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Corso di Strumentazione e Automazione Industriale
Modulo 1.1
Richiami e introduzione
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini, PhD
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
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
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
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Equazione energetica del moto dei fluidi
Con riferimento alla figura sottostante, si consideri un condotto fisso in cui un fluido sia in moto
stazionario e siano C1 e C2 le velocità medie nelle due sezioni, z1 e z2 le quote dei baricentri
delle sezioni stesse.
Con riferimento all’unità di massa del fluido, l’equazione energetica del moto dei fluidi in forma
meccanica si scrive:
In forma differenziale:
R rappresenta l’energia specifica dissipata a
causa delle resistenze interne al fluido nel
tratto di condotto considerato.
L rappresenta il lavoro specifico scambiato tra
il fluido e gli elementi meccanici in moto
presenti nel condotto (ad L è attribuito il segno
positivo quando risulta ottenuto dal fluido,
uscente).
𝒄𝟐𝟐
𝟐−𝒄𝟏
𝟐
𝟐+ 𝐠 𝐳𝟐 − 𝐳𝟏 +න
𝟏
𝟐
𝐯 𝐝𝐩 + 𝐑 + 𝛅𝐋 = 𝟎 [J/kg]
𝐜 𝐝𝐜 + 𝐠 𝐝𝐳 + 𝐯 𝐝𝐩 + 𝐑 + 𝐝𝐋 = 𝟎 [J/kg]
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Nell’equazione energetica del moto dei fluidi in forma meccanica sono presenti più termini:
𝒄𝟐𝟐
𝟐−𝒄𝟏
𝟐
𝟐+ 𝐠 𝐳𝟐 − 𝐳𝟏 +න
𝟏
𝟐
𝐯(𝐩) 𝐝𝐩 + 𝐑 + 𝛅𝐋 = 𝟎 [J/kg]
In particolare, oltre alle perdite di carico ed al lavoro sono presenti:
• Termine energia cinetica 𝑐2/2;• Termine energia potenziale gz;
Attenzione: il termine integrale si sviluppa in maniera differente in funzione della natura del
fluido e della trasformazione termodinamica; infatti vale:
• Fluido incomprimibile: v = 1/ρ = cost, dove ρ è la densità del fluido [kg/m3]
න
𝟏
𝟐
𝐯(𝐩) 𝐝𝐩 = v(𝑝2 − 𝑝1)
Equazione energetica del moto dei fluidi
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Nell’equazione energetica del moto dei fluidi in forma meccanica sono presenti più termini:
𝒄𝟐𝟐
𝟐−𝒄𝟏
𝟐
𝟐+ 𝐠 𝐳𝟐 − 𝐳𝟏 +න
𝟏
𝟐
𝐯(𝐩) 𝐝𝐩 + 𝐑 + 𝐋 = 𝟎 [J/kg]
• Fluido comprimibile: v = v(p), ossia il volume specifico del fluido è funzione della pressione
secondo una legge che dipende dalla trasformazione del processo termodinamico. In
particolare si può avere:
• Trasformazione isoterma: 𝑝𝑣 = 𝑐𝑜𝑠𝑡;• Trasformazione isoentropica: 𝑝𝑣𝑘 = 𝑐𝑜𝑠𝑡;• Trasformazione politropica: 𝑝𝑣𝑛 = 𝑐𝑜𝑠𝑡.
Dove k (=cp/cv) e n sono rispettivamente gli indici della trasformazione isoentropica e
politropica.
Equazione energetica del moto dei fluidi
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Dalla forma meccanica alla forma termica:
definizione di entalpia) h = u + p v → dh = du + p dv + v dp1° principio termodinamica) 𝑑q = du + p dv
𝐝𝐡 = 𝐝𝐪 + 𝐯 𝐝𝐩 (𝟏)
Inoltre:
𝐪 = 𝐐𝐞 + 𝐑 (𝟐)
Mentre Qe rappresenta l’energia termica specifica, scambiata dal sistema solo con l’esterno
(irraggiamento, convezione ,…), q rappresenta l’energia termica specifica totale ricevuta o
ceduta dall’intero sistema, ovvero data dalla somma algebrica del calore scambiato con
l’esterno Qe e dalle dissipazioni in calore R dovute alle trasformazioni interne.
Dalla (1) e dalla (2) si ottiene l’espressione: 𝐯 𝐝𝐩 = 𝐝𝐡 − 𝐝𝐐𝐞 − 𝐑.
Introducendo tale relazione nell’equazione energetica del moto dei fluidi in forma meccanica, si
ottiene la forma termica di tale equazione.
c dc + g dz + v dp + R + dL = 0 → 𝐜 𝐝𝐜 + 𝐠 𝐝𝐳 + 𝐝𝐡 = 𝐝𝐐𝐞 − 𝐝𝐋 [J/kg]
Equazione energetica del moto dei fluidi
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Esercitazione: attraversamento di acqua in un diaframma
Si consideri un diaframma attraversato da acqua come quello riportato
nella figura a fianco.
Assumendo le sezioni 1 e 2 di ingresso e di uscita dal diaframma è
possibile calcolare le perdite di carico applicando l’equazione
energetica del moto dei fluidi in forma meccanica.
𝒄𝟐𝟐
𝟐−𝒄𝟏
𝟐
𝟐+ 𝐠 𝐳𝟐 − 𝐳𝟏 +න
𝟏
𝟐
𝐯(𝐩) 𝐝𝐩 + 𝐑 + 𝐋 = 𝟎 [J/kg]
Trattandosi di fluido incomprimibile, non essendo presente lavoro né variazioni di quota e
moltiplicando per la densità del fluido si può scrivere:
𝝆𝑹 = 𝒑𝟏 + 𝝆𝒄𝟏
𝟐
𝟐− 𝒑𝟐 + 𝝆
𝒄𝟐𝟐
𝟐[Pa]
Dove:
• p è la pressione statica del fluido, [Pa]
• 𝝆𝒄𝟐
𝟐è la pressione dinamica del fluido, [Pa]
Equazione energetica del moto dei fluidi
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
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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
Scabrezza relativa media ε [mm] per alcuni materiali
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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
v1 v2
𝒗𝝉
vassiale
v1v2
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Perdite di carico
∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
Caso 1: vettore velocità con solo
componente orizzontale parallela all’asse
(v1=v2=v)
Caso 2: vettore velocità con componente
ortogonale rispetto all’asse
𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟏 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐𝒑𝑻𝑶𝑻,𝟐 = 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
v1 v2
𝒗𝝉
vassiale
v1v2
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Perdite di carico
∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝟏
𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆
𝒗𝝉𝟐
𝟐+ 𝝆
𝒗𝒂𝒔𝒔𝒊𝒂𝒍𝒆𝟐
𝟐− 𝒑𝒔,𝟐 + 𝝆
𝒗𝟐𝟐
𝟐
Nel caso 2, dunque, 𝒑𝒔,𝟏 + 𝝆𝒗𝝉𝟐
𝟐corrisponde alla pressione statica misurata.
Conseguentemente, nel secondo caso si commetterebbe un errore sistematico di misura, in quanto la
pressione statica misurata includerebbe anche parte della dinamica. Il che risulta del tutto evidente nel caso
di fluido incomprimibile, ovvero quando v1 = v2. In tale caso, infatti, ∆𝒑𝒕𝒐𝒕 = ∆𝒑𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒐, dove però il termine a monte dell’ostacolo, nel secondo caso, è falsato dalla componente vτ.
Caso 1: vettore velocità con solo
componente orizzontale parallela all’asse
(v1=v2=v)
Caso 2: vettore velocità con componente
ortogonale rispetto all’asse
v1 v2
𝒗𝝉
vassiale
v1v2
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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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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
Dati: diametro del tubo: D = 1 m
densità dell’acqua: ρ = 1000 kg/m3
velocità dell’acqua: v = 2 m/s
Ipotesi: Si sceglie un diaframma tale da generare una perdita di carico
localizzata Δp = 981 Pa (= 100 mmH20)
Energia persa (equazione di Bernoulli per un fluido incomprimibile)
c dc + g dz + v dp + R + L = 0 [J/kg]
Le perdite di carico (R) e la portata (G) sono:
R = න
1
2
v dp = v ∆p =∆p
𝜌=
981
1000≃ 1 J/kg
G = 𝜌 v A = 𝜌 vπ D2
4= 1000 ∙ 2 ∙
π 1 2
4= 1571 kg/s
Perdite di carico
La potenza elettrica Pe spesa per alimentare la pompa sconta dei seguenti rendimenti: rendimento
meccanico (ηm = 0,90), rendimento idraulico (ηi = 0,90), rendimento volumetrico (ηv = 0,96), rendimento
elettrico del motore (ηe = 0,95), rendimento di trasmissione della cabina elettrica alla pompa (ηt = 0,98)
Pe =G × R
ηm × ηi × ηv × ηe × ηt=
1571 × 1
0,90 × 0,90 × 0,96 × 0,95 × 0,98=1571
0,72= 2,18 kW
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Esercitazione: perdite di carico dovute all’attraversamento di acqua in un diaframma
La differenza di pressione deve essere acquisita da un trasmettitore di pressione
differenziale (riportato a fianco).
