Modulo 1.3: Richiami di componentistica Valvole ed attuatori · 2019-12-16 · Modulo 1.3: Richiami...

Modulo 1.3: Richiami di componentistica

Valvole ed attuatori

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Corso di Strumentazione e Automazione Industriale

Generalità

Valvole di regolazione

Agenda

Attuatori

Dimensionamento della valvola di regolazione

Valvole termostatiche

Valvole e attuatori

Diametro di una tubazione

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Generalità

Organi di intercettazione e regolazione (valvole)

Col nome di organi di intercettazione e regolazione si intendono tutti quei

dispositivi, detti comunemente valvole, che hanno la funzione di intercettare o

regolare il flusso dei fluidi nelle tubazioni.

Questi dispositivi sono realizzati nelle forme e nei materiali più svariati ed è

quindi importante sceglierne il tipo più adatto in relazione alle caratteristiche

d'impiego.

Nello sviluppo di un progetto di impianto questa scelta occupa un posto quanto

mai importante perché la conduzione dell'impianto, essendo effettuata in gran

parte mediante manovre eseguite dalle valvole installate sul piping, dipende

essenzialmente dalle loro prestazioni.

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Componenti principali valvola manualeCorpo valvola: è la struttura principale della valvola, in

cui sono ricavati i passaggi destinati allo scorrimento del

fluido.

Cappello: chiude l'apertura attraverso la quale vengono

introdotti nel corpo valvola gli organi interni della valvola

(otturatore e sede di tenuta) e gli organi destinati al

comando dell'otturatore.

Stelo: è l’elemento di comando dell'otturatore. Passa

attraverso il cappello e deve essere dotato di un sistema

di tenuta (treccia e premistoppa).

Otturatore: è il componente mobile, solidale allo stelo,

che modifica la sezione di passaggio del fluido fino a

chiuderla/aprirla totalmente.

Sede di tenuta: componente solidale col corpo della

valvola (al quale è collegato solitamente mediante

filettatura). Al termine della sua corsa l'otturatore si

appoggia sulla sede di tenuta, determinando

l’intercettazione del flusso attraverso la valvola.

Attuatore: dispositivo atto a generare il movimento dello

stelo. In Figura è mostrato un attuatore manuale

(volantino), ma l’attuatore può anche essere di tipo

automatico (ad esempio, penumatico, elettrico, …).

Attuatore (manuale)

Generalità

4/98

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

- Valvola manuale;

- Valvola automatica: attuatore di tipo elettrico, pneumatico, idraulico,

elettropneumatico, elettroidraulico, ad azione diretta del fluido (valvola di non

ritorno a clapet);

Le valvole possono essere classificate anche per il tipo di funzione:

- Valvola di intercettazione: la funzione è quella di favorire il completo

passaggio del fluido (valvola aperta) o l’arresto del fluido (valvola chiusa).

- Valvola di regolazione: l’otturatore varia la propria posizione tra quelle di

chiusura e apertura. Così facendo, è possibile variare pressione e portata del

fluido.

- Altre valvole: Valvola unidirezionale (valvola di non ritorno)

Valvola di sicurezza

…

Generalità

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Valvole di intercettazione: valvole a saracinesca

P&I

Generalità

Sono caratterizzate da:

• Movimento dell’otturatore perpendicolare rispetto al passaggio del cuneo

• L’otturatore può essere metallico o gommato in funzione dell’applicazione

• modalità di regolazione

Criteri di scelta:

• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)

• Perdite di carico generate dalla valvola

• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)

https://www.youtube.com/watch?v=iu55OzM8rUU6/98

Valvole di intercettazione: rubinetto a sfera

P&I

Generalità


• 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=mWXjvVMvz6Q7/98

Valvole di intercettazione: valvole a globo

Generalità


• 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

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Valvole per altre applicazioni: valvole di non ritorno

P&I

Generalità

Funzione: impedire al fluido di refluire in direzione opposta al verso imposto

Criteri di scelta:


• Cracking pressure: minima pressione del fluido a monte della valvola che determina l’apertura

della valvola;

• Back pressure: differenza di pressione fra monte e valle della valvola

https://www.youtube.com/watch?v=Ol8wQVniNqI

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Valvole per altre applicazioni: valvola di sicurezza

P&I

Generalità

Funzione: in caso di sovrappressioni nel circuito scarica il fluido in atmosfera

https://www.youtube.com/watch?v=b2KQVkdAGzQ

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Generalità


Agenda

Attuatori



Valvole e attuatori


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In idraulica il diametro nominale (simbolo DN) è un valore convenzionale con cui vengono

individuati componenti idraulici quali tubazioni, flange, valvole.

Tale diametro, a seconda del materiale, viene dimensionato in funzione del diametro interno od

esterno.

