Sezione 3 Attuatori e valvole di regolazione Prof. Ing ... e... · 3 Organi di intercettazione e...

Sezione 3

Attuatori e valvole di regolazione

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale del Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Automazione Industriale:

Modulo 2: Strumentazione e Automazione Industriale

2

Organi di intercettazione e regolazione

Valvole di regolazione

Agenda

Attuatori

Dimensionamento della valvola di regolazione

Valvole termostatiche

3


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.

4

Organi di intercettazione e regolazioneComponenti principali valvola manuale 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 la

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)

5

Classificazione valvole

A seconda del tipo di attuatore le valvole si possono distinguere in:

- Valvola manuale;

- Valvola automatica: attuatore di tipo elettrico, pneumatico,

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

…

6

Valvole di intercettazione

Valvole di intercettazione

P&I P&I

7

Valvole per altre applicazioni

Altre valvole

Valvola non ritorno Valvola sicurezza

P&I P&I

8



Agenda

Attuatori



9

Coefficiente di perdita concentrata: relazione con l’alzata dell’otturatore


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

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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.


11

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.


12

Valvola a flusso avviato vs. Valvola a flusso libero


Valvola a flusso avviato

ξ = 3-4

Valvola a flusso libero

ξ = 1-2

Sezione passaggio: S=π*d*H

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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.

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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.

∆𝒑 = ξ𝝆𝑽𝟐

𝟐

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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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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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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.

18


Caratteristiche tecniche – il materiale

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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.

20


Il corpo valvola

I tipi fondamentali dei corpi valvola sono due: i) a seggio singolo e ii) a doppio

seggio.

21


Il 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.

22


Valvola a doppio seggio

23


Il corpo valvola

Seggio singolo: Quando è richiesta una ottima tenuta 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 che normalmente viene calcolato

moltiplicando l’area del seggio per le differenza massima di pressione tra

l’ingresso e l’uscita della valvola. Sovente le spinte esercitate dalla differenza di

pressione sull’otturatore sono in tale entità che il servomotore standard non

può superarle.

Per le valvole che devono chiudersi in mancanza di aria (azione inversa)

vengono previste molle di forza sufficiente 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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Premistoppa

Il premistoppa deve 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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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 permetter

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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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.

27



Agenda

Attuatori



28

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.

Il servomotore è costituito da:

• Diaframma. In Perbunan 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

29

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

30

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.

31

Attuatori


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 aperto (Fig. 1A) o chiuso (Fig. 1B e

2A).

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!

32

Attuatori


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 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)

33

Attuatori


Caso 2. Servomotore a testata rovescia: otturatore

che chiude abbassandosi


provoca il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché

l’otturatore chiude abbassandosi, in queste condizioni

la valvola è aperta.


molla di contrasto trascina verso il basso l’otturatore,

intercettando il passaggio del fluido di processo

attraverso la sede della valvola.


valvola è chiusa, questa è una valvola normalmente

chiusa (NC)

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Attuatori


Caso 3. Servomotore a testata diretta: otturatore che

apre abbassandosi


provoca il movimento dello stelo verso il basso.

Poiché l’otturatore apre abbassandosi, in queste

condizioni la valvola è aperta.


molla di contrasto trascina verso l’alto l’otturatore,

intercettando il passaggio del fluido di processo



valvola è chiusa, questa è una valvola normalmente

chiusa (NC)

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Attuatori


Caso 4. Servomotore a testata rovescia: otturatore

che apre abbassandosi


provoca il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché

l’otturatore apre abbassandosi, in queste condizioni la

valvola è chiusa.


molla di contrasto trascina verso il basso l’otturatore,

lasciando libero il passaggio del fluido di processo



valvola è aperta, questa è una valvola normalmente

aperta (NA o NO)

Valvola a sede doppia

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Attuatori


http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/control-hardware-el-pn-actuation/control-valve-actuators-and-positioners.asp

http://www2.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/control-hardware-el-pn-actuation/control-valve-actuators-and-positioners.asp

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Attuatori


(Testata diretta)

P&I

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Attuatori

Servomotore elettroidraulico

(Testata diretta, Valvola normalmente chiusa => Valvola solenoide (5) normalmente aperta)

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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

chiudo la via diretta e

apro la via squadra)

Testata inversa

(Se manca l’aria apro

la via diretta e chiudo

la via squadra)

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Agenda

Attuatori



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1) Scelta dell’otturatore

Si sceglie l’otturatore avente caratteristica che meglio si adatta al tipo di regolazione richiesto.

