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. 3: Procedura semplificata di dimensionamento e scelta della valvola di regolazione; Progettista dei contenuti: prof. Michele MICCIO Document editor: ing. Michela FRAGANZA Rev. 3.8 del 15 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 Oggetto del DIMENSIONAMENTO (Valve Sizing) Il tipo di valvola (globo, farfalla, sfera modulante, ecc.) La capacità o taglia (sulla base del concetto di C v introdotto negli anni '40) DN (eventualmente) la caratteristica intrinseca Il materiale di costruzione (funzione di temperature, pressioni, proprietà corrosive ed erosive del fluido) Forma del corpo, del cappello e dell'otturatore Tipo e taglia dell attuatore, eventuale servoposizionatore Aspetti relativi a sicurezza, (es. tipo di azione in caso di failure), affidabilità, manutenzione Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 3 Problema di progetto DATI NOTI: FLUIDO GAS LIQUIDO proprietà fisiche TEMPERATURA T 1 P = (P 1 -P 2 ) PORTATA massica / volumetrica di progetto o nominale / max / min DN TUBAZIONE TABELLA DEL COSTRUTTORE 1. SI SCEGLIE: Tipo di valvola (GLOBO/SFERA/FARFALLA) Tipo di CARATTERISTICA INTRINSECA, se possibile MATERIALE DI COSTRUZIONE 2. SI DETERMINA: DN della VALVOLA DI REGOLAZIONE C vn della VALVOLA DI REGOLAZIONE 3. SI VERIFICA la CAVITAZIONE (calcolo di P c o P MAX ) con l aiuto della TABELLA DEL COSTRUTTORE Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 4

3 TABELLA DEL COSTRUTTORE Esempio per una valvola a globo C vn C vn In assenza di F L nella TABELLA DEL COSTRUTTORE: AnnexD_ISA_ Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 5 2 casi limite 1. la valvola è un unità di processo a sé stante 2. la valvola è un unità di processo inserita in un circuito Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 6

4 DATI: tipo di liquido, ρ, Pc, Tc, G Percorsi di formazione f, F F, P v a distanza e-learning Condizioni di esercizio: P 1, P 2, T 1, portata Tubazione: DN Valvola: K c, F L, tabelle del costruttore, car. intrinseche DIMENSIONAMENTO rielaborato da Magnani, Ferretti e Rocco (2007) Calcolo del coefficiente di efflusso: Si sceglie una valvola con DN di una taglia inferiore a quella della tubazione (se possibile) Noto DN e C v, scegliamo una valvola dalla tabella del costruttore che abbia: Verifica secondo la normativa IEC della cavitazione: calcolo di FLUSSO NORMALE FLUSSO LIMITE Secondo IEC Regola del 70% Si sceglie una valvola con F L più alto (valvole a basso recupero di pressione) (eventuale) FINE del DIMENSIONAMENTO Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 7 Problema di progetto Valvole rotative (Rotary valves) In realtà, la procedura semplificata presentata nel flow chart è valida, a rigore, per le valvole a globo. Infatti, le valvole di regolazione di tipo rotativo non sono caratterizzabili mediante la corsa relativa h, ma attraverso l angolo di apertura θ. Per le valvole rotative, la procedura semplificata di dimensionamento deve far riferimento ad un angolo θ* che corrisponda al 70% dell angolo di apertura max (90 ): a rigore θ* = (70/100)90 = 63 nella pratica θ* = 65 oppure 70 le valvole a farfalla hanno quasi sempre una caratteristica intrinseca dotata di flesso (tipo V-port) le valvole a sfera modulante hanno quasi sempre una caratteristica intrinseca equipercentuale Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 8

5 Problema di progetto Vari casi possibili per la TABELLA DEL COSTRUTTORE: a) la tabella del costruttore riporta, oltre che C vn per ogni DN, anche valori di C v per vari valori di h (θ) caratteristica intrinseca già nota per punti b) la tabella del costruttore riporta solo il valore di C vn per ogni DN, ma in più il costruttore fornisce un diagramma di ϕ oppure C v in funzione di h (θ) per la caratteristica intrinseca bisogna usare il diagramma c) la tabella del costruttore riporta solo il valore di C vn per ogni DN per la caratteristica intrinseca bisogna usare la relativa formula Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 9 DATI NOTI: TIPO DI VALVOLA DN VALVOLA C vn caratteristica intrinseca FLUIDO (LIQUIDO) TEMPERATURA T 1 P = (P 1 - P 2 ) 1. SI DETERMINA: Problema di verifica PORTATA nominale (h = 1) 2. SI VERIFICA la CAVITAZIONE (calcolo di P c o P MAX ) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 10