Se il componente idraulico è dimensionato in funzione del suo diametro interno standardizzato

si fa riferimento alla serie DN/ID (standard dimensionali basati sui diametri interni). Se invece è

dimensionato in funzione del suo diametro esterno standardizzato viene riferito alla

serie DN/OD. Il costruttore deve indicare se il DN si riferisce alla serie DN/ID o DN/OD.

In generale per le tubazioni vale la seguente convenzione:

• ghisa sferoidale: DN/ID

• gres: DN/ID

• fibrocemento: DN/ID

• plastiche (PVC, PEAD): DN/OD

• acciaio: DN/ID

Il pollice cui si fa riferimento nei diametri delle tubazioni («pollice gas»)non è lo stesso utilizzato

nel sistema di misura anglosassone, ovvero non vale 25,4 mm.


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La designazione «pollice gas» deriva dal passato ed in particolare dalle prime condotte per la

distribuzione del gas. Le prime condotte da 1’’, infatti, presentavano effettivamente un diametro

interno pari a 25,4 mm ed un diametro esterno pari a 33,7 mm (spessore pari a 4,25 mm).

Nel corso degli anni, tuttavia, lo sviluppo tecnico di materiali più prestazionali e di nuove

tecniche di realizzazione hanno reso possibile la riduzione degli spessori. Tale condizione

consentiva:

• Riduzione del diametro esterno a parità di diametro interno, oppure

• Aumento del diametro interno a parità di diametro esterno

La scelta ricadde sull’aumento del diametro interno in quanto la scelta di ridurre il diametro

esterno avrebbe comportato la necessità di modificare anche la raccorderia provocando

conseguentemente un enorme sforzo del settore.


Infatti, nella maggior parte dei casi, il collegamento

tubo-raccordo è del tipo maschio-femmina in cui il

tubo si innesta all’interno del raccordo.

La modifica del diametro esterno delle tubazioni

avrebbe dunque comportato la necessità di variare

anche tutta la raccorderia.

Per questo motivo, per indicare le dimensione della

tubatura si è introdotto il termine pollice gas.

Tubo TuboRaccordo 13/98


Anche i componenti non plastici possono essere dimensionati in funzione del diametro esterno.

Per risalire al diametro interno si fa quindi riferimento allo spessore del tubo, progettato in

funzione della pressione interna a cui è soggetto il componente meccanico.

Il numero di schedula, schedule number (sch) nella dizione anglosassone fornisce

un'informazione sulla pressione interna sopportabile da una tubazione, secondo la normativa

americana ANSI. (La normativa italiana UNI, fa riferimento invece alla pressione nominale).

La dicitura Standard (Std), Extra Strong (XS) e Double Extra Strong (XXS) che troviamo nelle

tabelle seguenti fa riferimento invece alla vecchia normativa (del 1927).

(Valori degli spessori espressi in mm)

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Il numero di schedula

Come riportato dall’ASME B36.10M-1996 ”Welded and Seamless Througth Steel Pipe”, nel marzo del

1927, l'American Standards Association promosse l’organizzazione di un tavolo tecnico settoriale per

uniformare le dimensioni e il materiale utilizzato nella produzione di tubi in acciaio e ghisa. In particolare il

primo incontro si tenne a Pittsburgh (Pennsylvania) il 18 maggio 1928.

L’intento all’origine della attività di standardizzazione era quello di stabilire una relazione fra diametro e

spessore tali da garantire per ciascun numero di schedula (SCH) il soddisfacimento della relazione:

𝑆𝐶𝐻 = 1000𝑝𝑖𝜏

Dove pi è la pressione interna in [psi] e τ è la tensione massima ammissibile dal materiale a temperatura

ambiente in [psi].

In particolare la volontà era quella di uniformare i valori di spessore e diametro in accordo alla formula di

Barlow modificata:

𝑠 =𝑝𝑖𝐷𝑖

2τ+ 𝑐 × 1 + 𝑎

Dove s è lo spessore della tubazione, (in) c è il sovraspessore di corrosione, (in) 𝐷𝑖 il diametro interno della

tubazione, (in), a è il coefficiente di sicurezza per tener conto delle tolleranze di produzione (=12,5%)

Questo intento si scontrò tuttavia con i valori di spessore e diametro caratteristici dei tubi presenti sul

mercato e derivanti dall’esperienza dei singoli produttori.

Modificare tali valori in accordo alle equazioni di cui sopra avrebbe dunque comportato un grandissimo

sforzo da parte dell’industria che si ritenne non sostenibile.

Diametro e spessore di una tubazione

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Tubi di acciaio: diametri e spessori (schedule)

(Valori espressi in mm)


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Il numero di schedula: la scelta

Per scegliere il numero di schedula di una tubazione, occorre seguire il seguente procedimento:

1. Identificazione delle condizioni operative:

1. Tipo di fluido: in funzione della tipologia di fluido si dovranno effettuare considerazioni differenti

relativamente per esempio a fenomeni di corrosione.

