valvole di regolazione

Транскрипт

1 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Gli attuatori hanno il comito di osizionare lo steso e l otturatore della valvola in funzione del segnale roveniente dal regolatore Si utilizzano attuatori Pneumatici Oleodinamici Elettromeccanici

2 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Attuatori neumatici a membrana Sono i iù diffusi sulle valvole di regolazione Semlicità di funzionamento e costo ridotto La membrana di gomma rinforzata è fissata al contenitore metallico in modo che la camera sueriore (inferiore) sia a tenuta stagna L attuatore in figura è di tio diretto

3 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Se la camera d aria viene realizzata sullo stesso lato dello stelo l attuatore viene detto inverso La ressione dell aria sulla membrana determina una forza che ladeforma singendo verso ilbasso lostelo e l otturatore (verso l alto nel caso di attuatori indiretti) La deformazione della membrana è contrastata dalla molla, in comressione sul lato inferiore, che singe verso l alto (oosto er gli attuatori indiretti) In assenza di ressione dell aria la valvola l si are comletamente (si chiude nel caso di attuatori indiretti) Si dirà che la valvola funziona in modo aria chiude (nel caso oosto si direbbe aria are)

4 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Si dirà flusso chiude quando il moto del fluido tende a chiudere l otturatore e flusso are nel caso oosto L attuatore a membrana deve essere dimensionato in modo da ermettere la corsa dello stelo da 0 a 100%, a seguito di un segnale standard, er esemio 3 15 si, vincendo le resistenze dovute: agli attriti, alla gravita, alle inerzie in movimento, allaressione assoluta del fluido e alla ressione differenziale monte valle dell otturatore L attuatore deve inoltre realizzare una sinta sulla sede er realizzare una chiusura a tenuta Il rimo asso er il dimensionamento è la stima di queste forze Il secondo asso è la scelta di una membrana di suerficie adeguata, essendo la forza roorzionale ad essa

5 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Il segnale di ressione standard 3 15 si è ottenuto con aositi convertitori I/P (corrente ressione) Trasducono il segnale di corrente 4 0 ma nel segnale neumatico 3 15 si Posizione fail safe Gli attuatori a membrana sono intrinsecamente sicuri Disonendo oortunamente la molla di contrasto si uò fare in modo che in assenza della ressione di controllo la valvola si orti nella osizione ritenuta sicura er l imianto, di comleta aertura o chiusura Limiti: corsa e sinta limitate, bassa velocità di intervento

6 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Attuatori neumatici a istone Un istone sostituisce la membrana Corse e sinte iù elevati degli attuatori a membrana Esistono istoni a doio effetto: le sinte er il moto in entrambe i sensi roviene dall aria di comando (non ci sono mollein contraosizione) Richiedono l imiego di un servoosizionatore o di un sistema di controllo retroazionato di osizione dello stelo Sono molto costosi oco diffusi

7 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Attuatori elettrici Sono utilizzati er la regolazione continua Costituiti da un motore elettrico un riduttore di velocità ( incrementa la coia) (eventuali) sensori di osizione e/o velocità una unità elettronica di otenza (azionamento) e controllo Oerano in due modi rinciali: Il servomotore muove a velocità costante in aertura o in chiusura o rimane fermo il regolatore determina la osizione modulando la durata dei temi di moto e di fermo (regolazione a ciclo aerto) Esiste un effettivo servomeccanismo di osizione (con sensori)

8 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Sono indicati nei casi in cui sono richieste corse lunghe e sinte elevate Non sono fail safe! Esistono costruzioni antideflagranti, ma oco utilizzate in ambienti a rischio eslosione (diffidenza)

9 valvole di regolazione Attuatori e servoosizionatori Attuatori oleodinamici Producono sinte e velocità di intervento sueriori a quelle degli altri attuatori Molto costosi utilizzati con arsimonia Esemio: imiegati nelle valvole di turbina di grossi grui di roduzione di energia elettrica, dove in ochi decimi di secondo sono in grado di chiudere le valvole di intercettazione vaore in caso di blocco turbina Costituiti da Una arte oleodinamica di attuazione Una arte elettronica di controllo Esistono realizzazioni fail safe

10 ome Grandezze fondamentali Grandezze di interesse er modellare le ome: Portata volumetrica q Portata massica w Pressione del fluido alla flangia di asirazione e Pressione del fluido alla flangia di mandata u Rendimento totale η Definito come il raorto tra la otenza fornita dalla girante al fluido in uscita dalla flangia di mandata e la otenza trasferita all albero della oma del motore che l aziona Velocità di rotazione dell albero della oma n

