Università degli Studi di Salerno P.O.R. Campania misura 3.22 Percorsi di formazione a distanza e-learning

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1 Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica Insegnamento: Dinamica e Controllo dei Processi Chimici Learning Object N. 3: Dimensionamento delle valvole di regolazione Unità didattica N. 1: Coefficiente di efflusso e caratteristica intrinseca Progettista dei contenuti: prof. Michele MICCIO Document editor: ing. Michela FRAGANZA Rev. 1.8 del 8 maggio 2015 Unione Europea Fondo Sociale Europeo Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali Regione Campania Università degli Studi di Salerno Tutto il materiale contenuto in questo Learning Object è stato sviluppato nell ambito del progetto e-learning dell ed è tutelato da licenza Creative Commons secondo le seguenti specifiche In base alla specifica attribuzione di questa licenza L'utente ha il diritto di: riprodurre, distribuire, comunicare al pubblico, esporre in pubblico, rappresentare, eseguire e recitare l'opera. modificare l'opera L'utente ha il dovere di: attribuire la paternità dell'opera nei modi indicati da chi ha dato l'opera in licenza, ovvero all'università, in caso di alterazione o trasformazione dell'opera, o di uso per crearne un'altra, l'utente deve distribuire l'opera risultante con una licenza identica a questa L'utente ha il divieto di: usare l'opera per fini commerciali. Ogni volta che usa o distribuisce l'opera, l'utente deve farlo secondo i termini di questa licenza, che va comunicata con chiarezza In ogni caso, è possibile concordare col titolare dei diritti d'autore utilizzi dell'opera non consentiti da questa licenza. Nessun elemento di questa licenza può limitare i diritti morali dell'autore Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 2

2 VALVOLE DI REGOLAZIONE: Definizioni OTTURATORE (closure member): è un organo mobile opportunamente sagomato, la cui posizione rispetto ad una posizione fissa determina l area della sezione di passaggio del fluido transitante nella valvola. L otturatore può assumere qualsiasi posizione compresa tra due posizioni estreme, denominate posizione di chiusura, cui corrisponde la minima portata nella valvola, e posizione di completa apertura, cui corrisponde la massima portata nella valvola. CHIUSURA COMPLETA (full close): una valvola si definisce completamente chiusa quando è l otturatore in posizione di chiusura, la portata in essa transitante è nulla. CORSA (lift, stroke or travel): è lo spostamento dell otturatore dalla posizione di chiusura. Tipicamente da ½ a 1 ½ CORSA NOMINALE (nominal travel): è la corsa corrispondente alla posizione di completa apertura. CORSA RELATIVA (relative travel): indicata con h, è il rapporto tra la corsa e la corsa nominale; in posizione di chiusura risulta h=0, in quella di completa apertura h=1. TRIM : indica l insieme degli organi interni alla valvola, tra cui l otturatore e la sede, che sono in diretto contatto con il fluido in essa transitante e che quindi, con la loro forma, determinano le caratteristiche di efflusso della valvola al variare della corsa. DIAMETRO NOMINALE (DN) : è un numero che identifica la dimensione d interfaccia di una valvola e degli altri elementi di un circuito idraulico. Elementi con stessi DN e PN (pressione nominale) sono direttamente accoppiabili. PORT : apertura fissa che, unitamente all otturatore, determina il passaggio del fluido (per valvole a GLOBO) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 3 VALVOLA di REGOLAZIONE (disegno schematico) tratta da Magnani, Ferretti e Rocco (2007) ORGANO DI MANOVRA ORGANO DI AZIONE GIUNZIONI Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 4

