Progettazione di Valvole di Controllo della Pressione

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Introduzione
La scelta e il progetto delle valvole di controllo della pressione non è una
scienza per pochi eletti. La procedura presentata permette di selezionare
con un impegno relativamente ridotto la valvola adatta per un
determinato tipo d'impiego. Le metodologie di calcolo basate sul
cosiddetto metodo del valore Kv sono decisamente semplificate se
paragonate all’accuratissima norma DIN IEC 534. Esse però permettono
di ottenere risultati sufficientemente precisi per il nostro scopo.
Il valore Kv è un coefficiente di portata, che corrisponde a una portata
d’acqua in m³/h con una pressione differenziale pari a 1 bar ed una
temperatura dell’acqua compresa fra 5 e 30 °C.
Il sistema di misurazione in pollici utilizza il coefficiente di portata cv, che
corrisponde ad una portata d’acqua in US gal/min con una pressione
differenziale pari a 1 psi ed una temperatura di 60 °F. Kv e cv sono in un
rapporto Kv = 0,86 x cv.
Page No. DM/12.6.113.1 - Standing 28.06.2011
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Il valore Kvs indicato nella documentazione tecnica, è il valore Kv previsto
per valvole di una serie con corsa nominale. In base al valore Kvs è
possibile rilevare la portata massima di una valvola.
Le modalità di rilevamento del valore Kv sono, come già menzionato
all'inizio, decisamente semplificate. Molte grandezze influenti non
vengono considerate. Grazie al fatto di considerare il vapore acqueo
come un gas ideale e di non calcolarlo con il volume specifico, si ottiene
una deviazione massima del 5 % che però, considerando i nostri
supplementi, rientra nelle tolleranze.
I processi di calcolo sono semplici, il dominio dei sistemi di calcolo di
base e dell'estrazione della radice sono sufficienti. Tabelle e diagrammi
non sono assolutamente necessari, ma possono facilitare il lavoro,
qualora siano disponibili.
Le pressioni d'esercizio e gli intervalli di regolazione nominati nei nostri
esempi di selezione sono indicati comunemente come sovrapressione. I
calcoli, invece, vengono eseguiti con pressioni assolute. E così, avendo
per esempio una pressione a valle di 7 bar, i calcoli saranno effettuati
considerando una pressione assoluta pari a 7 + 1, quindi 8 bara.
Il flusso volumetrico e la densità dei liquidi sono indicati in condizione
d'esercizio, mentre i gas sono considerati in condizioni normalizzate
(0°C, 1013 mbar).
Valvole di controllo della pressione dei liquidi
Rilevamento del valore Kv
Scelta della valvola idonea
Per il progetto e, comunque, prima della scelta di una valvola occorre
calcolare il valore Kv dai dati d'esercizio inerenti l'ambito di lavoro della
valvola.
Le nostre tabelle di selezione e le schede tecniche vi introdurranno nei
dati tecnici delle valvole MANKENBERG.
Il valore Kvs della valvola selezionata dovrebbe corrispondere al valore
calcolato e provvisto dei supplementi richiesti Kv. La maggior parte delle
valvole lavorano al meglio nell’intervallo del valore Kvs compreso fra 10 e
70 %; le valvole più piccole , non scaricate, quali per esempio i riduttori
di pressione DM 502, 505, 506, 510, 762 e 765, lavorano anche in
modo soddisfacente con portate inferiori.
Kv
Q
p1
p2
Δp
coefficiente di flusso
flusso volumetrico
densità
pressione d'aspirazione (ass.)
pressione di mandata (ass.)
scarto di pressione (p1 - p2)
m³/h
m³
kg/m³
bar
bar
bar
Esempio
Ci orientiamo su una valvola di depressurizzazione per metanolo 2-7
m³/h, densità 790 kg/m³ pressione a monte 9 – 12 bar, pressione a valle
da regolare 4 bar. Eseguiamo i calcoli con la portata massima e lo scarto
di pressione minimo.
