modulo 1.3: richiami di componentistica valvole ed attuatori · 2019-12-16 · modulo 1.3: richiami...
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Modulo 1.3: Richiami di componentistica
Valvole ed attuatori
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
Generalità
Valvole di regolazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole e attuatori
Diametro di una tubazione
2/98
Generalità
Organi di intercettazione e regolazione (valvole)
Col nome di organi di intercettazione e regolazione si intendono tutti quei
dispositivi, detti comunemente valvole, che hanno la funzione di intercettare o
regolare il flusso dei fluidi nelle tubazioni.
Questi dispositivi sono realizzati nelle forme e nei materiali più svariati ed è
quindi importante sceglierne il tipo più adatto in relazione alle caratteristiche
d'impiego.
Nello sviluppo di un progetto di impianto questa scelta occupa un posto quanto
mai importante perché la conduzione dell'impianto, essendo effettuata in gran
parte mediante manovre eseguite dalle valvole installate sul piping, dipende
essenzialmente dalle loro prestazioni.
3/98
Componenti principali valvola manualeCorpo valvola: è la struttura principale della valvola, in
cui sono ricavati i passaggi destinati allo scorrimento del
fluido.
Cappello: chiude l'apertura attraverso la quale vengono
introdotti nel corpo valvola gli organi interni della valvola
(otturatore e sede di tenuta) e gli organi destinati al
comando dell'otturatore.
Stelo: è l’elemento di comando dell'otturatore. Passa
attraverso il cappello e deve essere dotato di un sistema
di tenuta (treccia e premistoppa).
Otturatore: è il componente mobile, solidale allo stelo,
che modifica la sezione di passaggio del fluido fino a
chiuderla/aprirla totalmente.
Sede di tenuta: componente solidale col corpo della
valvola (al quale è collegato solitamente mediante
filettatura). Al termine della sua corsa l'otturatore si
appoggia sulla sede di tenuta, determinando
l’intercettazione del flusso attraverso la valvola.
Attuatore: dispositivo atto a generare il movimento dello
stelo. In Figura è mostrato un attuatore manuale
(volantino), ma l’attuatore può anche essere di tipo
automatico (ad esempio, penumatico, elettrico, …).
Attuatore (manuale)
Generalità
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A seconda del tipo di attuatore le valvole si possono distinguere in:
- Valvola manuale;
- Valvola automatica: attuatore di tipo elettrico, pneumatico, idraulico,
elettropneumatico, elettroidraulico, ad azione diretta del fluido (valvola di non
ritorno a clapet);
Le valvole possono essere classificate anche per il tipo di funzione:
- Valvola di intercettazione: la funzione è quella di favorire il completo
passaggio del fluido (valvola aperta) o l’arresto del fluido (valvola chiusa).
- Valvola di regolazione: l’otturatore varia la propria posizione tra quelle di
chiusura e apertura. Così facendo, è possibile variare pressione e portata del
fluido.
- Altre valvole: Valvola unidirezionale (valvola di non ritorno)
Valvola di sicurezza
…
Generalità
5/98
Valvole di intercettazione: valvole a saracinesca
P&I
Generalità
Sono caratterizzate da:
• Movimento dell’otturatore perpendicolare rispetto al passaggio del cuneo
• L’otturatore può essere metallico o gommato in funzione dell’applicazione
• modalità di regolazione
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Perdite di carico generate dalla valvola
• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)
https://www.youtube.com/watch?v=iu55OzM8rUU6/98
Valvole di intercettazione: rubinetto a sfera
P&I
Generalità
Sono caratterizzate da:
• Tenuta realizzata mediante una sfera che, ruotando, comprime le guarnizioni poste sul corpo
valvola
• Numerose tipologie in funzione della forma costruttiva e dei materiali impiegati
• Perdite di carico contenute
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Perdite di carico generate dalla valvola
• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)
https://www.youtube.com/watch?v=mWXjvVMvz6Q7/98
Valvole di intercettazione: valvole a globo
Generalità
Sono caratterizzate da:
• Corpo sferico con le due metà separate da un deflettore;
• Tenuta elevata e duratura nel tempo
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Perdite di carico generate dalla valvola
• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)
https://www.youtube.com/watch?v=SkzzII-gzEk
P&I
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Valvole per altre applicazioni: valvole di non ritorno
P&I
Generalità
Funzione: impedire al fluido di refluire in direzione opposta al verso imposto
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Cracking pressure: minima pressione del fluido a monte della valvola che determina l’apertura
della valvola;
• Back pressure: differenza di pressione fra monte e valle della valvola
https://www.youtube.com/watch?v=Ol8wQVniNqI
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Valvole per altre applicazioni: valvola di sicurezza
P&I
Generalità
Funzione: in caso di sovrappressioni nel circuito scarica il fluido in atmosfera
https://www.youtube.com/watch?v=b2KQVkdAGzQ
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Generalità
Valvole di regolazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole e attuatori
Diametro di una tubazione
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In idraulica il diametro nominale (simbolo DN) è un valore convenzionale con cui vengono
individuati componenti idraulici quali tubazioni, flange, valvole.
Tale diametro, a seconda del materiale, viene dimensionato in funzione del diametro interno od
esterno.
Se il componente idraulico è dimensionato in funzione del suo diametro interno standardizzato
si fa riferimento alla serie DN/ID (standard dimensionali basati sui diametri interni). Se invece è
dimensionato in funzione del suo diametro esterno standardizzato viene riferito alla
serie DN/OD. Il costruttore deve indicare se il DN si riferisce alla serie DN/ID o DN/OD.
In generale per le tubazioni vale la seguente convenzione:
• ghisa sferoidale: DN/ID
• gres: DN/ID
• fibrocemento: DN/ID
• plastiche (PVC, PEAD): DN/OD
• acciaio: DN/ID
Il pollice cui si fa riferimento nei diametri delle tubazioni («pollice gas»)non è lo stesso utilizzato
nel sistema di misura anglosassone, ovvero non vale 25,4 mm.
Diametro di una tubazione
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La designazione «pollice gas» deriva dal passato ed in particolare dalle prime condotte per la
distribuzione del gas. Le prime condotte da 1’’, infatti, presentavano effettivamente un diametro
interno pari a 25,4 mm ed un diametro esterno pari a 33,7 mm (spessore pari a 4,25 mm).
Nel corso degli anni, tuttavia, lo sviluppo tecnico di materiali più prestazionali e di nuove
tecniche di realizzazione hanno reso possibile la riduzione degli spessori. Tale condizione
consentiva:
• Riduzione del diametro esterno a parità di diametro interno, oppure
• Aumento del diametro interno a parità di diametro esterno
La scelta ricadde sull’aumento del diametro interno in quanto la scelta di ridurre il diametro
esterno avrebbe comportato la necessità di modificare anche la raccorderia provocando
conseguentemente un enorme sforzo del settore.
Diametro di una tubazione
Infatti, nella maggior parte dei casi, il collegamento
tubo-raccordo è del tipo maschio-femmina in cui il
tubo si innesta all’interno del raccordo.
La modifica del diametro esterno delle tubazioni
avrebbe dunque comportato la necessità di variare
anche tutta la raccorderia.
Per questo motivo, per indicare le dimensione della
tubatura si è introdotto il termine pollice gas.
Tubo TuboRaccordo 13/98
Diametro di una tubazione
Anche i componenti non plastici possono essere dimensionati in funzione del diametro esterno.