2. Pressione operativa: lo stress meccanico della condotta è proporzionale alla pressione del fluido

all’interno

3. Temperatura operativa: Le caratteristiche prestazioni dei materiali quali per esempio la tensione

massima ammissibile è funzione della temperatura operativa attesa.

2. Caratteristiche della condotta:

1. Diametro della condotta: dai calcoli fluidodinamici è possibile identificare il diametro minimo

richiesto per trasportare una certa portata di fluido

2. Materiale: in funzione del materiale si avrà una tensione massima ammissibile differente

3. Metodo di realizzazione: la condotta può essere realizzata in diversi modi ed in funzione della

tipologia applicata si dovranno applicare coefficienti di derating per tener conto, per esempio, di

eventuali difetti di realizzazione.

4. Tolleranze dimensionali: il produttore garantisce valori per le tolleranze dimensionali che devono

essere tenuti in considerazione

3. Identificazione della norma di riferimento per il calcolo dello spessore: in funzione della specifica

applicazione, si adotterà la norma che meglio si adatta.


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Esempio

Si vuole calcolare il diametro per il trasporto di vapore alla pressione nominale di 13 bar e alla temperatura

nominale di 180 °C. Per lo scopo si sceglie di utilizzare un acciaio del tipo ASTM A106 Grade B, Seamless

(τ = 15000 psi alla temperatura di 180 °C,≈1034 bar). Si sceglie infine una condotta di diametro esterno pari

a 3’’ (=88,9 mm).

Per il calcolo dello spessore minimo si adotta la correlazione riportata nell’ASME B31.1 «Power Piping»:

𝑡𝑚 =𝑝𝑖𝐷𝑜

2 𝜏𝐸 + 𝑝𝑖𝑦+ 𝑐

Dove:

• tm spessore minimo in [mm]

• Do diametro esterno della tubazione in [mm]

• E è la joint efficiency [#] che tiene conto del metodo di fabbricazione della condotta e può assumere un

valore compreso fra 0,6 e 1 (da tabelle sulla ASME B31.1).

• y è il coefficiente di derating della temperatura che può assumere un valore compreso fra 0,4 e 0,7 (da

tabelle sulla ASME B31.1).

Con i dati a disposizione, non considerando la presenza di corrosione, si calcola:

𝑡𝑚 =𝑝𝑖𝐷𝑜

2 𝜏𝐸 + 𝑝𝑖𝑦=

13 × 88,9

2 1034 × 1 + 13 × 0,4= 0,556 𝑚𝑚


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Esempio

Considerando la tolleranza dimensionale pari al 12,5%:

𝑡𝑚,𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑜 =𝑡𝑚

1 −12,5100

=0,556

0,875= 0,635

Si sceglierà un tubo schedula 40 essendo la tipologia che presenta uno spessore immediatamente

superiore a quanto calcolato.


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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 minima pressione garantita alla quale la condotta resiste in esercizio per 50 anni alla

temperature di 20 °C.

• PFA è la Pressione di Funzionamento Ammissibile in bar che la condotta può sostenere in esercizio in modo continuo.21/98

Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni

• SN (Nominal Stiffness) in [N/mm^2] rappresenta la resistenza allo schiacciamento della condotta: infatti in assenza di pressione all’interno la condotta può

subire deformazioni a causa del peso del terreno sovrastante o della circolazione dei carichi stradali.

𝑆𝑁 =𝐸 × 𝐼

𝐷3

Dove E è il modulo di Young del materiale (N/mm^2), I è il momento di inerzia (mm^4/mm) e D è il diametro della condotta (mm). Maggiore è dunque SN

maggiore è il carico esterno che la condotta può sostenere.

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Generalità


Agenda

Attuatori



Valvole e attuatori


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Architettura

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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

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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.


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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.


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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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Il corpo valvola

Si cerca di costruire gli orifici interni di diametro uguale al diametro nominale

della valvola (attacco flange) per avere una portata maggiore possibile.

Si possono, tuttavia, trovare valvole con un corpo ed attacchi di diametro

superiore a quello richiesto per la sede dell’otturatore. Queste valvole si dicono

a passaggio ridotto ed il loro impiego può essere determinato dall’esigenza di

una maggiore resistenza meccanica alle sollecitazioni esterne (tubazioni, flange,

ecc…), minore velocità del fluido in ingresso e uscita, nonché dalla previsione

di aumentare la potenzialità dell’impianto, per il quale sarà sufficiente sostituire

gli organi interni con altri di maggior diametro. Comunemente i minimi diametri

di sede applicabili corrispondono al 50% del diametro nominale di valvola.

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Il corpo valvola

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

seggio.

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Il corpo valvola

Seggio singolo: Quando è richiesta una tenuta ottima è necessario impiegare

valvole a seggio singolo, per le quali la perdita di fluido a valvola chiusa è

inferiore allo 0,01% della capacità nominale.