Dati:
Tensione di alimentazione trasmettitore: 24 V
Corrente di alimentazione: 4 mA
Potenza elettrica: 96 mW (= 24 x 4 x 10-3)
Range: [-10; 10] mbar
Il consumo totale per effettuare la misura di portata è data dalla somma della potenza
elettrica spesa per alimentare il trasmettitore (96 mW) e la potenza elettrica spesa sul
diaframma (2,18 kW).
Considerando un costo medio di acquisto dell’energia elettrica pari a 0,18 €/kWh,
l’acquisto di energia elettrica comporta un costo operativo (assumendo 7500 h/anno):
𝐶𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = 2,18 + 0,096 × 10−3 𝑘𝑊 × 7500ℎ × 0,18
€
𝑘𝑊ℎ= 𝟐𝟗𝟒𝟑
€
𝒂𝒏𝒏𝒐
In questo caso, dunque, occorre valutare l’installazione di un diaframma caratterizzato da
una perdita di carico localizzata inferiore rispetto a quella proposta (981 Pa) analizzando
la riduzione dei costi operativi annuali e l’aumento dell’investimento iniziale.
Perdite di carico
22/121
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
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
23/121
Il diametro di una tubazione: diametro nominale e pollici
In idraulica il diametro nominale (simbolo DN) è un valore convenzionale con cui vengono
individuati componenti idraulici quali tubazioni, flange, valvole.
Tale diametro, a seconda del materiale, viene dimensionato in funzione del diametro interno od
esterno.
Se il componente idraulico è dimensionato in funzione del suo diametro interno standardizzato
si fa riferimento alla serie DN/ID (standard dimensionali basati sui diametri interni). Se invece è
dimensionato in funzione del suo diametro esterno standardizzato viene riferito alla
serie DN/OD. Il costruttore deve indicare se il DN si riferisce alla serie DN/ID o DN/OD.
In generale per le tubazioni vale la seguente convenzione:
• ghisa sferoidale: DN/ID
• gres: DN/ID
• fibrocemento: DN/ID
• plastiche (PVC, PEAD): DN/OD
• acciaio: DN/ID
Il pollice cui si fa riferimento nei diametri delle tubazioni («pollice gas»)non è lo stesso utilizzato
nel sistema di misura anglosassone, ovvero non vale 25,4 mm.
Diametro e spessore di una tubazione
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La designazione «pollice gas»
La designazione «pollice gas» deriva dal passato ed in
particolare dalle prime condotte per la distribuzione del gas.
Le prime condotte da 1’’, infatti, presentavano effettivamente un
diametro interno pari a 25,4 mm ed un diametro esterno pari a
33,7 mm (spessore pari a 4,15 mm).
Nel corso degli anni, tuttavia, lo sviluppo tecnico di materiali più
prestazionali e di nuove tecniche di realizzazione hanno reso
possibile la riduzione degli spessori, consentendo di:
• Ridurre il diametro esterno a parità di diametro interno, o
• Aumentare il diametro interno a parità di diametro esterno
La scelta ricadde sull’aumento del diametro interno in quanto la
scelta di ridurre il diametro esterno avrebbe comportato la
necessità di modificare anche la raccorderia, essendo il
collegamento tubo-raccordo del tipo maschio-femmina in cui il
tubo si innesta all’interno del raccordo.
Per questo motivo, per indicare le dimensione della tubatura si
è introdotto il termine pollice gas.
Tubo Raccordo
Diametro e spessore di una tubazione
25/121
Lo spessore della tubazione: il numero di schedula
Anche i componenti non plastici possono essere dimensionati in funzione del diametro esterno.
Per risalire al diametro interno si fa quindi riferimento allo spessore del tubo, progettato in
funzione della pressione interna a cui è soggetto il componente meccanico in accordo alle
normative tecniche di riferimento.
Il numero di schedula, schedule number (sch) nella dizione anglosassone fornisce
un'informazione sulla pressione interna che la tubazione può sostenere, secondo la normativa
americana ANSI. (La normativa italiana UNI, fa riferimento invece alla pressione nominale).
La dicitura Standard (Std), Extra Strong (XS) e Double Extra Strong (XXS) che troviamo nelle
tabelle seguenti fa riferimento invece alla vecchia normativa (del 1927).
(Valori degli spessori espressi in mm)
Diametro e spessore di una tubazione
26/121
Il numero di schedula
Come riportato dall’ASME B36.10M-1996 ”Welded and Seamless Througth Steel Pipe”, nel marzo del
1927, l'American Standards Association promosse l’organizzazione di un tavolo tecnico settoriale per
uniformare le dimensioni e il materiale utilizzato nella produzione di tubi in acciaio e ghisa. In particolare il
primo incontro si tenne a Pittsburgh (Pennsylvania) il 18 maggio 1928.
L’intento all’origine della attività di standardizzazione era quello di stabilire una relazione fra diametro e
spessore tale da garantire per ciascun numero di schedula (SCH) il soddisfacimento della relazione:
𝑆𝐶𝐻 = 1000𝑝𝑖𝜏
• pi è la pressione interna in [psi]
• 𝜏 è la tensione massima ammissibile dal materiale alla temperatura operativa in [psi]
Il numero di Schedula (SCH) è dunque un numero adimensionale.
Diametro e spessore di una tubazione
27/121
Il numero di schedula
In particolare la volontà era quella di uniformare i valori di spessore e diametro in accordo alla formula di
Barlow modificata:
𝑠 =𝑝𝑖𝐷𝑖
2τ+ 𝑐 × 1 + 𝑎
• s è lo spessore del tubo, (in)
• pi è la pressione interna, in (psi)
• 𝜏 è la tensione massima ammissibile dal materiale a temperatura operativa, (psi)• s è lo spessore della tubazione, (in)
• c è il sovraspessore di corrosione, (in)
• Di il diametro interno della tubazione, (in)
• a è il coefficiente di sicurezza per tener conto delle tolleranze di produzione, assunto pari a 12,5%
Questo intento si scontrò tuttavia con i valori di spessore e diametro dei tubi presenti sul mercato che
derivavano dall’esperienza dei singoli produttori.
Modificare tali valori in accordo alle equazioni di cui sopra avrebbe dunque comportato un grandissimo
sforzo da parte dell’industria del settore che non si ritenne sostenibile.
Diametro e spessore di una tubazione
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Tubi di acciaio: diametri e spessori (schedule)
(Valori espressi in mm)
Diametro e spessore di una tubazione
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Il numero di schedula: la scelta
Per scegliere il numero di schedula di una tubazione, occorre seguire il seguente procedimento:
1. Identificazione delle condizioni operative:
1. Tipo di fluido: in funzione della tipologia di fluido si dovranno effettuare considerazioni differenti
relativamente per esempio a fenomeni di corrosione.
2. Pressione operativa: lo stress meccanico della condotta è proporzionale alla pressione del fluido
all’interno
3. Temperatura operativa: Le caratteristiche prestazioni dei materiali quali per esempio la tensione
massima ammissibile è funzione della temperatura operativa attesa.
2. Caratteristiche della condotta:
1. Diametro della condotta: dai calcoli fluidodinamici è possibile identificare il diametro minimo
richiesto per trasportare una certa portata di fluido
2. Materiale: in funzione del materiale si avrà una tensione massima ammissibile differente
3. Metodo di realizzazione: la condotta può essere realizzata in diversi modi ed in funzione della
tipologia applicata si dovranno applicare coefficienti di derating per tener conto, per esempio, di
eventuali difetti di realizzazione.
4. Tolleranze dimensionali: il produttore garantisce valori per le tolleranze dimensionali che devono
essere tenuti in considerazione
3. Identificazione della norma di riferimento per il calcolo dello spessore: in funzione della specifica
applicazione, si adotterà la norma che meglio si adatta.
Diametro e spessore di una tubazione
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Il numero di schedula: la scelta
Esempio
Si vuole calcolare 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 =𝑝𝑖𝐷𝑖2τ
+ 𝑐 × 1 + 𝑎
• s è lo spessore in (in)
• pi è la pressione interna: 13 bar ≈ 188,5 psi
• 𝜏 è la tensione massima ammissibile dal materiale alla temperatura operativa: 1034 bar ≈15000 psi• Di il diametro interno della tubazione: 3’’
• c è il sovraspessore di corrosione: 0,062 in
• a è il coefficiente di sicurezza per tener conto delle tolleranze di produzione: 12,5%.