Per risalire al diametro interno si fa quindi riferimento allo spessore del tubo, progettato in
funzione della pressione interna a cui è soggetto il componente meccanico.
Il numero di schedula, schedule number (sch) nella dizione anglosassone fornisce
un'informazione sulla pressione interna sopportabile da una tubazione, secondo la normativa
americana ANSI. (La normativa italiana UNI, fa riferimento invece alla pressione nominale).
La dicitura Standard (Std), Extra Strong (XS) e Double Extra Strong (XXS) che troviamo nelle
tabelle seguenti fa riferimento invece alla vecchia normativa (del 1927).
(Valori degli spessori espressi in mm)
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Il numero di schedula
Come riportato dall’ASME B36.10M-1996 ”Welded and Seamless Througth Steel Pipe”, nel marzo del
1927, l'American Standards Association promosse l’organizzazione di un tavolo tecnico settoriale per
uniformare le dimensioni e il materiale utilizzato nella produzione di tubi in acciaio e ghisa. In particolare il
primo incontro si tenne a Pittsburgh (Pennsylvania) il 18 maggio 1928.
L’intento all’origine della attività di standardizzazione era quello di stabilire una relazione fra diametro e
spessore tali da garantire per ciascun numero di schedula (SCH) il soddisfacimento della relazione:
𝑆𝐶𝐻 = 1000𝑝𝑖𝜏
Dove pi è la pressione interna in [psi] e τ è la tensione massima ammissibile dal materiale a temperatura
ambiente in [psi].
In particolare la volontà era quella di uniformare i valori di spessore e diametro in accordo alla formula di
Barlow modificata:
𝑠 =𝑝𝑖𝐷𝑖
2τ+ 𝑐 × 1 + 𝑎
Dove s è lo spessore della tubazione, (in) c è il sovraspessore di corrosione, (in) 𝐷𝑖 il diametro interno della
tubazione, (in), a è il coefficiente di sicurezza per tener conto delle tolleranze di produzione (=12,5%)
Questo intento si scontrò tuttavia con i valori di spessore e diametro caratteristici dei tubi presenti sul
mercato e derivanti dall’esperienza dei singoli produttori.
Modificare tali valori in accordo alle equazioni di cui sopra avrebbe dunque comportato un grandissimo
sforzo da parte dell’industria che si ritenne non sostenibile.
Diametro e spessore di una tubazione
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Tubi di acciaio: diametri e spessori (schedule)
(Valori espressi in mm)
Diametro e spessore di una tubazione
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Il numero di schedula: la scelta
Per scegliere il numero di schedula di una tubazione, occorre seguire il seguente procedimento:
1. Identificazione delle condizioni operative:
1. Tipo di fluido: in funzione della tipologia di fluido si dovranno effettuare considerazioni differenti
relativamente per esempio a fenomeni di corrosione.
2. Pressione operativa: lo stress meccanico della condotta è proporzionale alla pressione del fluido
all’interno
3. Temperatura operativa: Le caratteristiche prestazioni dei materiali quali per esempio la tensione
massima ammissibile è funzione della temperatura operativa attesa.
2. Caratteristiche della condotta:
1. Diametro della condotta: dai calcoli fluidodinamici è possibile identificare il diametro minimo
richiesto per trasportare una certa portata di fluido
2. Materiale: in funzione del materiale si avrà una tensione massima ammissibile differente
3. Metodo di realizzazione: la condotta può essere realizzata in diversi modi ed in funzione della
tipologia applicata si dovranno applicare coefficienti di derating per tener conto, per esempio, di
eventuali difetti di realizzazione.
4. Tolleranze dimensionali: il produttore garantisce valori per le tolleranze dimensionali che devono
essere tenuti in considerazione
3. Identificazione della norma di riferimento per il calcolo dello spessore: in funzione della specifica
applicazione, si adotterà la norma che meglio si adatta.
Diametro e spessore di una tubazione
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Il numero di schedula: la scelta
Esempio
Si vuole calcolare il diametro per il trasporto di vapore alla pressione nominale di 13 bar e alla temperatura
nominale di 180 °C. Per lo scopo si sceglie di utilizzare un acciaio del tipo ASTM A106 Grade B, Seamless
(τ = 15000 psi alla temperatura di 180 °C,≈1034 bar). Si sceglie infine una condotta di diametro esterno pari
a 3’’ (=88,9 mm).
Per il calcolo dello spessore minimo si adotta la correlazione riportata nell’ASME B31.1 «Power Piping»:
𝑡𝑚 =𝑝𝑖𝐷𝑜
2 𝜏𝐸 + 𝑝𝑖𝑦+ 𝑐
Dove:
• tm spessore minimo in [mm]
• Do diametro esterno della tubazione in [mm]
• E è la joint efficiency [#] che tiene conto del metodo di fabbricazione della condotta e può assumere un
valore compreso fra 0,6 e 1 (da tabelle sulla ASME B31.1).
• y è il coefficiente di derating della temperatura che può assumere un valore compreso fra 0,4 e 0,7 (da
tabelle sulla ASME B31.1).
Con i dati a disposizione, non considerando la presenza di corrosione, si calcola:
𝑡𝑚 =𝑝𝑖𝐷𝑜
2 𝜏𝐸 + 𝑝𝑖𝑦=
13 × 88,9
2 1034 × 1 + 13 × 0,4= 0,556 𝑚𝑚
Diametro e spessore di una tubazione
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Il numero di schedula: la scelta
Esempio
Considerando la tolleranza dimensionale pari al 12,5%:
𝑡𝑚,𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑜 =𝑡𝑚
1 −12,5100
=0,556
0,875= 0,635
Si sceglierà un tubo schedula 40 essendo la tipologia che presenta uno spessore immediatamente
superiore a quanto calcolato.
Diametro e spessore di una tubazione
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Tabella comparativa diametri esterni delle tubazioni
Diametro di una tubazione
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Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni
Diametro di una tubazione
• Il valore dopo la sigla PE (polietilene) diviso per 10 rappresenta la minima pressione garantita alla quale la condotta resiste in esercizio per 50 anni alla
temperature di 20 °C.
• PFA è la Pressione di Funzionamento Ammissibile in bar che la condotta può sostenere in esercizio in modo continuo.21/98
Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni
• SN (Nominal Stiffness) in [N/mm^2] rappresenta la resistenza allo schiacciamento della condotta: infatti in assenza di pressione all’interno la condotta può
subire deformazioni a causa del peso del terreno sovrastante o della circolazione dei carichi stradali.
𝑆𝑁 =𝐸 × 𝐼
𝐷3
Dove E è il modulo di Young del materiale (N/mm^2), I è il momento di inerzia (mm^4/mm) e D è il diametro della condotta (mm). Maggiore è dunque SN
maggiore è il carico esterno che la condotta può sostenere.
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Generalità
Valvole di regolazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole e attuatori
Diametro di una tubazione
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Valvole di regolazione
Architettura
24/98
0
20
40
60
80
100
120
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Co
effi
cien
te d
i p
erd
ita
conce
ntr
ata ξ
Rapporto x/d
Coefficiente reale Coefficiente stimato
Coefficiente di perdita concentrata: relazione con l’alzata dell’otturatore
Valvole di regolazione
Variando x si va a variare
ξ: quindi, regolando x
posso regolare la
velocità V (e quindi la
portata volumetrica) e/o
la perdita di carico Δp (e
quindi la pressione).