Nelle valvole a seggio singolo sorge però il problema dello squilibrio provocato

sull’otturatore dal differenziale di pressione fra monte e valle che normalmente

viene calcolato moltiplicando l’area del seggio per la differenza massima di

pressione tra l’ingresso e l’uscita della valvola. A volte le spinte esercitate dalla

differenza di pressione sull’otturatore sono di tale entità che il servomotore

standard non può superarle.

Nel caso di utilizzo di un servomotore pneumatico, per le valvole che devono

chiudersi in mancanza di aria (azione inversa) vengono previste molle di forza

sufficienti a contrastare la spinta che la pressione d’ingresso esercita

sull’otturatore. Per evitare il fenomeno del trascinamento ed urto in chiusura le

valvole a seggio singolo vengono installate con flusso tendente ad aprire

l’otturatore.

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Il corpo valvola

Seggio singolo – trim bilanciato

Nel caso in cui si debba installare una valvola

caratterizzata da un’elevata differenza di pressione

fra monte e valle o da sedi di dimensione elevata,

si fa uso di valvole a trim bilanciato che

consentono di ridurre la spinta richiesta e dunque

la taglia degli attuatori.

Con il termine trim si fa riferimento a tutte le parti

interne rimuovibile e rimpiazzabili della valvola che

sono in contatto con il fluido di processo.

Nel caso riportato a fianco, il bilanciamento

avviene mediante fori di equalizzazione. Attraverso

i fori si ha il passaggio del fluido di processo. La

differenza di pressione che agisce sui due lati

dell’otturatore è equilibrata. Come si osserva dalla

figura a fianco il passaggio di fluido attorno

all’otturatore è evitato grazie alla presenza di o-ring

di tenuta.

Il passaggio di fluido attraverso il foro

consente il raggiungimento dell’equilibrio

di pressione fra i due ambienti

Foro di

equilibramento

p1

p1

p1

p2

p1 > p2

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Seggio singolo

Flusso in

ingresso

Trim bilanciato

Fori di equalizzazione

della pressione

Trim non bilanciato

L’attuatore deve essere

dimensionato per la

massima differenza di

pressioneSi possono avere due

possibili configurazioni

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Valvola a doppio seggio

34/98

Valvole di regolazioneIl corpo valvola

Doppio seggio: Nelle valvola a doppio seggio le spinte esercitate sui due funghi

dalla differenza di pressione del fluido si annullano quasi totalmente per cui è

richiesta una forza minima di comando. D’altro canto, a causa della differenza

delle dilatazioni termiche tra corpo e otturatore nonché delle deformazioni

elastiche dovute alla pressione, diventa difficile ottenere una tenuta perfetta su

entrambi i funghi a valvola chiusa con normali superfici metalliche. Per le

valvole a doppio seggio è ammesso un trafilamento dello 0,5% della portata di

progetto.

Poiché l’otturatore a doppio fungo bilancia quasi interamente gli squilibri dovuti

al differenziale di pressione del fluido, le valvole a doppio seggio generalmente

non richiedono servomotori maggiorati anche con alte pressioni differenziali.

Pertanto, qualora venga richiesta la tenuta perfetta, e tuttavia, a causa del forte

differenziale di pressione, i servomotori disponibili non hanno potenza

sufficiente ad azionare valvole a seggio singolo, si dovranno impiegare valvole

a doppio seggio nelle quali la tenuta viene migliorata con inserti di materiale atti

a sigillare il contatto sede-otturatore, sempreché la temperatura e la pressione

di esercizio lo permettano.35/98


Premistoppa

Il premistoppa è il dispositivo che effettua la tenuta lungo lo stelo della valvola. Deve

dunque garantire una tenuta perfetta nei confronti dei prodotti che percorrono una

valvola.

Il premistoppa di una valvola viene guarnito con materiali diversi in base alle condizioni

di esercizio:

• Anelli in Teflon (standard). Questa

guarnitura non richiede il

lubrificatore e può essere impiegata

con fluidi alla temperatura massima

di 230°C

• Anello grafitato costituito da una

serie di anelli impregnati di grafite,

adatto per temperature fino a 280°C;

è richiesto il lubrificatore.

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Premistoppa

• Fibre per alta temperature (sostitutive

dell’amianto).

• La fibra di carbonio e la grafite espansa

sono utilizzate nelle applicazioni dove si

possono raggiungere alte temperature

fino a 450 °C ed oltre.

• Per basse temperature (inferiori a -5°C).

Si usa una prolunga distanziatrice di

lunghezza adeguata per permettere

coibentazioni di grande spessore sulla

tubazione e l’eventuale riscaldamento

del premistoppa mediante appositi

serpentini a vapore od altri elementi

riscaldanti

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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.

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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.Otturatore Sede di

tenuta

Sede di

tenutaOtturatore

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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.

