Post on 01-Mar-2020
Modulo 0.1: Richiami di componentistica
Valvole ed attuatori
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini, PhD
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Corso di Impianti Meccanici
Laurea Triennale e Magistrale
Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti2/105
Perdite di carico
Equazione di Darcy-Weisbach per il calcolo delle perdite distribuite lungo un condotto:
Δp = perdita di carico lungo il condotto [Pa]
ρ = densità del fluido all’interno del condotto [kg/m3]
λ = fattore d’attrito
l = lunghezza del condotto [m]
d = diametro equivalente del condotto [m]
v = velocità del fluido all’interno del condotto [m/s]
𝚫𝐩
𝝆= 𝛌
𝐥
𝐝
𝐯𝟐
𝟐
Il fattore d’attrito λ è ricavabile dal diagramma riportato nella slide seguente, realizzato grazie alle
esperienze di Nikuradse e di altri:
λ viene fornito in funzione del numero di Reynolds :
Re =𝜌 v d
μ, μ = viscosità dinamica del fluido [Pa s]
Sul diagramma si distinguono tre diversi regimi di moto:
1) Regime di moto laminare dove vale la relazione λ =64
Re
2) Regime di transizione
3) Regime di moto turbolento dove il fattore λ risulta costante e viene fornito in funzione della scabrezza
relativa del tubo ε/D
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Perdite di carico
Arpa di Nikuradse
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Perdite di carico
Diagramma per il calcolo della scabrezza
relativa media dei seguenti materiali:
da1 a 3: acciaio variamente lavorato;
da 2 a 4: calcestruzzo variamente lavorato;
da 3 a 6: legno più o meno grezzo;
5: ghisa;
7: ferro galvanizzato;
8: ghisa bitumata;
9: tubo in ferro saldato;
10: tubo in ferro trafilato.
Tratto da:
A. Cocchi, ‘‘ Termofisica per ingegneri’’,
Ed. Libreria Editoriale Petroni 1974, pag. 375-376
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Perdite di carico
Calcolo delle perdite di carico concentrate lungo un condotto
Δp = perdita di carico concentrata [Pa]
ρ = densità del fluido [kg/m3]
v = velocità del fluido [m/s]
ξ = coefficiente di perdita
𝚫𝐩
𝝆= ξ
𝐯𝟐
𝟐
Valori indicativi per il coefficiente ξ:
In questo caso, per analogia a quello delle
perdite distribuite, si utilizza un coefficiente di
perdita di carico ξ che lega la caduta di
pressione al quadrato della velocità del fluido.
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Δp = perdita di carico concentrata [Pa]
ρ = densità del fluido [kg/m3]
v = velocità del fluido [m/s]
ξ = coefficiente di perdita
λ = fattore d’attrito
leq = lunghezza equivalente dell’accidentalità [m]
d = diametro equivalente [m]
Perdite di carico
Lunghezza equivalente
In alternativa al coefficiente di perdita ξ, si può associare ad ogni accidentalità una
lunghezza di condotto equivalente.
𝚫𝐩
𝝆= ξ
𝐯𝟐
𝟐
𝚫𝐩
𝝆= 𝛌
𝐥𝐞𝐪𝐝
𝐯𝟐
𝟐oppure
ξ = 𝛌𝐥𝐞𝐪𝐝
Dove ξ è proporzionale a λ ed alla lunghezza del condotto, espressa in numero di diametri.
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Perdite di carico
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Per le misure di portata possono essere scelti numerosi dispositivi fra cui i diaframmi calibrati che
permettono la misura della portata in funzione della perdita di carico nell’attraversamento.
La differenza di pressione fra monte e valle del diaframma da considerare è quella totale.
La pressione totale del fluido (pTOT) è definita come la somma fra la pressione statica (pstatica) e la
pressione dinamica (pdinamica = ρ v2/2) :
𝑝𝑇𝑂𝑇 = 𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 + 𝑝𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎
Perdite di carico
Caso 1: vettore velocità con solo
componente orizzontale parallela all’asse
(se fluido incomprimibile v1=v2=v)
Caso 2: vettore velocità con componente
ortogonale rispetto all’asse
𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
v1v2
𝒗𝝉
vassiale
v1
v2
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Perdite di carico
∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
Caso 1: vettore velocità con solo
componente orizzontale parallela all’asse
(v1=v2=v)
Caso 2: vettore velocità con componente
ortogonale rispetto all’asse
𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
v1v2
𝒗𝝉
vassiale
v1
v2
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Perdite di carico
∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
Nel caso 2, dunque, 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝝉𝟐
𝟐corrisponde alla pressione statica misurata.