∆𝒑 = ξ𝝆𝑽𝟐
𝟐
x: alzata dell’otturatore
d: diametro interno della tubazione
ξ: coefficiente perdita concentrata
Δp: perdita di carico sulla valvola
V: velocità del fluido
ρ: densità del fluido
ξ = 1.55 x^(-2) + 4.7 x – 6
R^2 = 0,997
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Valvola a flusso avviato
In questo tipo di valvola il movimento dell'otturatore è
perpendicolare alla direzione di passaggio convenzionale
del fluido nella valvola.
A tale scopo i condotti interni della valvola sono sagomati
in modo da guidare il fluido verso la parte inferiore
dell'otturatore, cioè con senso dal basso verso l'alto,
oppure verso la parte superiore, cioè con senso dall’alto
verso il basso, facendogli comunque compiere una curva
di circa 120° ed inviarlo con un'altra curva di 120°, verso
la sezione di uscita.
Pertanto, le valvole a flusso avviato presentano un
percorso del fluido sinuoso e con frequenti cambiamenti
dell'area della sezione di passaggio. D’altro canto, la
valvola risulta compatta ed ha ridotti ingombri in senso
longitudinale alla tubazione.
Valvole di regolazione
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Valvola a flusso libero
In questo tipo di valvole il movimento dell'otturatore
è inclinato a 45° rispetto al senso di passaggio
convenzionale del fluido nella valvola.
Questa soluzione, applicabile solo a valvole a via
diritta, consente di ridurre in misura rilevante le
perdite di carico, evitando totalmente i cambiamenti
di direzione e riducendo le variazioni di sezione. A
completa apertura, le valvole di questo tipo
presentano un passaggio pressoché rettilineo.
Ciò offre anche la possibilità di ispezionare la linea
oltre la valvola senza doverla rimuovere e di poter
introdurre sonde o altri attrezzi attraverso la valvola
stessa.
Di contro, la presenza dell’otturatore inclinato
aumenta notevolmente l’ingombro della valvola in
senso longitudinale alla tubazione.
Valvole di regolazione
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Valvola a flusso avviato vs. Valvola a flusso libero
Valvole di regolazione
Valvola a flusso avviato
ξ = 3-4
Valvola a flusso libero
ξ = 1-2
Sezione passaggio: S=π*d*H
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Si cerca di costruire gli orifici interni di diametro uguale al diametro nominale
della valvola (attacco flange) per avere una portata maggiore possibile.
Si possono, tuttavia, trovare valvole con un corpo ed attacchi di diametro
superiore a quello richiesto per la sede dell’otturatore. Queste valvole si dicono
a passaggio ridotto ed il loro impiego può essere determinato dall’esigenza di
una maggiore resistenza meccanica alle sollecitazioni esterne (tubazioni, flange,
ecc…), minore velocità del fluido in ingresso e uscita, nonché dalla previsione
di aumentare la potenzialità dell’impianto, per il quale sarà sufficiente sostituire
gli organi interni con altri di maggior diametro. Comunemente i minimi diametri
di sede applicabili corrispondono al 50% del diametro nominale di valvola.
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
I tipi fondamentali dei corpi valvola sono due: i) a seggio singolo e ii) a doppio
seggio.
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Seggio singolo: Quando è richiesta una tenuta ottima è necessario impiegare
valvole a seggio singolo, per le quali la perdita di fluido a valvola chiusa è
inferiore allo 0,01% della capacità nominale.
Nelle valvole a seggio singolo sorge però il problema dello squilibrio provocato
sull’otturatore dal differenziale di pressione fra monte e valle che normalmente
viene calcolato moltiplicando l’area del seggio per la differenza massima di
pressione tra l’ingresso e l’uscita della valvola. A volte le spinte esercitate dalla
differenza di pressione sull’otturatore sono di tale entità che il servomotore
standard non può superarle.
Nel caso di utilizzo di un servomotore pneumatico, per le valvole che devono
chiudersi in mancanza di aria (azione inversa) vengono previste molle di forza
sufficienti a contrastare la spinta che la pressione d’ingresso esercita
sull’otturatore. Per evitare il fenomeno del trascinamento ed urto in chiusura le
valvole a seggio singolo vengono installate con flusso tendente ad aprire
l’otturatore.
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Seggio singolo – trim bilanciato
Nel caso in cui si debba installare una valvola
caratterizzata da un’elevata differenza di pressione
fra monte e valle o da sedi di dimensione elevata,
si fa uso di valvole a trim bilanciato che
consentono di ridurre la spinta richiesta e dunque
la taglia degli attuatori.
Con il termine trim si fa riferimento a tutte le parti
interne rimuovibile e rimpiazzabili della valvola che
sono in contatto con il fluido di processo.
Nel caso riportato a fianco, il bilanciamento
avviene mediante fori di equalizzazione. Attraverso
i fori si ha il passaggio del fluido di processo. La
differenza di pressione che agisce sui due lati
dell’otturatore è equilibrata. Come si osserva dalla
figura a fianco il passaggio di fluido attorno
all’otturatore è evitato grazie alla presenza di o-ring
di tenuta.
Il passaggio di fluido attraverso il foro
consente il raggiungimento dell’equilibrio
di pressione fra i due ambienti
Foro di
equilibramento
p1
p1
p1
p2
p1 > p2
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Valvole di regolazione
Seggio singolo
Flusso in
ingresso
Trim bilanciato
Fori di equalizzazione
della pressione
Trim non bilanciato
L’attuatore deve essere
dimensionato per la
massima differenza di
pressioneSi possono avere due
possibili configurazioni
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Valvole di regolazione
Valvola a doppio seggio
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Valvole di regolazioneIl corpo valvola
Doppio seggio: Nelle valvola a doppio seggio le spinte esercitate sui due funghi
dalla differenza di pressione del fluido si annullano quasi totalmente per cui è
richiesta una forza minima di comando. D’altro canto, a causa della differenza
delle dilatazioni termiche tra corpo e otturatore nonché delle deformazioni
elastiche dovute alla pressione, diventa difficile ottenere una tenuta perfetta su
entrambi i funghi a valvola chiusa con normali superfici metalliche. Per le
valvole a doppio seggio è ammesso un trafilamento dello 0,5% della portata di
progetto.
Poiché l’otturatore a doppio fungo bilancia quasi interamente gli squilibri dovuti
al differenziale di pressione del fluido, le valvole a doppio seggio generalmente
non richiedono servomotori maggiorati anche con alte pressioni differenziali.
Pertanto, qualora venga richiesta la tenuta perfetta, e tuttavia, a causa del forte
differenziale di pressione, i servomotori disponibili non hanno potenza
sufficiente ad azionare valvole a seggio singolo, si dovranno impiegare valvole
a doppio seggio nelle quali la tenuta viene migliorata con inserti di materiale atti
a sigillare il contatto sede-otturatore, sempreché la temperatura e la pressione
di esercizio lo permettano.35/98
Valvole di regolazione
Premistoppa
Il premistoppa è il dispositivo che effettua la tenuta lungo lo stelo della valvola. Deve
dunque garantire una tenuta perfetta nei confronti dei prodotti che percorrono una
valvola.
Il premistoppa di una valvola viene guarnito con materiali diversi in base alle condizioni
di esercizio:
• Anelli in Teflon (standard). Questa
guarnitura non richiede il
lubrificatore e può essere impiegata
con fluidi alla temperatura massima
di 230°C
• Anello grafitato costituito da una
serie di anelli impregnati di grafite,
adatto per temperature fino a 280°C;
è richiesto il lubrificatore.
36/98
Valvole di regolazione
Premistoppa
• Fibre per alta temperature (sostitutive
dell’amianto).