11 ome Grandezze fondamentali Prevalenza totale H = H u H e Grandezze fondamentali u e Esressa in metri di colonna di acqua H u e H e sono i carichi totali alle flange di mandata e di asirazione: v v dove z u e z e sono le quote e v u e v e le velocità medie del fluido if it ll fl i di dt di i i i tti t g z g v H g z g v H e e e e u u u u ρ ρ + + = + + = riferite alla flangia di mandata e di asirazione, risettivamente, da cui si ricava l esressione della revalenza z z v v H H H e u e u e u e u + + = = ) ( Nell iotesi sesso verificata che z u z e e v u v e risulterà g z z g H H H e u e u ρ + + ) ( H e u g H ρ

12 ome Grandezze fondamentali Condizioni nominali di funzionamento Corrisondono al unto di lavoro con il massimo rendimento totale η = η max Velocità di rotazione nominale n 0 Prevalenza nominale H 0 Portata volumetrica nominale q 0

13 ome centrifughe Generalità Le ome centrifughe aartengono alla categoria delle ome fluidodinamiche Macchina oeratrice idraulica in cui una corrente di fluido attraversa un elemento rotante munito di ale oortunamente sagomate (girante) aumenta la ressione (e/o la velocità) aumenta il carico totale Sono di costruzione modulare A singolo stadio A iù stadi identici disosti in serie oma multistadio

14 ome centrifughe Modello matematico Modello matematico di una oma centrifuga: Iotesi di funzionamento normale e assenza di cavitazione Modello uramente algebrico: si trascurano tutti i fenomeni di accumulo (volumi iccoli) Caratteristiche normalizzate revalenza ortata in corrisondenza di differenti velocità di rotazione Le curve si ossono arossimare con delle arabole

15 ome centrifughe Modello matematico Assumendo che il vertice si trovi sull asse delle revalenze: H = An + dove A e B sono costanti che si determinano imonendo il assaggio er due unti di una curva serimentale revalenza ortata, in funzionamento a giri costanti, fornita dal costruttore Scegliendo i unti sulla curva relativa alla velocità nominale (n=n 0 ) corrisondenti a revalenza H M e ortata nulla (vertice della arabola) revalenza H 0 e ortata q 0 nominali (tiicamente H 0 è comreso tra il 75% e il 90% di H M ) risulta: H H0 H A M = B = M n Bq 0 q 0

16 ome centrifughe Modello matematico L incremento Δ di ressione si ricava dall esressione della Modello matematico revalenza: h i t i idi tt i i ò i gq B gn A e u ρ ρ + = = Δ che in termini di ortata massica si uò esrimere come segue: ρ ρ ρ ρ w k n n k w g q H H n n g H M M + = + = Δ in cui ρ ρ q g H H k g H k M M 0 1 = = Nota: essendo H M > H 0 risulta k < 0 al crescere della ortata massica w si riduce il salto di ressione Δ q 0

17 ome centrifughe Cavitazione La cavitazione in una oma centrifuga si verifica quando nella zona a ressione minima la ressione scende al di sotto della ressione di vaore v La zona a ressione minima è situata all entrata del liquido sulle ale della girante (occhio della girante) Le bolle di vaore che esi generano e nella eazona aaa ressione esso e minima vengono trasortate dal fluido verso zone a ressione sueriore, dove collassano cavitazione Ilcollasso rietuto delle bolle rovoca onde di ressione di intensità molto elevata accomagnate da rumore e dall erosione degli organi interni della oma

18 ome centrifughe Cavitazione La verifica dell occorrenza della cavitazione viene realizzata con il arametro NPSH (Net Positive Suction Head): e v NPSH = min + e ρg g in cui min è la ressione nella zona a ressione minima, v e è la velocità eoctàmedia del fluido udoaa alla flangia gadi asirazionea considerato che in cavitazione si ha min v, allora e v v NPSH + e cavitazione ρg g dove v è la ressione di vaore alla temeratura media della zona a ressione minima y T flangia di asirazione

19 ome centrifughe Cavitazione Normalmente il termine cinetico v e /(g) è trascurabile risetto al termine iezometrico, si uò quindi considerare il test semlificato NPSH e ρg v cavitazione Il arametro NPSH è fornito di dai costruttori Per evitare la cavitazione l installazione della oma deve avvenire in modo tale che la ressione alla flangia di asirazione sia sueriore alla soglia di cavitazione in tutte le condizioni di funzionamento: ρ g NPSH + e v