Con i dati a disposizione si calcola:
𝑠 =188,5 × 3
2 × 15000+ 0.062 × 1 + 12.5% = 0.091 𝑖𝑛
Diametro e spessore di una tubazione
31/121
Il numero di schedula: la scelta
Esempio
𝑠 =188,5 × 3
2 × 15000+ 0.062 × 1 + 12.5% = 0.091 𝑖𝑛 = 2,31 𝑚𝑚
Si sceglierà un tubo schedula 40 essendo la tipologia che presenta uno spessore immediatamente
superiore a quanto calcolato.
• Spessore calcolato (formula di Barlow modificata), s: 2,31 mm
• Spessore tubo 3’’, schedula 40 (da tabella sotto): 5,49 mm
Diametro e spessore di una tubazione
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Tabella comparativa diametri esterni delle tubazioni
Diametro e spessore di una tubazione
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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) .
Diametro e spessore di una tubazione
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Tabella comparativa diametri interni delle tubazioni
• SN (Nominal Stiffness) in [N/mm^2] rappresenta la resistenza allo schiacciamento della condotta: infatti in assenza di pressione all’interno la condotta può
subire deformazioni a causa del peso del terreno sovrastante o della presenza di carichi stradali.
𝑆𝑁 =𝐸 × 𝐼
𝐷3
Dove E è il modulo di Young del materiale (N/mm^2), I è il momento di inerzia (mm^4/mm) e D è il diametro della condotta (mm). Maggiore è dunque SN
maggiore è il carico esterno che la condotta può sostenere.
Diametro e spessore di una tubazione
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
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Generalità delle valvole
Organi di intercettazione e regolazione (valvole)
Col nome di organi di intercettazione e regolazione si intendono tutti quei
dispositivi, detti comunemente valvole, che hanno la funzione di intercettare o
regolare il flusso dei fluidi nelle tubazioni.
Questi dispositivi sono realizzati nelle forme e nei materiali più svariati ed è quindi
importante sceglierne il tipo più adatto in relazione alle caratteristiche d'impiego.
Nello sviluppo di un progetto di impianto questa scelta occupa un posto quanto mai
importante perché la conduzione dell'impianto, essendo effettuata in gran parte
mediante manovre eseguite dalle valvole installate sul piping, dipende essenzialmente
dalle loro prestazioni.
37/121
Organi di intercettazione e regolazione (valvole)
Le valvole possono essere classificate a seconda del tipo di attuatore:
• Valvola manuale;
• Valvola automatica: attuatore di tipo elettrico, pneumatico, idraulico,
elettropneumatico, elettroidraulico, ad azione diretta del fluido (valvola di non
ritorno a clapet);
Le valvole possono essere classificate anche per il tipo di funzione:
- Valvola di intercettazione: la funzione è quella di favorire il completo passaggio
del fluido (valvola aperta) o l’arresto del fluido (valvola chiusa).
- Valvola di regolazione: l’otturatore varia la propria posizione tra quelle di chiusura
e apertura. Così facendo, è possibile variare pressione e portata del fluido.
- Altre valvole: Valvola unidirezionale (valvola di non ritorno)
Valvola di sicurezza
…
Generalità delle valvole
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
39/121
Valvole di intercettazione: valvole a saracinesca
P&I
Valvole di intercettazione
Sono caratterizzate da:
• Movimento dell’otturatore perpendicolare rispetto al passaggio del cuneo
• L’otturatore può essere metallico o gommato in funzione dell’applicazione
• modalità di regolazione
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Perdite di carico generate dalla valvola
• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)
https://www.youtube.com/watch?v=iu55OzM8rUU40/121
Valvole di intercettazione: valvole a sfera
P&I
Sono caratterizzate da:
• Tenuta realizzata mediante una sfera che, ruotando, comprime le guarnizioni poste sul corpo
valvola
• Numerose tipologie in funzione della forma costruttiva e dei materiali impiegati
• Perdite di carico contenute
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Perdite di carico generate dalla valvola
• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)
https://www.youtube.com/watch?v=mWXjvVMvz6Q
Valvole di intercettazione
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Valvole di intercettazione: valvole a globo
Sono caratterizzate da:
• Corpo sferico con le due metà separate da un deflettore;
• Tenuta elevata e duratura nel tempo
Criteri di scelta:
• Caratteristiche fluido elaborato (pressione, portata, temperatura, tipologia)
• Perdite di carico generate dalla valvola
• Spinta tra monte e valle della valvola (con relativi problemi di tenuta)
https://www.youtube.com/watch?v=SkzzII-gzEk
P&I
Valvole di intercettazione
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
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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
Valvole di regolazione
Variando x si va a variare
ξ: quindi, regolando x
posso regolare la
velocità V (e quindi la
portata volumetrica) e/o
la perdita di carico Δp (e
quindi la pressione).
∆𝒑 = ξ𝝆𝑽𝟐
𝟐
x: alzata dell’otturatore
d: diametro interno della tubazione
ξ: coefficiente perdita concentrata
Δp: perdita di carico sulla valvola
V: velocità del fluido
ρ: densità del fluido
ξ = 1.55 x^(-2) + 4.7 x – 6
R^2 = 0,997
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Valvola a flusso avviato
In questo tipo di valvola il movimento dell'otturatore è
perpendicolare alla direzione di passaggio convenzionale
del fluido nella valvola.
A tale scopo i condotti interni della valvola sono sagomati in
modo da guidare il fluido verso la parte inferiore
dell'otturatore, cioè con senso dal basso verso l'alto, oppure
verso la parte superiore, cioè con senso dall’alto verso il
basso, facendogli comunque compiere una curva di circa 120°
ed inviarlo con un'altra curva di 120°, verso la sezione di
uscita.
Pertanto, le valvole a flusso avviato presentano un percorso
del fluido sinuoso e con frequenti cambiamenti dell'area
della sezione di passaggio. D’altro canto, la valvola risulta
compatta ed ha ridotti ingombri in senso longitudinale alla
tubazione.
Valvole di regolazione
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Valvola a flusso libero
In questo tipo di valvole il movimento dell'otturatore è
inclinato a 45° rispetto al senso di passaggio
convenzionale del fluido nella valvola.
Questa soluzione, applicabile solo a valvole a via diritta,
consente di ridurre in misura rilevante le perdite di
carico, evitando totalmente i cambiamenti di direzione e
riducendo le variazioni di sezione. A completa apertura,
le valvole di questo tipo presentano un passaggio
pressoché rettilineo.
Ciò offre anche la possibilità di ispezionare la linea oltre
la valvola senza doverla rimuovere e di poter introdurre
sonde o altri attrezzi attraverso la valvola stessa.
Di contro, la presenza dell’otturatore inclinato aumenta
notevolmente l’ingombro della valvola in senso
longitudinale alla tubazione.
Valvole di regolazione
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Valvola a flusso avviato vs. Valvola a flusso libero
Valvole di regolazione
Valvola a flusso avviato
ξ = 3-4
Valvola a flusso libero
ξ = 1-2
Sezione passaggio: S=π*d*H
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Valvole di regolazione
Architettura
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Valvole di regolazione
Corpo valvola: è la struttura principale della valvola, in cui
sono ricavati i passaggi destinati allo scorrimento del fluido.
Cappello: chiude l'apertura attraverso la quale vengono
introdotti nel corpo valvola gli organi interni della valvola
(otturatore e sede di tenuta) e gli organi destinati al comando
dell'otturatore.
Stelo: è l’elemento di comando dell'otturatore. Passa
attraverso il cappello e deve essere dotato di un sistema di
tenuta (treccia e premistoppa).
Otturatore: è il componente mobile, solidale allo stelo, che
modifica la sezione di passaggio del fluido fino a
chiuderla/aprirla totalmente.
Sede di tenuta: componente solidale col corpo della valvola
(al quale è collegato solitamente mediante filettatura). Al
termine della sua corsa l'otturatore si appoggia sulla sede di
tenuta, determinando l’intercettazione del flusso attraverso la
valvola.
Attuatore: dispositivo atto a generare il movimento dello
stelo. In Figura è mostrato un attuatore penumatico ma
potrebbe anche essere elettrico oppure di tipo manuale
(volantino)
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
I tipi fondamentali dei corpi valvola sono due: i) a seggio singolo e ii) a doppio
seggio.
