17 Valvole

VALVOLE DI CONTROLLO
La valvola di controllo è il più comune organo regolante; agisce come una strozzatura
variabile all’interno di un tubo. La variabile di ingresso è il segnale proveniente dal regolatore, la
variabile in uscita è la portata di efflusso. Lo stelo viene normalmente posizionato da un motore
pneumatico, per la sua elevata affidabilità e per la poca manutenzione richiesta.
Valvola con stelo scorrevole, a sede piana e semplice, a gabbia,
ovvero con otturatore (o maschio) cavo con passaggi interni
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Valvola a sede piana e doppia con stelo scorrevole
Le valvole a sede semplice hanno il vantaggio di garantire una buona tenuta, contrariamente a
quello che accade per quelle a sede doppia che sono però usate, generalmente in serie a valvole
on-off a perfetta tenuta, perché dinamicamente equilibrate nei confronti delle forze esercitate
sull’otturatore dal fluido intercettato, forze che per di più sono anche variabili (sono maggiori
quando la valvola è più chiusa o quando sale la pressione di processo a monte della valvola).
Queste forze tendono a sbilanciare in modo non lineare e spesso nemmeno prevedibile l’equilibrio
del diaframma di un motore pneumatico, in cui il segnale di pressione inviato dal regolatore è
contrapposto alla reazione lineare della molla.
Quando questo problema è molto importante, come nel caso delle valvole che controllano la
portata di vapore alle grosse turbine, non sono sufficienti neppure le valvole a sede doppia o
l’utilizzo del posizionatore (vedi nel seguito). Allora vengono usati dei motori elettro-idraulici, in
cui lo spostamento dello stelo è dovuto allo spostamento di un pistone determinato dai flussi di olio
(comandati da valvole elettromagnetiche) in ingresso ed uscita dalle camere del cilindro in cui il
pistone scorre.
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In alto: Valvola a corpi separati per sostanze corrosive; permette
la sostituzione frequente di sede e/o otturatore
In basso: Valvola a tre vie
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VALVOLE ROTATORIE
In alto: Valvola a farfalla
In basso: Valvola a sfera con posizionatore
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1. Attuatore a diaframma ad azione inversa: FC fail-closed, AO air-to-open
(guadagno positivo)
2. Attuatore a diaframma ad azione diretta: FO fail-open, AC air-to-close
(guadagno negativo)
Il funzionamento di una valvola rilevante per la sicurezza dovrebbe essere fail-safe, nel senso
che in caso di guasto, la valvola dovrebbe porsi nella condizione più sicura per il processo.
A questo scopo, è possibile scegliere attuatori o otturatori ad azione diretta o inversa.
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Posizionatore installato su una valvola: regolatore proporzionale ad elevato guadagno che
confronta il segnale con la posizione dello stelo della
valvola, in modo da minimizzare:
(1) gli effetti del ritardo di attuatori ad elevata capacità
(2) Attriti stelo-premistoppa
(3) Attriti dovuti a fluidi molto viscosi
(4) Cambiamenti nella pressione di processo
(5) Isteresi
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CARATTERISTICHE INTERNE DI VALVOLE
La caratteristica interna (determinata sperimentalmente) è la caratteristica statica quando la
caduta di pressione nella valvola, ∆Pv, è fissata e non varia al variare della posizione dello stelo.
ΔPv
La portata volumetrica per un liquido è data da Q = Cv
, dove Cv, coefficiente di
γ
portata, è funzione della posizione dello stelo, Y. Le caratteristiche interne sono espresse come
Cv(Y), dove le variabili sono in percento del valore massimo.
Otturatore quick-opening, non di controllo
Otturatore esponenziale
Otturatore lineare
Caratteristiche interne di valvole
Caratteristiche interne diverse sono ottenute con profili diversi dell’otturatore:
Cv
y
Caratteristica interna di valvola lineare:
=
C vmax y max
Caratteristica interna teorica di valvola esponenziale (o ad uguale percentuale):
y
dy
dC v
=k
,
y max
Cv
−1
Cv
k
y
= α max , con α = e . Il rapporto di portata α assume generalmente i valori: 25, 50, 100.
C vmax
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Valvole a caratteristica interna esponenziale possono essere scelte per compensare il
guadagno complessivo, rendendolo più lineare, quando si ha a che fare con processi in cui il
guadagno diminuisce all’aumentare del carico. Sono però usate soprattutto quando nelle condizioni
di esercizio la caduta di pressione nella valvola varia abbastanza fortemente al variare della portata
(vedi nel seguito).
La caratteristica interna si discosta dal valore ideale mano a mano che ci si avvicina a Y = 0,
specie per le valvole esponenziali, dove per Y = 0 la portata deve essere comunque nulla a
differenza di quanto accadrebbe se la caratteristica fosse quella teorica, come illustrato nella figura
seguente:
Caratteristiche interne esponenziali teoriche per vali valori del fattore percentuale k
Per liquidi molto viscosi è necessario apportare delle correzioni empiriche al valore di Cv.