6 DEFINIZIONI (installed characteristic) : esprime la relazione matematica tra la portata transitante e la posizione dell organo di azione per una valvola inserita in un circuito P 3 Salto di pressione nominale: Autorità della valvola: esprime il salto di pressione sulla valvola alla corsa nominale ( P n ) in rapporto a quello totale sul circuito ( P 0 ) La caratteristica installata è allora la funzione implicita: Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 11 Il circuito è costituito da una valvola di regolazione e da una utenza (v. il serpentino) che, per esempio, potrebbe rappresentare uno scambiatore di calore, nel quale si suppongono concentrate tutte le perdite di carico del circuito. Una pompa, non indicata, fornisce il salto di pressione P M P S, assunto per semplicità costante. Ciò ci permette di evidenziare il ruolo cruciale della caduta di pressione sulla valvola in rapporto alla caduta totale sul circuito: I. da un lato, per aumentare l'efficacia dell'azione di modulazione della portata, essa dovrebbe essere elevata; II. dall'altro, però, per contenere i costi di pompaggio, dovrebbe essere piccola. Si tratta di trovare un buon compromesso tra queste due esigenze contrastanti. IPOTESI: P 0 = P M - P S = cost. Perdite di carico nelle tubazioni trascurabili: a) P M = P 1 b) P S = P 3 Perdite di carico nella utenza funzione del quadrato della velocità e quindi, per fluidi incomprimibili, del quadrato della portata massica: P u = P 2 (w(h)) P 3 = γw 2 (h) Nessun accumulo nel circuito P 3 P v = P 1 - P 2 P 0 = P u + P v Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 12

7 Procedendo con una serie di passaggi matematici e con alcune sostituzioni possiamo dimostrare come ottenere la relazione della caratteristica installata considerando V come parametro. È interessante anche vedere cosa diventa la caratteristica installata al variare di V per valvole a caratteristica intrinseca rispettivamente lineare ed equipercentuale. apertura parziale apertura nominale h 1 φ(h) 1 C v (h)=φ(h) C vn C vn P 2 = P 3 + γw n 2 P v (w(h)) = P 1 - P 2 (w(h)) = P M - P S - γw 2 (h)= P 0 γw 2 (h) P n = P 0 γw n Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 13 Ricordando che : dove e Sostituendo nella eq. prec., si ha: v. ch.5 in Magnani, Ferretti e Rocco (2007) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 14

8 Moltiplicando e dividendo numeratore e denominatore per otteniamo: Essendo sostituendo: Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 15 Ricordando la definizione di AUTORITA : Dividendo per [Ф(h)] 2 e moltiplicando per V nel radicando: L eq. della caratteristica installata si semplifica per i casi particolari: V = 1 φ(h) = 1 v. ch.5 in Magnani, Ferretti e Rocco (2007) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 16

9 2 casi limite 1. la valvola è un unità di processo a sé stante 2. la valvola è un unità di processo inserita in un circuito P Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 17 Nuovo criterio di scelta della Valvola di Regolazione Si sceglie la caratteristica intrinseca (e quindi anche il C vn ) sulla base della caratteristica installata che si desidera avere realmente Caratteristica intrinseca lineare Caratteristica intrinseca equipercentuale Criterio di scelta della caratteristica intrinseca Se V è noto a priori, in funzione di V sceglieremo: se V > 0.4, la caratteristica intrinseca lineare caratteristica installata se V 0.25, la caratteristica intrinseca equipercentuale più vicina alla linearità se 0.25 < V 0.4, la caratteristica intrinseca quadratica, oppure una caratteristica equipercentuale o lineare modificata dal costruttore" Se V non è noto con sufficiente precisione, si sceglie una caratteristica quadratica o modificata Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 18

10 COEFFICIENTE DI PORTATA K v Esprime la portata volumetrica in m 3 /h di acqua a 15 C (5-40 C), che fluisce attraverso una valvola ad una determinata apertura (parzialmente o totalmente aperta), provocando una caduta di pressione (tra monte e valle della valvola) di 1 bar. Scarsamente utilizzato. dove: = portata volumetrica P(K v ) = pressione differenziale di riferimento P = pressione differenziale di prova ρ 0 = massa volumica dell acqua ρ = massa volumica del liquido di prova Formule di conversione C v = 1.16 K v K v = 0.865C v [=] m 3 (H 2 O)/(h(bar) 1/2 ) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 19 Esercitazione Pagina WEB per PROBLEMI D ESAME SVOLGIBILI IN MANIERA INTERATTIVA Esempi/Problemi interattivi sono normalmente fruibili attraverso un qualsiasi WEB browser su: grazie a Mathcad Calculation Server e senza avere il software Mathcad installato sul proprio PC Strumentazione e Controllo dei 20 Processi Chimici - Prof M. Miccio 20

11 DIMENSIONAMENTO: ALTRI CASI/PROBLEMI LIQUIDI IN MOTO (REGIME) NON TURBOLENTO GAS E VAPORI (FLUIDI COMPRIMIBILI) MISCELE BIFASICHE (MISCELE LIQUIDO-GAS) RIDUZIONE DI DIAMETRO RISPETTO AL PIPING VALUTAZIONE DELLA RUMOROSITA Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 21