• La fibra di carbonio e la grafite espansa
sono utilizzate nelle applicazioni dove si
possono raggiungere alte temperature
fino a 450 °C ed oltre.
• Per basse temperature (inferiori a -5°C).
Si usa una prolunga distanziatrice di
lunghezza adeguata per permettere
coibentazioni di grande spessore sulla
tubazione e l’eventuale riscaldamento
del premistoppa mediante appositi
serpentini a vapore od altri elementi
riscaldanti
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Valvole di regolazione
Premistoppa
• Per fluidi pericolosi, tossici ed esplosivi
e comunque quando si voglia garantire
l’assenza di gocciolii anche in mancanza
di manutenzione, si impiegano soffietti
metallici di tenuta sullo stelo, onde
evitare in modo assoluto perdite di fluido
attraverso il premistoppa.
38/98
Valvole di regolazione
Forma dell’otturatore
La valvola si può distinguere anche in base alla forma dell’otturatore. Le due
principali tipologie di otturatore sono:
Sagomando opportunamente la geometria dell’otturatore è possibile
determinare la caratteristica di regolazione della valvola, che, ricordiamo, è
determinata dalla variazione della portata (o della perdita di carico) in funzione
della corsa dell’otturatore. Di seguito sarà illustrato come la geometria
dell’otturatore vada ad influenzare la capacità di regolazione della valvola.
- Otturatore a disco: rappresenta il tipo più diffuso, e
consente una buona regolazione.
- Otturatore a spillo (o ad ago): questa tipologia, largamente
impiegata solo per piccoli diametri e per regolazioni
precise, è caratterizzata dalla forma conica o tronco
conica dell'otturatore. La forma dell'otturatore permette di
ottenere piccole variazioni della sezione di strozzamento
della valvola con grandi spostamenti dell'otturatore.Otturatore Sede di
tenuta
Sede di
tenutaOtturatore
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Valvole di regolazione
Otturatore a piattello – apertura rapida
L’incremento della portata avviene quasi esclusivamente nella prima porzione di
apertura dell’otturatore dopo di che ulteriori incrementi della corsa determinano
aumenti di portata quasi trascurabili. Per questo motivo l’otturatore a piattello
viene anche detto otturatore ad apertura rapida. Viene generalmente usato per
controlli tutto-niente, in cui si desidera una portata più o meno costante oltre un
certo grado di apertura della valvola.
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Perdite di carico: ∆𝒑 = ξ𝝆𝑽𝟐
𝟐
Valvole di regolazione
Otturatore lineare
Con questo otturatore si ottiene la linearità tra la corsa dell’otturatore e la
portata che quindi risulta proporzionale al grado di apertura della valvola. 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. Il profilo dell’otturatore è normalmente di tipo parabolico.
41/98
Valvole di regolazione
Otturatore equipercentuale
Con questo otturatore ad uguali incrementi della corsa di apertura corrisponde una
percentuale costante di aumento della portata a parità di pressione differenziale. Ad
esempio, passando da 37,5 a 55% (+17,5% corsa valvola), si passa dal 10 al 20% (portata)
cioè un incremento del 100%; da 55% a 72,5 % (ancora +17,5% corsa valvola) vado da 20
a 40% (+100%). La valvola eroga così la maggior parte della portata nell’ultima frazione di
apertura. Gli otturatori equipercentuali vengono usati nelle applicazioni in cui si ritiene
opportuno, per motivi di sicurezza, lasciare all’ultimo tratto di apertura della valvola gran
parte dell’incremento di portata.
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Valvole di regolazione
Caratteristiche tecniche
E’ necessario un accurato dimensionamento del corpo valvola e dei vari organi
per prevenire dannose deformazioni causate dalla temperatura e dalla pressione
del fluido oltreché dagli sforzi meccanici trasmessi alla valvola dalle tubazioni. Il
dimensionamento delle parti viene effettuato anche in funzione delle dilatazioni
termiche onde garantire esatti accoppiamenti degli organi in movimento alle
diverse temperature di esercizio e compensare adeguatamente i diversi
coefficienti di dilatazione del corpo rispetto all’otturatore.
La resistenza all’usura nella sezione ristretta di passaggio tra otturatore e sede
di tenuta, dove il fluido può raggiungere velocità soniche, si ottiene con la
stellitatura (lega cobalto-cromo) delle superfici o con l’impiego di materiali di
grande durezza come acciaio inossidabile AISI 440C, carburo di tungsteno e
altre leghe speciali. Sono inoltre previste esecuzioni speciali utilizzabili in
presenza di fenomeni di cavitazione o per funzionamento con gas e vapori umidi
responsabili di una rapida erosione delle superfici.
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Valvole di regolazione
Caratteristiche tecniche – il materiale
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Generalità
Valvole di regolazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole e attuatori
Diametro di una tubazione
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Elementi costruttivi dei servomotori
pneumatici
Il servomotore o testata pneumatica ha la funzione di
trasformare il segnale pneumatico in un movimento
uniforme e lineare dell’otturatore della valvola; è
costituito da:
• Diaframma. In Perbuna internamente intessuta di
nylon per garantire la massima flessibilità e
resistenza anche a bassa temperatura
• Coperchi superiore ed inferiore della camera del
diaframma. In acciaio stampato con superfici
interne ed esterne sottoposte a trattamento
antiossidante prima della verniciatura.
• Molle. In acciaio al silicio manganese, con
colorazioni di identificazione secondo le
caratteristiche ed i campi di lavoro. I campi normali
delle molle sono 3-15 psi e 6-30 psi; sono inoltre
disponibili campi ridotti per interventi sequenziali.
• Castello. In ghisa ad alta resistenza (in acciaio fuso
a richiesta), disponibile, in varie grandezze e
predisposto per il montaggio degli accessori come
posizionatore, filtroriduttore, relè di blocco
psi è l'acronimo di pound-force per square inch,
locuzione inglese che significa libbre per pollice
quadrato, ed è l'unità di misura della pressione nel
sistema anglosassone.
1 psi = 68,95 mbar
Attuatori
46/98
Elementi costruttivi dei servomotori pneumatici
• Collegamento tra stelo e asta del diaframma. Tale
collegamento avviene mediante avvitamento diretto con
dado di bloccaggio in modo da poter agevolmente
variare la lunghezza dello stelo durante l’aggiustaggio
della corsa. Lo stelo trasferisce il movimento del
diaframma all’otturatore.
• Asta del diaframma, vite di aggiustaggio della molla e
vite di regolazione del premistoppa. Sono realizzati in
acciaio sottoposto a trattamento galvanico antiossidante
che conferisce all’acciaio una particolare colorazione
simile all’ottone.
• Disco indicatore della corsa. È realizzato in acciaio
inossidabile.
• Piastrina indicatrice della corsa. È realizzata in alluminio
anodizzato antiacido con graduazioni millimetriche e
con indicazione della posizione di apertura e chiusura
della valvola.
• Targhetta di identificazione. È realizzata in alluminio
anodizzato con i dati caratteristici della valvola, le sigle
di riferimento ed il numero di matricola.
Attuatori
47/98
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Il servomotore o testata pneumatica ha la funzione di trasformare il segnale
pneumatico in un movimento uniforme e lineare dell’otturatore della valvola.
Viene costruito in due versioni: testata diretta e testata rovescia.
Testata diretta: l’aumento della pressione dell’aria sul
diaframma provoca il movimento dello stelo verso il basso
comprimendo la molla di contrasto. In mancanza di aria la
molla spinge lo stelo verso l’alto.
