VALVOLE DI REGOLAZIONE

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1 VALVOLE DI REGOLAZIONE DIMENSIONAMENTO E SCELTA INTRODUZIONE Questa pubblicazione ha lo scopo di fornire indicazioni, suggerimenti e formule per una corretta scelta delle valvole di controllo per processi industriali e, in particolare, delle valvole di tipo pneumatico. Per quanto riguarda il dimensionamento del solo corpo, le formule di calcolo proposte possono essere impiegate per qualsiasi altra valvola, sia essa di tipo motorizzato che di tipo manuale, purché ne sia noto il coefficiente di portata Kv (unità metriche) o Cv (unità anglosassoni). A DIMENSIONAMENTO DEL CORPO A Determinazione del diametro di passaggio Il primo passo da compiere è quello del calcolo del diametro di passaggio da assegnare alla valvola di controllo in funzione del tipo di fluido controllato, delle condizioni di esercizio (pressione, temperatura, massa volumica, viscosità ecc), della portata e della caduta di pressione, ammissibile o richiesta, attraverso la valvola. Nella maggioranza dei casi esso coinciderà col diametro nominale del corpo valvola, ma in presenza di vapori e gas, nel caso di cadute di pressione elevate, potrà esser necessario utilizzare un corpo valvola di diametro nominale superiore a quello risultato dal calcolo per contenere entro limiti accettabili la velocità del fluido nel corpo valvola stesso. Per la sua determinazione si potrà procedere al calcolo del coefficiente di portata richiesto nel caso specifico e, in base ad esso e ai dati forniti dal costruttore, selezionare il diametro di passaggio della valvola necessaria A Liquidi La formula da impiegare per il calcolo del Kv, con liquidi a temperature sufficientemente basse per non dar luogo a rievaporazione a causa della caduta di pressione, è la seguente: In caso di liquidi viscosi il coefficiente Kv, calcolato con la precedente formula, va moltiplicato per uno dei coefficienti della tabella 1 in funzione della viscosità, alle condizioni di esercizio, espressa in gradi Engler. Tab. 1 Viscosità E Coefficiente correzione Viscosità E Coefficiente correzione 2 1, ,38 5 1, , , ,60 1,32 0 1,68 Nel caso la valvola sia utilizzata per ridurre la pressione, occorre verificare che la caduta di pressione attraverso di essa non sia tale da dar luogo a cavitazione, fenomeno molto dannoso per la valvola stessa a causa delle vibrazioni e, soprattutto, delle erosioni dell otturatore che esso può provocare. A questo scopo ci si può servire dell indice di cavitazione C, calcolabile con la formula sotto riportata, che, alle condizioni di progetto, dovrà essere superiore o, al limite, uguale a 0,5. In caso contrario occorrerà realizzare il salto di pressione in due stadi o con valvole speciali con otturatore a gabbia. La formula di calcolo del coefficiente C è la seguente: C = (P 2 -p v ) / p P 2 = pressione assoluta a valle () p v = tensione di vapore, relativa alla pressione atmosferica, alla temperatura del liquido () p = caduta di pressione attraverso la valvola () Deve essere: C > 0,5 Per l acqua i valori di P V sono riportati nella tabella 2. Kv = Q 1 Q 1 = portata volumica oraria di liquido espressa in m 3 /h m 1 = massa volumica del liquido alle condizioni di esercizio espressa in kg/dm 3 p = caduta di pressione attraverso la valvola espressa in. m 1 p Tab.2 - Tensione del vapor d acqua da 10 a 100 Temperatura p v Temperatura p v 10 0, , , , , ,4734 0, , , ,0132 GEN 07 REV.0-1 -