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Seggio singolo: Quando è richiesta una tenuta ottima è necessario impiegare valvole
a seggio singolo, per le quali la perdita di fluido a valvola chiusa è inferiore allo
0,01% della capacità nominale.
Nelle valvole a seggio singolo sorge però il problema dello squilibrio provocato
sull’otturatore dal differenziale di pressione fra monte e valle che normalmente viene
calcolato moltiplicando l’area del seggio per la differenza massima di pressione tra
l’ingresso e l’uscita della valvola.
Per evitare il fenomeno del trascinamento ed urto in chiusura le valvole a seggio
singolo vengono installate con flusso tendente ad aprire l’otturatore.
A volte le spinte esercitate dalla differenza di pressione sull’otturatore sono di tale
entità che il servomotore standard non può superarle. In alcuni casi, dunque, vengono
previste delle molle di forza sufficiente a contrastare la spinta che la pressione
d’ingresso esercita sull’otturatore. Si possono inoltre adottare valvole con trim
bilanciato. Con il termine trim si fa riferimento a tutte le parti interne rimuovibile e
rimpiazzabili della valvola che sono in contatto con il fluido di processo.
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Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Seggio singolo – trim bilanciato
Nel caso in cui si debba installare una valvola
caratterizzata da un’elevata differenza di pressione
fra monte e valle o da sedi di dimensione elevata,
l’utilizzo di valvole a trim bilanciato consente di
ridurre la spinta richiesta e dunque la taglia degli
attuatori.
Nel caso riportato a fianco, il bilanciamento
avviene mediante fori di equalizzazione. Attraverso
i fori si ha il passaggio del fluido di processo. La
differenza di pressione che agisce sui due lati
dell’otturatore è equilibrata. Come si osserva dalla
figura a fianco il passaggio di fluido attorno
all’otturatore è evitato grazie alla presenza di o-ring
di tenuta.
Il passaggio di fluido attraverso il foro
consente il raggiungimento dell’equilibrio
di pressione fra i due ambienti
Foro di
equilibramento
p1
p1
p1
p2
p1 > p2
Immagine tratta da Spirax Sarco 52/121
Valvole di regolazione
Valvola a doppio seggio
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Valvole di regolazioneIl corpo valvola
Doppio seggio: Nelle valvola a doppio seggio le spinte esercitate sui due funghi dalla
differenza di pressione del fluido si annullano quasi totalmente per cui è richiesta una
forza minima di comando. D’altro canto, a causa della differenza delle dilatazioni
termiche tra corpo e otturatore nonché delle deformazioni elastiche dovute alla
pressione, diventa difficile ottenere una tenuta perfetta su entrambi i funghi a
valvola chiusa con normali superfici metalliche.
Per le valvole a doppio seggio è ammesso un trafilamento dello 0,5% della portata
di progetto.
Poiché l’otturatore a doppio fungo bilancia quasi interamente gli squilibri dovuti al
differenziale di pressione del fluido, le valvole a doppio seggio generalmente non
richiedono servomotori maggiorati anche con alte pressioni differenziali.
Pertanto, qualora venga richiesta la tenuta perfetta, e tuttavia, a causa del forte
differenziale di pressione, i servomotori disponibili non hanno potenza sufficiente ad
azionare valvole a seggio singolo, si dovranno impiegare valvole a doppio seggio nelle
quali la tenuta viene migliorata con inserti di materiale atti a sigillare il contatto sede-
otturatore, sempreché la temperatura e la pressione di esercizio lo permettano.
54/121
Valvole di regolazione
Il corpo valvola
Dal punto di vista realizzativo, solitamente si cerca di costruire gli orifici interni di
diametro uguale al diametro nominale della valvola (attacco flange) per poter
elaborare la portata maggiore possibile.
Si possono, tuttavia, trovare valvole con un corpo ed attacchi di diametro superiore a
quello richiesto per la sede dell’otturatore: si tratta di valvole a passaggio ridotto.
L’impiego di valvole a passaggio ridotto può essere determinato dall’esigenza di una
maggiore resistenza meccanica alle sollecitazioni esterne (tubazioni, flange, ecc…),
minore velocità del fluido in ingresso e uscita, nonché dalla previsione di aumentare la
potenzialità dell’impianto, per il quale sarà sufficiente sostituire gli organi interni con
altri di maggior diametro.
Comunemente i minimi diametri di sede applicabili corrispondono al 50% del diametro
nominale di valvola.
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Valvole di regolazioneTrafilamento di una valvola
Le valvole sono classificate in funzione del minimo trafilamento ad otturatore chiuso.
In particolare, in accordo alla normativa IEC 60534-4:2017 “Industrial-process control
valves. Part 4: Inspection and routine testing”, le valvole devono essere classificate
in accordo ad un codice a tre cifre (tabella).
X X X
Leakage class:
I, II, III, IV, V o VI
Fluido utilizzato
per il test:
G: aria o azoto
L: acqua
Procedura
utilizzata per il
test:
1 o 2
Il codice riporta i) la classificazione della valvola (codice da I a VI, crescente
all’aumentare delle prestazioni in termini di tenuta), ii) il fluido utilizzato nel test di
prova, iii) la procedura utilizzata per verificare la tenuta della valvola.
56/118
Valvole di regolazioneTrafilamento di una valvola
IEC 60534-4:2017 “Industrial-process control valves.
Part 4: Inspection and routine testing”
Sezione 5: Seat leak test
Fluidi utilizzabili per i test:
L: acqua
G: aria o azoto
Test procedure 1:
• Verificare che il circuito a valle della valvola sia collegato all’atmosfera
e/o ad uno strumento per la misura di portata che determini una ridotta
contro-pressione allo scarico (low head-loss device)
• Portare l’otturatore in posizione di chiusura
• Applicare una pressione compresa fra 3 barg e 4 barg (o una pressione
compresa fra ±5% della massima differenza di pressione fra monte e valle della valvola nel caso in cui questa sia inferiore a 3,5 bar)
all’ingresso della valvola
• Misurare la portata di trafilamento
Test procedure 2:
• Verificare che il circuito a valle della valvola sia collegato all’atmosfera
e/o ad uno strumento per la misura di portata che determini una ridotta
contro-pressione allo scarico (low head-loss device)
• Portare l’otturatore in posizione di chiusura
• Applicare una differenza di pressione fra monte e valle della valvola
compresa fra ±5% della massima differenza di pressione operativa
garantita dal costruttore della valvola
• Misurare la portata di trafilamento
Rated valve capacity (m3/h): è la portata della valvola nelle condizioni di ∆p e
fluido utilizzate nella prova
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Valvole di regolazioneTrafilamento di una valvola: scelta del materiale di tenuta
Uno degli elementi progettuali fondamentali per la tenuta della valvola è la scelta del
materiale di tenuta. Da questo, oltre che dalle condizioni operative specifiche, dipenderà la vita
operativa della valvola.
In commercio, tuttavia, sono presenti numerosi materiali la cui scelta dipende dalle condizioni
operative.
Grafico tratto da catalogo Australian Pipeline Valve.
https://www.australianpipelinevalve.com.au/lib/Pdf/ValveSeatSealMaterialsandService
Types.pdf
Conversioni:
Pressione:
14,5 psi ≈ 1 bar
Temperatura:
°C = (°F * 1,8) + 32
Le linee indicate con Class 300 WCB (Wrought
Carbon" with Grade B), Class 300 CF8M
(C=Corrosion resistant, F=è la posizione
approssimativa sul diagramma ternario ferro-
cromo-nichel (FeCrNi) e indica il contenuto di
ferro, cromo e nichel; 8=rappresenta il massimo
contenuto di carbonio (i.e. 0,08%), M=indica la
presenza di molibdeno), fanno riferimento al
corpo valvola. Lo stesso vale per le Classi 150.
È da sottolineare che il termine Class 300
(definito nelle norme ANSI) non indica la
pressione a cui può resistere la valvola.
58/118
https://www.australianpipelinevalve.com.au/lib/Pdf/ValveSeatSealMaterialsandServiceTypes.pdf
Valvole di regolazioneTrafilamento di una valvola: scelta del materiale di tenuta
Di seguito si riporta una lista (non esaustiva) dei principali materiali:
• BUNA-N. Si tratta di un materiale polimerico che presenta buone prestazione chimiche e meccaniche nel caso di
utilizzo con oli, acqua, e fluidi idraulici. Non è consigliato in in presenza di idrocarburi clorurati e chetoni.
• DELRIN. Si tratta di un materiale estremamente rigido che può resistere fino a pressioni di circa 400 bar (6000 psi) a
meno di derating in funzione della temperatura di esercizio, compresa fra [-57; 82] °C. Non è consigliato il suo utilizzo in
quelle applicazioni che prevedono un flusso di ossigeno o vapore.
