzani ha testato le proprie valvole CC in una delle più importanti Università italiane. I test sono stati fatti in accordo alla Iso 6953/1. In fig. 12 sono riportati i risultati alla valvola a otturatori piani, mentre in fig. 13 quelli relativi alla valvola CC. Le curve rappresentano le cadute di pressione in funzione della portata. I risultati di questi studi mostrano la buona efficienza degli otturatori concavi rispetto a quelli piani, infatti a parità di portata le valvole CC hanno valori di perdita inferiori rispetto agli otturatori piani. Gli Autori Massimo Schiavone, è il responsabile tecnico della Dott. Ing. M. Cozzani. Ha frequentato l Università di Genova e si è laureato in Ingegneria Meccanica nel È entrato nel settore tecnico della Cozzani nel 1988, dove ha lavorato alla progettazione delle valvole dei compressori alternativi. Ha sviluppato e implementato il software relativo alle simulazioni dinamiche degli otturatori valvola. Dal 1994, fino a oggi, è il responsabile del settore tecnico. Co-inventore dei due brevetti illustrati nell articolo. Andrea Bianchi, è impiegato nella ricerca e sviluppo della Dott. Ing. M. Cozzani. Si è laureato nel 1997 in Ingegneria aeronautica presso l Università di Pisa. Successivamente ha lavorato nel settore dell automazione. Dal 1999 lavora nel settore della ricerca e sviluppo della Cozzani. È un esperto in meccanica della frattura, in analisi Fem e in Cfd. Co-inventore dei due brevetti illustrati nell articolo. MANUTENZIONE, Tecnica e Management / GIUGNO