Selezionare l’intervallo di regolazione in modo tale che il valore nominale
si avvicini il più possibile al limite superiore. Per esempio, nel caso di una
pressione da regolare a 2,3 bar, prendere l’intervallo di regolazione
0,8-2,5 bar e non quello 2-5 bar, poiché gli scarti di regolazione
dipendenti dall’esercizio sarebbero decisamente più grandi. Se, in casi
particolari, l’intervallo di regolazione non fosse sufficientemente ampio,
in caso di carico basso della valvola e sollecitazioni ridotte, è possibile
scendere al di sotto del valore dell’intervallo di regolazione (precisione di
regolazione). Quindi, un riduttore di pressione con, per esempio, un
intervallo di regolazione 0,8-2,5 bar può lavorare in modo soddisfacente
anche a 0,5 bar.
Selezionare i materiali conformemente ai requisiti d’esercizio ed
aiutandosi con la tabella delle resistenze.
Al valore Kv, rilevato dai dati d’esercizio, viene aggiunto un supplemento
pari al 30 %, permettendoci così di ottenere il valore Kvs, che è quello
minimo che dovrebbe avere la valvola da scegliere.
Valore Kvs ≥ 1,3 x valore Kv = 1,3 x 2,78 = 3,61 m³/h
Definizione della larghezza nominale
Per mantenere ai minimi livelli le perdite di pressione ed i rumori
d'esercizio non vanno superate le velocità di flusso nelle tubature, per
esempio
»
»
»
»
»
sul lato d'aspirazione delle pompe centrifughe
sul lato d'aspirazione delle pompe a pistoni
auf der sul lato di mandata delle pompe
nelle reti locali d'acqua potabile
nelle linee dei carburanti reti locali d'acqua potabile e negli
acquedotti a lunga distanza
» in caso di liquidi ad alta viscosità
2 m/s
1 m/s
5 m/s
1 m/s
3 m/s
1 m/s
Il diametro della linea può essere calcolato nel modo seguente
d
Q
w
diametro della linea
flusso volumetrico
velocità di flusso
mm
m³/h
m/s
Ritorniamo ora al nostro esempio!
In base ai dati d’esercizio abbiamo rilevato che il valore Kvs dovrebbe
essere pari almeno a 3,61 m³/h. Secondo la nostra tabella di selezione
sono quindi disponibili diverse serie di valvole. In base alle caratteristiche
del fluido, decidiamo di scegliere il riduttore di pressione tipo 652 DN
25, valore Kvs 6 m³/h, intervallo di regolazione 2-5 bar, cappello con
attacco della conduzione di perdita. Di norma, questa valvola è fatta con
materiali particolarmente idonei per il metanolo. Inoltre, si
contraddistingue per un'alta precisione di regolazione, per il peso
ridotto, per l'ottima finitura della superficie nonché per il prezzo
decisamente economico per una valvola in acciaio inox.
Ancora un esempio
Stiamo cercando una valvola di traboccamento in grado di far defluire a
10 bar 250 m³/h di acqua potabile in un bacino aperto. Innanzitutto
ricaviamo il valore Kvs inerente ai dati d'esercizio. Anche se la pressione
differenziale (p1 - p2 ) misura 10 bar, nei calcoli utilizzeremo una
pressione differenziale pari a 0,6 x p1 [bara], quindi 6,6 bar, a causa
dell'evaporazione che si verifica nella sede della valvola.
Abbiamo quindi
Il valore Kvs dell'armatura dovrebbe corrispondere almeno a
1,3 x valore Kv = 1,3 x 97,3 = 126,5 m³/h
Se nel nostro esempio si considera una velocità di flusso massima di 2
m/s, il diametro che la linea deve avere è
Ci orientiamo su una valvola di traboccamento comandata a pilota UV
824 DN 200, valore Kvs 180 m³/h, intervallo di regolazione 4–12 bar, una
valvola in acciaio inox relativamente economica, leggera e precisa da
regolare.
Conformemente a questo esempio, sceglieremo una tubatura in DN 40.
E ancora un esempio.
Ci orientiamo su una valvola di depressurizzazione con possibilità d'uso
del CIP, con la quale ridurre la pressione di 1-3 l/min di acqua
completamente demineralizzata da 2-4 bar auf 0,7 bar. La tubatura è in
DN 25 con giunti a morsetto a norma DIN 32 676.
