ITMI952234A1

ITMI952234A1 - Valvola perfezionata per la regolazione e misura di una portata massica di gas

Info

Publication number: ITMI952234A1
Application number: IT95MI002234A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Bergamini
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1997-04-30
Also published as: US6065492A; ITMI952234A0; EP0772026A3; IT1275826B1; EP0772026A2

Abstract

Nuova valvola di regolazione di una portata di gas che consente di operare anche la misura della portato massica, la quale valvola, adottando un raddrizzatore di flusso nel condotto di ingresso della valvola, un tubo di prolungamento del detto condotto di ingresso all'interno della valvola, una luce di passaggio dell'otturatore con bordi opportunamente raccordati, uno stabilizzatore di flusso nel condotto di uscita della valvola e ponendo le prese di pressione di monte e di valle della valvola immediatamente a valle del detto raddrizzatore e rispettivamente a monte del detto stabilizzatore, permette di effettuare il calcolo della portata non con le formulazioni tradizionalmente usate per il dimensionamento delle valvole ma con formule derivate da quelle più accurate che si utilizzano per il calcolo della portata massica con organi standardizzati a restrizione fissa. Vengono inoltre descritte delle realizzazioni preferite dei componenti della valvole.

Description

Descrizione

La presente invenzione concerne una nuova valvola che, utilizzando un raddrizzatore di flusso nel condotto di ingresso della valvola, una luce di passaggio dell'otturatore con bordi opportunamente raccordati, uno stabilizzatore nel condotto di uscita della valvola e ponendo le prese di pressione di monte e di valle della valvola immediatamente a valle del detto raddrizzatore di flusso e rispettivamente a monte del detto stabilizzatore consente una efficace e accurata misura nonché regolazione di una portata massica di gas, adottando formule ricavate dalle corrispondenti formule di comprovata accuratezza relative ad organi di misura standardizzati a restrizione fissa.

Sono noti dei dispositivi di misura della portata di gas che utilizzano una valvola di regolazione come organo di strozzamento atto a fornire dati per il calcolo della portata in funzione del grado di apertura, della pressione e temperatura assoluta in ingresso, della caduta di pressione totale a cavallo della valvola stessa e delle proprietà fisiche del gas. Rispetto agli organi di misura a restrizione fissa (diaframmi, boccagli, ecc.) il calcolo della portata con questi dispositivi noti presenta una complessità maggiore. La modellazione accurata del fenomeno di dissipazione e recupero di pressione rimane particolarmente ardua per la difficoltà di localizzare la posizione della vena contratta al variare della apertura e delle condizioni di efflusso (in termini di numero di Reynolds e di numero di Mach), cui si associa, per le valvole più comunemente usate, l'impossibilità di misurare la effettiva pressione nella sezione contratta.

Piuttosto complesso risulta il problema di ottenere un modello sufficientemente accurato della fase di recupero di pressione che si verifica a valle della sezione ristretta e che è sempre accompagnato da fenomeni di dissipazione turbolenta. Ciò provoca pulsazioni nella misura di pressione a valle della restrizione e quindi richiede il collocamento di una presa di pressione di valle a distanze di 5-10 diametri dalla valvola. Una conseguenza della mancanza di una accurata conoscenza del flusso all’interno delle valvole è la necessità di prove sperimentali atte a individuare le caratteristiche della valvola non specializzata, da utilizzare come organo di misura.

Nella pratica, le difficoltà di modellazione dell'insieme dei fenomeni di espansione, attraverso la restrizione a geometria variabile, e di dissipazione nei condotti a valle vengono risolte sperimentalmente con un grande numero di prove in diverse condizioni di funzionamento.

D'altra parte, si hanno numerosi esempi di organi di misura a restrizione fissa che sono stati studiati e sperimentati per dare una buona ripetibiltà della conformazione e localizzazione della vena contratta e per ottenere un flusso isoentropico a monte della restrizione, ciò che permette il calcolo della portata con formule molto accurate. La buona accuratezza di tali organi è tuttavia limitata a campi di funzionamento relativamente ristretti in termini di portata e caduta di pressione. Questi limiti, accettabili nell'impiego pratico dei dispositivi fissi, diventano un problema nel caso delle valvole, che dovendo contemporaneamente regolare la portata, devono potere funzionare in condizioni di efflusso più estese dai regimi subsonici a condizioni critiche.

