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Le valvole a farfalla sono più leggere, più piccole e leggere rispetto ad altri tipi di valvole di controllo, il che le rende la scelta migliore per la regolazione del flusso in molte applicazioni. Le valvole a farfalla standard sono tradizionalmente utilizzate per applicazioni di apertura/chiusura automatica e sono particolarmente adatte a questo ruolo. Tuttavia, quando si tratta di regolare il flusso in un sistema a circuito chiuso, alcuni ingegneri lo considerano inaccettabile.
La valvola a farfalla utilizza un disco rotante per controllare il flusso attraverso il tubo. Di solito i dischi possono essere azionati di 90 gradi, quindi a volte vengono chiamati valvole a quarto di giro. Di solito vengono utilizzati quando si considera l'economia. Quando è richiesta una chiusura ermetica, è possibile utilizzare valvole a farfalla con guarnizioni elastiche morbide e/o dischi rivestiti per fornire le prestazioni richieste. La valvola a farfalla ad alte prestazioni (HPBV), o valvola a doppio offset, è ora lo standard industriale per le valvole di controllo a farfalla ed è ampiamente utilizzata per il controllo della strozzatura. Funzionano bene per applicazioni con cadute di pressione relativamente costanti o cicli di processo lenti.
I vantaggi dell'HPBV includono il percorso del flusso diretto, l'elevata capacità e la capacità di far passare facilmente mezzi solidi e viscosi. Il loro costo di installazione è solitamente il più basso tra tutti i tipi di valvole, in particolare le valvole da 12 pollici e quelle più grandi. Rispetto ad altri tipi di valvole, il loro vantaggio in termini di costi aumenta notevolmente quando la dimensione supera i 12 pollici.
Possono fornire buone prestazioni di chiusura in un ampio intervallo di temperature e fornire diversi design del corpo valvola, tra cui il tipo wafer, il tipo a capocorda e la doppia flangia. Sono molto più leggere di altri tipi di valvole e sono più compatte. 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 valvola a farfalla con aletta da 12 pollici pesa solo 200 libbre e una dimensione faccia a faccia dimensione del viso di 3 pollici.
Le valvole a farfalla presentano alcune limitazioni che le rendono inadatte al controllo del flusso in determinate applicazioni. Questi includono capacità di caduta di pressione limitate rispetto alle valvole a sfera, con maggiore potenziale di cavitazione o flashing.
Poiché l'ampia superficie del disco agisce come una leva per applicare la forza dinamica del mezzo che scorre all'albero motore, le valvole a farfalla standard solitamente non vengono utilizzate per applicazioni ad alta pressione. In tal caso, la dimensione e la selezione dell'attuatore diventano fondamentali.
A volte capita che la valvola di controllo a farfalla sia sovradimensionata, il che avrà un impatto negativo sulle prestazioni del processo. Ciò potrebbe essere dovuto all'uso di valvole delle dimensioni di una tubazione, in particolare valvole a farfalla di grande capacità. Può aumentare la variabilità del processo in due modi. Innanzitutto, il sovradimensionamento porta un guadagno eccessivo alla valvola e quindi manca di flessibilità nella regolazione del controller. In secondo luogo, le valvole sovradimensionate possono funzionare più frequentemente con aperture inferiori, mentre l'attrito di tenuta delle valvole a farfalla può essere maggiore. Perché per un dato incremento della corsa della valvola, una valvola eccessivamente grande produrrà variazioni di flusso sproporzionatamente grandi. Questo fenomeno esagererà notevolmente la variabilità del processo associata alla zona morta dovuta all'attrito.
I codificatori a volte utilizzano valvole a farfalla per ragioni economiche o per adattarsi a una determinata dimensione della tubazione, indipendentemente dalle loro limitazioni. Esiste la tendenza a sovradimensionare la valvola a farfalla per evitare di schiacciare il tubo, il che può portare a uno scarso controllo del processo.
La limitazione più grande è che il campo di controllo ideale della strozzatura non è ampio quanto quello di una valvola di arresto o di una valvola a sfera segmentata. Le valvole a farfalla generalmente non funzionano bene al di fuori dell'intervallo di controllo dell'apertura compreso tra circa il 30% e il 50%.
In genere, quando il circuito di controllo funziona in modo lineare e il guadagno del processo è vicino a 1, il circuito è più semplice da controllare. Pertanto, un guadagno di processo pari a 1,0 diventa l'obiettivo per un buon controllo del circuito e l'intervallo accettabile è compreso tra 0,5 e 2,0 (intervallo 4:1).
Le prestazioni sono migliori quando la maggior parte del guadagno del circuito 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 di circa il 25% della corsa della valvola.
Il guadagno del processo definisce la relazione tra l'output del processo e le modifiche dell'input. La corsa in cui il guadagno di processo viene mantenuto tra 0,5 e 2,0 è l'intervallo di controllo ottimale della valvola. Quando il guadagno del processo non è compreso tra 0,5 e 2,0, potrebbero verificarsi scarse prestazioni dinamiche e instabilità del circuito.