Conseguentemente, nel secondo caso si commetterebbe un errore sistematico di misura, in quanto la
pressione statica misurata includerebbe anche parte della dinamica. Il che risulta del tutto evidente nel caso
di fluido incomprimibile, ovvero quando v1 = v2. In tale caso, infatti, ∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = ∆𝒑𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒐, dove però il termine a
monte dell’ostacolo, nel secondo caso, è falsato dalla componente vτ.
Caso 1: vettore velocità con solo
componente orizzontale parallela all’asse
(v1=v2=v)
Caso 2: vettore velocità con componente
ortogonale rispetto all’asse
v1v2
𝒗𝝉
vassiale
v1
v2
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Conclusioni
1. Per realizzare correttamente una misura di pressione statica in presenza di un diaframma,
evitando dunque un errore sistematico di misura, occorre garantire la presenza di un tratto
rettilineo di sufficiente lunghezza a monte e a valle del diaframma, affinché la componente
radiale nel punto di misura della pressione statica sia nulla.
Solitamente questa distanza viene definita in termini di diametri D a monte e valle
dell’orifizio tarato.
Perdite di carico
A: Direzione del moto del fluido
D: Diametro interno della condotta
d: Diametro dell’orifizio
l1 : distanza di installazione della sonda per la misura di
pressione statica a monte dell’orifizio
l2 : distanza di installazione della sonda per la misura di
pressione statica a valle dell’orifizio
β = d/D ∈ [0,10; 0,75]
Norma: ISO 5167:2-2004.
“Measurement of fluid flow by means of pressure differential
devices inserted in circular cross-section conduits running full”
12/105
Conclusioni
In generale, dunque, ogni accidentalità (diaframmi, valvole, raccordi,
etc.) comporta una deviazione del flusso dalla direzione assiale.
Conseguentemente è necessario prestare particolare attenzione al
posizionamento delle sonde (in particolare nel caso di misura della
pressione statica o di differenze di pressione statica) per evitare un
errore sistematico di misura con possibili conseguenze nel controllo e
nella regolazione dell’impianto.
Perdite di carico
13/105
Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Dati: diametro del tubo: D = 1 m
densità dell’acqua: ρ = 1000 kg/m3
velocità dell’acqua: v = 2 m/s
Ipotesi: Si sceglie un diaframma tale da generare una perdita di carico
localizzata Δp = 981 Pa (= 100 mmH20)
Energia persa (equazione di Bernoulli per un fluido incomprimibile)
c dc + g dz + v dp + R + L = 0 [J/kg]
Le perdite di carico (R) e la portata (G) sono:
R = න
1
2
v dp = v ∆p =∆p
𝜌=
981
1000≃ 1 J/kg
G = 𝜌 v A = 𝜌 vπ D2
4= 1000 ∙ 2 ∙
π 1 2
4= 1571 kg/s
Perdite di carico
La potenza elettrica Pe spesa per alimentare la pompa sconta dei seguenti rendimenti: rendimento
meccanico (ηm = 0,90), rendimento idraulico (ηi = 0,90), rendimento volumetrico (ηv = 0,96), rendimento
elettrico del motore (ηe = 0,95), rendimento di trasmissione della cabina elettrica alla pompa (ηt = 0,98)
Pe =G × R
ηm × ηi × ηv × ηe × ηt=
1571 × 1
0,90 × 0,90 × 0,96 × 0,95 × 0,98=1571
0,72= 2,18 kW
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
La differenza di pressione deve essere acquisita da un trasmettitore di pressione
differenziale (riportato a fianco).
Dati:
Tensione di alimentazione trasmettitore: 24 V
Corrente di alimentazione: 4 mA
Potenza elettrica: 96 mW (= 24 x 4 x 10-3)
Range: [-10; 10] mbar
Il consumo totale per effettuare la misura di portata è data dalla somma della potenza
elettrica spesa per alimentare il trasmettitore (96 mW) e la potenza elettrica spesa sul
diaframma (2,18 kW).
Considerando un costo medio di acquisto dell’energia elettrica pari a 0,18 €/kWh,
l’acquisto di energia elettrica comporta un costo operativo (assumendo 7500 h/anno):
𝐶𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = 2,18 + 0,096 × 10−3 𝑘𝑊 × 7500ℎ × 0,18€
𝑘𝑊ℎ= 𝟐𝟗𝟒𝟑
€
𝒂𝒏𝒏𝒐
In questo caso, dunque, occorre valutare l’installazione di un diaframma caratterizzato da
una perdita di carico localizzata inferiore rispetto a quella proposta (981 Pa) analizzando
la riduzione dei costi operativi annuali e l’aumento dell’investimento iniziale.