Scopo della presente invenzione è appunto l'ottenimento, in una valvola perfezionata che consenta delle prestazioni, in termini di accuratezza di misura, comparabili con quelle ottenibili con gli organi di misura a restrizione fissa, dalle cui accurate formule di calcolo della portata massica vengono derivate le formule utilizzate dalla presente invenzione, ma con estensione maggiore sia in termini di portata che di salto di pressione relativo. Altro scopo della presente invenzione è quello di fornire una struttura che permetta di semplificare il calcolo della portata alle varie condizioni di misura ed a ridurre l'onere delle prove di caratterizzazione grazie ad una migliore modellabilità.

La struttura della valvola perfezionata, che realizza gli obiettivi delineati, integra in un unico insieme caratteristiche e funzioni delle valvole di regolazione e degli organi di misura, eliminando nel contempo, sia a livello di architettura intrinseca del ritrovato, che con l'aggiunta di dispositivi ed accorgimenti particolari, tutti i limiti ed i difetti che singolarmente le valvole e gli organi di misura presentano per l'ottenimento degli obiettivi di estensione del campo di funzionamento.

Allo scopo di ridurre i problemi di modellazione del flusso e di utilizzare quindi, per il calcolo della portata massica delle formule accurate derivate da quelle utilizzate dagli organi di misura standardizzati a restrizione fissa, la valvola è stata strutturata in modo tale da permettere di identificare e controllare la posizione e l'estensione della vena contratta. Inoltre è stata resa possibile la misura della pressione di valle in tale posizione invece che all'esterno della valvola, a valle del recupero di pressione, eliminando in questo modo la necessità e la complessità della modellazione matematica dei fenomeni fisici presenti nel tratto di raccordo tra la vena contratta e la tubazione di valle. Tutta una serie di accorgimenti sono stati inoltre adottati allo scopo di diminuire i possibili disturbi e le perturbazioni nella misura della pressione di vena contratta. In pratica detta valvola perfezionata diviene principalmente un buon organo di misura a luce variabile, svolgendo contemporaneamente una funzione di regolazione con ottima rangeability poiché l'estensione del campo di misura si associa intrinsecamente all'estensione del campo di regolazione.

Più specificatamente la valvola per la regolazione e misura di una portata massica di gas, comprendente un condotto di entrata, un condotto di uscita, un otturatore provvisto di luce di passaggio, un anello di tenuta cooperante col detto otturatore, detto anello essendo fatto ruotare da un mezzo di azionamento, nonché dei mezzi per misurare la pressione a monte ed a valle della valvola e la temperatura del gas della valvola, e caratterizzata, secondo la presente invenzione, dal fatto che nel condotto di ingresso è inserito un raddrizzatore di flusso, immediatamente a valle del quale, entro il corpo valvola, sono poste le prese della pressione di monte della valvola, il detto condotto di ingresso essendo prolungato all'interno dell'otturatore, fino alla prossimità della zona di convergenza in corrispondenza della detta luce di uscita, in una apertura dell'otturatore contrapposta a detta luce di uscita, da un tubo di prolungamento e la detta luce di uscita dell'otturatore essendo realizzata con una geometria del bordo costituita da un raccordo convergente atto a convogliare il flusso di gas in maniera tale da fargli assumere una direzione sostanzialmente parallela all'asse del condotto di uscita il quale, a sua volta, è provvisto nel suo interno di uno stabilizzatore di flusso, le prese della pressione di valle della valvola essendo sistemate all'interno della valvola a monte del detto stabilizzatore, in prossimità della detta luce di uscita.

I suddetti accorgimenti, infatti, oltre a rendere la valvola compatta ed eliminare la necessità di dover caratterizzare degli allacciamenti, riducendo drasticamente le pulsazioni di pressione e quindi le turbolenze e rendendo isoentropico il flusso fino alla zona di convergenza, consentono di determinare la portata massica con formule accurate derivate da quelle utilizzate dagli organi di misura a restrizione fissa, come sarà meglio spiegato nel seguito .

