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Copertina Idraulica Caleffi numero 56

DIMENSIONAMENTO DELLE VALVOLE DI REGOLAZIONE

I più comuni dispositivi di un circuito idraulico vengono solitamente dimensionati cercando di ridurre le perdite di carico che il componente stesso genera. Questo aspetto, negli ultimi anni, è preso sempre più in considerazione anche per una maggiore attenzione al risparmio energetico. A prima vista, si può pensare di seguire un criterio simile anche per il dimensionamento delle valvole di regolazione, ma, come vedremo in seguito, questo approccio potrebbe comportare scarse prestazioni della valvola e, quindi, conseguenti malfunzionamenti degli impianti. In tale ambito, occorre tenere in considerazione che impianti mal regolati provocano sprechi energetici ben maggiori rispetto all’eventuale risparmio dato dalla scelta di una valvola con basse perdite di carico.

Perdite di carico in un circuito

Per meglio comprendere come dimensionare una valvola di regolazione, è necessario introdurre il concetto di autorità. Questa caratteristica è importante in quanto permette di valutare la capacità di regolare la portata della valvola all’interno del circuito idraulico in cui è installata, e può essere calcolata con la seguente formula:

$$a={ΔP_{valv}\overΔP_{valv}+ΔP_c}$$

dove: 

ΔP valv = perdita di carico della valvola alla portata di progetto (in completa apertura)

ΔP c = perdite di carico di tutti i componenti del circuito, esclusa quella della valvola

In altre parole, il valore di autorità esprime quanto è grande la caduta di pressione della valvola (tutta aperta) rispetto alle perdite di carico totali del circuito (valvola compresa), e ciò si traduce in una maggiore o minore efficacia nel far variare la portata. Infatti, in caso la valvola di regolazione scelta abbia ad esempio perdite di carico eccessivamente basse, questa non sarebbe in grado di regolare la portata in maniera apprezzabile per la maggior parte della sua corsa di apertura. Solamente in prossimità della posizione di chiusura comincerebbe ad avere un effetto regolante. Chiaramente questa condizione non è accettabile, in quanto le prestazioni di regolazione sarebbero del tutto insoddisfacenti. Allo scopo di effettuare un corretto dimensionamento delle valvole di regolazione, possiamo affermare che:

•    bassi valori di autorità comportano basse perdite di carico della valvola (sovra-dimensionamento) ma scarsa capacità di regolare la portata all’interno del circuito;
•    alti valori di autorità generano elevate perdite di carico (sotto-dimensionamento) ma una marcata efficacia nella regolazione della portata.

Dalle precedenti considerazioni, si deduce quindi che è opportuno ricercare il miglior compromesso tra le prestazioni di regolazione ed il contenimento dei costi di pompaggio. I valori di autorità ottimali a tale proposito sono tipicamente i seguenti:

$${a = 0,3÷0,5}$$

In maniera più intuitiva, ciò significa che valori pratici di dimensionamento sono quelli per cui si ha una perdita di carico della valvola pari almeno alla metà di quelle rimanenti del circuito, o ancor meglio pari ad esse:

$${a \simeq 0,3 → ΔP_{valv} \simeq 0,5 · ΔP_c}$$

$${a \simeq 0,5 → ΔP_{valv} \simeq 1 · ΔP_c}$$

Regolazione con bassa autorità

Per analogia, il comportamento di una valvola di regolazione con bassa autorità descritto in precedenza, si può paragonare ad una bilancia dotata di una corsa molto lunga rispetto alla propria scala di regolazione. Fino a che non viene aggiunto un numero di pesi tali da rientrare nella scala, il piatto della bilancia si muove senza effetto. Perciò, i primi pesi posizionati sul piatto non hanno un effetto regolante, così come una valvola sovradimensionata “spreca” gran parte della sua corsa utile.

Campo di regolabilità

È piuttosto intuitivo che, ai fini della regolazione, la condizione di lavoro ideale di una valvola sarebbe quella in cui si riesce a sfruttare l’intera corsa di apertura. Tuttavia, per problemi costruttivi e limiti dati dalle tolleranze di lavorazione, le valvole non sono fisicamente in grado di regolare accuratamente in prossimità del punto di chiusura.

Con il termine regolabilità di una valvola si indica il campo di lavoro in cui questa è in grado di regolare progressivamente la portata. Questa proprietà è valutabile sperimentalmente come il rapporto tra la portata regolata a completa apertura e quella minima regolabile in prossimità della posizione di chiusura. Più precisamente, per poter rendere indipendente dalla portata il valore di regolabilità, si calcola normalmente come il rapporto tra il coefficiente di flusso Kv a completa apertura (normalmente indicato come Kvs) e quello minimo regolabile in prossimità della posizione di chiusura (normalmente indicato come KvMIN ). 

Ad esempio, una valvola con regolabilità pari a 20 è in grado di regolare la portata sino a valori pari ad un ventesimo di quella che la attraversa quando è completamente aperta.

Utilizzo di una valvola aggiuntiva per evitare il trafilamento

Indica e quantifica il passaggio di flusso per una valvola in posizione di completa chiusura.
Le valvole di regolazione in genere non presentano una  enuta perfetta in questa condizione. Normalmente questo non rappresenta un problema, in quanto bassi valori di portata di trafilamento non incide generalmente sui processi regolati, ed anzi in certi casi può rappresentare un vantaggio. È questo, ad esempio, il caso delle batterie delle unità di trattamento aria, dove un piccolo trafilamento di portata migliora il tempo di risposta della macchina durante gli avviamenti e, inoltre, previene il completo raffreddamento delle batterie allontanando il pericolo di gelo nei mesi invernali.

 

Tuttavia, in altre applicazioni il trafilamento può essere causa di malfunzionamenti o addirittura danni. Basti pensare ad esempio al caso di scambiatori di calore a servizio delle reti di riscaldamento. Il pericolo è rappresentato dal fatto che, quando non sussiste richiesta a valle dello scambiatore, la continua circolazione di portata può provocare vaporizzazione del fluido, con conseguenti possibili danni nonché pericoli per la salute.
In queste situazioni impiantistiche è opportuno scegliere valvole a trafilamento nullo, oppure prevedere una valvola aggiuntiva che abbia l’unica funzione di intercettare il circuito primario in caso di mancata richiesta da parte dell’utenza.