Perdite di carico
15/105
Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti16/105
Il diametro di una tubazione: diametro nominale e pollici
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 e spessore di una tubazione
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La designazione «pollice gas»
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, consentendo di:
• Ridurre il diametro esterno a parità di diametro interno, o
• Aumentare il 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, essendo il
collegamento tubo-raccordo del tipo maschio-femmina in cui il
tubo si innesta all’interno del raccordo.
Per questo motivo, per indicare le dimensione della tubatura si
è introdotto il termine pollice gas.
Tubo Raccordo
Diametro e spessore di una tubazione
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Lo spessore della tubazione: il numero di schedula
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 in accordo alle
normative tecniche di riferimento.
Il numero di schedula, schedule number (sch) nella dizione anglosassone fornisce
un'informazione sulla pressione interna che la tubazione può sostenere, 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)
Diametro e spessore di una tubazione
19/105
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 tale da garantire per ciascun numero di schedula (SCH) il soddisfacimento della relazione:
𝑆𝐶𝐻 = 1000𝑝𝑖𝜏
• pi è la pressione interna in [psi]
• 𝜏 è la tensione massima ammissibile dal materiale alla temperatura operativa in [psi]
Il numero di Schedula (SCH) è dunque un numero adimensionale.
Diametro e spessore di una tubazione
20/105
Il numero di schedula
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
• s è lo spessore del tubo, (in)
• pi è la pressione interna, in (psi)
• 𝜏 è la tensione massima ammissibile dal materiale a temperatura operativa, (psi)
• 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, assunto pari a 12,5%
Questo intento si scontrò tuttavia con i valori di spessore e diametro dei tubi presenti sul mercato che
derivavano 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 del settore che non si ritenne sostenibile.
Diametro e spessore di una tubazione
21/105
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 lo spessore di una condotta da 3’’ per il trasporto di un fluido 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 (senza cordone di saldatura).
Per il calcolo dello spessore minimo si adotta la formula di Barlow modificata:
𝑠 =𝑝𝑖𝐷𝑖
2τ+ 𝑐 × 1 + 𝑎
• s è lo spessore in (in)
• pi è la pressione interna: 13 bar ≈ 188,5 psi
• 𝜏 è la tensione massima ammissibile dal materiale alla temperatura operativa: 1034 bar ≈15000 psi
• Di il diametro interno della tubazione: 3’’
• c è il sovraspessore di corrosione: 0,062 in
• a è il coefficiente di sicurezza per tener conto delle tolleranze di produzione: 12,5%.
Con i dati a disposizione si calcola:
𝑠 =188,5 × 3
2 × 15000+ 0.062 × 1 + 12.5% = 0.091 𝑖𝑛
Diametro e spessore di una tubazione
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Il numero di schedula: la scelta
Esempio
𝑠 =188,5 × 3
2 × 15000+ 0.062 × 1 + 12.5% = 0.091 𝑖𝑛 = 2,31 𝑚𝑚
Si sceglierà un tubo schedula 40 essendo la tipologia che presenta uno spessore immediatamente
superiore a quanto calcolato.
• Spessore calcolato (formula di Barlow modificata), s: 2,31 mm
• Spessore tubo 3’’, schedula 40 (da tabella sotto): 5,49 mm
Diametro e spessore di una tubazione
25/105
Tabella comparativa diametri esterni delle tubazioni
Diametro e spessore di una tubazione
26/105
Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni
• Il valore dopo la sigla PE (polietilene) diviso per 10 rappresenta la massima pressione garantita alla quale la condotta resiste in esercizio per 50 anni alla
temperature di 20 °C, (espressa in bar).
• PFA è la Pressione di Funzionamento Ammissibile che la condotta può sostenere in esercizio in modo continuo (espressa in bar) .
Diametro e spessore di una tubazione
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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 presenza di 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.
Diametro e spessore di una tubazione
28/105
Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti29/105
Generalità delle valvole
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.
30/105
Organi di intercettazione e regolazione (valvole)
Le valvole possono essere classificate a seconda del tipo di attuatore:
• 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 delle valvole
31/105
Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti32/105
Valvole di intercettazione: valvole a saracinesca
P&I
Valvole di intercettazione
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=iu55OzM8rUU33/105
Valvole di intercettazione: valvole a sfera
P&I
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=mWXjvVMvz6Q
Valvole di intercettazione
34/105
Valvole di intercettazione: valvole a globo
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
Valvole di intercettazione
35/105
Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti36/105
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
37/105
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
38/105
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
39/105
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
40/105
Valvole di regolazione
Architettura
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Valvole di regolazione
Corpo 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 penumatico ma
potrebbe anche essere elettrico oppure di tipo manuale
(volantino)
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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.