Testata inversa: la pressione dell’aria esercita una spinta al
disotto del diaframma e solleva lo stelo vincendo l’azione
della molla. Speciali guarnizioni “O-ring” che non
richiedono lubrificazione, garantiscono la perfetta tenuta di
aria in corrispondenza dell’asta di comando.
48/98
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
La scelta del servomotore a testata diretta o rovescia
non vincola le condizioni normali della valvola.
Infatti, per entrambe le tipologie di servomotore si può
avere un otturatore che apre (Fig. 2A) o chiude (Fig.
1B e 1A) abbassandosi.
Nel caso di testata diretta, in mancanza di aria
l’otturatore si alza trascinato dalla molla di contrasto.
Nel caso, invece, di testata rovescia, in mancanza di
aria l’otturatore si abbassa, sempre per effetto della
presenza della molla di contrasto.
La scelta della testata definisce il verso del
movimento dell’otturatore all’interno della sede.
Come opero la scelta? Dipende dalla applicazione!
49/98
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 1. Servomotore a testata diretta: otturatore che
chiude abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore
provoca il movimento dello stelo verso il basso:
poiché l’otturatore chiude abbassandosi, in queste
condizioni (servomotore in pressione) la valvola è
chiusa.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la
molla di contrasto trascina verso l’alto l’otturatore,
lasciando libera la sede al passaggio del fluido di
processo.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la
valvola è aperta, questa è una valvola normalmente
aperta (NA o NO).
50/98
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 2. Servomotore a testata rovescia: otturatore
che chiude abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore
provoca il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché
l’otturatore chiude abbassandosi, in queste condizioni
la valvola è aperta.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la
molla di contrasto trascina verso il basso l’otturatore,
intercettando il passaggio del fluido di processo
attraverso la sede della valvola.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la
valvola è chiusa, questa è una valvola normalmente
chiusa (NC).
51/98
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 3. Servomotore a testata diretta: otturatore che
apre abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore
provoca il movimento dello stelo verso il basso.
Poiché l’otturatore apre abbassandosi, in queste
condizioni la valvola è aperta.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la
molla di contrasto trascina verso l’alto l’otturatore,
intercettando il passaggio del fluido di processo
attraverso la sede della valvola.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la
valvola è chiusa, questa è una valvola normalmente
chiusa (NC).
52/98
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 4. Servomotore a testata rovescia: otturatore
che apre abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore
provoca il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché
l’otturatore apre abbassandosi, in queste condizioni la
valvola è chiusa.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la
molla di contrasto trascina verso il basso l’otturatore,
lasciando libero il passaggio del fluido di processo
attraverso la sede della valvola.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la
valvola è aperta, questa è una valvola normalmente
aperta (NA o NO).
Valvola a sede doppiaValvola a sede doppia
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Attuatori
Valvola a tre vie: deviatrici e miscelatrici
Testata diretta
(Se manca l’aria apro
la via diretta e chiudo
la via squadra)
Testata inversa
(Se manca l’aria
chiudo la via diretta e
apro la via squadra)
Testata diretta
(Se manca l’aria apro
la via diretta e chiudo
la via squadra)
Testata inversa
(Se manca l’aria
chiudo la via diretta e
apro la via squadra)54/98
Attuatori
Servomotore elettroidraulico
(Testata diretta, Valvola normalmente chiusa => Valvola solenoide (5) normalmente aperta)55/98
Corpo valvola
Mandrino valvola
O-ring
Corpo
solenoide
Molla
Solenoide
Piattello
valvola
Attuatori
Corpo
solenoide
Solenoide
Molla
Corpo
valvola
Corpo
valvola
Membrana
Corpo
valvola
Valvola a solenoide
FLUIDO FLUIDO
56/98
Attuatori
Valvola a solenoide – meccanismo di comando
Corpo
valvola
Mandrino
valvola
O-ring
Molla
Solenoide
Piattello
valvola
Esempio: Valvola a
due vie e due posizioni
Indica la posizione in cui si trova
la valvola: le porte A e B sono
intercettate e non c’è passaggio
di fluido
57/98
AttuatoriValvola a solenoide – meccanismo di comando
Corpo
valvola
Mandrino
valvola
O-ring
Molla
Solenoide
Piattello
valvola
A
P
Indica la posizione in cui si trova
la valvola: le porte A e B sono
collegate e c’è passaggio di fluido
Esempio: Valvola a
due vie e due posizioni
58/98
AttuatoriEsploso di elettrovalvola Elettrovalvola con servo comando
a pistone
VE3
59/98
Generalità
Valvole di regolazione
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole e attuatori
Diametro di una tubazione
Agenda
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Dimensionamento della valvola di regolazione
1) Scelta dell’otturatore
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2) Scelta del corpo valvola
La scelta viene effettuata usando il coefficiente di portata:
CV: in unità americane, rappresenta la quantità di acqua a 15 °C in galloni USA
che passa in un minuto attraverso la valvola aperta con una pressione
differenziale di 1 psi (1 gallone = 3,785 x10-3 m3, 1 psi = 703,1 mm c.a.).
KV: nel sistema di misura internazionale, definito come la portata di acqua a
15°C in metri cubi che passa in 1 ora attraverso la valvola aperta con una
pressione differenziale di 1 bar.
KV=0,86 CV
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝑲𝑽, 𝑪𝑽 =𝑸 ρ
∆𝒑
62/98
Determinazione del coefficiente KV (per fluidi incomprimibili)
Q: portata in m3/h;
ρ: densità in kg/dm3;
Δp: differenza di pressione in bar.
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝑲𝑽 =𝑸 ρ
∆𝒑
Nel caso di utilizzo di liquidi
viscosi occorre moltiplicare il
CV ottenuto per un fattore
correttivo che dipende dalla
viscosità del fluido (gradi
Engler).
Viscosità, [°E] Fattore di correzione
2 1,06
5 1,18
10 1,28
15 1,32
Viscosità, [°E] Fattore di correzione
30 1,38
50 1,47
100 1,60
150 1,68
H,
alte
zza
co
lon
na d
’acqu
a, [m
]
𝑯 =𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎
𝝆𝒈=
𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎
𝟗, 𝟖𝟎𝟔𝟕 × 𝟏𝟎𝟎𝟎= 𝟏𝟎, 𝟐 𝒎
63/98
Determinazione del coefficiente KV (fluidi comprimibili)
Vapor d’acqua saturo, P2>58%P1
m: portata in kg/h;
Δp: differenza di pressione in bar;
P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝑲𝑽 =𝒎
∆𝒑 ∙ 𝑷𝟏∙
𝟏
𝟏𝟖, 𝟎𝟓
Vapor d’acqua saturo, P2<58%P1
m: portata in kg/h;
P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.
𝑲𝑽 =𝒎
𝟏𝟏, 𝟕 ∙ 𝑷𝟏
Vapor d’acqua surriscaldato, P2>55%P1
m: portata in kg/h;
FS: fattore di correzione;
Δp: differenza di pressione in bar;
P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.
𝑲𝑽 =𝒎
∆𝒑 ∙ 𝑷𝟏∙
𝑭𝑺𝟏𝟕, 𝟒𝟒
64/98
Determinazione del coefficiente KV (fluidi comprimibili)
Dimensionamento della valvola di regolazione
Vapor d’acqua surriscaldato, P2<55%P1
m: portata in kg/h;
FS: fattore di correzione;
P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.