2 A Vapor d acqua saturo Le formule da utilizzare sono due: 1 caso: pressione assoluta ridotta superiore al 58% della pressione assoluta in entrata alla valvola. Q 2 Kv = 18,05 p P 1 2 caso: pressione assoluta ridotta uguale o inferiore al 58% della pressione assoluta in entrata alla valvola (efflusso critico). Q 2 Kv = 11,7 P 1 Q 2 = portata massima oraria espressa in kg/h P 1 = pressione assoluta a monte espressa in P 2 = pressione assoluta a valle espressa in p = salto di pressione (P 1 - P 2 ) espresso in A.1.3 Vapor d acqua surriscaldato Anche per questo fluido le formule da usare sono due: 1 caso: pressione assoluta ridotta superiore al 55% della pressione assoluta in entrata alla valvola. Q 2 Kv = Fs 17,44 p P 1 2 caso: pressione assoluta ridotta uguale o inferiore al 55% della pressione assoluta in entrata alla valvola (efflusso critico). Q 2 Kv = Fs 11,7 P 1 Q 2 = portata massima oraria espressa in kg/h P 1 = pressione assoluta a monte espressa in P 2 = pressione assoluta a valle espressa in p = salto di pressione (P 1 - P 2 ) espresso in Fs = fattore di correzione per vapore surriscaldato (tabella 3) Tab. 3 tss - ts Fs 1, , , ,12 0 1,18 tss = temperatura del vapore surriscaldato () ts = temperatura del vapore saturo alla stessa pressione () A Aria e gas Le formule sono le seguenti: 1 caso: pressione assoluta ridotta superiore al 53% della pressione assoluta in entrata alla valvola. Kv = Q 3 d 2 T 480,4 p P 2 2 caso: pressione assoluta ridotta uguale o inferiore al 53% della pressione assoluta in entrata alla valvola (efflusso critico). Kv = Q 3 239,8 P 1 d 2 T P 1 = pressione assoluta a monte espressa in P 2 = pressione assoluta a valle espressa in p = salto di pressione (P 1 - P 2 ) espresso in Q 3 = portata oraria volumica espressa in Nm3/h d 2 = densità relativa all aria (aria = 1) T = temperatura assoluta del fluido in K (K = + 273) Una volta determinato il coefficiente di portata Kv con una delle formule sopra riportate, lo si confronterà con i valori elencati sulla specifica tecnica della valvola che si intende utilizzare. A questo proposito, dato che i valori forniti si riferiscono a valvola completamente aperta, sarà opportuno selezionare un diametro di passaggio avente un Kv leggermente superiore a quello calcolato (10-% in più). Nel caso di variazioni di portata e/o di pressione a monte molto ampie, sarà opportuno calcolare il coefficiente di portata per le due condizioni limite (portata massima con p minimo e portata minima con p massimo). Il rapporto tra i due valori di Kv cosi calcolati non dovrà superare i seguenti limiti: otturatore con caratteristica lineare PL o LV o MFP: Kvmax / Kvmin 10 otturatore con caratteristica equipercentuale EQP o MFS: Kvmax / Kvmin 20 Nel caso che tali limiti siano superati, è consigliabile impiegare due valvole in parallelo, funzionanti in sequenza, calcolate rispettivamente per 1/4 e 3/4 della portata massima e con p minimo. In questo caso l otturatore consigliato è quello equipercentuale EQP o MFS per entrambe le valvole. GEN 07 REV.0-2 -