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Perdite di carico: ∆𝒑 = ξ𝝆𝑽𝟐

𝟐


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.

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Caratteristiche tecniche – il materiale

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Generalità


Agenda

Attuatori



Valvole e attuatori


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Elementi costruttivi dei servomotori

pneumatici

Il servomotore o testata pneumatica ha la funzione di

trasformare il segnale pneumatico in un movimento

uniforme e lineare dell’otturatore della valvola; è

costituito da:

• Diaframma. In Perbuna internamente intessuta di

nylon per garantire la massima flessibilità e

resistenza anche a bassa temperatura

• Coperchi superiore ed inferiore della camera del

diaframma. In acciaio stampato con superfici

interne ed esterne sottoposte a trattamento

antiossidante prima della verniciatura.

• Molle. In acciaio al silicio manganese, con

colorazioni di identificazione secondo le

caratteristiche ed i campi di lavoro. I campi normali

delle molle sono 3-15 psi e 6-30 psi; sono inoltre

disponibili campi ridotti per interventi sequenziali.

• Castello. In ghisa ad alta resistenza (in acciaio fuso

a richiesta), disponibile, in varie grandezze e

predisposto per il montaggio degli accessori come

posizionatore, filtroriduttore, relè di blocco

psi è l'acronimo di pound-force per square inch,

locuzione inglese che significa libbre per pollice

quadrato, ed è l'unità di misura della pressione nel

sistema anglosassone.

1 psi = 68,95 mbar

Attuatori

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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

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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.

48/98

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!

49/98

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).

50/98

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).

51/98

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).

52/98

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 doppiaValvola a sede doppia

53/98

Attuatori

Valvola a tre vie: deviatrici e miscelatrici

Testata diretta

(Se manca l’aria apro

la via diretta e chiudo

la via squadra)

Testata inversa

(Se manca l’aria

chiudo la via diretta e

apro la via squadra)

Testata diretta

(Se manca l’aria apro

la via diretta e chiudo

la via squadra)

Testata inversa

(Se manca l’aria

chiudo la via diretta e

apro la via squadra)54/98

Attuatori

Servomotore elettroidraulico

(Testata diretta, Valvola normalmente chiusa => Valvola solenoide (5) normalmente aperta)55/98

Corpo valvola

Mandrino valvola

O-ring

Corpo

solenoide

Molla

Solenoide

Piattello

valvola

Attuatori

Corpo

solenoide

Solenoide

Molla

Corpo

valvola

Corpo

valvola

Membrana

Corpo

valvola

Valvola a solenoide

FLUIDO FLUIDO

56/98

Attuatori

Valvola a solenoide – meccanismo di comando

Corpo

valvola

Mandrino

valvola

O-ring

Molla

Solenoide

Piattello

valvola

Esempio: Valvola a

due vie e due posizioni

Indica la posizione in cui si trova

la valvola: le porte A e B sono

intercettate e non c’è passaggio

di fluido

57/98

AttuatoriValvola a solenoide – meccanismo di comando

Corpo

valvola

Mandrino

valvola

O-ring

Molla

Solenoide

Piattello

valvola

A

P

Indica la posizione in cui si trova

la valvola: le porte A e B sono

collegate e c’è passaggio di fluido

Esempio: Valvola a

due vie e due posizioni

58/98

AttuatoriEsploso di elettrovalvola Elettrovalvola con servo comando

a pistone

VE3

59/98

Generalità


Attuatori



Valvole e attuatori


Agenda

60/98


1) Scelta dell’otturatore

61/98

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


𝑲𝑽, 𝑪𝑽 =𝑸 ρ

∆𝒑

62/98

Determinazione del coefficiente KV (per fluidi incomprimibili)

Q: portata in m3/h;

ρ: densità in kg/dm3;

Δp: differenza di pressione in bar.


𝑲𝑽 =𝑸 ρ

∆𝒑

Nel caso di utilizzo di liquidi

viscosi occorre moltiplicare il

CV ottenuto per un fattore

correttivo che dipende dalla

viscosità del fluido (gradi

Engler).

Viscosità, [°E] Fattore di correzione

2 1,06

5 1,18

10 1,28

15 1,32

Viscosità, [°E] Fattore di correzione

30 1,38

50 1,47

100 1,60

150 1,68

H,

alte

zza

co

lon

na d

’acqu

a, [m

]

𝑯 =𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝝆𝒈=

𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝟗, 𝟖𝟎𝟔𝟕 × 𝟏𝟎𝟎𝟎= 𝟏𝟎, 𝟐 𝒎

63/98

Determinazione del coefficiente KV (fluidi comprimibili)

Vapor d’acqua saturo, P2>58%P1

m: portata in kg/h;

Δp: differenza di pressione in bar;

P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;

P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.