𝑲𝑽 =𝒎
𝑷𝟏∙𝑭𝑺𝟏𝟏, 𝟕
Aria e gas, P2>53%P1
Qn: portata in Nm3/h;
Δp: differenza di pressione in bar;
k: densità relativa all’aria (aria=1);
T: temperatura assoluta del fluido in K;
P1: pressione assoluta del gas in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del gas in uscita in bar.
𝑲𝑽 =𝑸𝒏
∆𝒑 ∙ 𝑷𝟐∙
𝑻 ∙ 𝒌
𝟒𝟖𝟎, 𝟒
Aria e gas, P2<53%P1
Qn: portata in Nm3/h;
k: densità relativa all’aria (aria=1);
T: temperatura assoluta del fluido in K;
P1: pressione assoluta del gas in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del gas in uscita in bar.
𝑲𝑽 =𝑸𝒏
𝑷𝟏∙
𝑻 ∙ 𝒌
𝟐𝟑𝟗, 𝟖
65/98
Lineare
Piattello
Il KV calcolato tramite l’equazione precedente viene confrontato con il valore riportato sul catalogo e che identifica
ciascuna valvola. Qualora non si riesca a trovare un valore coincidente con il KV, bisogna selezionare la valvola
con il KV il più possibile vicino (di solito superiore) al KV calcolato, detto KVs tenendo in considerazione le
necessità dell’applicazione specifica.
Dimensionamento della valvola di regolazione
Scelta della valvola – esempio dati
𝟏𝟎′′
66/98
Dimensionamento della valvola di regolazione
Dimensionamento seggio della valvola
Una volta noti la caratteristica del corpo valvola
(sede semplice, sede doppia, tre vie miscelatrici,
etc.), il tipo di otturatore e il CV della valvola è
possibile attraverso schede tecniche, come quella
riportata in tabella, individuare il diametro nominale
del seggio della valvola.
Noto il diametro del seggio e nota la pressione
differenziale sul seggio è possibile calcolare la
spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido e
quindi dimensionare il servomotore a diaframma.
Legenda:
• EQP = equipercentuale profilato;
• PL = parabolico lineare;
• PT = piattello (apertura rapida);
• MFP = microflussioprofilato;
• MFS = microflusso a sgusci;
• LV = otturatore parabolico lineare a V 67/98
Dimensionamento della valvola di regolazioneDimensionamento del servomotore a diaframma
Le tabelle sotto riportate evidenziano le caratteristiche di nove servomotori. Nota la
pressione differenziale sull’otturatore e l’area nominale del seggio è nota la forza che
agisce sullo stelo. Occorrerà quindi effettuare una verifica relativa alla resistenza dello
stelo. È così nota anche la forza necessaria per chiudere completamente la valvola, che
serve per dimensionare il servomotore in funzione delle pressioni di comando, area utile
del diaframma, forza della molla di contrasto, etc…
68/98
Dimensionamento della valvola di regolazione
Dimensionamento di una valvola a sede
semplice, N.A. con otturatore P.L. che
chiude abbassandosi
(servomotore a testata diretta) per una
condotta di acqua alle seguenti condizioni di
progetto:
1) Portata, Q: 100 m3/h.
2) Densità (alla temperatura di progetto t = 15°C), ρ = 1
kg/dm3.
3) Pressione differenziale a valvola chiusa (fra monte e
valle della valvola), Δp = 8 bar;
4) Caduta di pressione attraverso la valvola aperta e
portata pari al valore nominale pari a Δp = 1 bar.
Essendo un liquido:
𝑪𝑽 = 𝟏, 𝟏𝟕𝑸𝝆
∆𝒑= 𝟏, 𝟏𝟕 ∗ 𝟏𝟎𝟎 ∗
𝟏
𝟏= 𝟏𝟏𝟕
Dalla tabella a fianco si vede che non si
trova esattamente il valore 117. Si sceglie
allora il Cv immediatamente superiore
Cv = 118.
Il diametro nominale del seggio risulta
essere quello da 3”, ossia circa 80 mm.
Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione
69/98
Dimensionamento della valvola di regolazione
Noto il diametro nominale del seggio è possibile calcolarne l’area:
𝑨 =𝝅𝑫𝟐
𝟒= 𝟓𝟎, 𝟐𝟔 𝒄𝒎𝟐
La spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido in condizioni di valvola
chiusa, essendo presente una caduta di pressione di 8 bar vale 402 kg (50,3
x 8).
Dalla tabella 1 si evince che il servomotore più piccolo utilizzabile è quello
500/3, poiché la massima pressione differenziale ammissibile per un
diametro di seggio pari a 3’’ è 9 bar, maggiore del ∆𝒑 di progetto.
Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione
Occorre ricordare che la pressione di comando
varia fra 3÷15 psi, ovvero fra 0,21÷1,05 bar
Verifiche:
1. Il carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg >
402 kg (dovuto al processo).
2. La spinta massima del servomotore
sull’otturatore è: 1,05 bar x 990 𝒄𝒎𝟐 ≅ 1040
kg> 402 kg (il servomotore vince la
pressione di processo).
3. Carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg >
1040 kg (dovuta all’azione del servomotore).
70/98
Riassumendo
Per la scelta della corretta valvola si adotta il seguente procedimento:
Dimensionamento della valvola di regolazione
71/98
Generalità
Valvole di regolazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole e attuatori
Diametro di una tubazione
72/98
Valvole termostatiche
La valvola termostatica: un esempio di valvola di
regolazione
Le valvole termostatiche sono utilizzate per la regolazione
proporzionale della portata in base alle impostazioni e alla
temperatura del sensore.
La gamma di valvole termostatiche comprende versioni per la
regolazione sia nei sistemi di raffreddamento che in quelli di
riscaldamento. Le valvole funzionano senza bisogno di
alimentazione ausiliare come elettricità o aria compressa.
La temperatura desiderata viene mantenuta costante senza
spreco di: i) acqua di raffreddamento in sistemi di refrigerazione,
ii) acqua calda o vapore in sistemi di riscaldamento. L'economia
di esercizio e l'efficienza sono ottimizzati.
Il bulbo ha un volume V=V0*(1+αT), con α coefficiente di
dilatazione termica. In caso di otturatore lineare, il coefficiente α
deve essere costante nel range di temperatura del processo, per
garantire tale linearità.
73/98
Componenti principali
Valvole termostatiche
74/98
Principio di funzionamento
Valvole termostatiche
Quindi il bulbo si comporta come un termometro. Ma se il liquido dovesse vaporizzare alle condizioni di esercizio, il
bulbo si comporterebbe come un termostato, trasformando la valvola in una valvola a due posizioni
https://www.youtube.com/
watch?v=4KlAeQ5euJs
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Elenco materiali
Per fluidi aggressivi
(SS: stainless steel)
Valvole termostatiche
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Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa
Valvole termostatiche
P&I impianto aria compressa
# Descrizione
SA Serbatoio di accumulo
VT Valvola termostatica
C Compressore a due stadi
F Filtro
SC Scaricatore di condensa
S Separatore di condensa
Pm Pressostato di minima
PM Pressostato di massima
PS Pressostato di sicurezza
U Utenze
PS (10 bar)
VTF
S
F
C
S
F
SC
VT
F
VT
F
SA
PM (8 bar)
Pm (5 bar)
FSC
F
SC
VS
U
VS Valvola di sicurezza
Acqua di raffreddamentoAria compressa 77/98
In figura uno schema di raffreddamento delle
camicie del compressore con circolazione a
ciclo aperto su compressore a due stadi.
