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Le valvole a farfalla sono più leggere, più piccole e più leggere rispetto ad altri tipi di valvole di controllo, il che le rende la scelta migliore per la regolazione del flusso in molte applicazioni. Tradizionalmente, le valvole a farfalla standard sono state utilizzate in applicazioni di accensione/spegnimento automatico e sono perfette per questo ruolo. Tuttavia, alcuni ingegneri le considerano inaccettabili quando si tratta di regolare il flusso in un sistema a circuito chiuso.
Le valvole a farfalla utilizzano dischi rotanti per controllare il flusso attraverso i tubi. I dischi in genere funzionano a 90 gradi, quindi a volte vengono chiamate valvole rotanti angolari. Di solito, vengono utilizzate quando si considera l'economia. Quando è richiesta una chiusura ermetica, è possibile utilizzare valvole a farfalla con guarnizioni elastomeriche morbide e/o dischi rivestiti per fornire le prestazioni richieste. Le valvole a farfalla ad alte prestazioni (HPBV), o valvole a doppio offset, sono ora lo standard del settore per le valvole di controllo a farfalla e sono ampiamente utilizzate per il controllo della strozzatura. Sono adatte per applicazioni con cadute di pressione relativamente costanti o cicli di processo lenti.
I vantaggi delle HPBV includono un percorso di flusso rettilineo, un'elevata capacità e la capacità di far passare facilmente fluidi solidi e viscosi. In genere hanno il costo di installazione più basso di qualsiasi altro tipo di valvola, in particolare nelle dimensioni NPS 12 e superiori. Il loro vantaggio in termini di costi aumenta in modo significativo rispetto ad altri tipi di valvole in dimensioni superiori a 12 pollici.
Offrono buone prestazioni di chiusura in un ampio intervallo di temperature e sono disponibili con diversi tipi di corpo, tra cui wafer, lug e doppia flangia. Sono molto più leggere e compatte rispetto ad altri tipi di valvole. Ad esempio, una valvola a sfera segmentata a doppia flangia ANSI Classe 150 da 12 pollici pesa 350 libbre e ha una dimensione faccia a faccia di 13,31 pollici, mentre l'equivalente di una valvola a farfalla lug da 12 pollici pesa solo 200 libbre e ha una dimensione faccia a faccia di 3 pollici.
Le valvole a farfalla presentano alcune limitazioni che le rendono inadatte al controllo del flusso in determinate applicazioni. Tra queste rientrano la limitata capacità di caduta di pressione rispetto alle valvole a sfera a globo che presentano un maggiore potenziale di cavitazione o evaporazione istantanea.
Poiché l'ampia superficie del disco agisce come una leva, applicando la forza dinamica del mezzo che scorre all'albero motore, le valvole a farfalla standard generalmente non vengono utilizzate per applicazioni ad alta pressione. Quando lo sono, le dimensioni e la selezione dell'attuatore diventano fondamentali.
Le valvole di controllo a farfalla possono talvolta essere sovradimensionate, il che può avere un impatto negativo sulle prestazioni del processo. Ciò può essere dovuto all'uso di valvole di dimensioni di linea, in particolare valvole a farfalla ad alta capacità. Può aumentare la variabilità del processo in due modi. In primo luogo, il sovradimensionamento può conferire alla valvola un guadagno eccessivo, lasciando meno flessibilità nella regolazione del regolatore. In secondo luogo, una valvola sovradimensionata può funzionare più frequentemente a aperture inferiori e l'attrito della guarnizione può essere maggiore in una valvola a farfalla. Poiché una valvola sovradimensionata produce una variazione di portata sproporzionatamente grande per un dato incremento di corsa della valvola, questo fenomeno esagera notevolmente la variabilità del processo associata alla banda morta indotta dall'attrito.
Talvolta i progettisti utilizzano le valvole a farfalla per motivi economici o per adattarsi a una determinata dimensione di linea, indipendentemente dai loro limiti. Esiste la tendenza a sovradimensionare le valvole a farfalla per evitare di pizzicare i tubi, il che può portare a un controllo scadente del processo.
La limitazione più grande è che l'intervallo di controllo ideale dell'acceleratore non è ampio quanto quello di una valvola a sfera o di una valvola a sfera segmentata. Le valvole a farfalla in genere non funzionano bene al di fuori dell'intervallo di controllo di circa il 30% - 50% di apertura.
In genere, il ciclo è più facile da controllare quando il ciclo di controllo funziona in modo lineare e il guadagno del processo è prossimo all'unità. Pertanto, un guadagno del processo di 1,0 diventa un obiettivo per un buon controllo del ciclo, con un intervallo accettabile da 0,5 a 2,0 (un intervallo di 4:1).
Le prestazioni sono migliori quando la maggior parte del guadagno del loop proviene dal controller. Si noti che nella curva di guadagno della Figura 1, il guadagno del processo diventa piuttosto elevato nella regione al di sotto del 25% circa della corsa della valvola.