Per gas e vapor d’acqua (fluidi comprimibili) le relazioni empiriche tra portata e caduta di
pressione vengono a dipendere anche dalla temperatura e dalla pressione all’ingresso della valvola.
Inoltre, esse devono tener conto che all’aumentare della caduta di pressione rispetto alla pressione
di ingresso, la portata tende a raggiungere le condizioni di flusso critico, venendo a dipendere solo
dalla pressione di ingresso. Nelle relazioni empiriche fornite dai costruttori vengono introdotti dei
coefficienti correttivi di Cv, od altri coefficienti indicati con Cg per i gas e con Cs per il vapore.
Il dimensionamento delle valvole si ottiene calcolando dalle relazioni empiriche il
coefficiente di portata nominale nelle condizioni nominali di portata e caduta di pressione.
Moltiplicando il coefficiente nominale per un fattore, generalmente compreso tra 1.5 e 2, si ottiene
un valore sovradimensionato di Cv (o analogo coefficiente per gas o vapore). Infine, dai cataloghi
si sceglie la valvola che ha un Cv a piena apertura appena superiore a questo.
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Esempio di una pagina di un catalogo di valvole
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CARATTERISTICHE DI ESERCIZIO DI VALVOLE
Nel normale esercizio, molto spesso le cadute di pressione lungo una tubazione non sono
concentrate nella valvola, per cui la caduta di pressione nella valvola varia con la portata man mano
che lo stelo si sposta. Perciò, quelle che si chiamano caratteristiche di esercizio non coincidono
normalmente con le caratteristiche interne. Dato che quello che interessa è il guadagno in esercizio,
sono le caratteristiche esterne a dover essere più lineari possibile.
Caratteristiche di esercizio di valvola lineare
Come si vede dalla figura, le valvole a caratteristica interna lineare sono quindi utilizzabili
finché il rapporto tra la caduta di pressione della valvola tutta aperta è ∆Pv, max > 0.3 ∆P, dove ∆P è
la caduta di pressione totale supposta costante al variare della portata (in realtà, se essa coincide con
la prevalenza di una pompa centrifuga, non è neppure lei costante e lo scostamento dalla linearità è
ancora maggiore).
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Caratteristiche di esercizio teoriche di valvola esponenziale con k = 3.21, ovvero α = 25
Le valvole a caratteristica interna esponenziale hanno invece un andamento più lineare per
∆Pv, max < 0.3 ∆P
ΔPL = γ k LQ2
Q = Cv
ΔPv
γ
⇒ ΔPv =
ΔP = ΔPL + ΔPv = γ
γ
2
Cv
Q2
2
1 + kL C v
C2v
Q2 = γ
1+ kL C2v,max
C2v,max
Q2max
1 + kL C2v, max
Q
Cv
=
Q max C v, max
1+ k LC 2v
la caratteristica di esercizio è indipendente
dalla caduta di pressione totale; dipende
solo dalla caratteristica interna della
valvola e dal coefficiente di attrito della
linea dove la valvola è inserita
Caratteristiche di esercizio di valvole di dimensioni diverse poste sullo stesso circuito
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CAVITAZIONE DI VALVOLE
Andamento della pressione nell’intorno di una strozzatura
Come il fluido passa per la vena contratta, aumenta la sua velocità e diminuisce la sua
pressione, recuperandola poi in parte (di più nelle valvole a rotazione e in quelle a questo scopo
progettate). Se, nel momento della riduzione, la pressione diviene inferiore alla tensione di vapore,
si ha ebollizione con forte erosione sia dell’otturatore sia della sede, dovuta alla formazione delle
bolle e alle perturbazioni della pressione (“martello d’acqua”). Inoltre la valvola tende ad
“intasarsi”, cioè la portata non aumenta ulteriormente con il salto di pressione.
Intasamento di una valvola per cavitazione
Il valore ∆Pallow, che dipende dalle condizioni del fluido e dal tipo di valvola, è la caduta di
pressione a cavallo della valvola al di sopra della quale l’intasamento è inaccettabile. Essa è stimata
con relazioni empiriche i cui coefficienti sono riportati nei cataloghi di valvole.
Se il recupero di pressione è tale da superare la tensione di vapore, le bolle implodono e
l’energia rilasciata produce un rumore come di ghiaia trascinata dalla corrente, oltre che asporto di
materiale. Le valvole a forte recupero di pressione sono più soggette a questo fenomeno, tanto che
∆Pcav può divenire inferiore a ∆Pallow (mentre per le valvole a stelo e rotazione è in genere circa
uguale) e deve essere stimato da apposite relazioni empiriche. ∆Pcav può essere innalzato con
opportuni accorgimenti costruttivi.