In figura sono riportate le tipologie di otturatori con le rispettive caratteristiche (curve corsa-portata)

1a Otturatore parabolico lineare (PL)

1b e 1c Otturatore di tipo equipercentuale profilato (EQP);

1d e 1e Otturatore di tipo equipercentuale a V (EPV);

1f, 1m e 1n Otturatori parabolici lineari (LV)

1g e 1h Otturatori a piattello (PT);

1i Otturatore di tipo microflusso profilato (MFP);

1l Otturatore di tipo microflusso a sgusci (MFS).

1a

1b

1c

1d

1e

1f1h

1g1m

1n

1l1i

42


1) Scelta dell’otturatore

43

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


44

Determinazione del coefficiente KV (per fluidi incomprimibili)

Q: portata in m3/h;

Δp: differenza di pressione in bar.

Con KVS si indica il valore di KV fra quelli disponibili a catalogo.


𝑲𝑽 =𝑸

∆𝒑

H, a

lte

zza

co

lon

na d

’acqu

a, [m

] 𝑯 =𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝝆𝒈=

𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝟗, 𝟖𝟎𝟔𝟕 × 𝟏𝟎𝟎𝟎= 𝟏𝟎, 𝟐 𝒎

45

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.


𝑲𝑽 =𝒎

∆𝒑 ∙ 𝑷𝟏∙

𝟏

𝟏𝟖, 𝟎𝟓

Vapor d’acqua saturo, P2<58%P1

m: portata in kg/h;



𝑲𝑽 =𝒎

𝟏𝟏, 𝟕 ∙ 𝑷𝟏

Vapor d’acqua surriscaldato, P2>55%P1

m: portata in kg/h;

FS: fattore di correzione;




𝑲𝑽 =𝒎

∆𝒑 ∙ 𝑷𝟏∙

𝑭𝑺𝟏𝟕, 𝟒𝟒

46

Determinazione del coefficiente KV (fluidi comprimibili)


Vapor d’acqua surriscaldato, P2<55%P1

m: portata in kg/h;

FS: fattore di correzione;



𝑲𝑽 =𝒎

𝑷𝟏∙𝑭𝑺𝟏𝟏, 𝟕

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;



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;



𝑲𝑽 =𝑸𝒏

𝑷𝟏∙𝑻 ∙ 𝒌

𝟐𝟑𝟗, 𝟖

47


Calcolo del CV della valvola

• Liquidi. La seguente formula vale per i liquidi che non presentano fenomeni di

rievaporazione.

𝑪𝑽 = 𝟏, 𝟏𝟕𝑸𝒅

∆𝒑

Dove:

• 𝑸 è la portata in m3/h alla temperatura di esercizio

• 𝒅 è il peso specifico del liquido in kg/dm3 alla temperatura di esercizio (acqua 1 a 15 °C)

• ∆𝒑 pressione differenziale in bar

Nel caso di utilizzo di liquidi viscosi occorre moltiplicare il CV ottenuto dalla correlazione

sopra per un fattore correttivo che dipende dalla viscosità del fluido in gradi Engler; il

fattore è riportato nella tabella sottostante:

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

48



• Vapori. Nel caso di vapori occorre distinguere due casi:

• Caso 1. Pressione assoluta a valle superiore al 50% della pressione assoluta di ingresso nella valvola

𝑪𝑽 =𝑸

𝟏𝟔 ∆𝒑 𝑷𝟏

• Caso 2. Pressione assoluta a valle inferiore al 50% della pressione assoluta di ingresso nella valvola

(efflusso critico)

𝑪𝑽 =𝑸

𝟏𝟎𝑷𝟏Dove:

• 𝑸 è la portata in kg/h

• 𝑷𝟏 è la pressione assoluta del vapore all’ingresso della valvola in bar

• ∆𝒑 è la pressione differenziale in bar

Le formule di calcolo indicate si riferiscono a vapore saturo. Nel caso di utilizzo di vapore surriscaldato i CV

calcolati devono essere moltiplicati per un coefficiente che tiene conto della temperatura di surriscaldamento.