3 A Scelta del DN del corpo valvola A Liquidi Se il fluido controllato è un liquido, il DN del corpo valvola dovrà essere uguale al diametro di passaggio corrispondente al coefficiente Kv calcolato con le formule precedenti. In nessun caso esso dovrà essere superiore a quello della tubazione su cui la valvola dovrà essere installata. Se così fosse, cioè DN valvola > DN tubazione, verificare i calcoli e/o i dati di progetto. A Vapore e gas Quando il fluido controllato è un vapore o un gas e sono in gioco elevati salti di pressione, è opportuno fare una verifica della velocità che esso assumerebbe nel corpo valvola nel lato pressione ridotta, nel caso si utilizzasse una valvola con DN uguale al diametro di passaggio corrispondente al coefficiente Kv calcolato. Il limite di velocità che si consiglia di non superare è di 180- m/s per il vapore d acqua saturo e di m/s per il vapore surriscaldato e i gas. Nel caso che questi limiti vengano superati, sarà opportuno utilizzare una valvola con DN superiore al diametro di passaggio calcolato, in modo di contenere la velocità del fluido a pressione ridotta entro i limiti sopra indicati. Le formule da utilizzare sono le seguenti: Vapor d acqua saturo o surriscaldato 1) - Calcolo della velocità a valle nel corpo valvola V e = 3,7 x Q 1 x Se il valore così calcolato supera i limiti sopra citati, occorrerà determinare il diametro del corpo valvola con la formula seguente. d 2 2) - Calcolo del diametro del corpo valvola V e V lim Q1 d Aria o gas d = 18,8 Q 1 x V lim = velocità del vapore in m/s = velocità limite ammissibile (180-0 m/s) = portata massima di vapore in kg/h = volume specifico del vapore alla pressione ridotta in m3/kg = diametro interno del tubo, corrispondente al DN della valvola, in mm 1) - Calcolo della velocità a valle nel corpo valvola V e = 1,222 x Q 3 x T P 2 x d 2 2) - Calcolo del diametro del corpo valvola d = 1,105 x Q 3 x T P 2 V lim V e = velocità del gas in m/s V lim. = velocità limite ammissibile (-0 m/s) Q 3 = portata volumica di gas in Nm 3 /h T = temperatura del gas in K (K= t) P 2 = pressione assoluta a valle in d = diametro interno del tubo, corrispondente al DN della valvola, in mm. A Scelta del rating e dei materiali di costruzione del corpo valvola A Corpo Il tipo di materiale e di connessioni da adottare dipendono dalla natura, dalla pressione e dalla temperatura del fluido in entrata. Per i limiti di impiego, in funzione del rating e del materiale del corpo valvola, riferirsi alla tabella e al diagramma nell appendice (pag.6). Per quanto riguarda le temperature inferiori a 0, i limiti di impiego dei vari materiali sono i seguenti (minima temperatura operativa): Ghisa GG: Acciaio al Carbonio GS-C o ASTM A216 WCB: Acciaio inox. AISI 316 ASTM A743 CF8M: A Cappello L esecuzione standard può essere adottata per temperature del fluido controllato comprese tra -5 e +. A secondo della temperatura massima di esercizio gli anelli di tenuta dello stelo dovranno essere in PTFE fino a 0, in PTFE caricato al % di grafite fino a e in grafite 100% per temperature fino a 0. Quando la temperatura del fluido è inferiore a -5 occorre dotare la valvola di castello prolungato guarnito in PTFE, mentre per temperature superiori ai dovrà essere adottato il castello alettato guarnito in grafite. Per servizio con vapore o acqua surriscaldata a temperatura uguale o superiore a 0, oltre al castello alettato, è consigliato l impiego del lubrificatore della camera del gruppo premistoppa guarnito con grafite. In presenza di fluidi nocivi, quali, ad esempio, gli oli diatermici, è consigliabile il castello prolungato speciale con tenuta dello stelo a soffietto in acciaio inox AISI 321 disponibile nelle serie PN16 (a doppia parete spessore 0, mm), PN (a tripla parete spessore 0, mm) e PN4O (a tripla parete spessore 0,20 mm). La Tab.4 riporta i relativi limiti di impiego che possono ridurre il rating del corpo valvola. GEN 07 REV.0-3 -