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

64/98

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;

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

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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′′

66/98


Dimensionamento seggio della valvola

Una volta noti la caratteristica del corpo valvola

(sede semplice, sede doppia, tre vie miscelatrici,

etc.), il tipo di otturatore e il CV della valvola è

possibile attraverso schede tecniche, come quella

riportata in tabella, individuare il diametro nominale

del seggio della valvola.

Noto il diametro del seggio e nota la pressione

differenziale sul seggio è possibile calcolare la

spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido e

quindi dimensionare il servomotore a diaframma.

Legenda:

• EQP = equipercentuale profilato;

• PL = parabolico lineare;

• PT = piattello (apertura rapida);

• MFP = microflussioprofilato;

• MFS = microflusso a sgusci;

• LV = otturatore parabolico lineare a V 67/98

Dimensionamento della valvola di regolazioneDimensionamento del servomotore a diaframma

Le tabelle sotto riportate evidenziano le caratteristiche di nove servomotori. Nota la

pressione differenziale sull’otturatore e l’area nominale del seggio è nota la forza che

agisce sullo stelo. Occorrerà quindi effettuare una verifica relativa alla resistenza dello

stelo. È così nota anche la forza necessaria per chiudere completamente la valvola, che

serve per dimensionare il servomotore in funzione delle pressioni di comando, area utile

del diaframma, forza della molla di contrasto, etc…

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Dimensionamento di una valvola a sede

semplice, N.A. con otturatore P.L. che

chiude abbassandosi

(servomotore a testata diretta) per una

condotta di acqua alle seguenti condizioni di

progetto:

1) Portata, Q: 100 m3/h.

2) Densità (alla temperatura di progetto t = 15°C), ρ = 1

kg/dm3.

3) Pressione differenziale a valvola chiusa (fra monte e

valle della valvola), Δp = 8 bar;

4) Caduta di pressione attraverso la valvola aperta e

portata pari al valore nominale pari a Δp = 1 bar.

Essendo un liquido:

𝑪𝑽 = 𝟏, 𝟏𝟕𝑸𝝆

∆𝒑= 𝟏, 𝟏𝟕 ∗ 𝟏𝟎𝟎 ∗

𝟏

𝟏= 𝟏𝟏𝟕

Dalla tabella a fianco si vede che non si

trova esattamente il valore 117. Si sceglie

allora il Cv immediatamente superiore

Cv = 118.

Il diametro nominale del seggio risulta

essere quello da 3”, ossia circa 80 mm.

Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione

69/98


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

𝑨 =𝝅𝑫𝟐

𝟒= 𝟓𝟎, 𝟐𝟔 𝒄𝒎𝟐

La spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido in condizioni di valvola

chiusa, essendo presente una caduta di pressione di 8 bar vale 402 kg (50,3

x 8).

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

500/3, poiché la massima pressione differenziale ammissibile per un

diametro di seggio pari a 3’’ è 9 bar, maggiore del ∆𝒑 di progetto.

Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione

Occorre ricordare che la pressione di comando

varia fra 3÷15 psi, ovvero fra 0,21÷1,05 bar

Verifiche:

1. Il carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg >

402 kg (dovuto al processo).

2. La spinta massima del servomotore

sull’otturatore è: 1,05 bar x 990 𝒄𝒎𝟐 ≅ 1040

kg> 402 kg (il servomotore vince la

pressione di processo).

3. Carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg >

1040 kg (dovuta all’azione del servomotore).

70/98

Riassumendo

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


71/98

Generalità


Agenda

Attuatori



Valvole e attuatori


72/98


La valvola termostatica: un esempio di valvola di

regolazione

Le valvole termostatiche sono utilizzate per la regolazione

proporzionale della portata in base alle impostazioni e alla

temperatura del sensore.

La gamma di valvole termostatiche comprende versioni per la

regolazione sia nei sistemi di raffreddamento che in quelli di

riscaldamento. Le valvole funzionano senza bisogno di

alimentazione ausiliare come elettricità o aria compressa.

La temperatura desiderata viene mantenuta costante senza

spreco di: i) acqua di raffreddamento in sistemi di refrigerazione,

ii) acqua calda o vapore in sistemi di riscaldamento. L'economia

di esercizio e l'efficienza sono ottimizzati.

Il bulbo ha un volume V=V0*(1+αT), con α coefficiente di

dilatazione termica. In caso di otturatore lineare, il coefficiente α

deve essere costante nel range di temperatura del processo, per

garantire tale linearità.

73/98

Componenti principali


74/98

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

https://www.youtube.com/

watch?v=4KlAeQ5euJs

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

Elenco materiali

Per fluidi aggressivi

(SS: stainless steel)


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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 77/98

In figura uno schema di raffreddamento delle

camicie del compressore con circolazione a

ciclo aperto su compressore a due stadi.

In questo caso, lo scopo della regolazione

automatica di temperatura è quello di evitare un

eccessivo raffreddamento, che potrebbe causare

condensazioni all’interno del cilindro e

peggiorare le condizioni di lubrificazione, oltre a

evitare un inutile spreco di acqua.