Con la larghezza nominale indicata, la velocità di flusso può essere
calcolata nel modo seguente
In base ai dati d'esercizio calcoliamo il valore di Kv
Nel nostro esempio, nella tubatura DN 40 con una portata di 7m³/h,
avremmo quindi una velocità di flusso pari a
La valvola dovrebbe avere un valore Kvs di almeno
1,3 x valore Kv = 1,3 x 0,16 = 0,21 m³/h
La larghezza nominale della valvola di regolazione, a certe condizioni
d'esercizio, può collocarsi uno o due livelli sotto la larghezza nominale
della tubatura, cosa che vale in particolare per quelle valvole che
lavorano con un circuito di controllo.
Ci orientiamo per un riduttore di pressione tipo 152 DN 25, valore Kvs
3,5 m³/h, intervallo di regolazione 0,8-2,5 bar, una valvola in acciaio
inox, in esecuzione curva, levigabile. Ci siamo orientati su questo
modello anche se il valore Kvs della valvola è relativamente alto e la
pressione a valle richiesta non rientra nell'intervallo di regolazione
indicato. Diversi test da banco effettuati dimostrano effettivamente che
questa valvola è particolarmente idonea per le condizioni operative
summenzionate.
Valvole di controllo della pressione dei gas
Per il progetto e, comunque, prima della scelta di una valvola occorre
calcolare il valore Kv dai dati d'esercizio inerenti l'ambito di lavoro della
valvola.
d'esercizio non vanno superate le velocità di flusso nelle tubature.
Qualora non esistano indicazioni progettuali, si consiglia
In caso di gradienti di pressione subcritici, ovvero quando
»
»
»
»
»
conformemente alla formula
Questo esempio dovrebbe dimostrare che, previa conoscenza delle
condizioni operative, in casi speciali è possibile utilizzare le valvole coi
relativi accessori anche al di fuori dei campi d'applicazione indicati nel
catalogo.
fino a 10 mbar
fino a 100 mbar
fino a 1 bar
fino a 10 bar
oltre 10 bar
2 m/s
4 m/s
10 m/s
20 m/s
40 m/s
Questi valori orientativi approssimativi sono validi per diametri delle
linee a partire da DN 80. In caso di larghezze nominali inferiori occorre
applicare velocità di flusso inferiori.
Per il rilevamento della velocità di flusso è necessario il flusso
volumetrico a condizioni d'esercizio. Esso viene calcolato nel seguente
modo:
In caso di gradienti di pressione sovracritici, ovvero quando
Nel nostro esempio sono poi indicati i flussi volumetrici a monte ed a
valle della valvola:
Kv
QN
Q1
Q2
N
∆p
p1
p2
t1
t2
w1
w2
d1
d2
flusso volumetrico in condizione normale
flusso volumetrico a monte della valvola
flusso volumetrico a valle della valvola
densità in condizione normale
temperatura d'aspirazione
temperatura di mandata
velocità nella tubatura a monte della valvola
velocità nella tubatura a valle della valvola
diametro della linea a monte della valvola
diametro della linea a valle della valvola
m³/h
m³/h
m³/h
m³/h
kg/m³
bar
bar
bar
°C
°C
m/s
m/s
mm
mm
Esempio
Ci orientiamo su una valvola di depressurizzazione in acciaio inox per QN
max. 1200 m³/h, temperatura d'esercizio 20 °C, densità 2 kg/m³,
pressione a monte 10-12 bar sovrapressione, pressione a valle da
regolare 7 bar sovrapressione. Il gradiente di pressione è subcritico,
perchè è
Il diametro della linea può essere calcolato nel modo seguente:
Se nel nostro esempio il progettista ha consentito solo velocità di flusso
massime di 20 m/s a monte e 15 m/s a valle della valvola, i diametri
delle linee richiesti sono:
Di conseguenza, si consiglia di utilizzare una tubatura DN 50 a monte
della valvola, e DN 65 a valle della valvola.
Nel nostro esempio, le velocità di flusso sarebbero quindi
abbiamo quindi
Al valore Kv, ricavato dai dati d’esercizio, viene aggiunto un supplemento
Valore Kvs ≥ 1,3 valore Kv = 1,3 x 11,54 = 15 m³/h
della tubatura a monte della valvola. A valle della valvola,
conformemente alla velocità di flusso, la linea va ampliata di più livelli,
cosa che vale in particolare per le valvole che lavorano con un circuito di
controllo.
di pressione DM 502, 505, 506, 510, 762 e 765, lavorano anche in
modo soddisfacente con portate inferiori.