20 ome volumetriche Generalità Le ome volumetriche sono macchine oeratrici idrauliche a funzionamento ciclico In ogni ciclo di funzionamento un determinato volume è ortato dalla bassa ressione della flangia di asirazione all alta ressione della flangia di mandata er effetto del movimento di uno o iù elementi mobili Pome volumetriche alternative Gli elementi mobili si muovono di moto alternativo Esemio: ome a stantuffo o a membrana Pome volumetriche rotative Gli elementi mobili si muovono di motorotativo Esemio: ome a ingranaggi, a lobi, a casulismi, a alette

21 ome volumetriche Modello matematico Modello matematico di una oma volumetrica Si trascurano i fenomeni di accumulo modello algebrico Non si considererà il roblema della cavitazione non è generalizzabile er tutti i modelli di ome volumetriche Con riferimento al comortamento ciclico della oma, la ortata volumetrica uò essere esressa come segue: in cui q =ηvk1n n è la velocità di rotazione dell albero motore che aziona la oma k 1 è una costante che diende dalle caratteristiche costruttive della oma

22 ome volumetriche Modello matematico η v è il rendimento volumetrico (grado di riemimento) È definito come il raorto tra il volume di liquido effettivamente omato a ogni ciclo e quello massimo occuabile dal fluido Non è costante diminuisce all aumentare sia della revalenza sia dll della velocità itàdi rotazione Nel funzionamento normale il rendimento volumetrico η v uò ritenersi costante, quindi q = k n in cui si è osto k = η v k 1, con η v costante

23 ome volumetriche Modello matematico L andamento qualitativo della caratteristica della oma è riortato a lato, nel iano H q La linea tratteggiata mostra l andamento reale, determinato dalla rogressiva riduzione di η v con H e con n Il valore della costante k si uò determinare dai valori della velocità nominale di funzionamento n 0 e dalla ortata nominale q 0 : k k = q 0 n 0

24 ome volumetriche Modello matematico Il funzionamento nominale corrisonde a quello di massimo rendimento della oma La ortata massica risulta w = ρ q Nota: nelle ome volumetriche alternative il flusso di liquido non è continuo, quindi i valori forniti dalle relazioni recedenti sono da intendersi come valori medi di un ciclo

25 schemi di collegamento e regolazione Generalità Diversi schemi di collegamento di ome e valvole ossono essere realizzati allo scoo di regolare la ortata di un circuito Schemi di collegamento diversi sono caratterizzati da una diversa efficienza Esemio: collegamentoseriale (al (valvola olainserie allaoma) Se la ortata deve rimanere a valori molto inferiori a quelli nominali er lungo temo si ha un notevole sreco di energia

26 schemi di collegamento e regolazione Generalità Nella scelta dello schema di collegamento si devono considerare le caratteristiche del motore che aziona la oma Se si disone diunazionamento a velocità variabile, la modulazione della ortata uò avvenire modulando la velocità del motore si massimizza l efficienza, si enalizzano la rontezza di risosta e la rangeability Le ome volumetriche sono adatte quando sono richieste elevate ressioni di mandata Il circuito a valle deve essere in grado di assorbire la ortata nominale della oma senza rovocare eccessivi innalzamenti della ressione di mandata danni alla oma o alla linea, stallo dl del motore

27 schemi di collegamento e regolazione Generalità Le ome volumetriche vanno semre rotette con valvole di scarico automatiche Si introduce una linea di byass dalla mandataall asirazioneall asirazione con una valvola autoregolata, la cui aertura viene comandata dalla dalla ressione al suo ingresso la ressione viene limitata ad una soglia di taratura Analoga rotezione va inserita quando si vuole modulare la ortata con una valvola in serie ad una oma volumetrica

28 schemi di collegamento e regolazione Generalità La modulazione di ortata uò essere realizzata mediante una linea di byass con una valvola di regolazione comandata direttamente dal regolatore Le ome centrifughe si utilizzano normalmente con una valvola in serie alla oma, senza byass di ricircolo Soluzione articolarmente adottata er ome di iccole dimensioni accoiate a motori a velocità costante Le ome centrifughe ossono funzionare anche a ortata nulla (H = H M ) non è necessario limitare la ressione alla mandata

29 schemi di collegamento e regolazione Schematizzazionedel roblema di controllo della ortata Esemio: regolazione di ortata

30 schemi di collegamento e regolazione Schematizzazionedel roblema di controllo della ortata Elementi resenti nel circuito idraulico: Un serbatoio di asirazione, alla ressione A Un serbatoio di scarico, alla ressione B Una oma centrifuga Una valvola di regolazione Uno scambiatore di calore (erdita di carico concentrata) Si suone inoltre che La oma è azionata da un motore a giri costanti I serbatoi sono alla stessa quota, ma a ressioni diverse Iotesi di fluido incomrimibile erdite di carico nello scambiatore roorzionali alla ortata: γ w /