E’ importante che il regolatore (valvola

termostatica) non intercetti mai completamente

il flusso dell’acqua di raffreddamento, onde

evitare la formazione di una «sacca» di acqua

stagnante intorno al bulbo (elemento

termostatico), che quindi potrebbe raffreddarsi e

non dare più luogo all’apertura della valvola.

Alcune valvole termostatiche garantiscono un

minimo di flusso; in alternativa, occorre

realizzare un by-pass con valvola manuale.



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.

79/98

Esempi tipici di applicazione: impianto frigorifero

La valvola di laminazione agisce come un dispositivo di regolazione fra il lato

alta pressione ed il lato bassa pressione di un impianto frigorifero e garantisce

che la quantità di refrigerante che fluisce nell’evaporatore sia identica alla

quantità di liquido refrigerante che evapora nell’evaporatore stesso (regolazione

portata).

Rispetto agli schemi teorici riportati di seguito, va ricordato che in tali impianti

va realizzato un lieve sottoraffreddamento all’uscita del condensatore (punto 3)

e un lieve surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore (punto 1) per poter

permettere agli strumenti di misurare una variazione di temperatura.


80/98


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).


81/98


Il gruppo orificio intercambiabile assicura un’ampia gamma di potenzialità. La molla tiene l’otturatore

stabilmente a contatto con la sede per minimizzare il trafilamento attraverso la valvola; per garantire una

chiusura totale è però richiesta l’installazione di una valvola solenoide a monte della valvola d’espansione

termostatica.

La regolazione della portata agli evaporatori essere effettuata mediante l’inserimento di una valvola

principale comandata da valvole pilota che determinano la sua funzione.


Controllo di temperatura

Controllo di pressione

Evaporatore con controllo di temperatura e

pressione per grado di surriscaldamento

Stelo manuale

Cover

Corpo valvola

Canale nel corpo valvola

Stelo della valvola

Otturatore

Sede

+

Valvola di regolazione pressione e temperatura

S1, S2, P sono attacchi per l’inserimento delle

valvole pilota

p1 è la pressione di condensazione;

p2 è la pressione al di sopra del servo pistone;

p3 è la pressione al di sotto del servo pistone;

p4 è la pressione in ingresso all’evaporatore.

82/98

Valvola pilota

solenoide NC

(2)

(3)

(1)



Fase di apertura della valvola

Per analizzare il funzionamento si consideri la figura

a fianco in cui è presente una sola valvola pilota del

tipo a solenoide (1). La valvola pilota potrebbe

essere anche una tipologia differente di valvola,

come per esempio una valvola termostatica pilota o

una valvola pilota di controllo della pressione.

La valvola solenoide è NC e la sua apertura è

funzione della pressione misurata alla mandata

dell’evaporatore.

Nella fase iniziale la valvola pilota (1) è chiusa (non

è eccitata) e dunque non si ha il passaggio di fluido

dall’ambiente (2) all’ambiente (3).

83/98

Valvola pilota

solenoide NC

(2)

(3)




Nel momento in cui il solenoide della valvola pilota

(1) viene eccitato, il fluido a più alta pressione passa

dall’ambiente (2) all’ambiente (3).

Il fluido esercita quindi una sovrapressione sul

servo-pistone della valvola pari alla caduta di

pressione che il fluido subisce nel passaggio

attraverso il foro di equalizzazione (4). Tale foro si

rende necessario per bilanciare la pressione che

agisce sul servo-pistone in accordo con il grado di

apertura della valvola.

In assenza del foro di equalizzazione in caso di

chiusura della valvola solenoide il fluido presente

nell’ambiente (3) rimarrebbe intrappolato all’interno

(la pressione in (2) risulta infatti maggiore)

impedendo dunque il corretto funzionamento della

valvola.

Nella valvola è presente un ulteriore passaggio (5)

che consente lo sfogo del fluido alla mandata della

valvola (6).

(4)

(5)

(6)

84/98

85




La sovrapressione sul servo-pistone (pari alla caduta

di pressione del fluido attraverso il foro di

equalizzazione 4) garantisce il movimento verso il

basso dell’otturatore e dunque l’allontanamento dalla

sede.

Tale condizione determina dunque l’apertura del

passaggio principale del fluido fra monte e valle della

valvola.

(3) (4)

(5)

Valvola aperta

Valvola pilota

solenoide NC

85/98

86



Fase di chiusura della valvola

Per intercettare la portata di fluido della valvola

principale, il solenoide della valvola pilota viene

diseccitato. La mancata alimentazione della bobina

della valvola solenoide provoca il suo passaggio alle

condizioni normali (chiusura).

Chiudendo il passaggio della valvola solenoide, il

fluido non passa più dalla mandata (2) all’ambiente

(3) venendo infatti intercettato.