4 Tab. 4 - Limiti operativi per tenute a soffietto PN 16 PN PN TMO TMO TMO Nota: I valori in neretto sono applicabili solo ai corpi in acciaio inossidabile AISI 316 ASTM A743 CF8M. A Organi interni Il tipo di otturatore da adottare dipende dal tipo di processo controllato. In linea di massima è consigliabile il profilo a caratteristica lineare PL o LV o MFP per i sistemi di controllo del livello, della pressione (quando le variazioni di portata e/o di pressione a monte non sono molto ampie) e di temperatura (quando il carico è relativamente costante). Negli altri casi è da preferire il profilo a caratteristica equipercentuale EQP o MFS. Per le valvole a tre vie, di norma utilizzabili solo con liquidi, il profilo dell otturatore può essere solo di tipo a caratteristica lineare PL o LV. Le curve caratteristiche portata in funzione della corsa sono riportate nell appendice (pag.7). La costruzione standard in acciaio inossidabile AISI 304 o AISI 316 può essere impiegata con salti di pressione fino a 9. Per valori superiori è raccomandata la stellitatura grado 6 sia del seggio che dell otturatore. Per temperature oltre 0, in particolare con vapore o acqua surriscaldata, la stellitatura va estesa allo stelo e alla relativa bussola di guida. Nel caso sia richiesta la perfetta tenuta prevedere l otturatore con guarnitura in PTFE che però limita la temperatura di impiego a 190 e il salto di pressione attraverso la valvola a 5. B SCELTA DEL SERVOMOTORE PNEUMATICO B Scelta del modello Innanzitutto occorrerà scegliere il modello - ad azione diretta o ad azione inversa - tenendo presente che, nel primo caso in mancanza di segnale di comando lo stelo sale, mentre, nel secondo caso, nelle stesse condizioni, Io stelo scende. Tenendo conto del tipo di corpo cui sarà accoppiato, si sceglierà l attuatore in grado di portare la valvola in posizione di maggior sicurezza in caso di emergenza. Ad esempio, per un gruppo di riduzione della pressione è consigliabile l impiego di una valvola che, in mancanza di aria compressa, vada in chiusura, mentre per un sistema di raffreddamento sarà opportuno impiegare una valvola che, in mancanza di segnale, vada in completa apertura. B Determinazione della misura Il passo successivo è la determinazione della misura del servomotore da accoppiare al corpo valvola precedentemente dimensionato. A questo scopo bisogna, sulla scorta del circuito di controllo in cui la valvola sarà inserita, valutare quale sarà la massima pressione differenziale esercitata sull otturatore a valvola chiusa. Frequentemente la pressione differenziale a valvola chiusa è notevolmente superiore al valore utilizzato per il calcolo del diametro di passaggio e quindi bisogna porre molta attenzione alla valutazione della condizione più sfavorevole. In particolare, per i sistemi utilizzanti vapore, la differenza di pressione da considerare è di norma uguale alla pressione a monte della valvola che, in alcuni casi, può raggiungere quella del generatore a spillamento nullo. Per i sistemi idraulici l analisi è un po più difficile causa la complessità dei circuiti e il conseguente variare delle pressioni nella rete, soprattutto quando si utilizzano valvole a due vie. Un