COSTER T.E. S.p.A.

VALVOLE di REGOLAZIONE:

Valvole a otturatore:

Valvola a settore:

Le valvole sono caratterizzate dal DN diametro nominale (in mm o pollici), che rappresenta la dimensione del passaggio della o delle vie dei corpi delle valvole. Dalla pressione massima (PN) del corpo valvola (kPa o bar), che e' la pressione massima ammessa dal corpo della valvola, dipendente in larga misura dal materiale impiegato nella realizzazione dei componenti. I PN delle valvole usate negli impianti tecnologici sono: PN 6, 10, 16, 25 e 40 con netta prevalenza ai PN 6 e PN 10. Il PN della valvola deve essere maggiore o uguale alla somma della pressione statica e dinamica dell’impianto.

   Il Dpv e' invece la pressione differenziale ammessa dal corpo (kPa o bar), cioe' la massima pressione differenziale (o perdita di carico) ammessa a valvola completamente aperta, in pratica la differenza di pressione tra monte e valle della valvola sull’impianto. Il Dpv può essere sensibilmente inferiore a quello del PN e della forza a disposizione dai servomotori.

   Un parametro fondamentale e' il Kvs (m³/h): valore di portata caratteristico di un diametro di valvola di una certa serie a 2 o 3 vie a settore, ad otturatore, ecc.

Il valore indica la portata in m³ di acqua alla temperatura da 5° a 30 °C che passa in 1 ora a valvola totalmente aperta con perdita di carico costante di 100 kPa (1 bar).

Il valore di Kvs viene ricavato ed indicato dai costruttori e serve per dimensionare la valvola e per paragonare valvole di costruttori diversi.

   Kvr e' il minimo valore regolabile (m³/h), cioe' la minima portata che rispetta ancora la caratteristica definita dal costruttore al disotto del quale si comporta come ON-OFF.

Valori compresi tra 1% e 3% del Kvs totale sono nella norma per la valvola a otturatore destinate agli impianti tecnologici.

   Il Kvo e' il valore per la caratteristica (0,01...0,02): valore per definire matematicamente la caratteristica di base delle valvole (lineare, equipercentuale, ecc.).

   La caratteristica (o curva) della valvola e' la relazione tra il Kvs e la corsa della valvola, cioe' la variazione della portata in funzione dell’apertura della valvola.

   Le valvole che interessano la nostra applicazione si dividono in:

– valvole a caratteristica lineare.

– valvole a caratteristica equipercentuale.

– valvole a caratteristica lineare/equipercentuale.

Valvole a caratteristica lineare sono a settore, a sfera, a farfalla, etc.

Valvole a caratteristica equipercentuale sono a due vie ad otturatore.

Valvole a caratteristica equipercentuale/lineare sono a tre vie ad otturatore caratterizzate dalla via diritta equipercentuale e dalla via ad angolo (by-pass) lineare.

Caratteristica lineare:

   Le valvole a caratteristica lineare sono valvole in cui ad uguali valori assoluti di corsa rispetto alla totale corrispondono uguali percentuali di modifica del Kvs.

Fig. Caratteristica lineare della valvola di base (in pratica la curva non termina a 0, zero, ma al valore del Kvo).

Infatti una modifica della corsa della valvola dal 30% al 50% (= 20% in valore assoluto) da luogo ad una variazione del Kvs identica a quella causata dalla modifica della corsa della valvola dal 70% al 90% (= 20% in valore assoluto).

Caratteristica equipercentuale:

    Le valvole  a caratteristica equipercentuale sono quelle in cui ad uguali in valore assoluto della corsa rispetto alla totale corrisponde sempre la stessa percentuale assoluta di variazione del Kvs sul valore del Kvs precedente.

Fig.: Caratteristica equipercentuale di base della valvola, in realtà la corsa in prossimità della chiusura viene linearizzato (------) per diminuire il tra filamento.

Per esempio una modifica della corsa della valvola dal 30% al 50% (= 20% in valore assoluto) dà luogo ad una variazione nel Kvs del 85% di quello corrispondente alla corsa del 30%.Analogamente la modifica della corsa della valvola dal 70% al 90% (= 20% in valore assoluto) varia il Kvs del 85% rispetto a quello relativo alla corsa 70% della valvola.

   La curva della caratteristica equipercentuale viene ricavata da un’equazione matematica Ngl = logaritmo K_vs/K_vo.

La percentuale indicata nell’esempio (85%) si riferisce ad un Ngl = 3,3; i valori di Ngl considerati dai costruttori sono compresi tra 3...3,91 che danno origine a curve diverse più o meno incurvate.

L’analisi della curva equipercentuale Ngl = 3,3 evidenzia che la corsa della valvola da 0...60% circa dà luogo ad una modifica della portata (Kvs = portata) da 0...30%, cioe' all’inizio dell’apertura della valvola a grandi corse corrispondono piccole modifiche della portata e che la rimanente portata (dal 30% al 100%) si ottiene con la rimanente corsa della valvola dal 60% al 100% (= 40% in valore assoluto), cioe' a piccole corse corrispondono grandi modifiche della portata.