31 schemi di collegamento e regolazione Schematizzazionedel roblema di controllo della ortata Le equazioni che esrimono ortata e ressioni nel circuito sono esresse dal seguente sistema algebrico: 1 = A + k 1ρ + w = B + γ w = N C k w ρ ( h) G f ( 1 ) 1 v si uò ricavare la relazione statica w(h) Scegliendo oortunamente la caratteristica intrinseca, risulterà lineare: w(h) = k h il rocesso algebrico da controllare uò essere descritto con un uro guadagno Δw/Δh costante e ari alla endenza media della caratteristica installata: Δw/Δh = w(1) w(0)

32 schemi di collegamento e regolazione Schematizzazionedel roblema di controllo della ortata Schema a blocchi dell anello di regolazione: Il blocco A raresenta il disositivo che attua il movimento dell otturatore della valvola, comandato dal regolatore Attuatore e rocesso hanno una banda elevata risetto alla banda dell anello di controllo si trascurano le loro dinamiche sistema uramente algebrico imiego diregolatori integrali

33 attuatori er il controllo del moto Introduzione Attuatori er il controllo del moto Attuatori elettrici Attuatori oleodinamici Consentono il controllo della osizione relativa di organi meccanici in movimento Utilizzano la retroazione della misura di osizione e di velocità Non saranno considerati Motori elettrici asincroni non consentono la regolazione di osizione a valori costanti Motori asso asso non necessitano della retroazione sulla osizione (controllati ad anello aerto)

34 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Un motore a corrente continua è costituito da Rotore: un cilindro mobile di materiale ferromagnetico su cui sono avvolte le sire collegate a formare un circuito chiuso (armatura) Statore: una arte fissa su cui vengono osti i magneti ermanenti che generano il camo magnetico, comrensiva dell alloggiamento

35 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Traferro: sazio anulare di forma cilindrica comreso tra statore e rotore È sede di un camo magnetico le cui linee di forza, assumendo infinita la ermeabilità magnetica del ferro, sono dirette in senso radiale Nota: i conduttori attivi sono disosti arallelamente all asse del rotore, che individua quindi anche la direzione del camo elettrico equivalente indotto dal moto dei conduttori

36 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Collettore (commutatore): costituito da segmenti di rame, isolati con mica o lastica, alle cui sorgenze (risers) sono collegati i terminali delle sire del circuito i di armatura Il numero di segmenti coincide con il numero di sire Maggiore è il numero di segmenti iù uniforme risulta la coia generate

37 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Sazzole: vengono mantenute a contatto con il collettore durante la rotazione e consentono il collegamento con un circuito elettrico esterno che fornisce otenza ai circuiti di armatura Ne sono usate una o iù coie Sono realizzate in grafite o metallo rezioso Le aree dove non esiste flusso sono chiamate zone neutre, che si distinguono dalle aree dove il flusso esiste, chiamate zone olari Le sazzole vengono normalmente oste nelle zone neutre Esistono diversi modi di avvolgere le sire e connettere i terminali ai risers

38 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Schema di collegamento a nove sire e sue connessioni:

39 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Le sire vengono connesse ad anello l una all altra la corrente d armatura si riartisce equamente in due circuiti La corrente fluisce verso l alto sotto il olo nord e verso il basso nella arte di sira sotto il olo sud Il numero di conduttori in serie e circa la meta del totale La corrente I s che fluisce in ogni conduttore è ari alla metà della corrente imressa dal circuito di alimentazione I s = I a / Invertendo la olarità della sorgente di otenza la direzione della corrente e la coia si invertono

40 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Il sistema sazzole collettore consente la commutazione del verso di ercorrenza della corrente in una sira: Ogni sazzola è solitamente a contatto con due o iù segmenti del collettore una o iù sire sono cortocircuitate da ogni sazzola

41 motori elettrici a magneti ermanenti a corrente continua Strutturadel motore a corrente continua Suonendo che il rotore ruoti in senso orario, la corrente scorre in senso antiorario nella sira d rima che questa venga cortocircuitata dalla sazzola connessa al morsetto ositivo Doo la cortocircuitazione il verso della corrente risulta invertito Nella sira sottoosta a commutazione, non essendo i conduttori di questa sottoosti al flusso del camo magnetico (zona neutra), non viene indotta alcuna forza elettromotrice