Capitolo IV: Valvole di Regolazione (Attuatori)

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1 SCPC Cap. I: alvole di Regolazione Capitolo I: alvole di Regolazione (Attuatori) I-1: Introduzione L attuatore ha il compito di realizzare sul processo l azione correttiva stabilita dal regolatore; nello schema a blocchi di Figura 4-1 riceve in ingresso il segnale in uscita dal regolatore e ha in uscita la variazione della variabile manipolata. Fig.4-1: Regolatore, Attuatore e Processo Nella maggior parte dei casi la variabile manipolata è una portata e di conseguenza l attuatore è una valvola di regolazione; in altri casi l attuatore può essere una resistenza elettrica, attraverso la quale si varia la potenza immessa nel processo, un qualsiasi dispositivo di intervento sul processo (martinetto, volante, pressa,..). I-: Tipi di alvole di regolazione Le valvole di regolazione possono essere di tipo Elettrico o Pneumatico, cioè comandate da un segnale e un motore elettrico o pneumatico, rispettivamente. È desiderabile che le modifiche vengano effettuate sull impianto nel più breve tempo possibile; si deve avere che tra le costanti di tempo di valvola e processo si abbia: τ v <<τ p. Le valvole pneumatiche risultano le più veloci nell intervento e per questa ragione sono le più diffuse nei processi industriali, quando è necessaria una variazione (modulazione) continua della portata; dato che il segnale del regolatore è di tipo elettrico o digitale, è necessaria un interfaccia di conversione elettro/pneumatica. Le valvole elettriche sono riservate per applicazioni di particolari: valvole di blocco, valvole a solenoide (apri/chiudi). Gli elementi che costituiscono una valvola e il suo principio di funzionamento sono schematizzati nella Figura 4-. La variazione del segnale di controllo fa variare la pressione nel cappello della valvola e la forza che attraverso la membrana agisce sulle stelo, forza che è controbilanciata da una molla; di conseguenza varia la posizione relativa dell otturatore rispetto alla sede della valvola e quindi la portata che la attraversa. Fig.4-: Schema illustrativo di una valvola di regolazione pneumatica I-1

2 SCPC Cap. I: alvole di Regolazione Il principio di funzionamento resta lo stesso anche in valvole aventi aspetti costruttivi diversi: a farfalla (Figura 4-3a), a membrana (Figura 4-3b), a doppia sede bilanciata (Figura 4-3c). Fig.4-3: Schemi illustrativi di valvole di tipo diverso Per quanto riguarda il funzionamento in condizioni di sicurezza, le valvole si distinguono in due tipi fondamentali, a seconda di quello che è il loro comportamento in caso di mancanza di alimentazione (aria compressa). Si parla di valvola Aria-Chiude (in mancanza di aria: Apre, Figura 4-4a), tipicamente usata per i fluidi di raffreddamento e di valvola Aria-Apre (in mancanza di aria: Chiude, Figura 4-4b), usata per i fluidi di riscaldamento. Fig.4-4: Schema di valvola Aria-Chiude (a) e Aria-Apre (b) I-3: Curve Caratteristiche delle valvole di regolazione La Curva Caratteristica della valvola rappresenta l andamento della portata () in funzione della corsa dello stelo (X): (X). I tipi più comuni sono riportati nella Figura La valvola a Rapida Apertura è tale che a una piccola apertura corrisponde una grossa variazione di portata: è una valvola poco adatta alla regolazione, con caratteristiche tipiche delle valvola manuali; ad essa si fa riferimento per indicare comportamenti non auspicabili delle valvole di regolazione, ad esempio sovradimensionate e quindi costrette ad operare vicino alla chiusura per poter regolare la portata; succede anche che a questo tipo di curva caratteristica si avvicinano le valvole operanti in linea, quando la perdita di carico della linea diviene molto superiore rispetto a quella della valvola stessa. I-

3 SCPC Cap. I: alvole di Regolazione - La alvola Lineare presenta una relazione lineare in tutto il campo di funzionamento: d/dx K; il guadagno della valvola si mantiene costante. - La alvola Esponenziale (o Equipercentuale) ha una curva caratteristica tale che il guadagno varia proporzionalmente alla portata: d/dx K ; questo aspetto è favorevole in quanto permette di compensare localmente il fatto che il guadagno del processo non è costante ma varia in modo inversamente proporzionale al variare della portata (per i dettagli, vedere più avanti). Fig.4-5: Esempi di Curve Caratteristiche delle valvole I-4: Dimensionamento delle valvole di regolazione La relazione alla base del funzionamento delle valvole è quella che regola la portata e la perdita di carico attraverso la valvola: C Dove: - : portata (volumetrica) attraverso la valvola - : perdita di carico - C v : coefficiente di efflusso della valvola. Il coefficiente C v ha il significato di portata scaricata dalla valvola per unitario e in condizioni di riferimento (condizioni standard: Pressione atmosferica e Temperatura ambiente, T5 C). La relazione deriva dalla equazione generale che rappresenta la perdita di carico concentrata di un fluido in regime turbolento attraverso una ostruzione: ku kg ρ A k A A k C Si osserva che la portata risulta una funzione crescente: - della caduta di pressione P, che deve essere una parte consistente della perdita di carico complessiva, data dalla valvola e dalla linea ( L ); in generale si assume: P 30 % + T ( T L ) - del coefficiente di efflusso C C ( A), che risulta proporzionale alla sezione di passaggio attraverso la valvole e rappresenta quindi il parametro base per il dimensionamento della valvola. I-3