Per evitare il fenomeno del trascinamento ed urto in chiusura le valvole a seggio
singolo vengono installate con flusso tendente ad aprire l’otturatore.
A volte le spinte esercitate dalla differenza di pressione sull’otturatore sono di tale
entità che il servomotore standard non può superarle. In alcuni casi, dunque, vengono
previste delle molle di forza sufficiente a contrastare la spinta che la pressione
d’ingresso esercita sull’otturatore. Si possono inoltre adottare valvole con trim
bilanciato. 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.
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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,
l’utilizzo di valvole a trim bilanciato consente di
ridurre la spinta richiesta e dunque la taglia degli
attuatori.
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
Immagine tratta da Spirax Sarco 45/105
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.
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Dal punto di vista realizzativo, solitamente si cerca di costruire gli orifici interni di
diametro uguale al diametro nominale della valvola (attacco flange) per poter
elaborare la portata maggiore possibile.
Si possono, tuttavia, trovare valvole con un corpo ed attacchi di diametro superiore a
quello richiesto per la sede dell’otturatore: si tratta di valvole a passaggio ridotto.
L’impiego di valvole a passaggio ridotto 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 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.
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Valvole di regolazione
Il 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
• 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.
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Valvole di regolazione
L’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 infatti 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 – ad 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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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.
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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 – scelta dei materiali
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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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti57/105
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
Testata diretta Testata rovescia
Immagine tratta da Valve Handbook (Emerson)
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Attuatori
Testata diretta Testata rovescia
• 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.
Elementi costruttivi dei servomotori pneumatici
Immagine tratta da Valve Handbook (Emerson)
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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.
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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!
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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).
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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).
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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).
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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)66/105
Attuatori
Servomotore elettroidraulico
(Testata diretta, Valvola normalmente chiusa => Valvola solenoide (5) normalmente aperta)67/105
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
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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
69/105
Valvola 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
Attuatori
70/105
Esploso di elettrovalvola Elettrovalvola con servo comando
a pistone
VE3
Attuatori
71/105
Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti72/105
Dimensionamento della valvola di regolazione
1) Scelta dell’otturatore
73/105
2) Scelta del corpo valvola
La scelta viene effettuata usando il coefficiente di portata Kv, che nel caso dei liquidi
si può scrivere:
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.
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝐊𝐯 =𝐐 ρ
∆𝐩= 𝟎, 𝟖𝟓𝟓 × 𝐂𝐕
Q: portata in m3/h;
ρ: densità in kg/dm3;
Δp: differenza di pressione tra monte e valle in bar.
74/105
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
75/105
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
76/105
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∙𝐅𝐒
𝟏𝟏, 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
77/105
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′′
78/105
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 79/105
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…
80/105
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
𝟎, 𝟖𝟓𝟓× 𝑸
𝝆
∆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
81/105
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).
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Riassumendo
Per la scelta della corretta valvola si adotta il seguente procedimento:
Dimensionamento della valvola di regolazione
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti84/105
Valvole termostatiche
Le valvole termostatiche sono utilizzate per la regolazione
proporzionale della portata in base alle impostazioni e alla
temperatura rilevata del sensore.
La gamma di valvole termostatiche comprende versioni per la
regolazione sia nei sistemi di raffreddamento che in quelli di
riscaldamento. 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
dunque 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.
Le valvole termostatiche funzionano senza bisogno di
alimentazione ausiliare come elettricità o aria compressa.
La valvola termostatica: un esempio di valvola di regolazione
Immagine tratta da Danfoss
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Componenti principali
Valvole termostatiche
https://www.youtube.com/watch?v=4KlAeQ5euJs
Immagine tratta da Danfoss86/105
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
Immagine tratta da Danfoss
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Elenco materiali
Per fluidi aggressivi
(SS: stainless steel)
Valvole termostatiche
Immagine tratta da Danfoss
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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 89/105
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.
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Dimensionamento e scelta
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
Differenza di temperatura:
∆T = T2 − T1 = 30 − 20 = 10 °C
Potenza termica:
Qth = 10 kW
Portata richiesta:
G =Qth
cl∆T=
10
4,186×10= 0,24
kg
s→ 𝑄 = 0,86
𝑚3
ℎ
Ho determinato la portata: occorre calcolare
il Kv
Nel diagramma è riportata in forma grafica
l’equazione per il calcolo della potenza.
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 g95/105
Esempio di dimensionamento
Perdita di carico sulla
valvola aperta:
∆𝑝 = 𝑝1 − 𝑝2 = 1,5 𝑏𝑎𝑟
Posso calcolare il Kv!