Secondo poi una realizzazione preferenziale della presente invenzione, il detto raddrizzatore di flusso è un raddrizzatore a nido d'ape o a tubicini. Secondo un'altra realizzazione preferenziale della presente invenzione, il detto stabilizzatore di flusso o di getto è costituito da due pareti inclinate, formanti sostanzialmente una sezione a C dividente il detto condotto di uscita in tre settori, uno centrale e due laterali di ricircolo del flusso, dette pareti essendo unite internamente da una terza parete collegante i detti settori laterali di ricircolo del flusso, le due dette pareti essendo provviste sulle loro superfici interne affacciate di corrispondenti deflettori inclinati che delimitano delle luci via via crescenti verso l'uscita della valvola.

Una ulteriore realizzazione preferenziale della presente invenzione è data poi dal fatto che il detto mezzo di azionamento per la rotazione dell'anello di tenuta è costituito da una leva infulcrata sul corpo valvola, il cui braccio più lungo viene mosso da una spina solidale all'otturatore, mentre il movimento del braccio più corto è trasmesso all'anello di tenuta mediante un dispositivo di non ritorno formato da una molla ad elica precaricata, avvolta e forzata su di un apposito alloggiamento del detto anello di tenuta, detta molla essendo connessa al detto braccio corto della leva.

Infine, secondo una realizzazione preferenziale della detta invenzione, il detto raccordo convergente della luce di uscita dell'otturatore è sostanzialmente un arco di cerchio di raggio pari alla larghezza della detta luce di uscita.

L'invenzione viene ora meglio chiarita con riferimento ai disegni allegati che illustrano una forma preferenziale di realizzazione pratica data a solo titolo esemplificativo ma non limitativo in quanto varianti tecniche e costruttive potranno essere sempre apportate senza uscire dall'ambito della presente invenzione.

In detti disegni:

la Fig.l è una vista in sezione longitudinale di una valvola per la regolazione e la misura di una portata massica di gas secondo l'invenzione/

la Fig.2 è una vista in sezione dall'alto della valvola di Fig.l, fatta secondo la linea A-A di Fig.l;

la Fig.3 è una vista laterale, parzialmente sezionata ed in scala ingrandita, della valvola di Fig.l, fatta da sinistra;

la Fig.4 è una vista fortemente ingrandita di un particolare della Fig.2; e

la Fig.5 mostra uno schema a blocchi per il calcolo e la regolazione di una portata massica di gas, fatta con la valvola dell'invenzione.

Facendo riferimento alle figure allegate, la valvola oggetto della presente invenzione ha uno sviluppo assiale (Fig. 1) e l'organo di intercettazione 1 è di tipo rotante attorno all'asse 27, per minimizzare gli inneschi di turbolenza dovuti a cambi di direzione dei condotti. L'organo mobile 1 ha una geometria sferica per rendere più facile la tenuta dell'anello 2 che parzializza la luce di passaggio, in quanto consente di conservare la tenuta anche in presenza di disallineamenti. Tale anello 2, aderisce perfettamente alla superficie sferica dell'otturatore grazie ad una molla 3 (Fig. 4) precaricata opportunamente, la quale appoggia a sua volta su di un anello cuscinetto 4 dotato di sfere 5 che permettono all'insieme anello-molla anche una rotazione attorno all'asse 26 dell'anello 2, correlata al moto di apertura e chiusura dell'otturatore attorno all'asse 27. Questa rotazione è ottenuta mediante un meccanismo 6 caratteristico dì questo ritrovato con l'obiettivo di mantenere efficiente e sempre uguale idrodinamicamente la porzione di bordo esposto al fluido che con l'usura potrebbe modificare la sua influenza sulla posizione della vena contratta. Detto meccanismo è costituito da una leva con fulcro in 7 il cui braccio più lungo 8 viene mosso da una spina 9 solidale all'otturatore 1 mentre il movimento del braccio più corto viene trasmesso all'anello di tenuta 2 mediante un dispositivo a non ritorno 10. Si ottiene in questo modo il risultato che la rotazione dell'anello di tenuta risulti costituita da movimenti di piccola entità, grazie all'elevato rapporto di riduzione rispetto agli angoli effettuati dall'otturatore, movimenti che avvengono anche quando l'otturatore compie piccole rotazioni. Originale è l'organo che realizza il movimento, anche infinitesimale, dell'anello senza necessità di cremagliere o denti e giochi o insensibilità relative, costituito da una elica 10 (sostanzialmente una molla di poche spire precaricata) che mossa in un verso tende a serrarsi sul tamburo, costituito dal suddetto anello 2, su cui è avvolta, provocando quindi un movimento di rotazione, mentre nell'altro verso tende ad aprirsi e a muoversi strisciando sul tamburo, risultando in questo modo una coppia inferiore a quella dovuta all'attrito tra anello di tenuta e sfera dell'otturatore. Detta precarica consente un intervento immediato, senza recupero di giochi al più piccolo movimento angolare dell'otturatore.