Quando la valvola viene chiusa per aprirsi, il design del disco della valvola a farfalla ha un impatto significativo sul flusso della valvola. Il disco con caratteristiche intrinseche di equipercentuale riesce a compensare meglio la caduta di pressione che varia con la portata. Gli interni uguali percentuali forniranno caratteristiche di installazione lineare per modificare la caduta di pressione, che è l'ideale. Il risultato è una variazione uno a uno più precisa tra portata e corsa della valvola.
Recentemente, le valvole a farfalla possono utilizzare dischi con caratteristiche di flusso intrinseche di uguale percentuale. Ciò fornisce una funzionalità di installazione che si traduce in un guadagno del processo di installazione entro l'intervallo richiesto compreso tra 0,5 e 2,0 su un intervallo di corsa più ampio. Ciò migliorerà significativamente il controllo dell'acceleratore, specialmente nella gamma di corsa inferiore.
Questo design fornisce un buon controllo, con un guadagno accettabile compreso tra 0,5 e 2,0 da circa l'11% di apertura al 70%, e l'intervallo di controllo è quasi tre volte superiore a quello di una tipica valvola a farfalla ad alte prestazioni (HPBV) della stessa dimensione. Pertanto, i dischi pari percentuali forniscono una variabilità di processo complessivamente inferiore.
Le valvole a farfalla con caratteristiche intrinseche di equipercentuale, come le valvole a disco di controllo, sono ideali per processi che richiedono prestazioni precise di controllo della strozzatura. Indipendentemente dai disturbi del processo, questi possono essere controllati più vicino al setpoint target, riducendo così la variabilità del processo.
Se la valvola a farfalla non funziona bene, basta sostituire la valvola con la dimensione giusta per risolvere il problema. Ad esempio, un'azienda cartaria utilizza due valvole a farfalla sovradimensionate per controllare la rimozione dell'umidità dalla pasta di legno. Le due valvole funzionano a meno del 20% della corsa, determinando una variazione del processo rispettivamente del 3,5% e dell'8,0%. La maggior parte della loro durata viene trascorsa in modalità manuale.
Sono state installate due valvole a farfalla Fisher Control-Disk da 4 pollici di dimensioni adeguate con regolatori digitali per valvole. Il circuito ora funziona in modalità automatica, la variabilità del processo della prima valvola è aumentata dal 3,5% all'1,6% e la variabilità del processo della seconda valvola è aumentata dall'8% al 3,0%, senza alcuna regolazione speciale del circuito.
La scarsa pressione dell'acqua e il controllo del flusso del sistema di raffreddamento nell'acciaieria hanno portato a incongruenze nel prodotto finale. L'HPBV installato a Jiutai non è riuscito a controllare efficacemente il flusso d'acqua come richiesto.
L'impianto spera di installare valvole in grado di controllare meglio il processo e deve ridurre al minimo i costi di installazione. La fabbrica spenderà 10.000 dollari per sostituire i tubi di ciascuna valvola per passare dalle valvole HPBV alle valvole a sfera segmentate. Emerson consiglia invece che la sua valvola a farfalla Control-Disk sia adatta all'attuale dimensione scartamento HPBV.
Una valvola Control-Disk è stata testata insieme a uno dei nove HPBV esistenti e le sue prestazioni hanno soddisfatto i requisiti specificati. La fabbrica ha sostituito i rimanenti 8 HPBV entro un anno e ogni HPBV è stato dotato di una valvola Control-Disk. Ciò ha eliminato la necessità di sostituire tubazioni da 90.000 dollari per le valvole a sfera segmentate e il costo delle valvole a sfera è aumentato di circa il 25% rispetto alle valvole a farfalla.
Le valvole Control-Disk forniscono un controllo preciso e aiutano a eliminare la variabilità nel prodotto finale. L'acciaieria stima che l'installazione di nove valvole Control-Disk possa far risparmiare circa 1 milione di dollari all'anno.
Rispetto alla maggior parte degli altri tipi di valvole, HPBV con posizionatore digitale ha un costo di installazione iniziale inferiore e può fornire un intervallo di controllo adeguato quando la dimensione è corretta. Hanno una capacità elevata e restrizioni di flusso minime. La valvola a farfalla con uguale percentuale intrinseca di parti interne offre l'opportunità di espandere il campo di controllo, simile a una valvola a globo o una valvola a sfera, e occupa solo lo spazio dell'HPBV.
Quando si selezionano le valvole, in particolare HPBV, assicurarsi che siano della dimensione corretta, altrimenti potrebbero essere controllate manualmente dalla sala di controllo. È inoltre importante considerare il tipo di valvola, le caratteristiche intrinseche e le dimensioni della valvola che forniscono la gamma di controllo più ampia per l'applicazione.
Mark Nymeyer è il responsabile delle comunicazioni di marketing globale per il controllo del flusso presso Emerson Automation Solutions.
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Orario di pubblicazione: 11 ottobre 2021