Temperatura di

surriscaldamento, [°C]

Coefficiente

25 1,03

50 1,06

100 1,12

150 1,18

Temperatura di

surriscaldamento, [°C]

Coefficiente

200 1,24

250 1,30

300 1,36

350 1,42

49



• Gas. Nel caso di gas occorre distinguere due casi:

• Caso 1. Pressione assoluta a valle superiore al 50% della pressione assoluta di ingresso nella valvola

𝑪𝑽 =𝑸

𝟑𝟖𝟎

𝒅 × 𝑻

∆𝒑 × 𝑷𝟐

• Caso 2. Pressione assoluta a valle inferiore al 50% della pressione assoluta di ingresso nella valvola

(efflusso critico)

𝑪𝑽 =𝑸

𝟐𝟎𝟓 𝑷𝟏𝒅 × 𝑻

Dove:

• 𝑸 è la portata in Nm3/h

• 𝑷𝟏 è la pressione assoluta del gas all’ingresso della valvola in bar

• 𝑷𝟐 è la pressione assoluta del gas a valle della valvola in bar

• d è il peso specifico del gas relativo all’aria (aria = 1; metano = 0,5545)

• T è la temperatura assoluta (t + 273) in °C

• ∆𝒑 è la pressione differenziale in bar

50


Una volta note 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 la

tabella riportata, individuare il diametro

nominale del seggio della valvola.

Nota tale informazione 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.

Dimensionamento seggio della valvola

Legenda:

• EQP = equipercentuale profilato;

• PL = parabolico lineare;

• PT = piattello (apertura rapida);

• MFP = microflussoprofilato;

• MFS = microflusso a sgusci;

• LV = otturatore parabolico lineare a V

51

Dimensionamento della valvola di regolazioneDimensionamento servomotori a diaframma

Le tabelle sotto riportate evidenziano le caratteristiche di nove servomotori, sempre di produzione della Jucker.

Nota la pressione differenziale sull’otturatore, e l’area nominale del seggio, è nota la forza che agisce sullo stelo.

Occorrerà effettuare una verifica relativa alla resistenza dello stelo. È nota anche la forza necessaria per chiudere

completamente la valvola. Attraverso questa informazione è possibile dimensionare il servomotore in funzione

delle pressioni di comando, area utile del diaframma, forza della molla di contrasto, etc…

52

Dimensionamento della valvola di regolazioneDimensionamento servomotori a diaframma

I cataloghi riportano per ogni tipo di valvola

tabelle del tipo di quella riportata a lato, che

fornisce utili indicazioni per una corretta

scelta della valvola stessa.

I valori riportati come quelli nella tabella a

lato si possono riferire a valvole di un certo

tipo, e sono comunque definiti dal

costruttore. Nel caso in oggetto i valori si

riferiscono a valvole montate con flusso

tendente ad aprire l’otturatore e con tenuta

metallica tra seggio ed otturatore (massima

perdita pari a 0,01% del CV e della valvola). Il

costruttore della valvola, tuttavia, indica

come correggere tali valori per altre tipologie

di valvole.

53


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), d = 1 kg/dm3

3) Pressione differenziale, Δp = 8 bar

Essendo un liquido:

𝑪𝑽 = 𝟏, 𝟏𝟕𝑸𝒅

∆𝒑= 𝟏, 𝟏𝟕 ∗ 𝟏𝟎𝟎 ∗

𝟏

𝟖= 𝟒𝟏, 𝟒

Dalla tabella a fianco si vede che non si trova

esattamente il valore 41,4. Si sceglie allora il Cv

immediatamente superiore Cv = 48.

Il diametro nominale del seggio risulta essere 2”,

ossia 60 mm.