Dal diagramma:
0,6<Kv<0,8
Dalla formula:
Kv =Q√ρ
∆p0,5
Kv =0,86√1
1,50,5= 0,702
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 calcolato si trovi
all’interno del campo di valori suggerito dal costruttore della valvola (banda nera).
Nell’esempio, la valvola AVTA 10 è la valvola prescelta.
ATTENZIONE: il Kvs della valvola (Kv standard, ossia a valvola completamenteaperta) è però 1,4 (> 0,7) → la portata richiesta si otterrà dunque regolando l’apertura
della valvola termostatica.
Valvole termostatiche
Kvs 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=0,86 m3/h => Δp=0,35 bar (<< 1,5 bar ipotizzati)
Perdita impianto: 1,5 bar
Perdita valvola: 0,35 bar
Perdita totale: 1,85 bar
Perdita valvola = 19% Perdita totale (vs. 50%)
A valvola completamente aperta e ∆p pari a 1,5 bar, la
AVTA 10 darebbe una portata di 1,7 m3/h (circa il
doppio di quanto richiesto).
Per rispettare le condizioni di progetto (0,86 m3/h), la
valvola termostatica andrà regolare a circa il 50% del
proprio campo. In tali condizioni, essendo la
caratteristica della pompa definita (0,86 m3/h, p=3bar)
così come la resistenza dell’impianto (0,86 m3/h,
∆pimpianto=1,5bar), la valvola AVTA aperta al 50% è
responsabile di una perdita di carico pari a 1,5 bar (=
ptot - ∆pimpianto).Portata con valvola completamente aperta
Perd
ita d
i carico n
ella
valv
ola
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Esempio di dimensionamento: valvola AVTA completamente aperta
Valvole termostatiche
p1-p3 [bar]
Q [m3/h]
Caratteristica pompa
Resistenza impianto + valvola
0,85 m3/h
Resistenza impianto
Resistenza valvola
completamente aperta
1,5 bar
0,35 bar
1,85 bar
Q > Qdes
1,7 m3/h
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Esempio di dimensionamento: valvola AVTA regolata a circa il 50%
Valvole termostatiche
p1-p3 [bar]
Q [m3/h]
Caratteristica pompa
Resistenza impianto + valvola
0,85 m3/h
3 bar
Resistenza impianto
Resistenza valvola regolata a circa il 50%
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti101/105
Valvole per altre applicazioni: valvole di non ritorno
P&I
Altre valvole
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
Altre valvole
Funzione: in caso di sovrappressioni nel circuito scarica il fluido in atmosfera
https://www.youtube.com/watch?v=b2KQVkdAGzQ
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti104/105
Alcuni riferimenti di letteratura
Per approfondimenti si consigliano i seguenti testi:
1. Fabbri, S. Elementi di impiantistica meccanica: aria ed acqua. Capitolo 3: Impianti ad aria
compressa. Valvole pneumatiche – elementi di base, pag. 63 – 70.
2. Fabbri, S. Elementi di impiantistica meccanica: aria ed acqua. Capitolo 5: Approvvigionamento e
distribuzione dell’acqua. Perdite distribuite nelle condotte, pag. 130 – 134.
3. Fabbri, S. Elementi di impiantistica meccanica: aria ed acqua. Capitolo 5: Approvvigionamento e
distribuzione dell’acqua. Perdite di carico concentrate, pag. 134 – 137.
4. Saccani, C. Slide del corso di Impianti Meccanici. L’equazione di Darcy-Weisbach, slide 1 – 31.
5. Saccani, C. Slide del corso di Impianti Meccanici M. Esercitazione: Dimensionamento di una valvola
termostatica.
6. Emerson. Control valve handbook. Fifth edition.
https://www.emerson.com/documents/automation/manuals-guides-control-valve-handbook-fisher-en-
3661206.pdf
6. Nuovo Colombo. Manuale dell’Ingegnere. 85° edizione Hoepli. Tubi e organi di tenuta. Paf. F97 – F
114.
7. Nuovo Colombo. Manuale dell’Ingegnere. 85° edizione Hoepli. Organi di intercettazione e di
regolazione. Paf. F115 – F 120.
8. Rossi, N. Manuale del termotecnico. Valvole, pag. 744 – 753.
9. Rossi, N. Manuale del termotecnico. Valvolame per impianti termici, pag. 802 – 813.
Riferimenti
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Modulo 0.1: Richiami di componentistica
Valvole ed attuatori
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini, PhD
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Corso di Impianti Meccanici
Laurea Triennale e Magistrale