• EPDM. È un polimero ottenuto dalla copolimerizzazione di etilene, propilene e da un terzo monomero rappresentato da
un diene. Questo materiale ha una buona resistenza all’abrasione e al taglio, offrendo al contempo una buona
resistenza chimica rispetto ad un ampio range di fluidi acidi e basici. Tuttavia, non è suggerito in quelle applicazioni in
cui il fluido operativo è costituito da idrocarburi, acidi o basi forti e negli impianti di aria compressa. Le temperature
operative suggerite sono comprese fra [-29; 107] °C
• METALLO SU METALLO. Le tenute di questo tipo sono raccomandate laddove sono presenti condizioni di lavoro
estremamente gravose ed in presenza di fluidi altamente abrasivi.
• NEOPRENE. Questo materiale è utilizzato principalmente nell’industria della carta e non è raccomandato in quelle
applicazioni che prevedano l’utilizzo di acidi ossidanti, esteri, solventi clorurati, chetoni, idrocarburi aromatici e fluidi
idraulici. Le temperature operative sono comprese fra [-29; 82] °C.
• NYLON. Questo materiale viene solitamente utilizzato in impianti ad aria compressa e nel caso in cui il fluido operativo
veda la presenza di idrocarburi. Non è utilizzabile in presenza di forti agenti ossidanti. L’intervallo di temperature
operative è compreso fra [-34; 93] °C.
• PEEK (Polietereterchetone). Si tratta di un materiale termoplastico che garantisce elevate prestazioni di tenuta in un
ampio range di condizioni operative. Infatti gli unici fluidi che possono determinare una degradazione del materiale
sono quelli ad alto contenuto di acido nitrico e solforico. Inoltre, offre un’elevata resistenza all’abrasione e alla
corrosione e può essere utilizzato con vapore o acqua calda. Le temperature operative sono comprese nel range [-50;
315] °C. 59/118
Valvole di regolazioneTrafilamento di una valvola: scelta del materiale di tenuta
Di seguito si riporta una lista (non esaustiva) dei principali materiali:
• PTFE (Politetrafluoroetilene – Teflon). È il materiale plastico che offre maggiore resistenza chimica e dunque è
suggerito per applicazioni dove potrebbero esservi forti contaminazione (es. settore vernici e coloranti). Al contrario, le
proprietà meccaniche offerte sono inferiori a quelle di altri materiali plastici. Le temperature operative ammesse sono
comprese fra [-40; 204] °C.
• REINFORCED TFE. Per migliorare le proprietà meccaniche del teflon, si interviene aggiungendo fibra di vetro.
Ovviamente non indicato in tutte quelle applicazioni in cui il fluido operativo potrebbe deteriorare la fibra di vetro
(presenza di acido fluoridrico, e soluzioni caustiche). L’intervallo di temperatura operativo è compreso fra [-40; 232] °C
• METAL PTFE. Questo materiale combina le proprietà meccaniche del acciaio AISI 316 con il basso attrito della tenuta
in PTFE. Conseguentemente, le prestazioni in termini di resistenza all’abrasione sono migliori rispetto al Reinforced
TFE. I limiti operativi di temperatura sono compresi fra [-29; 288] °C
• CARBON PTFE. Si ottiene grazie all’aggiunta di polvere di carbonio e grafite. Fra le sue caratteristiche peculiari vi è il
ridotto coefficiente di dilatazione termica che lo rendono ideale per applicazioni con vapore e altri fluidi ad alta
temperatura fino a 302 °C.
60/118
Valvole di regolazione
Il premistoppa
Il premistoppa è il dispositivo che effettua la tenuta lungo lo stelo della valvola. Deve
dunque garantire una tenuta perfetta nei confronti dei prodotti che percorrono una
valvola.
Il premistoppa di una valvola viene guarnito con materiali diversi in base alle condizioni di
esercizio:
• Anelli in Teflon (standard). Questa
guarnitura non richiede il lubrificatore e
può essere impiegata con fluidi alla
temperatura massima di 230°C
• Anello grafitato costituito da una serie
di anelli impregnati di grafite, adatto per
temperature fino a 280°C; è richiesto il
lubrificatore.
61/121
Valvole di regolazione
Il premistoppa
• Fibre per alta temperature (sostitutive
dell’amianto).
• La fibra di carbonio e la grafite espansa sono utilizzate
nelle applicazioni dove si possono raggiungere alte
temperature fino a 450 °C ed oltre.
• Per basse temperature (inferiori a -5°C). Si usa una
prolunga distanziatrice di lunghezza adeguata per
permettere coibentazioni di grande spessore sulla
tubazione e l’eventuale riscaldamento del premistoppa
mediante appositi serpentini a vapore od altri elementi
riscaldanti
• Per fluidi pericolosi, tossici ed esplosivi e
comunque quando si voglia garantire l’assenza di
gocciolii anche in mancanza di manutenzione, si
impiegano soffietti metallici di tenuta sullo stelo,
onde evitare in modo assoluto perdite di fluido
attraverso il premistoppa.
62/121
Valvole di regolazione
L’otturatore
La valvola si può distinguere anche in base alla forma dell’otturatore. Le due principali
tipologie di otturatore sono:
Sagomando opportunamente la geometria dell’otturatore è infatti possibile
determinare la caratteristica di regolazione della valvola che, ricordiamo, è
determinata dalla variazione della portata (o della perdita di carico) in funzione della
corsa dell’otturatore. Di seguito sarà illustrato come la geometria dell’otturatore vada
ad influenzare la capacità di regolazione della valvola.
- Otturatore a disco: rappresenta il tipo più diffuso, e consente
una buona regolazione.
- Otturatore a spillo (o ad ago): questa tipologia, largamente
impiegata solo per piccoli diametri e per regolazioni precise, è
caratterizzata dalla forma conica o tronco conica
dell'otturatore. La forma dell'otturatore permette di ottenere
piccole variazioni della sezione di strozzamento della valvola
con grandi spostamenti dell'otturatore. Otturatore Sede di tenuta
Sede di
tenutaOtturatore
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Valvole di regolazione
Otturatore a piattello – ad apertura rapida
L’incremento della portata avviene quasi esclusivamente nella prima porzione di
apertura dell’otturatore dopo di che ulteriori incrementi della corsa determinano
aumenti di portata quasi trascurabili. Per questo motivo l’otturatore a piattello viene
anche detto otturatore ad apertura rapida.
Viene generalmente usato per controlli tutto-niente, in cui si desidera una portata
più o meno costante oltre un certo grado di apertura della valvola.
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Valvole di regolazione
Otturatore lineare
Con questo otturatore si ottiene la linearità tra la corsa dell’otturatore e la portata
che quindi risulta proporzionale al grado di apertura della valvola. Gli otturatori a
caratteristica lineare si usano quando la pressione differenziale in esercizio non
subisce apprezzabili variazioni oppure in processi con limitate variazioni di portata.
Il profilo dell’otturatore è normalmente di tipo parabolico.
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Valvole di regolazione
Otturatore equipercentuale
Con questo otturatore ad uguali incrementi della corsa di apertura corrisponde una
percentuale costante di aumento della portata a parità di pressione differenziale. Ad
esempio, passando da 37,5 a 55% (+17,5% corsa valvola), si passa dal 10 al 20% (portata)
cioè un incremento del 100%; da 55% a 72,5 % (ancora +17,5% corsa valvola) vado da 20 a
40% (+100%).
La valvola eroga così la maggior parte della portata nell’ultima frazione di apertura: gli
otturatori equipercentuali vengono usati nelle applicazioni in cui si ritiene opportuno, per motivi
di sicurezza, lasciare all’ultimo tratto di apertura della valvola gran parte dell’incremento di
portata.
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Valvole di regolazione
Caratteristiche tecniche – scelta dei materiali
E’ necessario un accurato dimensionamento del corpo valvola e dei vari organi per
prevenire dannose deformazioni causate dalla temperatura e dalla pressione del
fluido oltreché dagli sforzi meccanici trasmessi alla valvola dalle tubazioni.
Il dimensionamento delle parti viene effettuato anche in funzione delle dilatazioni
termiche onde garantire esatti accoppiamenti degli organi in movimento alle diverse
temperature di esercizio e compensare adeguatamente i diversi coefficienti di
dilatazione del corpo rispetto all’otturatore.
