La regolazione di portata tramite valvole

Gruppo valvole in PVCLe valvole di regolazione, componenti indispensabili in ogni genere di impianto, sono schematicamente costituite da tre parti principali: il corpo della valvola, che esercita l’azione di contenimento del fluido di processo, le parti interne o trim, che esercitano l’azione di regolazione del fluido di processo e il gruppo di azionamento, che esercita l’azione motrice della valvola.

Valvola manuale

Il corpo di una valvola è il componente attraverso il quale passa il fluido di processo e nel quale sono alloggiate le parti interne.

Un tipo di valvola molto diffusa è la valvola a sfera, nella quale la tenuta del fluido è realizzata da una parte sferica che ruota all’interno del corpo.
La sfera è dotata di un’apertura, generalmente circolare, che ha sezione costante lungo tutta la direzione di passaggio del fluido di processo. Grazie alla sua superficie di passaggio liscia e senza interruzioni, questa valvola, quando è aperta, offre una resistenza minima al flusso.

Valvola a sfera manuale

Questo elemento finale di controllo è particolarmente adatto nel caso di liquidi fangosi o contenenti particelle solide che andrebbero a intasare altri tipi di valvole. Può essere usata con tutte le tipologie di fluidi, liquidi, gas e vapori, siano essi puliti o sporchi. A seconda delle temperature dei fluidi e della loro aggressività sarà importante scegliere valvole in materiali diversi per garantire la sicurezza e l’efficienza del processo.

Per i motivi sopra citati e per il suo costo relativamente basso, la valvola a sfera è utilizzata con successo in molte applicazioni, ma di norma non consente una regolazione particolarmente precisa. La nostra valvola di regolazione a sfera C200DOS, invece, è dotata di una sfera con un’apertura laterale di 180° che consente un’alta precisione per la regolazione di basse portate (inferiori a 2 l/h) di fluidi esenti da residui solidi.

In caso di diametri elevati, la sezione di un’apertura standard per una valvola a sfera può essere caratterizzata da un diametro che è l’80% del diametro del tubo nel quale è installata.
La nostra valvola C200 fornisce invece un’apertura di diametro uguale a quella del piping dove è inserita anche nei grandi diametri.
In questo caso, essendo più consistente la quantità di fluido, è possibile installare un gruppo di azionamento, che è costituito essenzialmente da un attuatore.

Valvole a sfera passaggio ridotto

La sfera ruota contro gli anelli di tenuta che forniscono una chiusura ermetica tra la sfera e il corpo. La rotazione è realizzata applicando un momento torcente alla sfera tramite lo stelo dell’attuatore.

Valvola a sfera manuale

Un’altra importante tipologia di valvola di regolazione è quella della valvole a membrana. Questi elementi di controllo sono costituiti da una membrana che viene flessa dall’esterno per variare l’area di passaggio del fluido. La membrana stessa agisce come organo di tenuta cosicché non sono necessarie altre parti di tenuta, che sono invece presenti nelle valvole a sfera. Se la membrana ha una superficie ampia e ci sono grandi pressioni nella linea dove è installata la valvola, per spostare la membrana e realizzare la chiusura è richiesta una forza considerevole. Per questo motivo le valvole a membrana hanno una limitata capacità di variare l’apertura per regolare la portata. Esse sono indicate per sostanze corrosive, fanghi leggeri, fluidi viscosi, sospensioni solide, dato che il percorso dentro la valvola è libero e lineare e non c’è contatto diretto con le parti interne.
Uno svantaggio di questa tipologia di valvola è costituito dal fatto che i costi di manutenzione possono essere considerevoli a causa del deterioramento del rivestimento della membrana.

Valvola a membrana

Nella scelta e nel dimensionamento di una valvola di regolazione occorre considerare:
la portata massima di esercizio, ovvero il coefficiente di portata Cv;
il campo di regolazione di portata;
la caratteristica di portata.

Per definire il coefficiente di portata è necessario partire dal Teorema di Bernoulli. Per due liquidi in movimento in una tubazione, considerate due sezioni indicate con 1 e 2, è possibile applicare il Teorema di Bernoulli nel seguente modo:

Teorema di Bernoullidove p è la pressione del fluido nella tubazione in Pa, Z la quota geodetica in m, u la velocità media del fluido sulla sezione in m/s, g l’accelerazione di gravità in m/s2, ρ densità del fluido in kg/m3 e W termine dissipativo.
Nel caso di una valvola di regolazione la relazione si semplifica in quanto: Z1= Z2 e u1= u2 (se il diametro nominale delle connessioni sono uguali) e ne deriva che:

formula valvola regolazioneSi deduce che per una valvola il bilancio energetico porta ad identificare la riduzione di pressione con l’energia degradata per attriti.
La dissipazione di energia W è direttamente proporzionale all’energia cinetica del fluido, cioè:

dissipazione di energia W

dove ζ è un coefficiente di proporzionalità adimensionale.
Ricavando u dalla precedente equazione si può scrivere la formula della portata volumetrica passante attraverso una valvola di regolazione:

coefficiente di proporzionalità adimensionaledove qv è in m3/s e A in m2.
Poiché nella pratica risulta difficile pervenire ai valori di A e ζ, di definisce il coefficiente di portata Cv come la portata in galloni USA/minuto di acqua a 15°C che attraversa la valvola a completa apertura, con una caduta di pressione pari a 1 psi.
Il valore di Cv può essere ricavato da prove di laboratorio mediante la seguente equazione:

Valore di Cvdove qv è la portata volumetrica in galloni per minuto, Δp(Cv) è la caduta di pressione statica, pari ad 1 psi, Δp è la caduta di pressione tra monte e valle della valvola espressa in psi, ρ è la densità del flusso espressa in lb/ft3, ρ0 è la densità dell’acqua espressa in lb/ft3.
Il coefficiente di portata viene indicato con Kv se riferito alla portata in m3/h di acqua che attraversa la valvola a completa apertura con una caduta di pressione pari a 1 kg/cm2.

coefficiente di portataRiassumendo, il coefficiente di portata fornisce una misura convenzionale della capacità della valvola indipendentemente dalla natura del fluido e tiene conto dei parametri da cui dipendono le perdite di carico (velocità del fluido, tipo di fluido, forma geometrica della valvola, etc). A parità di dimensioni, il coefficiente di portata dipende solo dalla geometria del corpo e delle parti interne. Una valvola a sfera standard, con restrizione solo tra sfera e corpo, ha un Cv molto più elevato di una valvola a membrana, dove la corrente è intralciata anche dalle deviazioni a monte e valle delle parti interne. Inoltre una valvola con apertura dello stesso diametro del tubo nel quale è installata ha un coefficiente di flusso maggiore rispetto ad una valvola a sfera nella quale si ha una riduzione di diametro della sezione di passaggio del fluido di processo. Quindi il coefficiente di portata risulta importante quando si seleziona la valvola migliore per una determinata applicazione. Se una valvola dovrà rimanere la maggior parte del tempo aperta, probabilmente dovrebbe essere utilizzata una valvola con basse perdite di carico in modo da salvare energia. Alla stessa velocità del flusso, alti Cv significano basse perdite di carico a cavallo della valvola.

La caratteristica di portata è rappresentata dalla relazione esistente tra portata Q della valvola e la corsa Y dell’otturatore.

caratteristica di portataEsistono due caratteristiche distinte: la caratteristica inerente e la caratteristica installata. La caratteristica inerente è la relazione che lega portata attraverso la valvola e corsa dell’otturatore a ∆P costante ed assegnato.
La caratteristica installata è la relazione tra portata attraverso la valvola e corsa dell’otturatore nelle condizioni di esercizio a valvola installata, supposto costante il ∆P dell’intero sistema. Le caratteristiche di portata in esercizio reale si discostano da quelle inerenti a cause delle perdite di carico nel resto dell’impianto che variano con la portata.
Le valvole possono avere di massima due tipi di caratteristiche inerenti:

  • lineare: operano bene quando si può imporre un’elevata perdita di carico concentrata sulla valvola (~40% ΔP prodotto lungo la linea di distribuzione).
  • quadrata: per piccoli valori della Y si raggiungono alti valori di Q. Queste valvole servono per regolazioni ad apertura rapida.
  • esponenziale o a percentuale costante: per uguali spostamenti dello stelo si hanno variazioni percentuali costanti della portata. A uguale spostamento dello stelo la variazione di Q è proporzionale al valore stesso di Q. Queste valvole sono utilizzate in linee dove esiste già un’altra forte perdita di carico concentrata, ad esempio una linea con scambiatori di calore.

perdita di caricoRiassumendo, la caratteristica di regolazione della valvola è determinata dalla variazione della portata in funzione della corsa dell’otturatore. Per questo motivo, è possibile sagomare opportunamente la geometria dell’otturatore in modo da garantire una determinata regolazione della valvola. Un esempio di ciò è mostrato dalla valvola di regolazione a sfera C200PROP dove grazie alla particolare forma della sfera si ottiene una linearità tra la corsa dell’otturatore e la portata, che quindi risulta proporzionale al grado di apertura della valvola.
Questa tipologia di valvole è utilizzata generalmente quando la pressione differenziale in esercizio non subisce variazioni apprezzabili oppure in processi con variazioni di portata limitate.