Esempio: Dimensionamento servomotori a diaframma

54


Noto il diametro nominale del seggio è possibile calcolarne l’area:

𝑨 =𝝅𝑫𝟐

𝟒= 𝟐𝟖, 𝟑 𝒄𝒎𝟐

La spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido, essendo presente una

caduta di pressione di 8 bar vale 226 kg (28,3 x 8).

Dalla tabella 1 si evince che il servomotore più piccolo utilizzabile è quello

300/1, poiché la massima pressione differenziale ammissibile per un

diametro di seggio pari a 2’’ è 9 bar, maggiore del ∆𝒑 di progetto.

Esempio: Dimensionamento servomotori a diaframma

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 630

kg > 226 kg (dovuto al processo).

2. La spinta massima del servomotore

sull’otturatore è: 1,05 bar x 440 𝒄𝒎𝟐 ≅462 kg> 226

Riassumendo

Per la scelta della corretta valvola si adotta il seguente procedimento:

55


56



Agenda

Attuatori



57


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.

58

Componenti principali


59

Principio di funzionamento


60

Elenco materiali

Per fluidi aggressivi


61

Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa


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

VS Valvola di sicurezza

PS (10 bar)

F

VTF

S

F

C

S

F

SC

VT

F

VT

F

SA

PM (8 bar)

Pm (5 bar)

F

SC

SC

VS

62



Raffreddamento camicie

compressore

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.

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

63



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.

64

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).


65


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).


66


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.


67



2

3

4

5

1. Elemento termostatico

2. Membrana

3. Insieme orificio intercambiabile

4. Corpo valvola

5. Asta di regolazione 1

Valvola di espansione termostatica

con orificio tarato

68

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:

• Liquido con titolo x=0;

• Temperatura di condensazione pari a

37,8 C;

• Temperatura di evaporazione pari a

-17,8 C.

69

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.


70

Esempio di dimensionamento

Valvola di raffreddamento ad acqua per regolare la temperatura di una pompa

per il vuoto.

Dati:

- Refrigerazione a piano carico: 10 kW

- Set point temperatura: 45°C

- Pressione acqua raffr (p1): 3 bar g (ipotesi)

- Scarico acqua (p3): 0 bar g

- Temperatura acqua raffr (T1): 20°C

- Temperatura scarico (T2): 30°C


71


ΔT = T2 – T1 = 30°C – 20°C = 10°C

P = 10 kW

Dalla curva: portata Q=0,85 m3/h

Ho determinato la portata: per

calcolare il KV manca la perdita di

carico Δp nell’attraversamento

della valvola.


72


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 (stimata in 3 bar, valvola compresa): in questa maniera è possibile, da

un lato, consentire una regolazione efficace e, dall’altro, limitare le perdite di

carico (costi di pompaggio).


p1-p3 [bar]

Q [m3/h]

Caratteristica pompa

Resistenza impianto + valvola

0,85 m3/h

3 bar

Resistenza impianto

Resistenza valvola

73

Esempio di dimensionamento Ipotizzo la perdita di

carico sulla valvola pari

al 50% del carico

dell’impianto.

Δp= p1 - p2 = 1,5 bar

Dalla curva: 0,6<KV<0,8

Dalla formula:

KV=Q/Δp0,5

KV=0,85/(1,5)0,5=0,694



La valvola deve essere selezionata in modo che il valore KV desiderato si trovi

più o meno «al centro» del campo di regolazione. La valvola AVTA 10 è la valvola

prescelta.

Nota: la banda nera indica l’intervallo di regolazione in cui ogni valvola può

operare con un Δp pari ad 1 bar.74



75


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%)

con la valvola totalmente aperta ed una portata di

circa 1,7 m3/h (il doppio della portata nominale), la

perdita di carico raggiunge gli 1,5 bar. Pertanto,

impiegando un otturatore lineare, è possibile

regolare tra una portata max (valvola aperta al 100%)

pari al doppio del nominale e portata nulla. La

portata nominale desiderata si trova con una

apertura della valvola pari a circa il 50%.

Sezione 3

Attuatori e valvole di regolazione

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale del Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Automazione Industriale:

Modulo 2: Strumentazione e Automazione Industriale

Sezione 3 Attuatori e valvole di regolazione Prof. Ing ... e... · 3 Organi di intercettazione e...

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