La resistenza all’usura nella sezione ristretta di passaggio tra otturatore e sede
di tenuta, dove il fluido può raggiungere velocità soniche, si ottiene con la stellitatura
(lega cobalto-cromo) delle superfici o con l’impiego di materiali di grande durezza
come acciaio inossidabile AISI 440C, carburo di tungsteno e altre leghe speciali. Sono
inoltre previste esecuzioni speciali utilizzabili in presenza di fenomeni di cavitazione o
per funzionamento con gas e vapori umidi responsabili di una rapida erosione delle
superfici.
67/121
Valvole di regolazione
Caratteristiche tecniche – il materiale
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Perdite di carico
Diametro e spessore di una tubazione
Agenda
Attuatori
Dimensionamento della valvola di regolazione
Valvole termostatiche
Valvole di intercettazione
Altre valvole
Valvole di regolazione
Generalità delle valvole
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
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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
Testata diretta Testata rovescia
Immagine tratta da Valve Handbook (Emerson)
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Attuatori
Testata diretta Testata rovescia
• Collegamento tra stelo e asta del diaframma. Tale
collegamento avviene mediante avvitamento diretto con
dado di bloccaggio in modo da poter agevolmente variare
la lunghezza dello stelo durante l’aggiustaggio della
corsa. Lo stelo trasferisce il movimento del diaframma
all’otturatore.
• Asta del diaframma, vite di aggiustaggio della molla e
vite di regolazione del premistoppa. Sono realizzati in
acciaio sottoposto a trattamento galvanico antiossidante
che conferisce all’acciaio una particolare colorazione
simile all’ottone.
• Disco indicatore della corsa. È realizzato in acciaio
inossidabile.
• Piastrina indicatrice della corsa. È realizzata in
alluminio anodizzato antiacido con graduazioni
millimetriche e con indicazione della posizione di apertura
e chiusura della valvola.
• Targhetta di identificazione. È realizzata in alluminio
anodizzato con i dati caratteristici della valvola, le sigle di
riferimento ed il numero di matricola.
Elementi costruttivi dei servomotori pneumatici
Immagine tratta da Valve Handbook (Emerson)
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Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Il servomotore o testata pneumatica ha la funzione di trasformare il segnale
pneumatico in un movimento uniforme e lineare dell’otturatore della valvola.
Viene costruito in due versioni: testata diretta e testata rovescia.
Testata diretta: l’aumento della pressione dell’aria sul
diaframma provoca il movimento dello stelo verso il basso
comprimendo la molla di contrasto. In mancanza di aria la molla
spinge lo stelo verso l’alto.
Testata inversa: la pressione dell’aria esercita una spinta al
disotto del diaframma e solleva lo stelo vincendo l’azione della
molla. Speciali guarnizioni “O-ring” che non richiedono
lubrificazione, garantiscono la perfetta tenuta di aria in
corrispondenza dell’asta di comando.
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Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
La scelta del servomotore a testata diretta o rovescia non
vincola le condizioni normali della valvola.
Infatti, per entrambe le tipologie di servomotore si può
avere un otturatore che apre (Fig. 2A) o chiude (Fig. 1B e
1A) abbassandosi.
Nel caso di testata diretta, in mancanza di aria l’otturatore
si alza trascinato dalla molla di contrasto. Nel caso,
invece, di testata rovescia, in mancanza di aria l’otturatore
si abbassa, sempre per effetto della presenza della molla
di contrasto.
La scelta della testata definisce il verso del
movimento dell’otturatore all’interno della sede.
Come opero la scelta? Dipende dalla applicazione!
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Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 1. Servomotore a testata diretta: otturatore che
chiude abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca
il movimento dello stelo verso il basso: poiché l’otturatore
chiude abbassandosi, in queste condizioni (servomotore
in pressione) la valvola è chiusa.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla
di contrasto trascina verso l’alto l’otturatore, lasciando
libera la sede al passaggio del fluido di processo.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è
aperta, questa è una valvola normalmente aperta (NA o
NO).
74/121
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 2. Servomotore a testata rovescia: otturatore che
chiude abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca
il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché l’otturatore
chiude abbassandosi, in queste condizioni la valvola è
aperta.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla
di contrasto trascina verso il basso l’otturatore,
intercettando il passaggio del fluido di processo attraverso
la sede della valvola.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è
chiusa, questa è una valvola normalmente chiusa (NC).
75/121
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 3. Servomotore a testata diretta: otturatore che apre
abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca
il movimento dello stelo verso il basso. Poiché l’otturatore
apre abbassandosi, in queste condizioni la valvola è
aperta.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla
di contrasto trascina verso l’alto l’otturatore, intercettando
il passaggio del fluido di processo attraverso la sede della
valvola.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è
chiusa, questa è una valvola normalmente chiusa (NC).
76/121
Attuatori
Servomotore a diaframma – azionamento pneumatico
Caso 4. Servomotore a testata rovescia: otturatore che
apre abbassandosi
La presenza di aria in pressione sul servomotore provoca
il movimento dello stelo verso l’alto. Poiché l’otturatore
apre abbassandosi, in queste condizioni la valvola è
chiusa.
Invece, in assenza di aria (condizione normale) la molla
di contrasto trascina verso il basso l’otturatore, lasciando
libero il passaggio del fluido di processo attraverso la sede
della valvola.
Di conseguenza, poiché in condizioni normali la valvola è
aperta, questa è una valvola normalmente aperta (NA o
NO).
Valvola a sede doppiaValvola a sede doppia
77/121
Attuatori
Valvola a tre vie: deviatrici e miscelatrici
Testata diretta
(Se manca l’aria apro
la via diretta e chiudo
la via squadra)
Testata inversa
(Se manca l’aria
chiudo la via diretta e
apro la via squadra)
Testata diretta
(Se manca l’aria
chiudo la via diretta e
apro la via squadra)
Testata inversa
(Se manca l’aria
chiudo la via diretta e
apro la via squadra)78/121
Attuatori
Servomotore elettroidraulico
(Testata diretta, Valvola normalmente chiusa => Valvola solenoide (5) normalmente aperta)79/121
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
80/121
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
81/121
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
82/121
Esploso di elettrovalvola Elettrovalvola con servo comando
a pistone
VE3
Attuatori
83/121
Va
ria
zio
ne
pe
rce
ntu
ale
da
lla p
osiz
ion
e in
izia
le, [%
]
A B
63%
100%
Corsa di una valvolaIl concetto di corsa di una valvola
La corsa di una valvola rappresenta lo spostamento dell’otturatore dalla posizione di
chiusura. Associato al concetto di corsa della valvola, e di fondamentale importanza per
garantire il controllo ottimale di un impianto vi è quello di tempo di risposta della valvola da
cui è possibile derivare il concetto di velocità di intervento della valvola come rapporto fra
corsa e tempo di risposta.
Il tempo di risposta di una valvola, in gergo
tecnico è indicato con T63. Tale sigla identifica
l’intervallo di tempo misurato dal momento in
cui è arrivato il segnale di variazione della
corsa all’attuatore della valvola (A) al momento
in cui la corsa ha raggiunto il 63% della
variazione richiesta dal segnale (B).
Con riferimento al grafico (asse dei tempi in
ascissa) si ha:
TA = t0 = 0 (arrivo del segnale di variazione della corsa)
TB = Tr + Ts (la corsa ha raggiunto il 63% del valore richiesto dalla regolazione)
Tr e Ts sono rispettivamente indicati con la terminologia di tempo morto (Tr) e costante di tempo della
valvola (Ts) e sono valori caratteristici di ciascuna valvola. 84/112
Va
ria
zio
ne
pe
rce
ntu
ale
da
lla p
osiz
ion
e in
izia
le, [%
]
A B
63%
100%
Il concetto di tempo di risposta di una valvola: il tempo morto
Il tempo morto di una valvola (Tr) è l’intervallo di
tempo dopo il quale, ricevuto il segnale, la valvola
inizia a modificare la propria corsa. Questo è
principalmente dovuto agli attriti negli elementi
interni della valvola
La costante di tempo della valvola, invece,
dipende dalla potenza erogata all’attuatore per
la variazione della corsa.
Consideriamo come caso di esempio un attuatore
pneumatico che riceve un segnale (aria
compressa) da un regolatore pneumatico.
È chiaro che a parità del volume della camera
dell’attuatore da riempire, la costante di tempo
della valvola aumenta al diminuire della portata di
aria compressa (e dunque della potenza) di
attuazione.
Tanto maggiore è la potenza erogata all’attuatore e tanto
maggiore risulta la velocità di intervento della valvola
Corsa di una valvola
85/112
Il concetto di corsa di una valvola
Per comprendere meglio il concetto si propone il seguente esempio per spiegarne il
concetto:
Assumiamo di dover regolare un processo
andando a modificare il grado di apertura di
una valvola V.