elemento importante da conoscere è la prevalenza della/e pompe a portata nulla, che può identificarsi con la massima pressione differenziale a valvola chiusa che ci interessa conoscere. Nel caso di valvole a tre vie invece, quasi sempre, la pressione differenziale massima per la scelta dell attuatore coincide o è di poco superiore a quella di calcolo del diametro di passaggio. Una volta determinato questo fattore sarà facile, con l ausilio dei dati forniti dalle specifiche tecniche, individuare la grandezza di servomotore necessario. Nel caso di valvole con tenuta dello stelo a soffietto, occorre tener presente che la pressione differenziale massima indicata sulla specifica della valvola va ridotta per tener conto della forza richiesta per lo schiacciamento del soffietto. Le entità delle riduzioni da apportare sono le seguenti: Tenuta a soffietto PN16: Tenuta a soffietto PN: 10% fino a DN20 5% per misure superiori 50% fino a DN20 5% per misure superiori Tenuta a soffietto PN: 65% fino a DN20 50% per misure superiori La prima verifica dovrà esser fatta riferendosi al segnale di controllo da 0,2 a 1 e solo in mancanza di un servomotore sufficientemente potente si potrà far riferimento al segnale 0,4-2. In quest ultimo casi bisogna accertarsi che Io strumento, cui dovrà esser collegata la valvola, abbia un segnale di comando in uscita appropriato. In caso contrario il servomotore dovrà essere corredato di posizionatore pneumatico. Con strumenti elettronici aventi segnale in uscita 4-20 ma, nel caso non sia sufficiente un servomotore con molle per segnale 0,2-1, per il quale basterebbe un trasduttore elettro-pneumatico, si potrà ricorrere a servomotori per segnale più elevato, ma la valvola dovrà essere corredata di posizionatore elettro-pneumatico con segnale di comando adeguato GEN 07 REV.0-4 -

5 APPENDICE Massa volumica di alcuni liquidi Densità di alcuni gas (aria = 1) SOSTANZA M - kg/dm3 (*) GAS D Acetone 0,791 Azoto 0,966 Alcool etilico 95% 0,789 Anidride carbonica 1,519 Alcool metilico 95% 0,792 Anidride solforosa 2,210 Benzine 0,680-0,710 Butano 2,005 Etere etilico 0,714 Elio 0,138 Glicerina 1,260 Etano 1,038 Olio combustibile 0,8-0,920 Gas di città 0,4 Olio di lino 0,9 Idrogeno 0,070 Olio dì oliva 0,911 Metano 0,553 Acqua a 4 1,000 Ossigeno 1,104 Acqua a 20 0,998 Etilene 0,968 Acqua a 0,992 Propano 1,522 Acqua a 60 0,983 Acqua a 80 0,972 Acqua a 100 0,958 ( ) a 20 C Caratteristiche fisiche del vapore saturo Pm Pa T V m 3 /kg Pm Pa T V m3/kg Pm Pa T V m 3 /kg 0 1, ,0 1,673 4,5 5,513 5,6 0,343 11,0 12, ,0 0,163 0,2 1, ,2 1,414 5,0 6,013 8,9 0,3 12,0 13, ,7 0,1 0,4 1, ,5 1,312 5,5 6, ,1 0,292 13,0 14, ,1 0,141 0,6 1, ,5 1,038 6,0 7, ,0 0,272 14,0, ,3 0,132 0,8 1, ,1 0,971 6,5 7, ,8 0,5,0 16, ,4 0,124 1,0 2,013,4 0,881 7,0 8, ,5 0,2 16,0 17, ,4 0,117 1,5 2, ,6 0,714 7,5 8, ,0 0,227 17,0 18, ,2 0,110 2,0 3, ,7 0,603 8,0 9, ,4 0,2 18,0 19, ,9 0,105 2,5 3, ,0 0,521 8,5 9, ,7 0,204 19,0 20, ,5 0,100 3,0 4, ,7 0,461 9,0 10, ,0 0,194 20,0 21,013 2,0 0,095 3,5 4, ,9 0,395 9,5 10, ,1 0,185 21,0 22, ,3 0,090 4,0 5,013 2,0 0,374 10,0 11, ,1 0,177 22,0 23, ,6 0,087 Pm = pressione al manometro; Pa = pressione assoluta; T = temperatura; V = volume specifico Volume specifico del vapore surriscaldato - m3/kg Pm Temperatura ,074 1,121 1,168 1,2 1,262 1,309 1,5 1,1 1,448 1,494 1,5 2 0,714 0,746 0,778 0,809 0,841 0,872 0,904 0,9 0,966 0,997 1, ,533 0,557 0,582 0,606 