Modulo 0.1: Richiami di componentistica Valvole ed attuatori Meccanici... · A. Cocchi,...

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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Perdite di carico

∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏

𝟐

𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆

𝒗𝟐𝟐

𝟐∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆

𝒗𝝉𝟐

𝟐+ 𝝆


𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆

𝒗𝟐𝟐

𝟐



(v1=v2=v)



𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏

𝟐

𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆

𝒗𝟐𝟐

𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆

𝒗𝝉𝟐

𝟐+ 𝝆


𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆

𝒗𝟐𝟐

𝟐

v1v2

𝒗𝝉

vassiale

v1

v2

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Perdite di carico

∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏

𝟐

𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆

𝒗𝟐𝟐

𝟐∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆

𝒗𝝉𝟐

𝟐+ 𝝆


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.



(v1=v2=v)



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”

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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

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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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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

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Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre 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.


17/105

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


18/105

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)


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.


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.


21/105

Tubi di acciaio: diametri e spessori (schedule)

(Valori espressi in mm)


22/105

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.


23/105


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


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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


25/105

Tabella comparativa diametri esterni delle tubazioni


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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) .


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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.


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Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre valvole



Riferimenti29/105


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

…


31/105

Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre valvole



Riferimenti32/105

Valvole di intercettazione: valvole a saracinesca

P&I


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


• 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:




https://www.youtube.com/watch?v=mWXjvVMvz6Q


34/105

Valvole di intercettazione: valvole a globo


• Corpo sferico con le due metà separate da un deflettore;

• Tenuta elevata e duratura nel tempo

Criteri di scelta:




https://www.youtube.com/watch?v=SkzzII-gzEk

P&I


35/105

Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre 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


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.


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Valvola a flusso libero

In questo tipo di valvole il movimento dell'otturatore è

inclinato a 45° rispetto al senso di passaggio

convenzionale del fluido nella valvola.

Questa soluzione, applicabile solo a valvole a via diritta,

consente di ridurre in misura rilevante le perdite di

carico, evitando totalmente i cambiamenti di direzione e

riducendo le variazioni di sezione. A completa apertura,

le valvole di questo tipo presentano un passaggio

pressoché rettilineo.

Ciò offre anche la possibilità di ispezionare la linea oltre

la valvola senza doverla rimuovere e di poter introdurre

sonde o altri attrezzi attraverso la valvola stessa.

Di contro, la presenza dell’otturatore inclinato aumenta

notevolmente l’ingombro della valvola in senso

longitudinale alla tubazione.


39/105

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

40/105


Architettura

41/105


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)

42/105


Il corpo valvola

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

seggio.

43/105


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.

44/105


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


Valvola a doppio seggio

46/105

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.

47/105


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.

48/105


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.

49/105


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.

50/105


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

51/105


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.

52/105


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.

53/105


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.

54/105


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.

55/105


Caratteristiche tecniche – il materiale

56/105

Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre 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.

60/105

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 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!

61/105

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 (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).

62/105

Attuatori


Caso 2. Servomotore a testata rovescia: otturatore che

chiude abbassandosi


il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché l’otturatore

chiude abbassandosi, in queste condizioni la valvola è

aperta.


di contrasto trascina verso il basso l’otturatore,

intercettando il passaggio del fluido di processo attraverso

la sede della valvola.


chiusa, questa è una valvola normalmente chiusa (NC).

63/105

Attuatori


Caso 3. Servomotore a testata diretta: otturatore che apre

abbassandosi


il movimento dello stelo verso il basso. Poiché l’otturatore

apre abbassandosi, in queste condizioni la valvola è

aperta.


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

il passaggio del fluido di processo attraverso la sede della

valvola.


chiusa, questa è una valvola normalmente chiusa (NC).

64/105

Attuatori


Caso 4. Servomotore a testata rovescia: otturatore che

apre abbassandosi


il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché l’otturatore

apre abbassandosi, in queste condizioni la valvola è

chiusa.


di contrasto trascina verso il basso l’otturatore, lasciando

libero il passaggio del fluido di processo attraverso la sede

della valvola.


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


Agenda

Attuatori




Altre valvole



Riferimenti72/105


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.


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.


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.


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

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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∙𝐅𝐒

𝟏𝟏, 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;

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.


Scelta della valvola – esempio dati

𝟏𝟎′′

78/105


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 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


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).

82/105

Riassumendo

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


83/105

Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre valvole



Riferimenti84/105


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

85/105

Componenti principali


https://www.youtube.com/watch?v=4KlAeQ5euJs

Immagine tratta da Danfoss86/105

https://www.youtube.com/watch?v=4KlAeQ5euJs

Principio di funzionamento


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


87/105

Elenco materiali

Per fluidi aggressivi

(SS: stainless steel)



88/105

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

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.



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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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.

91/105

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.


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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.


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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.


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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).


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


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


Relazione tra la portata di acqua e la perdita di carico nella valvola

96/105


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.


Kvs della valvola AVTA 10=1,4

Kv calcolato =0,7

97/105



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


p1-p3 [bar]

Q [m3/h]



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%


p1-p3 [bar]

Q [m3/h]



0,85 m3/h

3 bar

Resistenza impianto

Resistenza valvola regolata a circa il 50%

100/105

Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre 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:


• 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

102/105

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

103/105

Perdite di carico


Agenda

Attuatori




Altre 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

105/105

https://www.emerson.com/documents/automation/manuals-guides-control-valve-handbook-fisher-en-3661206.pdf

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

Modulo 0.1: Richiami di componentistica Valvole ed attuatori Meccanici... · A. Cocchi,...

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