Per lo scopo, un regolatore R invia un
segnale regolante all’attuatore della valvola in
funzione del segnale ricevuto dall’elemento di
misura E. Il regolatore a sua volta è
alimentato con un segnale di potenza.
Assumiamo che il processo sia caratterizzato
da un’elevata velocità di risposta.
Per lo scopo si sceglie di adottare una
regolazione che richieda un’elevata velocità di
intervento della valvola. Per lo scopo il
regolatore è predisposto per un controllo di
tipo proporzionale-integrale-derivativa (PID).
ProcessoValvola di regolazione
Corsa di una valvola
86/112
Il concetto di corsa di una valvola
Sempre a titolo di esempio, ipotizziamo che il processo
abbia un tempo di risposta pari 15 sec, ossia il tempo
impiegato per reagire in conseguenza alla variazione di
corsa della valvola (curva a grafico a fianco).
Ipotizziamo inoltre che la valvola per modificare il
proprio grado di apertura da una posizione inziale (0%)
ad una posizione finale (100%) impieghi nel caso «b»
10 sec (curva b), mentre nel caso «c» 2 sec (curva c).
L’azione della valvola con tempo di risposta 10 sec
dunque avrà un effetto diverso sul processo rispetto a
quella da 2 secondi.
L’azione combinata di valvola e processo (figura sotto),
mostra l’importanza di una velocità di risposta della
valvola elevata. Per esempio nel caso di utilizzo di una
valvola con tempo di risposta da 2sec, l’azione
combinata raggiunge il 63% della variazione rispetto
alla condizione iniziale dopo 17 sec, mentre nel caso di
valvola con tempo di risposta da 10 sec, si assiste alla
stessa variazione dopo 25 sec.
Dunque è così spiegata l’importanza della potenza
erogata all’attuatore della valvola.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Var
iazi
on
e p
erce
ntu
ale
risp
etto
allo
sta
to
iniz
iale
, [%
]
Tempo, [s]
Curva a - processo 15 sec. Curva b - Valve 10 sec Curva c - Valve 2 sec.
63%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Var
iazi
on
e p
erce
ntu
ale
risp
etto
allo
sta
to
iniz
iale
, [%
]
Tempo, [s]
Risposta combinata processo + valvola da 10 sec
Risposta combinata processo + valvola da 2 sec
Curva a - processo 15 sec.
63%
Corsa di una valvola
87/112
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
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
88/121
Dimensionamento della valvola di regolazione
1) Scelta dell’otturatore
89/121
2) Scelta del corpo valvola
La scelta viene effettuata usando il coefficiente di portata Kv, che nel caso dei liquidi
si può scrivere:
CV: in unità americane, rappresenta la quantità di acqua a 15 °C in galloni USA che
passa in un minuto attraverso la valvola aperta con una pressione differenziale
di 1 psi (1 gallone = 3,785 x10-3 m3, 1 psi = 703,1 mm c.a.).
Kv: nel sistema di misura internazionale, definito come la portata di acqua a 15°C in
metri cubi che passa in 1 ora attraverso la valvola aperta con una pressione
differenziale di 1 bar.
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝐊𝐯 =𝐐 ρ
∆𝐩= 𝟎, 𝟖𝟓𝟓 × 𝐂𝐕
Q: portata in m3/h;
ρ: densità in kg/dm3;
Δp: differenza di pressione tra monte e valle in bar.
90/121
Determinazione del coefficiente Kv (per fluidi incomprimibili)
Q: portata in m3/h;
ρ: densità in kg/dm3;
Δp: differenza di pressione in bar.
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝐊𝐯 =𝐐 ρ
∆𝐩
Nel caso di utilizzo di liquidi viscosi
occorre moltiplicare il CV ottenuto
per un fattore correttivo che
dipende dalla viscosità del fluido
(gradi Engler).
Viscosità, [°E] Fattore di correzione
2 1,06
5 1,18
10 1,28
15 1,32
Viscosità, [°E] Fattore di correzione
30 1,38
50 1,47
100 1,60
150 1,68
H,
alte
zza
co
lon
na d
’acqu
a, [m
]
𝐻 =100000
𝜌𝑔=
100000
9,8067 × 1000= 10,2 𝑚
91/121
Determinazione del coefficiente Kv (fluidi comprimibili)
Vapor d’acqua saturo, P2>58%P1m: portata in kg/h;
Δp: differenza di pressione in bar;
P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.
Dimensionamento della valvola di regolazione
𝐊𝐯 =𝐦
∆𝐩 ∙ 𝐏𝟏∙
𝟏
𝟏𝟖, 𝟎𝟓
Vapor d’acqua saturo, P255%P1m: portata in kg/h;
FS: fattore di correzione;
Δp: differenza di pressione in bar;
P1: pressione assoluta del vapore in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del vapore in uscita in bar.
𝐊𝐯 =𝐦
∆𝐩 ∙ 𝐏𝟏∙
𝐅𝐒𝟏𝟕, 𝟒𝟒
92/121
Determinazione del coefficiente Kv (fluidi comprimibili)
Dimensionamento della valvola di regolazione
Vapor d’acqua surriscaldato, P253%P1Qn: portata in Nm
3/h;
Δp: differenza di pressione in bar;
k: densità relativa all’aria (aria=1);
T: temperatura assoluta del fluido in K;
P1: pressione assoluta del gas in ingresso in bar;
P2: pressione assoluta del gas in uscita in bar.
𝐊𝐯 =𝐐𝐧
∆𝐩 ∙ 𝐏𝟐∙
𝐓 ∙ 𝐤
𝟒𝟖𝟎, 𝟒
Aria e gas, P2
Lineare
Piattello
Il KV calcolato tramite l’equazione precedente viene confrontato con il valore riportato sul catalogo e che identifica
ciascuna valvola. Qualora non si riesca a trovare un valore coincidente con il KV, bisogna selezionare la valvola
con il KV il più possibile vicino (di solito superiore) al KV calcolato, detto KVs tenendo in considerazione le
necessità dell’applicazione specifica.
Dimensionamento della valvola di regolazione
Scelta della valvola – esempio dati
𝟏𝟎′′
94/121
Dimensionamento della valvola di regolazione
Dimensionamento seggio della valvola
Una volta noti la caratteristica del corpo valvola (sede
semplice, sede doppia, tre vie miscelatrici, etc.), il tipo di
otturatore e il CV della valvola è possibile attraverso
schede tecniche, come quella riportata in tabella,
individuare il diametro nominale del seggio della
valvola.
Noto il diametro del seggio e nota la pressione
differenziale sul seggio è possibile calcolare la spinta
massima sullo stelo esercitata dal fluido e quindi
dimensionare il servomotore a diaframma.
Legenda:
• EQP = equipercentuale profilato;
• PL = parabolico lineare;
• PT = piattello (apertura rapida);
• MFP = microflussioprofilato;
• MFS = microflusso a sgusci;
• LV = otturatore parabolico lineare a V 95/121
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…
96/121
Dimensionamento della valvola di regolazione
Dimensionamento di una valvola a sede
semplice, N.A. con otturatore P.L. che chiude
abbassandosi
(servomotore a testata diretta) per una condotta
di acqua alle seguenti condizioni di progetto:
1) Portata, Q: 100 m3/h.
2) Densità (alla temperatura di progetto t = 15°C), ρ = 1
kg/dm3.
3) Pressione differenziale a valvola chiusa (fra monte e valle
della valvola), Δp = 8 bar;
4) Caduta di pressione attraverso la valvola aperta e portata
pari al valore nominale pari a Δp = 1 bar.
Essendo un liquido:
𝑪𝑽 =𝟏
𝟎, 𝟖𝟓𝟓× 𝑸
𝝆
∆𝒑= 𝟏, 𝟏𝟕 ∗ 𝟏𝟎𝟎 ∗
𝟏
𝟏= 𝟏𝟏𝟕
Dalla tabella a fianco si vede che non si trova
esattamente il valore 117. Si sceglie allora il Cv
immediatamente superiore
Cv = 118.
Il diametro nominale del seggio risulta essere
quello da 3”, ossia circa 80 mm.
Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione
97/121
Dimensionamento della valvola di regolazione
Noto il diametro nominale del seggio è possibile calcolarne l’area:
𝑨 =𝝅𝑫𝟐
𝟒= 𝟓𝟎, 𝟐𝟔 𝒄𝒎𝟐
La spinta massima sullo stelo esercitata dal fluido in condizioni di valvola chiusa,
essendo presente una caduta di pressione di 8 bar vale 402 kg ( = 50,3 x 8).
Dalla tabella 1 si evince che il servomotore più piccolo utilizzabile è quello 500/3,
poiché la massima pressione differenziale ammissibile per un diametro di seggio
pari a 3’’ è 9 bar, maggiore del ∆𝑝 di progetto.