3 VALVOLE DI REGOLAZIONE: Proprietà del fluido La portata di fluido transitante in una valvola, esprimibile in termini volumetrici o massici, dipende, oltre che dalle caratteristiche proprie della valvola, dallo stato e dalle proprietà del fluido, espressi dalle variabili seguenti: Pressione di ingresso o a monte, P 1 ; Temperatura di ingresso o a monte, T 1 ; Pressione di uscita o a valle, P 2 ; Pressione differenziale (o caduta di pressione ), P = P 1 - P 2 ; Pressione di vapore del fluido, P v, calcolata alla temperatura del liquido all ingresso della valvola, potendosi trascurare le variazioni di temperatura all interno della valvola stressa; Densità relativa del fluido (specific gravity), G f = ρ/ρ 0, essendo ρ la densità del fluido nelle condizioni a monte e ρ 0 = 1000 kg/m 3 (T=4 C) la densità dell acqua di riferimento Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 5 VALVOLE DI REGOLAZIONE: COEFFICIENTE DI EFFLUSSO C V (per liquidi) Per mettere in evidenza le caratteristiche di portata proprie della valvola, è necessario esprimere la portata transitante nella valvola per un fluido, e relativo stato fisico, di riferimento. Il parametro, di origine anglosassone, che si utilizza per definire le caratteristiche di portata di una valvola è, tradizionalmente, il coefficiente di efflusso, o di portata, C v (flow coefficient). Precisamente, il C v di una valvola è la portata volumetrica, espressa in US gal/min, di acqua a temperatura compresa nell intervallo 4 40 C (G f =1) transitante attraverso la valvola per una determinata corsa (parzialmente o totalmente aperta) con una caduta di pressione statica P=1 psi [=] 6895Pa. C v [=] US gal (H 2 O) min -1 psi -1/2 un gallone americano pari a circa litri Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 6

4 COEFFICIENTE DI EFFLUSSO Il coefficiente di efflusso C v è una funzione monotona non decrescente della corsa relativa h dell otturatore. Pertanto C v assume i valori minimo C vmin e massimo C vmax quando l otturatore si trova, rispettivamente, in posizione di chiusura (h=0) e in posizione di completa apertura (h=1). Per comprendere il legame tra C v e h occorre dapprima fornire le seguenti definizioni: Coefficiente di efflusso nominale C vn : valore di C v alla corsa nominale (C vn =C vmax ); Coefficiente di efflusso relativo Φ=C v /C vn [=] - [0,1]; Apertura: valore di Φ espresso in percentuale [0,100]; Caratteristica intrinseca, o inerente, o di portata Φ(h): relazione che esprime il coefficiente di efflusso relativo Φ in funzione della corsa relativa h, con P costante; la caratteristica inerente è determinata dalla conformazione del trim, di cui è parte la sagomatura dell otturatore (nelle valvole a gabbia, da forma e dimensioni dei fori della gabbia; Rangeability intrinseca r = C vmax /C vmin : è il rapporto tra il valore massimo e il valore minimo del coefficiente di efflusso; r per C vmin = 0 The higher the number, the better. The rangeability is 5:1 on typical small globe valves (1/2"), 75:1 on a large valve (2"), 100:1 on rotating valves, 6:1 practically on butterfly valves Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 7 CARATTERISTICA INTRINSECA Le caratteristiche di portata (intrinseche o inerenti) proprie di una valvola sono definite e fornite dal costruttore considerando un fluido di riferimento (acqua) condizioni di temperatura di riferimento una caduta di pressione di riferimento Permettono di caratterizzare la dipendenza della portata da caratteristiche proprie della valvola e di confrontare la capacità di far transitare una portata in valvole diverse Sono definite a partire dal coefficiente di efflusso o di portata C V (oppure A V o K V ) NB: Le valvole di intercettazione consentono, variando il grado di apertura, la parzializzazione di una portata, quindi potrebbero essere usate anche per scopi di regolazione. A esse manca tuttavia un requisito essenziale per una regolazione raffinata, e cioè l uniformità di corrispondenza tra la posizione dell'otturatore e la portata effluente Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 8

5 CARATTERISTICHE INTRINSECHE D'USO PIÙ FREQUENTE IP: P=cost. corsa nominale h Caratteristiche intrinseche lineare (a), equipercentuale (b), parabolica (c), apertura rapida (quick opening) (d), V-PORT oppure valvola a farfalla (in verde) (e) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 9 CARATTERISTICHE INTRINSECHE D'USO PIÙ FREQUENTE Secondo la normativa IEC , il costruttore deve descrivere le caratteristiche di un tipo di valvola di regolazione graficamente oppure in forma tabellare. In quest'ultimo caso deve specificare almeno il C v, relativo al 5%, 10% ed, a intervalli di 10, fino al 100% della corsa relativa. Caratteristica lineare: Φ = Φ 0 + α h con Φ 0 e α costanti opportune. Un esempio di caratteristica lineare e riportato nella figura (curva a) per r = 20; Caratteristica esponenziale, o equipercentuale: Φ = Φ 0 e βh con Φ 0 e β costanti opportune. Si noti che non è possibile realizzare una caratteristica equipercentuale fino alla chiusura completa. Un esempio di caratteristica equipercentuale è riportato in figura (curva b) per r=20. Si noti inoltre che risulta: cioè il guadagno della valvola è proporzionale all'efflusso relativo, per cui a uguali incrementi della corsa h corrispondono incrementi equipercentuali di Φ, da cui il nome della caratteristica; Caratteristica quadratica, o parabolica: Φ =Φ 0 + γh 2 con Φ 0 e γ costanti opportune. Un esempio di caratteristica quadratica e riportato in figura (curva c) per r = 20. Caratteristica ad apertura rapida (quick opening): è caratterizzata da una curva a derivata decrescente (curva d) avente equazione del tipo: Φ =h (1/δ) con δ> Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 10