Caratteristica equipercentuale / lineare:

L'abbinamento delle due caratteristiche viene utilizzato nelle valvole ad otturatore a 3 vie affinché la portata della via di miscela (sempre aperta) risulti il più possibile costante su tutta la corsa.

    La caratteristica delle valvole e' determinante nella regolazione degli impianti, anche se con gli attuali regolatori digitali a microprocessore si sono raggiunti livelli tali da compensare in buona misura eventuali errori nella scelta e nel dimensionamento delle valvole sugli impianti.

Autorità della valvola:

L’autorità della valvola (a) e' costituita dal rapporto tra la perdita di carico a valvola completamente aperta con la portata nominale e la differenza di pressione tra monte e valle a valvola chiusa Dpv/Dpvc (questo valore varia tra 0,1 e 1).

Con la valvola di regolazione inserita in un circuito idraulico la pressione che la  interessa varia in funzione della posizione da aperto a chiuso.

Ciò e' dovuto alle resistenze dei componenti dell’impianto, come saracinesche, pompe, apparecchi utilizzatori, etc., che provocano perdite di carico che aumentano al quadrato all’aumentare della portata. Di conseguenza ad ogni modifica della corsa della valvola di regolazione corrisponde una modifica della portata e quindi della pressione sulla stessa che deforma le curve caratteristiche di base (lineare o equipercentuale).

L’entità delle deformazioni delle caratteristiche dipende inoltre dalla autorità Pv:

– con 0,1 la curva equipercentuale tende ad una retta (in pratica diventa lineare),mentre la curva lineare si incurva però in modo contrario a quella equipercentuale (in pratica non e' utilizzabile).

– con 1 sia la curva equipercentuale che quella lineare tendono alla forma di quella di base stabilita dal costruttore delle valvole.

    L’autorità delle valvole sull’impianto varia anche in funzione al dimensionamento delle stesse:

– diametro superiore a quello “accettabile” = a < 0,5

–    diametro uguale a quello “accettabile” = a = 0,5

–    diametro minore di quello “accettabile” = a > 0,5

Dove per diametro "accettabile"  si intende quello che determina una perdita di carico a valvola completamente aperta almeno uguale a quella della sezione di circuito a portata variabile che interessa la via di regolazione della valvola, condizione in cui il Pv risulta uguale a 0,5.

Fig.: Esempio di curve (caratteristiche) di base delle valvole modificate sugli impianti dall'autorità a, definite anche curve dinamiche.

• Le valvole e gli impianti

Curve degli impianti

La potenza resa dagli apparecchi utilizzatori (batterie, radiatori, scambiatori, ecc.) non ha mai un andamento lineare, cioe' proporzionale alla portata o alla temperatura del fluido in ingresso.

Le figure seguenti danno un’idea della potenza resa (Q) in funzione della portata (V). Questi valori sono ovviamente indicativi, infatti nella pratica sono compresi in una banda la cui ampiezza dipende dalla differenza di temperatura tra il fluido primario che cede calore (o freddo) e quello del secondario che viene riscaldato (o raffreddato). Inoltre maggiore e' la differenza di temperatura più accentuata e' la curva della potenza resa, la curva risulta più incurvata se la portata e' variabile rispetto a quelle a portata costante e la curva tende ad una retta nella regolazione climatica dell’impianto di riscaldamento o degli scambiatori.

Fig.3 Batteria o scambiatore a portata costante e temperatura variabile.

Dall’esame della figura 2, per utenze a portata variabile, si ricava che alla portata del 20% corrisponde una potenza resa del 55% circa, quindi per ottenere il rimanente 45% di potenza resa la portata deve variare dal 20% al 100% (80% in valore assoluto).

Per un funzionamento ottimale del sistema di regolazione e' auspicabile che la relazione tra la potenza resa richiesta dalle utenze e le posizioni della valvola di regolazione si svolga secondo una curva tendente al lineare: ad uguali modifiche della corsa della valvola corrisponderanno proporzionali variazioni di potenza resa.

Per ottenere ciò la curva caratteristica della valvola deve essere in opposizione a quelle della potenza resa delle apparecchiature delle utenze in modo che la risultante delle due curve tende ad una retta.

Quando non viene rispettato quanto sopra la regolazione può risultare instabile alle minime richieste di potenza a causa della curva troppo ripida; oppure lenta nel rispondere alle massime ed improvvise richieste di potenza poiché la curva e' troppo piatta.