In questo caso, lo scopo della regolazione
automatica di temperatura è quello di evitare un
eccessivo raffreddamento, che potrebbe causare
condensazioni all’interno del cilindro e
peggiorare le condizioni di lubrificazione, oltre a
evitare un inutile spreco di acqua.
E’ importante che il regolatore (valvola
termostatica) non intercetti mai completamente
il flusso dell’acqua di raffreddamento, onde
evitare la formazione di una «sacca» di acqua
stagnante intorno al bulbo (elemento
termostatico), che quindi potrebbe raffreddarsi e
non dare più luogo all’apertura della valvola.
Alcune valvole termostatiche garantiscono un
minimo di flusso; in alternativa, occorre
realizzare un by-pass con valvola manuale.
Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa
Valvole termostatiche
Raffreddamento camicie
compressore
Poiché avviene un innalzamento della temperatura dell’aria quando viene compressa, si rende
necessario provvedere ad un raffreddamento, in modo che la temperatura risultante del
compressore non sia tanto alta da impedire una soddisfacente lubrificazione.
Valvola termostatica
Elemento
termostatico
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Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa
Valvole termostatiche
Raffreddamento aria compressa
Valvola termostatica
Elemento
termostatico
Un intercooler è applicato tra gli stadi in un compressore multistadio. Lo scopo è quello di
raffreddare l’aria tra uno stadio ed il successivo, per ridurne il volume e limitare la temperatura
dell’aria compressa. Inoltre, il raffreddamento favorisce la condensazione del vapor d’acqua
contenuto nell’aria e che, se passasse al successivo stadio di compressione, potrebbe condensare
sulle pareti del cilindro, con conseguenti danni al compressore.
In figura uno schema di
raffreddamento dell’aria tra due
stadi di compressione, in cui la
portata di fluido di raffreddamento
viene regolata tramite una valvola
termostatica, installata sul ramo
caldo del fluido di raffreddamento.
La condensa prodotta dal
raffreddamento dell’aria viene
allontanata dal circuito tramite un
separatore con scaricatore di
condensa.
79/98
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
La valvola di laminazione agisce come un dispositivo di regolazione fra il lato
alta pressione ed il lato bassa pressione di un impianto frigorifero e garantisce
che la quantità di refrigerante che fluisce nell’evaporatore sia identica alla
quantità di liquido refrigerante che evapora nell’evaporatore stesso (regolazione
portata).
Rispetto agli schemi teorici riportati di seguito, va ricordato che in tali impianti
va realizzato un lieve sottoraffreddamento all’uscita del condensatore (punto 3)
e un lieve surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore (punto 1) per poter
permettere agli strumenti di misurare una variazione di temperatura.
Valvole termostatiche
80/98
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
La valvola di laminazione può essere realizzata con una valvola di espansione
termostatica con orificio tarato.
L’elemento termostatico è il motore della valvola; un bulbo sensibile è collegato al
gruppo diaframma mediante un tubo capillare che trasmette la pressione presente
all’interno del bulbo alla camera superiore del gruppo diaframma. La pressione presente
all’interno del bulbo è direttamente correlata alla temperatura. Quando aumenta la
pressione della carica termostatica il diaframma si deforma, trasferendo questo
spostamento all’otturatore che si allontana dalla sua sede e permette al liquido di
passare. Una molla di contrasto agisce in opposizione alla spinta del diaframma ed il suo
carico può essere variato con una vite di regolazione laterale (asta di regolazione).
Valvole termostatiche
81/98
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
Il gruppo orificio intercambiabile assicura un’ampia gamma di potenzialità. La molla tiene l’otturatore
stabilmente a contatto con la sede per minimizzare il trafilamento attraverso la valvola; per garantire una
chiusura totale è però richiesta l’installazione di una valvola solenoide a monte della valvola d’espansione
termostatica.
La regolazione della portata agli evaporatori essere effettuata mediante l’inserimento di una valvola
principale comandata da valvole pilota che determinano la sua funzione.
Valvole termostatiche
Controllo di temperatura
Controllo di pressione
Evaporatore con controllo di temperatura e
pressione per grado di surriscaldamento
Stelo manuale
Cover
Corpo valvola
Canale nel corpo valvola
Stelo della valvola
Otturatore
Sede
+
Valvola di regolazione pressione e temperatura
S1, S2, P sono attacchi per l’inserimento delle
valvole pilota
p1 è la pressione di condensazione;
p2 è la pressione al di sopra del servo pistone;
p3 è la pressione al di sotto del servo pistone;
p4 è la pressione in ingresso all’evaporatore.
82/98
Valvola pilota
solenoide NC
(2)
(3)
(1)
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
Valvole termostatiche
Fase di apertura della valvola
Per analizzare il funzionamento si consideri la figura
a fianco in cui è presente una sola valvola pilota del
tipo a solenoide (1). La valvola pilota potrebbe
essere anche una tipologia differente di valvola,
come per esempio una valvola termostatica pilota o
una valvola pilota di controllo della pressione.
La valvola solenoide è NC e la sua apertura è
funzione della pressione misurata alla mandata
dell’evaporatore.
Nella fase iniziale la valvola pilota (1) è chiusa (non
è eccitata) e dunque non si ha il passaggio di fluido
dall’ambiente (2) all’ambiente (3).
83/98
Valvola pilota
solenoide NC
(2)
(3)
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
Valvole termostatiche
Fase di apertura della valvola
Nel momento in cui il solenoide della valvola pilota
(1) viene eccitato, il fluido a più alta pressione passa
dall’ambiente (2) all’ambiente (3).
Il fluido esercita quindi una sovrapressione sul
servo-pistone della valvola pari alla caduta di
pressione che il fluido subisce nel passaggio
attraverso il foro di equalizzazione (4). Tale foro si
rende necessario per bilanciare la pressione che
agisce sul servo-pistone in accordo con il grado di
apertura della valvola.
In assenza del foro di equalizzazione in caso di
chiusura della valvola solenoide il fluido presente
nell’ambiente (3) rimarrebbe intrappolato all’interno
(la pressione in (2) risulta infatti maggiore)
impedendo dunque il corretto funzionamento della
valvola.
Nella valvola è presente un ulteriore passaggio (5)
che consente lo sfogo del fluido alla mandata della
valvola (6).
(4)
(5)
(6)
84/98
85
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
Valvole termostatiche
Fase di apertura della valvola
La sovrapressione sul servo-pistone (pari alla caduta
di pressione del fluido attraverso il foro di
equalizzazione 4) garantisce il movimento verso il
basso dell’otturatore e dunque l’allontanamento dalla
sede.
Tale condizione determina dunque l’apertura del
passaggio principale del fluido fra monte e valle della
valvola.
(3) (4)
(5)
Valvola aperta
Valvola pilota
solenoide NC
85/98
86
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
Valvole termostatiche
Fase di chiusura della valvola
Per intercettare la portata di fluido della valvola
principale, il solenoide della valvola pilota viene
diseccitato. La mancata alimentazione della bobina
della valvola solenoide provoca il suo passaggio alle
condizioni normali (chiusura).
Chiudendo il passaggio della valvola solenoide, il
fluido non passa più dalla mandata (2) all’ambiente
(3) venendo infatti intercettato.
Il fluido presente nell’ambiente (3) grazie alla sua
maggior pressione continua a passare attraverso i
passaggi (4) e (5) alla mandata della valvola.