Il fluido presente nell’ambiente (3) grazie alla sua

maggior pressione continua a passare attraverso i

passaggi (4) e (5) alla mandata della valvola.

Conseguentemente si ha la riduzione progressiva

della pressione in (3) pari alla somma della

pressione in mandata e delle perdite di carico

attraverso (4) e (5).

(3) (4)

(5)

Valvola pilota

solenoide NC

(2)

86/98



Fase di chiusura della valvola

Riducendo la pressione nell’ambiente (3) il servo-pistone risale verso l’alto trascinando l’otturatore all’interno

della sede e dunque chiudendo il passaggio principale.

Valvola pilota

solenoide NC

(3)

(4)

(5)

Valvola chiusa

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Esempi tipici di applicazione di valvole termostatiche: impianto frigorifero


2

3

4

5

1. Elemento termostatico

2. Membrana

3. Insieme orificio intercambiabile

4. Corpo valvola

5. Asta di regolazione 1

Il filtro di ingresso

garantisce il buono stato

della sede e quindi del

controllo nel tempo

88/98


TR: Ton of RefrigerationIt is defined as the heat of fusion absorbed by melting

1 short ton (i.e. 2000 pounds) of pure ice at 0°C in 24

hours. 1 TR = circa 3,5 kW.

I codici riportati sulle prime due colonne

sono specifici per ogni singolo produttore,

come identificativo del prodotto. La valvola

è poi caratterizzata da una potenza

frigorifera che è funzione del fluido

frigorifero utilizzato, secondo le sue

caratteristiche specifiche.

A partire dall’1/1/15 non è più possibile in

Europa utilizzare il refrigerante R-22 per

ricaricare o riparare qualsiasi tipo impianto

frigorifero.

Le valvole termostatiche sono testate

secondo la normativa ANSI/ASHRAE 17.

I valori derivano da test effettuati nelle

seguenti condizioni per ciascun fluido:

• Temperatura del liquido in ingresso alla

valvola pari a 37,8 C;

• Temperatura di condensazione pari a

43,3 C;

• Temperatura di evaporazione pari a

4,44 C.

Esempi tipici di applicazione di valvole

termostatiche: impianto frigorifero

89/98


Valvola di espansione termostatica con orificio tarato

90/98

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.


91/98

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.


92/98


ΔT = T2 – T1 = 30°C – 20°C = 10°C

P = 10 kW

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

Ho determinato la portata: occorre

calcolare il Kv

Il diagramma riporta in forma grafica

l’equazione per il calcolo della potenza:

P= Q*ρ*cl*ΔT

Dove ρ è la densità del fluido e cl il suo

calore specifico.

Q=P/(ρ*cl*ΔT)=10*3600/(1000*4,186*10)

=0,85m3/h


93/98


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 g 94/98

Esempio di dimensionamento Perdita di carico sulla

valvola aperta:

Δp= p1 - p2 = 1,5 bar

Posso calcolare il Kv!

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

Dalla formula:

Kv=Q/Δp0,5

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


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

95/98


Prendiamo in considerazione il catalogo delle valvole termostatiche. La valvola

deve essere selezionata in modo che il valore Kv desiderato si trovi il più

possibile vicino al Kv della valvola, ed all’interno della banda nera, che

rappresenta il campo di valori consigliati dal costruttore per ogni singola

valvola.

La valvola AVTA 10 è la valvola prescelta.


KV della valvola AVTA 10=1,4

KV calcolato =0,7

96/98



AVTA 10: perdita di carico a valvola aperta in

condizioni di portata nominale Q pari a:

Q=0,85 m3/h => Δp=0,35 bar (<< 1,5 bar ipotizzati)

Perdita impianto: 1,5 bar

Perdita valvola: 0,35 bar

Perdita valvola = 19% Perdita totale (vs. 50%) La valvola individuata può essere impiegata con un

otturatore di tipo equipercentuale: la regolazione è compresa

tra 0 e 0,85 m3/h fino all’80% circa della corsa dell’otturatore,

poi aprendo ulteriormente l’otturatore si ottiene un surplus di

portata rispetto al valore di portata nominale calcolato in

precedenza. In alternativa, si può pensare di impiegare un

otturatore parabolico lineare che regola la portata tra lo 0% ed

il 50% della corsa dell’otturatore, ovvero tra lo 0% ed il 50%

della portata massima (cioè, ancora una volta, tra 0 e 0,85

m3/h).

Attenzione! Da valutare gli effetti dell’incremento di portata

sulle perdite di carico nel circuito. In altre parole: il problema si

sposta sul dimensionamento della pompa.

Portata con valvola completamente aperta

Perd

ita d

i carico n

ella

valv

ola

97/98

Modulo 1.3: Richiami di componentistica

Valvole ed attuatori

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Corso di Strumentazione e Automazione Industriale

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