4 SCPC Cap. I: alvole di Regolazione Un primo criterio di dimensionamento (di massima) è quello di fare riferimento ad una portata massima pari al doppio della portata di esercizio: max o e di assegnare una perdita di carico massima ammissibile alla valvola in queste condizioni ( ). Si calcola così il coefficiente di efflusso in queste condizioni (C v, max ) che risulta: C In base ad esso si determina il diametro nominale della valvola. P max,max max,max Un secondo criterio di dimensionamento (più accurato) permette di imporre un profilo di valori di portata e di perdita di carico in funzione della corsa dello stelo: ( x) P ( x) e di determinare cosi un valore di Coefficiente di efflusso C v C v (X): ( ) ( x) C x ( x) Facendo riferimento alle tabelle per diversi tipi di valvola, è possibile determinare la valvola aventi le caratteristiche desiderate. La relazione base e le considerazioni che sono state fatte sopra si applicano direttamente al caso più semplice dei fluidi che costituiscono il riferimento standard: acqua (per i liquidi), aria (per gli aeriformi). È possibile estendere queste relazioni per tenere conto di: - fluidi diversi da acqua e aria (le proprietà fisiche più importanti sono densità e viscosità), - condizioni di flusso locale anomalo, quali: liquidi vaporizzanti (per flash o cavitazione), moti ad alte velocità (moti sonici, condizioni di flusso critico), condizioni che però si verificano abbastanza frequentemente nelle valvole di processi industriali. - Effetto delle perdite di carico di linea rispetto a quelle della valvola ( P / ) L P uesti aspetti sono illustrati nei manuali di riferimento per il dimensionamento delle valvole (ad esempio manuali del GISI). I-5: Non linearità nelle valvole. I-5.1: Non linearità della relazione base Con riferimento alle Figure 4-6a e 4-6b, si osserva che una variazione del segnale (s) in uscita dal regolatore provoca variazioni, in successione della corsa dello stelo (X), della sezione di passaggio (A) e quindi del coefficiente di efflusso (C v ); le diverse trasformazioni possono essere viste come fenomeni in serie: 1. corsa dello stelo (X); processo 1 : X 1 (s); questa relazione può essere considerata lineare: X K 1 s. sezione di passaggio (A) e coefficiente di scarico (C v ); processo : C v (X); questa relazione dipende dalla curva caratteristica della valvola: K X (valvola Lineare), C v K X (valvola Equipercentuale), C v I-4

5 SCPC Cap. I: alvole di Regolazione 3. portata (); processo 3 : f(c v ); in generale: C v v, cioè la portata risulta una relazione non lineare delle due variabili C v, v. La relazione può essere linearizzata come: K C + K1 C C 3,1,0 C 0,0 ; K 3, C,0 C,0 + K 0,0 dove:, C v,, rappresentano gli scostamenti delle variabili rispetto alle condizioni di riferimento e le costanti K 3,1 e K 3, sono calcolati nelle condizioni di riferimento (intorno a l punto di lavoro). Si osserva che P varia con l apertura della valvola, in modo diverso a seconda del tipo di circuito, ad esempio: valvola sulla mandata di una pompa centrifuga o scarico da un serbatoio a battente costante (questi aspetti saranno ripresi nella parte relativa agli schemi di controllo di processi industriali). e s C P s x A, C 1 3 Fig.4-6: a) Schema a blocchi di Regolatore, alvola e Processo; b) Trasformazioni da segnale di controllo a portata I-5.: alvola Equipercentuale e Non Linearità del Processo È stato osservato prima che la relazione (X) è lineare soltanto nel caso di valvola di tipo lineare; nel caso di valvola equipercentuale si aveva invece una relazione non lineare, introdotta volutamente, per mezzo di una particolare conformazione della sede della valvola. uesto viene fatto per compensare la non linearità del processo con la portata: K p α 1/. Ad esempio nel caso del sistema di controllo della temperatura per mezzo di un riscaldatore alimentato a vapore si aveva per il guadagno del processo K P : T 1 K 1 ; 0 ( 0 0 ) P F c p T Ti 0 W0λ K P W0 F 0 c p Per un buon funzionamento del sistema di controllo (Figura 4-7) è auspicabile che il guadagno globale dell anello di regolazione K 0 si mantenga costante, per evitare una azione di controllo che al variare della portata diviene eccessiva (fino a portare instabilità), oppure diviene troppo blanda (controllo non efficace). Il guadagno è dato dal prodotto dei guadagni dei singoli componenti; si ha quindi: K K K K λk K K 0 C 1 P P I-5

6 SCPC Cap. I: alvole di Regolazione Dato che il guadagno del processo è inversamente proporzionale alla portata, nel caso di valvola lineare si ha che il guadagno complessivo K 0 diminuisce quando la portata aumenta. 1 K K K 0 K K P W Invece nel caso di valvola equipercentuale, si ha che il guadagno complessivo rimane costante con la portata: viene quindi compensata localmente la non linearità. K W K K W K 0 K W - s x W C K * λ P Figura 4-7: a) Schema a blocchi del sistema in anello chiuso I-6