Selezionare l’intervallo di regolazione in modo tale che il valore nominale
si avvicini il più possibile al limite superiore. Per esempio, nel caso di una
pressione da regolare a 2,3 bar, prendere l’intervallo di regolazione
0,8-2,5 bar e non quello 2-5 bar, poiché gli scarti di regolazione
dipendenti dall’esercizio sarebbero decisamente più grandi. Se, in casi
particolari, l’intervallo di regolazione non fosse sufficientemente ampio,
in caso di carico basso della valvola e sollecitazioni ridotte, è possibile
scendere al di sotto del valore dell’intervallo di regolazione (precisione di
regolazione). Quindi, un riduttore di pressione con, per esempio, un
intervallo di regolazione 0,8-2,5 bar può lavorare in modo soddisfacente
anche a 0,5 bar.
Ancora un esempio
Stiamo cercando una valvola di traboccamento in grado di far scaricare
nell'atmosfera 2000 m³/h di aria calda a 60°C e 4 bar.
Il gradiente di pressione è sovracritico, perchè è
abbiamo quindi
Valore Kvs ≥ 1,3 x valore Kv = 1,3 x 32,3 = 42 m³/h
Il flusso volumetrico a condizioni d’esercizio è
In caso di fluidi tossici o infiammabili occorre eventualmente utilizzare
un cappello chiuso, possibilmente con tenuta a vite di regolazione, e va
previsto anche un attacco per condotta di ritorno (manicotto sul
cappuccio) dove si può deviare il fluido che fuoriesce in caso di difetti
dell'unità di comando.
e in seguito ad una velocità di flusso massima pari a 20 m/s il diametro
della linea è almeno
essere pari almeno a 15 m³/h. Secondo la nostra tabella di selezione
sono quindi disponibili diverse serie di valvole. Decidiamo di scegliere il
riduttore di pressione tipo 652 DN 50, valore Kvs 18 m³/h, intervallo di
regolazione 4-8 bar. Di norma, questa valvola è fatta con materiali
particolarmente idonei per il tipo di utilizzo che se ne deve fare. Inoltre,
si contraddistingue per un'alta precisione di regolazione, per il peso
In base ai dati calcolati e considerando le caratteristiche del fluido ci
siamo orientati su una valvola di traboccamento MANKENBERG UV 4.1
DN 100, valore Kvs 100 m³/h, intervallo di regolazione 2-5 bar, una
valvola relativamente economica e precisa da regolare, particolarmente
idonea per il caso applicativo
Valvole di controllo della pressione del vapore
Zur Auslegung bzw. vor Auswahl eines Ventils wird zunächst aus den
Betriebsdaten, unter denen das Ventil arbeiten soll, der Kv - Wert
errechnet. Da in den meisten Fällen weder Tabelle noch Diagramm für
das spezifische Volumen von Wasserdampf greifbar sind, kann man
durch Berechnung nach folgenden Formeln, in denen der Wasserdampf
als ideales Gas behandelt wird, zu einem hinreichend genauen Ergebnis
gelangen.
In caso di gradienti di pressione subcritici, ovvero quando
Kv
G
Q1
Q2
∆p
p1
p2
t1
t2
w1
w2
d1
d2
portata di massa
flusso volumetrico a monte della valvola
flusso volumetrico a valle della valvola
temperatura d'aspirazione
temperatura di mandata
velocità nella tubatura a monte della valvola
velocità nella tubatura a valle della valvola
diametro della linea a monte della valvola
diametro della linea a valle della valvola
m³/h
kg/h
m³/h
m³/h
bar
bar
bar
°C
°C
m/s
m/s
mm
mm
Esempio
Ci orientiamo su una valvola di depressurizzazione in acciaio inox, in
grado di ridurre da 4 a 4 bar 1100 kg/h di vapore saturo.