L'anello di tenuta è guidato, secondo una caratteristica dello stato dell'arte, dall'anello di guarnizione 11 ed il suo bilanciamento è ottenuto con un opportuno dimensionamento del raggio di tenuta in funzione dei raggi dei bordi della zona di contatto.

La posizione e conformazione della vena contratta viene fatta coincidere, per una grande porzione, con la sezione di minimo passaggio secondo una caratteristica peculiare del presente ritrovato. Tale sezione ristretta è localizzata in corrispondenza dello spigolo di una apertura intagliata sulla superficie sferica, secondo un profilo di tipo equipercentuale 12 (Fig. 3). La luce viene parzializzata dall'anello di tenuta 2 a sua volta spinto dalla molla 3 contro la superficie sferica. La geometria del bordo della restrizione è costituita da un raccordo convergente 13 che convoglia il flusso in maniera tale che esso assuma una direzione, per gran parte della sezione, parallela all'asse 26 del condotto di uscita in corrispondenza della fine di tale zona convergente 14. Questa caratteristica permette di eliminare l'ulteriore contrazione del flusso a valle della sezione di uscita. La coincidenza della vena contratta con una sezione di passaggio di area nota facilita il calcolo della portata. Questo risultato viene ottenuto conformando detto raccordo, secondo una caratteristica peculiare del presente ritrovato con un arco di cerchio di raggio pari alla larghezza della luce di uscita. Questo dimensionamento permette di avere un profilo della velocità in uscita praticamente piatto. Questa caratteristica permette di ridurre l'importanza dei fattori correttivi che tengono conto degli scostamenti dal comportamento ideale di flusso monodimensionale, riducendo le variazioni di pressione e velocità in tale sezione rispetto ai rispettivi valori medi.

Nel condotto di ingresso 15, in cui il gas fluisce secondo il verso della freccia 28, è collocato un raddrizzatore di flusso 16 immediatamente a valle del quale sono poste le prese della pressione di monte 17 ed il sensore di temperatura 18. Tale raddrizzatore è costituito da una serie di condotti di piccolo diametro ed ha lo scopo di ridurre la scala delle perturbazioni turbolente di pressione e velocità presenti nel flusso. Le prese di pressione poste lungo il contorno del condotto in ingresso sono collegate da un collettore 19 che provvede ad un primo filtraggio del rumore di turbolenza, peraltro già ridotto dal raddrizzatore, effettuando una operazione di media su più punti della sezione. La misura della temperatura fatta nella stessa sezione della misura di pressione di monte consente di avvicinare la misura di pressione stessa all'otturatore senza introdurre errori nel calcolo della densità e della pressione totale in ingresso, grandezze utili al calcolo della portata.

Il condotto di ingresso 15 prosegue con un tubo di prolungamento 20 fino all'interno dell'otturatore guidando il flusso in maniera tale da ridurre notevolmente le zone di ricircolo e di conseguenza anche limitando l'accumulo di eventuali contaminanti solidi nel corpo valvola. E' caratteristico del presente ritrovato che detto tubo prolungato sia dimensionato in modo che il bordo anteriore e le generatrici laterali abbiano un gioco molto piccolo rispetto alle pareti interne dell'otturatore. A loro volta le pareti interne dell'otturatore sono caratterizzate da una forma ottenuta come inviluppo degli ingombri generati nella rotazione dal tubo interno. Vengono quindi ridotti i flussi secondari da zone a più alta pressione fino alla sezione ristretta.