Conseguentemente si ha la riduzione progressiva
della pressione in (3) pari alla somma della
pressione in mandata e delle perdite di carico
attraverso (4) e (5).
(3) (4)
(5)
Valvola pilota
solenoide NC
(2)
86/98
Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero
Valvole termostatiche
Fase di chiusura della valvola
Riducendo la pressione nell’ambiente (3) il servo-pistone risale verso l’alto trascinando l’otturatore all’interno
della sede e dunque chiudendo il passaggio principale.
Valvola pilota
solenoide NC
(3)
(4)
(5)
Valvola chiusa
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Esempi tipici di applicazione di valvole termostatiche: impianto frigorifero
Valvole termostatiche
2
3
4
5
1. Elemento termostatico
2. Membrana
3. Insieme orificio intercambiabile
4. Corpo valvola
5. Asta di regolazione 1
Il filtro di ingresso
garantisce il buono stato
della sede e quindi del
controllo nel tempo
88/98
Valvole termostatiche
TR: Ton of RefrigerationIt is defined as the heat of fusion absorbed by melting
1 short ton (i.e. 2000 pounds) of pure ice at 0°C in 24
hours. 1 TR = circa 3,5 kW.
I codici riportati sulle prime due colonne
sono specifici per ogni singolo produttore,
come identificativo del prodotto. La valvola
è poi caratterizzata da una potenza
frigorifera che è funzione del fluido
frigorifero utilizzato, secondo le sue
caratteristiche specifiche.
A partire dall’1/1/15 non è più possibile in
Europa utilizzare il refrigerante R-22 per
ricaricare o riparare qualsiasi tipo impianto
frigorifero.
Le valvole termostatiche sono testate
secondo la normativa ANSI/ASHRAE 17.
I valori derivano da test effettuati nelle
seguenti condizioni per ciascun fluido:
• Temperatura del liquido in ingresso alla
valvola pari a 37,8 C;
• Temperatura di condensazione pari a
43,3 C;
• Temperatura di evaporazione pari a
4,44 C.
Esempi tipici di applicazione di valvole
termostatiche: impianto frigorifero
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Valvole termostatiche
Valvola di espansione termostatica con orificio tarato
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Dimensionamento della valvola termostatica
Al momento della selezione della valvola, la cosa più importante è che questa
sia in grado di fornire, in ogni momento, la quantità necessaria di fluido di
raffreddamento, a prescindere dal carico.
Per poter scegliere la valvola più idonea è essenziale conoscere l'esatta quantità
di potenza di raffreddamento richiesta. Inoltre, per evitare regolazioni instabili
(oscillazioni), le valvole non dovranno essere troppo grandi. Il tipo di carica
dovrà essere scelto in base alla temperatura da mantenere e sulla valutazione
delle caratteristiche di ciascun modello.
L'obiettivo principale è quello di selezionare la valvola più piccola in grado di
assicurare il flusso necessario. È inoltre opportuno che la temperatura richiesta
per il sensore sia al centro del campo di temperatura prescelto. Si consiglia,
inoltre, di collocare un termometro vicino al sensore per una regolazione
precisa della valvola.
Valvole termostatiche
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Esempio di dimensionamento
Valvola di raffreddamento ad acqua per regolare la temperatura di una pompa
per il vuoto.
Dati di progetto:
- Refrigerazione a piano carico: 10 kW;
- Set point temperatura pompa: 45°C;
- Scarico acqua (p3): 0 bar g;
- Temperatura acqua raffr (T1): 20°C;
- Temperatura scarico (T2): 30°C.
Obiettivo:
- Calcolo portata;
- Dimensionamento circuito;
- Dimensionamento valvola di regolazione;
- Dimensionamento della pompa.
Valvole termostatiche
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Esempio di dimensionamento
ΔT = T2 – T1 = 30°C – 20°C = 10°C
P = 10 kW
Dalla curva: portata Q=0,85 m3/h
Ho determinato la portata: occorre
calcolare il Kv
Il diagramma riporta in forma grafica
l’equazione per il calcolo della potenza:
P= Q*ρ*cl*ΔT
Dove ρ è la densità del fluido e cl il suo
calore specifico.
Q=P/(ρ*cl*ΔT)=10*3600/(1000*4,186*10)
=0,85m3/h
Valvole termostatiche
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Esempio di dimensionamento
Per calcolare il KV devo fare una valutazione della perdita di carico ammissibile
sulla valvola. Solitamente, con la valvola completamente aperta, la perdita di
carico deve essere circa il 50% della caduta di pressione totale in tutto
l’impianto: in questa maniera è possibile, da un lato, consentire una regolazione
efficace e, dall’altro, limitare le perdite di carico (costi di pompaggio).
Valvole termostatiche
p1-p3 [bar]
Q [m3/h]
Caratteristica pompa
Resistenza impianto + valvola
0,85 m3/h
3 bar
Resistenza impianto
Resistenza valvola
Il circuito (diametro tubazione,
curve, riduzioni, scambiatore di
calore, …) è dimensionato sulla
base del valore di portata
calcolato in precedenza: si
ottiene, ad esempio, una
perdita di carico pari a 1,5 bar.
Pertanto, la valvola di
regolazione deve produrre, in
posizione aperta, una perdita di
carico pari a 1,5 bar (eguale a
quella del circuito). → p1 = 3
bar g 94/98
Esempio di dimensionamento Perdita di carico sulla
valvola aperta:
Δp= p1 - p2 = 1,5 bar
Posso calcolare il Kv!
Dalla curva: 0,6<Kv<0,8
Dalla formula:
Kv=Q/Δp0,5
Kv=0,85/(1,5)0,5=0,694
Valvole termostatiche
Relazione tra la portata di acqua e la perdita di carico nella valvola
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Esempio di dimensionamento
Prendiamo in considerazione il catalogo delle valvole termostatiche. La valvola
deve essere selezionata in modo che il valore Kv desiderato si trovi il più
possibile vicino al Kv della valvola, ed all’interno della banda nera, che
rappresenta il campo di valori consigliati dal costruttore per ogni singola
valvola.
La valvola AVTA 10 è la valvola prescelta.
Valvole termostatiche
KV della valvola AVTA 10=1,4
KV calcolato =0,7
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Esempio di dimensionamento
Valvole termostatiche
AVTA 10: perdita di carico a valvola aperta in
condizioni di portata nominale Q pari a:
Q=0,85 m3/h => Δp=0,35 bar (<< 1,5 bar ipotizzati)
Perdita impianto: 1,5 bar
Perdita valvola: 0,35 bar
Perdita valvola = 19% Perdita totale (vs. 50%) La valvola individuata può essere impiegata con un
otturatore di tipo equipercentuale: la regolazione è compresa
tra 0 e 0,85 m3/h fino all’80% circa della corsa dell’otturatore,
poi aprendo ulteriormente l’otturatore si ottiene un surplus di
portata rispetto al valore di portata nominale calcolato in
precedenza. In alternativa, si può pensare di impiegare un
otturatore parabolico lineare che regola la portata tra lo 0% ed
il 50% della corsa dell’otturatore, ovvero tra lo 0% ed il 50%
della portata massima (cioè, ancora una volta, tra 0 e 0,85
m3/h).
Attenzione! Da valutare gli effetti dell’incremento di portata
sulle perdite di carico nel circuito. In altre parole: il problema si
sposta sul dimensionamento della pompa.
Portata con valvola completamente aperta
Perd
ita d
i carico n
ella
valv
ola
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Modulo 1.3: Richiami di componentistica
Valvole ed attuatori
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
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