6 CARATTERISTICHE INTRINSECHE D'USO PIÙ FREQUENTE I valori delle costanti che compaiono nelle equazioni suddette si possono esprimere in funzione della rangeability della valvola, osservando che deve risultare: per h = 0 per h = 1 Si ottengono le seguenti espressioni: Per la caratteristica lineare : Per la caratteristica equipercentuale: Per la caratteristica parabolica: Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 11 CARATTERISTICA INTRINSECA ed OTTURATORI Sagomando opportunamente l'otturatore della valvola, si possono ottenere caratteristiche intrinseche di forma molto diversa. OTTURATORE A PIATTELLO L INCREMENTO DELLA PORTATA AVVIENE QUASI ESCLUSIVAMENTE NELLA PRIMA PORZIONE DI APERTURA DELL OTTURATORE, DOPO CHE ULTERIORI INCREMENTI DELLA CORSA INCREMENTANO AUMENTI DI PORTATA QUASI TRASCURABILI. PER QUESTO MOTIVO L OTTURATORE A PIATTELLO VIENE ANCHE CHIAMATO OTTURATORE AD APERTURA RAPIDA. VIENE GENERALMENTE USATO PER CONTROLLI ON-OFF E PER SERVIZI DI INTERCETTAZIONE. OTTURATORE LINEARE CON QUESTO OTTURATORE SI OTTIENE LA LINEARITA TRA LA CORSA DELL OTTURATORE E LA PORTATA, CHE RISULTA QUASI DIRETTAMENTE PROPORZIONALE AL GRADO DI APERTURA DELLA VALVOLA. IL PROFILO DELL OTTURATORE E NORMALMENTE PARABOLICO. 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. OTTURATORE EQUIPERCENTUALE CON QUESTO OTTURATORE A UGUALI INCREMENTI DELLA CORSA DI APERTURA CORRISPONDE UNA PERCENTUALE COSTANTE DI AUMENTO DELLA PORTATA, A PARITA DI PRESSIONE DIFFERENZIALE, PER UN INCREMENTO DEL 10% DELLA CORSA, LA PORTATA AUMENTA DI CIRCA IL 50% RISPETTO ALLA PORTATA PRECEDENTE ALLA VARIAZIONE. NE DERIVA CHE LA VALVOLA EROGA LA MAGGIOR PARTE DELLA PORTATA MASSIMA NELL ULTIMA FRAZIONE DI APERTURA. GLI OTTURATORI EQUIPERCENTUALI VENGONO USATI NELLE APPLICAZIONI IN CUI LA PERDITA DI PRESSIONE DEL FLUIDO VIENE PREVALENTEMENTE ASSORBITA DALL IMPIANTO E SOLO UNA PICCOLA PERCENTUALE DI ESSA RIMANE DISPONIBILE NELLA VALVOLA. SONO ANCHE CONSIGLIATI QUANDO LA PORTATA E FORTEMENTE VARIABILE O LA PRESSIONE DIFFERENZIALE NELLA VALVOLA SUBISCE AMPIE VARIAZIONI Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 12

7 Esercitazione Calcolo interattivo e rappresentazione grafica della Caratteristica Intrinseca per una valvola a globo NOTA: Questo ed altri Esempi/Problemiinterattivi sono normalmente fruibili attraverso un qualsiasi WEB browser su: grazie a Mathcad Calculation Servere senza avere il software Mathcad installato sul proprio PC Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 13