Un ulteriore dispositivo, caratteristico del presente ritrovato, è inserito nella zona a valle della restrizione. Si tratta di uno stabilizzatore 21 del getto introdotto allo scopo di eliminare le oscillazioni del flusso uscente dalla restrizione. Lo stabilizzatore ha l'obiettivo di forzare il getto a rimanere il più possibile centrato e a dissipare la sua energia cinetica mediante strutture turbolente di scala ridotta che introducono disturbi della misura di pressione di valle solo ad alte frequenze. Detto stabilizzatore è costituito sostanzialmente da due pareti 22 {Fig. 3) che dividono il condotto di valle in tre settori, uno centrale e due laterali. Le due pareti 22 sono collegate da una parete 23 che crea un volume di raccordo tra le due suddette zone laterali. L'azione centrante del getto viene ottenuta da una serie di restrizioni successive alla prima, ossìa quella dell'otturatore alla massima apertura, con aree di passaggio crescenti e costituite da profili inclinati 24 solidali alle suddette pareti 22. Inoltre, tale azione viene ottenuta grazie ad un flusso di ricircolo che proviene dai condotti laterali isolati dalla turbolenza ed asimmetria del getto. Ogni scostamento del getto principale dall'asse di simmetria provoca un aumento di pressione a monte della restrizione successiva, dal lato suddetto, con conseguente azione centrante.

Le prese di pressione di valle 25 sono costituite da due tubetti che portano i punti di presa nelle posizioni meno disturbate per la misura.

In figura 5 è riportato lo schema a blocchi per il calcolo e la regolazione di una portata massica di gas.

In detta figura, con 30 viene indicata la tubazione in cui si vuole misurare e regolare la portata massica del gas, che vi defluisce secondo il verso della freccia 31, con una valvola 32 oggetto della presente invenzione. All'uopo, i valori rilevati dalla valvola 32, e cioè la temperatura a monte 33 e la pressione a monte 34 nonché la pressione a valle 35, vengono inviati ad una unità di calcolo 36, alla quale pervengono pure il valore della portata massica richiesta, all'ingresso 37, e le caratteristiche del gas, all'ingresso 38, nonché l'indicazione della posizione dell'attuatore 41 della valvola, all'ingresso 39. L'unità di calcolo elabora i dati ricevuti secondo una particolare formulazione che fornisce il valore della posizione dell'otturatore corrispondente ad una area della sezione ristretta Az tale che la portata massica effettivamente transitante attraverso la valvola 32 sia uguale al valore di set impostato al detto ingresso 37 e fornisce all'uscita 40 un segnale di comando per il detto attuatore 41 della valvola.

La detta particolare formulazione delle relazioni che collegano le variabili in gioco è data, a titolo preferenziale ma non esclusivo per il funzionamento del ritrovato, da :

dove :

G Portata massica.

A2 Area sezione ristretta,

z Fattore di comprimibilità.

R Costante elastica del gas.

k Esponente evoluzione isoentropica. ηΐ2 Coefficiente correttivo che tiene conto degli eventuali scostamenti del comportamento del gas reale dalla ipotesi di evoluzione politropica ad esponente costante.

<p Coefficiente di efflusso: include gli effetti di non unidimensionalità del flusso e dipende dal grado di apertura e dal numero di Reynolds.

ΤχΟ Temperatura totale gas in ingresso calcolabile da:

con:

area tubo in ingresso,

Pi pressione statica in ingresso, Ti temperatura assoluta.

PI0 Pressione totale gas in ingresso:

Rapporto di pressioni. Il valore maggiore tra le espressioni:

con:

P2 pressione misurata in vena contratta,

ξρ2 coefficiente correttivo della misura della pressione di vena contratta in condizioni critiche. Può essere determinato sperimentalmente in funzione dell'angolo di apertura dell'otturatore.

M2 numero di Mach in vena contratta, ove:

La valvola di misura e regolazione può avere anche altre modalità di funzionamento, quale quella di sola misura di una portata variabile, che può essere effettuata ad una fissata apertura dell'otturatore o ad una fissata caduta di pressione (per esempio la minima caduta compatibile con il campo di misura).