Il gradiente di pressione è subcritico, perchè è
In caso di gradienti di pressione sovracritici, ovvero quando
La temperatura del vapore acqueo in condizioni di saturazione (vapore
saturo) può essere calcolato in modo approssimativo con la formula
Dal momento che il volume specifico e la temperatura sono sconosciuti,
calcoliamo con la formula
Dopo aver rilevato la temperatura
calcoliamo
Valore Kvs ≥ 1,3 x valore Kv = 1,3 x 12,9 = 16,8 m³/h
d'esercizio non vanno superate le velocità di flusso nelle tubature.
Qualora non esistano indicazioni progettuali, si consiglia
» vapore di scarico
» vapore saturo
» vapore surriscaldato
25 m/s
40 m/s
60 m/s
Questi valori orientativi approssimativi sono validi per diametri delle
linee a partire da DN 80. In caso di larghezze nominali inferiori occorre
applicare velocità di flusso inferiori. Per il rilevamento della velocità di
flusso è necessario il flusso volumetrico a condizioni d'esercizio. Esso
viene calcolato nel seguente modo:
Nel nostro esempio sono poi indicati i flussi volumetrici a monte ed a
valle della valvola:
essere pari almeno a 16,8 m³/h. Secondo la nostra tabella di selezione
sono quindi disponibili diverse serie di valvole. Decidiamo di scegliere il
riduttore di pressione tipo 652 DN 50, valore Kvs 18 m³/h, intervallo di
regolazione 2-5 bar. Di norma, questa valvola è fatta con materiali
particolarmente idonei per il tipo di utilizzo che se ne deve fare. Inoltre,
si contraddistingue per un'alta precisione di regolazione, per il peso
Ancora un esempio
Ci orientiamo su una valvola di depressurizzazione per la soffiatura della
fuliggine di una caldaia 8 t/h con la quale si possa ridurre la pressione
del vapore surriscaldato a 460°C da 100 bar a 20 bar.
Il gradiente di pressione è sovracritico, perchè è
Dal momento che il volume specifico al momenti ci è sconosciuto,
calcoliamo
Se nel nostro esempio il progettista ha consentito solo velocità di flusso
massima di 25 m/s i diametri consentiti delle linee sono:
Di conseguenza, si consiglia di utilizzare una tubatura DN 65 a monte
della valvola, e DN 80 a valle della valvola.
Selezionare l’intervallo di regolazione in modo tale che il valore
nominale si avvicini il più possibile al limite superiore. Per esempio, nel
caso di una pressione da regolare a 2,3 bar, prendere l’intervallo di
regolazione 0,8-2,5 bar e non quello 2-5 bar, poiché gli scarti di
regolazione dipendenti dall’esercizio sarebbero decisamente più grandi.
Se, in casi particolari, l’intervallo di regolazione non fosse
sufficientemente ampio, in caso di carico basso della valvola e
sollecitazioni ridotte, è possibile scendere al di sotto del valore
dell’intervallo di regolazione (precisione di regolazione). Quindi, un
riduttore di pressione con, per esempio, un intervallo di regolazione
0,8-2,5 bar può lavorare in modo soddisfacente anche a 0,5 bar.
Nel nostro esempio, le velocità di flusso nella tubatura sarebbero quindi
Valore Kvs ≥ 1,3 valore Kv = 1,3 x 9,33 = 12,1 m³/h
Il flusso volumetrico a condizioni d’esercizio è
della tubatura a monte della valvola. A valle della valvola,
conformemente alla velocità di flusso, la linea va ampliata di più livelli,
cosa che vale in particolare per le valvole che lavorano con un circuito di
controllo.
e in seguito ad una velocità di flusso massima pari a 50 m/s il diametro
della linea è almeno
Di conseguenza, si consiglia di utilizzare una larghezza nominale della
linea pari a DN 50 a monte della valvola, mentre deve essere DN 100 a
valle della valvola.
di pressione DM 152, 505 e 701, lavorano anche in modo soddisfacente
con portate inferiori.
In base ai dati calcolati e considerando le condizioni d’esercizio
particolari, decidiamo di scegliere la valvola di depressurizzazione a
doppia sede DM 401 ZK DN 50/80, con un valore Kvs pari a 16 m³/h,
campo di regolazione da 15 a 25 bar, con ammortizzatore regolabile e
sedi e sedi coniche corazzate, un modello che è stato testato
positivamente in molti sistemi di soffiatura della fuliggine.

Progettazione di Valvole di Controllo della Pressione

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