   Il funzionamento del sistema di regolazione e' agevolato quando, oltre al dimensionamento, vengono impiegate valvole con caratteristiche (curve) adatte allo specifico impianto:

Impianti di riscaldamento centralizzati con regolazione climatica:

– valvole a 3 o 4 vie a settore, cioe' con curva caratteristica lineare

oppure (anche se non indispensabile)

– valvole a 3 vie ad otturatore con via diritta di regolazione equipercentuale e via ad angolo lineare.

Impianti ad iniezione in particolare per circuiti inseriti in collettori di distribuzione:

– valvola a 3 vie ad otturatore con curve caratteristiche come sopra

oppure

– valvole a 3 vie a settore (sconsigliate le valvole a 4 vie a settore).

Scambiatori e batterie sia nell'impiego a portata variabile e temperatura costante (rappresenta la quasi totalità delle applicazioni) che a portata costante e temperatura variabile:

– valvole a 3 vie ad otturatore con curve caratteristiche come sopra

oppure

– valvole a 3 vie ad otturatore con curva caratteristica equipercentuale.

•  Caratteristiche della regolazione

L’impianto si può dimensionare sia nelle componenti termiche (caldaia e scambiatore di calore), sia in quelle idrauliche (pompa, tubazioni e valvole di regolazione) conoscendo i carichi termici.  Conoscendo la caratteristica termica e idraulica dei singoli componenti si può determinare la caratteristica termica e idraulica di tutto l’impianto.

IPOTESI:

1. consideriamo un radiatore come scambiatore con condizioni di progetto (T_i-T_u)*=10°C, T_amb*=20°C.

2. consideriamo che il punto di funzionamento della pompa si trovi in una zona del diagramma in cui la prevalenza e' indipendente dalla portata (zona piatta

In queste ipotesi il salto di pressione disponibile alla pompa, Dp_p , e' indipendente dalla parzializzazione della valvola:

Dp_p/Dp_p*=1

Dp_p e' circa proporzionale alla portata, infatti Dp_p =R_(x)V², dove R_(x) e' dato dalla somma della resistenza della valvola e di quella del circuito.

   E’ di particolare importanza il “peso”, in condizioni di progetto, della caduta di pressione che si realizza nella valvola rispetto a quella totale.

                                 a_v=Dp_v*/(Dp_v*+Dp_r*)= R_v/( R_r+R_v)

Il parametro a e' detto autorità della valvola. Se a=1 la resistenza della valvola (con x=1) e' molto maggiore di quella dell’utenza. Man mano che a diminuisce i salti di portata sono sempre più bruschi. Per a=0.5 la caduta di pressione della valvola e' uguale a quella del ramo in cui e' installata.

La portata varia con la parzializzazione in dipendenza della valvola scelta e della sua autorità:

                      V/V*= 1/ √{1- a[1-(k_v(1)/k_v(x))²]}

Dove k_v e' il coefficiente di portata e indica la portata nel caso di una caduta di pressione di 1bar. k_v(1) e' il k_v per x=1.

   Combinando le curve caratteristiche dei vari componenti il circuito idraulico (la valvola di regolazione e lo scambiatore) si può costruire la caratteristica termica della regolazione, cioe' la potenza erogata dallo scambiatore in conseguenza della parzializzazione.

Perché il sistema di regolazione sia stabile, la valvola, oltre che modulare la portata per variare la risposta termica dell’utenza, deve  poter fornire, al variare della corsa dell’otturatore, una risposta termica lineare. Infatti, considerando una valvola a caratteristica lineare, se si volesse ridurre la potenza termica del 50% bisognerebbe quasi chiudere la valvola; quindi questo genere di valvole sono sconsigliate.

Più bassi sono i valori di a, tanto più  la linearizzazione e' marcata. Se però utilizzassimo valvole con a®1, la resistenza idraulica del ramo diverrebbe elevata, quindi sarebbe necessaria una pompa con elevata prevalenza. Se invece  a®0, la linearizzazione diminuirebbe. Si scelgono quindi a compresi tra 0.3 e 0.5 con valori tanto più alti quanto le temperature medie delle utenze crescono, per utenze cioe' che hanno bisogno di una correzione più spinta.

   Bisogna infine considerare la curva caratteristica della pompa. Se rimuoviamo  l’ipotesi  di curva piatta, la parzializzazione provoca un aumento della resistenza del ramo. In questo caso il punto di funzionamento (intersezione della caratteristica della pompa con quella del circuito) della pompa e il campo di pressioni vengono modificati.

Considerando una famiglia di pompe con curva caratteristica lineare, di pendenza b, (elasticità della pompa)

                                            b=1+1/ Ö{1- a[1-(k_v(1)/k_v(x))²] }

 il punto di funzionamento fornisce la portata totale nell’impianto:

                      V/V*= 2/1+ Ö{1- 4(a/b)[1-(k_v(1)/k_v(x))²]}

La portata quindi varia con il grado di parzializzazione della valvola (x), col tipo di valvola (k_v(x)), con la sua autorità (a) e col tipo di pompa (b).