0,630 0,653 0,677 0,701 0,724 0,748 0, ,424 0,444 0,464 0,483 0,503 0,522 0,541 0,560 0,579 0,598 0, ,2 0,369 0,385 0,2 0,418 0,434 0,450 0,466 0,482 0,498 0, , 0,3 0,329 0,343 0,7 0,371 0,385 0,399 0,413 0,426 0,4 7 0,261 0,274 0,287 0, 0,312 0,324 0,336 0,349 0,361 0,373 0, ,231 0,243 0,4 0,265 0,277 0,288 0,299 0,309 0,320 0,331 0, ,206 0,217 0,228 0,238 0,248 0,8 0,268 0,278 0,288 0,297 0, ,186 0,196 0,206 0,216 0,2 0,234 0,243 0,2 0,261 0,270 0, ,170 0,179 0,188 0,197 0,206 0,214 0,223 0,231 0,239 0,247 0,5 12 0,5 0,165 0,173 0,181 0,190 0,197 0,205 0,213 0,220 0,228 0,2 13 0,143 0,2 0,160 0,168 0,175 0,183 0,190 0,197 0,204 0,211 0, ,133 0,141 0,149 0,6 0,163 0,170 0,177 0,184 0,190 0,197 0,204 0,131 0,139 0,146 0,3 0,9 0,166 0,172 0,178 0,184 0, ,123 0,130 0,137 0,143 0,149 0,6 0,162 0,168 0,173 0, ,1 0,122 0,129 0,1 0,141 0,147 0,2 0,8 0,164 0, ,109 0,1 0,121 0,127 0,133 0,139 0,144 0,149 0,5 0, ,102 0,109 0,1 0,121 0,126 0,131 0,137 0,142 0,147 0,2 20 0,097 0,103 0,110 0,1 0, 0,1 0,130 0,1 0,1 0,144 GEN 07 REV.0-5 -

6 PRESSIONI E TEMPERATURE MASSIME OPERATIVE DEI CORPI VALVOLA MATERIALE RATING () TMO () MATERIALE RATING () TMO () Ghisa GG Acciaio GSC Acciaio GSC Acciaio GSC Acciaio GSC UNI PN16 UNI PN16 UNI PN UNI PN UNI PN , , Acciaio GS-C Acciaio al C ASTMA216WCB Acciaio al C ASTM A21 6 WCB UNI PN100 ANSI 0RF ISO PN20 ANSI RF ISO PN5O ,6 17,7,8 14,0 12,1 10,2 8, 6,50 51,1 46,4 45,2 43,8 41,7 38,7 37,0 34, Norme: UNI DIN ISO* *solo PN PN ANSI - ISO I limiti per le serie PN 10 E PN 16 si riferiscono a ghisa G20 (max temp. permessa ) e a ghisa GS43 (max temp. ) ma sono validi anche per acciaio Aq42. (Norma UNI 1284) GEN 07 REV.0-6 -

7 CLASSIFICAZIONE DELLE PERDITE ATTRAVERSO IL SEGGIO DI VALVOLE DI REGOLAZIONE (secondo norma ANSI B ) Designazione della classe di perdita Massima perdita ammessa Fluido di prova Pressione di prova I II III IV V VI 0,5% della portata calcolata 0,1% della portata calcolata 0,01% della portata calcolata 0,005 mi/min per pollice di diametro del seggio, per psi di pressione differenziale Non deve superare i valori della tabella basati sul diametro del seggio Aria o acqua tra 10 e 52 Come sopra Come sopra Acqua tra 10 e 52C Aria o azoto tra 10 e 52C Da 45 a 60 psig o la massima pressione differenziale di esercizio; la minore tra le due Come sopra Come sopra Massima pressione differenziale di esercizio attraverso l otturatore o il rating del corpo; la minore tra le due (minima press. differenziale: 100 psi) 50 psig o la massima pressione differenziale di esercizio attraverso l otturatore; la minore tra le due PERDITE AL SEGGIO AMMESSE PER LA CLASSE VI (secondo norma ANSI Bl 6.104) DIMENSIONI DEI TUBI IN ACCIAIO (mm) Diametro nominale Perdita ammessa DN De Di Trafilati DIN2448 Saldati DIN2458 mm in mi/min Bolle al minuto 21,3 17,3 17, ,9 22,3 22,9 1 0, 1 33,7 28,5 29,7 11/2 0, ,4 37,2 37, , ,3 43,1 43, /2 0, ,3 54,5 55, , ,1 70,3 70, , ,9 82,5 83, , ,3 107,1 107,9 1 0, ,7 131, , ,3 9,3 160,3 219,1 206,5 210,1 De = diametro esterno - Di = diametro interno CURVE CARATTERISTICHE CORSA/PORTATA DEI DIVERSI OTTURATORI GEN 07 REV.0-7 -

8 GEN 07 REV PORTATE MASSICHE DI VAPORE SATURO IN TUBI DIN 2448 A DIVERSE VELOCITA Pm V Portata (kg/h) mis DN DN2O DN DN32 DN4O DN5O DN65 DN8O DN100 DN1 DNO DN 0, , , , Pm = pressione al manometro Steam One S.r.l. 90 SETTALA (MI) - ITALY - Viale delle Industrie Nord, 1/A - Tel Fax info@steam-one.it