Il guadagno di processo definisce la relazione tra l'output di processo e la variazione di input. Una corsa in cui il guadagno di processo rimane compreso tra 0,5 e 2,0 è l'intervallo di controllo ottimale per la valvola. Quando il guadagno di processo non è compreso tra 0,5 e 2,0, possono verificarsi scarse prestazioni dinamiche e instabilità del circuito.
Il design del disco a farfalla ha un effetto significativo sul flusso della valvola quando questa passa da chiusa ad aperta. I dischi con caratteristiche intrinseche di uguale percentuale possono compensare meglio le cadute di pressione che variano con il flusso. Le guarnizioni di uguale percentuale forniranno caratteristiche di montaggio lineari per cadute di pressione variabili, il che è l'ideale. Il risultato è una variazione uno a uno più accurata tra flusso e corsa della valvola.
Le valvole a farfalla hanno recentemente introdotto dischi con caratteristiche intrinseche di flusso in percentuale uguale. Ciò fornisce una caratteristica di installazione che consente un guadagno nel processo di installazione nell'intervallo desiderato da 0,5 a 2,0 su corse più ampie. Ciò migliora significativamente il controllo dell'acceleratore, soprattutto nell'intervallo di corsa inferiore.
Questa progettazione garantisce un buon controllo, con un guadagno accettabile da 0,5 a 2,0, da circa l'11% di apertura al 70%, un aumento di quasi tre volte nell'intervallo di controllo rispetto a una tipica valvola a farfalla ad alte prestazioni (HPBV) delle stesse dimensioni. Pertanto, percentuali uguali di dischi forniscono una variabilità di processo complessiva inferiore.
Le valvole a farfalla con caratteristiche intrinseche di equivalenza percentuale, come la valvola Control-Disk, sono ideali per i processi che richiedono prestazioni di controllo della strozzatura precise. Possono essere controllate più vicine al punto di regolazione target indipendentemente dalle perturbazioni del processo, riducendone la variabilità.
Se la valvola a farfalla non funziona bene, il problema può essere risolto semplicemente sostituendola con una valvola di dimensioni adeguate. Ad esempio, un'azienda cartaria utilizza due valvole a farfalla sovradimensionate per controllare la rimozione dell'umidità dalla polpa. Entrambe le valvole sono state azionate con una corsa inferiore al 20%, con conseguente variabilità del processo rispettivamente del 3,5% e dell'8,0%. La maggior parte della loro durata è trascorsa in modalità manuale.
Sono state installate due valvole a farfalla Fisher Control-Disk NPS 4 di dimensioni adeguate con regolatore digitale della valvola. Il circuito funziona ora in modalità automatica con una variabilità di processo dal 3,5% all'1,6% per la prima valvola e dall'8% al 3,0% per la seconda valvola, senza alcuna speciale regolazione del circuito.
La scarsa pressione dell'acqua e il controllo del flusso nel sistema di raffreddamento dell'acciaieria hanno prodotto prodotti finali incoerenti. Le nove HPBV installate non sono state in grado di controllare efficacemente il flusso dell'acqua come richiesto.
L'impianto voleva installare valvole che controllassero meglio il processo e aveva bisogno di ridurre al minimo i costi di installazione. L'impianto spenderà 10.000 dollari per sostituire le tubazioni di ogni valvola per passare dalle valvole HPBV alle valvole a sfera segmentate. Emerson consiglia invece di utilizzare una valvola a farfalla Control-Disk che soddisfi le dimensioni faccia a faccia delle attuali valvole HPBV.
Una valvola Control-Disk è stata testata fianco a fianco con una delle nove HPBV esistenti e ha soddisfatto i requisiti specificati. L'impianto ha sostituito le restanti otto HPBV nel giro di un anno, ciascuna dotata di una valvola Control-Disk, eliminando la necessità di sostituire l'impianto idraulico da 90.000 dollari per la valvola a sfera segmentata; inoltre, la valvola a sfera è costata circa il 25% in più della valvola a farfalla.
Le valvole Control-Disk garantiscono un controllo preciso e contribuiscono a eliminare la variabilità nel prodotto finale. La cartiera stima che l'installazione di nove valvole Control-Disk consentirà di risparmiare circa 1 milione di dollari all'anno.
Rispetto alla maggior parte degli altri tipi di valvole, le HPBV con posizionatori digitali hanno costi di installazione iniziali inferiori e, se opportunamente dimensionate, forniscono un intervallo di controllo adeguato. Hanno un'elevata capacità e minime restrizioni di flusso. Le valvole a farfalla con trim intrinsecamente equipercentuali offrono l'opportunità di estendere l'intervallo di controllo, in modo simile alle valvole a globo o a sfera, e occupano solo lo spazio della HPBV.
Quando si selezionano le valvole, in particolare le HPBV, assicurarsi che siano della dimensione corretta, altrimenti potrebbero essere controllate manualmente dalla sala controllo. È inoltre importante considerare lo stile della valvola, le caratteristiche intrinseche e le dimensioni della valvola, che forniranno la più ampia gamma di controllo per l'applicazione.
Mark Nymeyer è responsabile delle comunicazioni di marketing globale per Emerson Automation Solutions, responsabile del controllo del traffico.
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Ora di pubblicazione: 20-01-2022