Esempio: Dimensionamento di una valvola di regolazione
Occorre ricordare che la pressione di comando
varia fra 3÷15 psi, ovvero fra 0,21÷1,05 bar
Verifiche:
1. Il carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg > 402
kg (dovuto al processo).
2. La spinta massima del servomotore
sull’otturatore è: 1,05 bar x 990 𝑐𝑚2 ≅ 1040 kg>402 kg (il servomotore vince la pressione di
processo).
3. Carico ammissibile sullo stelo è 2525 kg > 1040
kg (dovuta all’azione del servomotore).
98/121
Riassumendo
Per la scelta della corretta valvola si adotta il seguente procedimento:
Dimensionamento della valvola di regolazione
99/121
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
Riferimenti
Equazione energetica del moto dei fluidi
100/121
Valvole termostatiche
Le valvole termostatiche sono utilizzate per la regolazione
proporzionale della portata in base alle impostazioni e alla
temperatura rilevata del sensore.
La gamma di valvole termostatiche comprende versioni per la
regolazione sia nei sistemi di raffreddamento che in quelli di
riscaldamento. La temperatura desiderata viene mantenuta
costante senza spreco di: i) acqua di raffreddamento in sistemi
di refrigerazione, ii) acqua calda o vapore in sistemi di
riscaldamento. L'economia di esercizio e l'efficienza sono
dunque ottimizzati.
Il bulbo ha un volume V=V0*(1+αT), con α coefficiente di
dilatazione termica. In caso di otturatore lineare, il coefficiente α
deve essere costante nel range di temperatura del processo,
per garantire tale linearità.
Le valvole termostatiche funzionano senza bisogno di
alimentazione ausiliare come elettricità o aria compressa.
La valvola termostatica: un esempio di valvola di regolazione
Immagine tratta da Danfoss
101/121
Componenti principali
Valvole termostatiche
https://www.youtube.com/watch?v=4KlAeQ5euJs
Immagine tratta da Danfoss102/121
https://www.youtube.com/watch?v=4KlAeQ5euJs
Principio di funzionamento
Valvole termostatiche
Quindi il bulbo si comporta come un termometro. Ma se il liquido dovesse vaporizzare alle condizioni di esercizio, il
bulbo si comporterebbe come un termostato, trasformando la valvola in una valvola a due posizioni
Immagine tratta da Danfoss
103/121
Elenco materiali
Per fluidi aggressivi
(SS: stainless steel)
Valvole termostatiche
Immagine tratta da Danfoss
104/121
Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa
Valvole termostatiche
P&I impianto aria compressa
# Descrizione
SA Serbatoio di accumulo
VT Valvola termostatica
C Compressore a due stadi
F Filtro
SC Scaricatore di condensa
S Separatore di condensa
Pm Pressostato di minima
PM Pressostato di massima
PS Pressostato di sicurezza
U Utenze
PS (10 bar)
VTF
S
F
C
S
F
SC
VT
F
VT
F
SA
PM (8 bar)
Pm (5 bar)
FSC
F
SC
VS
U
VS Valvola di sicurezza
Acqua di raffreddamentoAria compressa 105/121
In figura uno schema di raffreddamento delle
camicie del compressore con circolazione a ciclo
aperto su compressore a due stadi.
In questo caso, lo scopo della regolazione
automatica di temperatura è quello di evitare un
eccessivo raffreddamento, che potrebbe causare
condensazioni all’interno del cilindro e peggiorare le
condizioni di lubrificazione, oltre a evitare un inutile
spreco di acqua.
E’ importante che il regolatore (valvola
termostatica) non intercetti mai completamente il
flusso dell’acqua di raffreddamento, onde evitare la
formazione di una «sacca» di acqua stagnante
intorno al bulbo (elemento termostatico), che
quindi potrebbe raffreddarsi e non dare più luogo
all’apertura della valvola. Alcune valvole
termostatiche garantiscono un minimo di flusso; in
alternativa, occorre realizzare un by-pass con
valvola manuale.
Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa
Valvole termostatiche
Raffreddamento camicie
compressore
Poiché avviene un innalzamento della temperatura dell’aria quando viene compressa, si rende necessario
provvedere ad un raffreddamento, in modo che la temperatura risultante del compressore non sia tanto alta
da impedire una soddisfacente lubrificazione.
Valvola termostatica
Elemento
termostatico
106/121
Esempi tipici di applicazione: impianto aria compressa
Valvole termostatiche
Raffreddamento aria compressa
Valvola termostatica
Elemento
termostatico
Un intercooler è applicato tra gli stadi in un compressore multistadio. Lo scopo è quello di raffreddare l’aria
tra uno stadio ed il successivo, per ridurne il volume e limitare la temperatura dell’aria compressa. Inoltre, il
raffreddamento favorisce la condensazione del vapor d’acqua contenuto nell’aria e che, se passasse al
successivo stadio di compressione, potrebbe condensare sulle pareti del cilindro, con conseguenti danni al
compressore.
In figura uno schema di
raffreddamento dell’aria tra due stadi di
compressione, in cui la portata di fluido
di raffreddamento viene regolata
tramite una valvola termostatica,
installata sul ramo caldo del fluido di
raffreddamento.
La condensa prodotta dal
raffreddamento dell’aria viene
allontanata dal circuito tramite un
separatore con scaricatore di
condensa.
107/121
Dimensionamento e scelta
Al momento della selezione della valvola, la cosa più importante è che questa sia in
grado di fornire, in ogni momento, la quantità necessaria di fluido di
raffreddamento, a prescindere dal carico.
Per poter scegliere la valvola più idonea è essenziale conoscere l'esatta quantità di
potenza di raffreddamento richiesta. Inoltre, per evitare regolazioni instabili
(oscillazioni), le valvole non dovranno essere troppo grandi. Il tipo di carica dovrà
essere scelto in base alla temperatura da mantenere e sulla valutazione delle
caratteristiche di ciascun modello.
L'obiettivo principale è quello di selezionare la valvola più piccola in grado di
assicurare il flusso necessario. È inoltre opportuno che la temperatura richiesta per il
sensore sia al centro del campo di temperatura prescelto. Si consiglia, inoltre, di
collocare un termometro vicino al sensore per una regolazione precisa della valvola.
Valvole termostatiche
108/121
Esempio di dimensionamento
Valvola di raffreddamento ad acqua per regolare la temperatura di una pompa per il
vuoto.
Dati di progetto:
• Refrigerazione a piano carico: 10 kW;
• Set point temperatura pompa: 45°C;
• Scarico acqua (p3): 0 bar g;
• Temperatura acqua raffr. (T1): 20°C;
• Temperatura scarico (T2): 30°C.
Obiettivo:
• Calcolo portata;
• Dimensionamento circuito;
• Dimensionamento valvola di regolazione;
• Dimensionamento della pompa.
Valvole termostatiche
109/121
Esempio di dimensionamento
Differenza di temperatura:
∆T = T2 − T1 = 30 − 20 = 10 °C
Potenza termica:
Qth = 10 kW
Portata richiesta:
G =Qth
cl∆T=
10
4,186×10= 0,24
kg
s→ 𝑄 = 0,86
𝑚3
ℎ
Ho determinato la portata: occorre calcolare
il Kv
Nel diagramma è riportata in forma grafica
l’equazione per il calcolo della potenza.
Valvole termostatiche
110/121
Esempio di dimensionamento
Per calcolare il KV devo fare una valutazione della perdita di carico ammissibile sulla
valvola. Solitamente, con la valvola completamente aperta, la perdita di carico
deve essere circa il 50% della caduta di pressione totale in tutto l’impianto: in
questa maniera è possibile, da un lato, consentire una regolazione efficace e,
dall’altro, limitare le perdite di carico (costi di pompaggio).
Valvole termostatiche
p1-p3 [bar]
Q [m3/h]
Caratteristica pompa
Resistenza impianto + valvola
0,85 m3/h
3 bar
Resistenza impianto
Resistenza valvola
Il circuito (diametro tubazione,
curve, riduzioni, scambiatore di
calore, …) è dimensionato sulla
base del valore di portata
calcolato in precedenza: si
ottiene, ad esempio, una perdita
di carico pari a 1,5 bar.
Pertanto, la valvola di regolazione
deve produrre, in posizione
aperta, una perdita di carico pari
a 1,5 bar (eguale a quella del
circuito). → p1 = 3 bar g111/121
Esempio di dimensionamento
Perdita di carico sulla
valvola aperta:
∆𝑝 = 𝑝1 − 𝑝2 = 1,5 𝑏𝑎