In questo caso l'ingresso 37 della Fig.5 è sostituito con una uscita 42 del valore di portata massica misurata. Può essere pure realizzata la modalità di regolazione del salto di pressione totale ed in tale caso è richiesto un ulteriore ingresso per la misura della pressione da regolare.

Claims

Rivendicazioni 1. Valvola per la misura e la regolazione di una portata massica di gas, comprendente un condotto di entrata, un condotto di uscita, un otturatore provvisto di luce di passaggio, un anello di tenuta cooperante col detto otturatore, detto anello potendo eventualmente essere fatto ruotare da un mezzo di azionamento, nonché dei mezzi per misurare la pressione a monte ed a valle della valvola e la temperatura del gas della valvola, caratterizzata dal fatto che nel detto condotto di ingresso è inserito un raddrizzatore di flusso, immediatamente a valle del quale, entro il corpo valvola, sono poste le prese della pressione di monte della valvola, il detto condotto di ingresso essendo prolungato all'interno dell'otturatore, fino alla prossimità della zona di convergenza in corrispondenza della detta luce di uscita, in una apertura dell'otturatore contrapposta a detta luce di uscita, da un tubo di prolungamento e la detta luce di uscita dell'otturatore essendo realizzata con una geometria del bordo costituita da un raccordo convergente atto a convogliare il flusso di gas in maniera tale da fargli assumere una direzione sostanzialmente parallela all'asse del condotto di uscita il quale, a sua volta, è provvisto nel suo interno di uno stabilizzatore di flusso, le prese della pressione di valle della valvola essendo sistemate all'interno della valvola, a monte del detto stabilizzatore, in prossimità della detta luce di uscita.
2. Valvola secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto raddrizzatore di flusso è un raddrizzatore a nido d'ape o a tubicini.
3. Valvola secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto stabilizzatore di flusso o di getto è costituito da due pareti inclinate, formanti sostanzialmente una sezione a C dividente il detto condotto di uscita in tre settori, uno centrale e due laterali di ricircolo del flusso, dette pareti essendo unite internamente da una terza parete collegante i detti settori laterali di ricircolo del flusso, le due dette pareti essendo provviste sulle loro superfici interne affacciate di corrispondenti deflettori inclinati che delimitano delle luci via via crescenti verso l'uscita della valvola.
4. Valvola secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto mezzo di azionamento per la rotazione dell'anello di tenuta è costituito da una leva infulcrata sul corpo valvola, il cui braccio più lungo viene mosso da una spina solidale all'otturatore, mentre il movimento del braccio più corto è trasmesso all'anello di tenuta mediante un dispositivo di non ritorno formato da una molla ad elica precaricata, avvolta e forzata su di un apposito alloggiamento del detto anello di tenuta, detta molla essendo connessa al detto braccio corto della leva.
5. Valvola secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto raccordo convergente della luce di uscita dell'otturatore è sostanzialmente un arco di cerchio di raggio pari alla larghezza della detta luce di uscita.
6. Valvola secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di consentire la misura e la regolazione della portata con la formula: dove: G Portata massica. A2 Area sezione ristretta. z Fattore di comprimibilità. R Costante elastica del gas. k Esponente evoluzione isoentropica. ni2 Coefficiente correttivo che tiene conto degli eventuali scostamenti del comportamento del gas reale dalla ipotesi di evoluzione politropica ad esponente costante. φ Coefficiente di efflusso: include gli effetti di non unidimensionalità del flusso e dipende dal grado di apertura e dal numero di Reynolds. Ti° Temperatura totale gas in ingresso calcolabile da: con: area tubo in ingresso, Pi pressione statica in ingresso, Ti temperatura assoluta. PIo Pressione totale gas in ingresso: β Rapporto di pressioni. Il valore maggiore tra le espressioni: con: P2 pressione misurata in vena contratta,ξρ2 coefficiente correttivo della misura della pressione di vena contratta in condizioni critiche. Può essere determinato sperimentalmente in funzione dell'angolo di apertura dell'otturatore. M2 numero di Mach in vena contratta, ove:
7. Valvola secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che le pareti interne del detto otturatore hanno una forma ottenuta come inviluppo degli ingombri generati nella rotazione dal detto tubo di prolunga: