Come scegliere e dimensionare una valvola riduttrice di pressione

Una valvola riduttrice di pressione mantiene una pressione impostata a valle, indipendentemente dalla fluttuazione della rete principale a monte. Nella distribuzione idrica, questo significa in genere mantenere l'ingresso di un'area di misurazione distrettuale a una pressione di servizio minima accettabile, mentre i cicli di pompaggio e la variazione della domanda fanno salire e scendere la pressione del tronco principale. Negli impianti di trattamento e nei servizi per gli edifici, le PRV proteggono la strumentazione sensibile e le apparecchiature a valle da picchi di pressione che possono danneggiare le guarnizioni, far scoppiare i raccordi e innescare falsi allarmi sui sistemi monitorati dalla pressione.

Il principio di funzionamento è idraulico. Un pilota a molla rileva la pressione a valle attraverso una linea di rilevamento a foro piccolo. Quando la pressione a valle scende al di sotto del punto stabilito, il pilota permette all'acqua di defluire dalla camera del coperchio della valvola, riducendo la forza che tiene chiuso il disco e consentendo al flusso di aumentare. Quando la pressione a valle aumenta al di sopra del punto stabilito, il pilota si chiude, la pressione del coperchio aumenta e il disco si sposta verso la chiusura. In condizioni normali, il disco non raggiunge mai la completa apertura o la completa chiusura: modula continuamente intorno al punto di regolazione. Questo è un comportamento normale e non indica un guasto.

Dimensionamento per il flusso

Il parametro di dimensionamento standard per le valvole di controllo è il coefficiente di flusso: Kv nella pratica europea, Cv nelle specifiche derivate dagli Stati Uniti. Entrambi esprimono il flusso che passerà attraverso la valvola completamente aperta a una pressione differenziale di 1 bar (Kv) o 1 psi (Cv). La relazione è Q = Kv × √dP, dove Q è in m³/h e dP è in bar.

Per le PRV di distribuzione dell'acqua, il limite pratico di velocità interna è da 2 a 6 m/s in condizioni di flusso operativo normale. L'estremo inferiore è appropriato per il servizio continuo; brevi picchi di flusso fino al 20% in più sono generalmente accettabili. Una valvola selezionata per passare il flusso massimo a 6 m/s o meno, in genere funzionerà tra il 40% e l'80% di apertura in condizioni di richiesta normale, che è l'intervallo corretto per un controllo accurato della pressione e una lunga durata della sede.

Il sovradimensionamento è l'errore più comune. Un corpo DN200 scelto per comodità su un tubo DN200 può passare il flusso di progetto solo al 10-15% di apertura. In posizioni quasi chiuse, il disco crea un getto ad alta velocità che erode rapidamente la sede. Nel giro di pochi mesi, la valvola non riuscirà più a mantenere la pressione impostata a basse portate, e l'unico rimedio è la sostituzione. Una valvola DN150 o addirittura DN100 correttamente dimensionata in un cursore riduttore la supererà.

Il limite di cavitazione

La cavitazione si verifica quando la pressione locale all'interno della zona di strozzamento della valvola scende al di sotto della pressione di vapore dell'acqua. Le bolle di vapore si formano e poi collassano violentemente quando la pressione riprende a valle, erodendo le superfici metalliche. Nei casi più gravi, la cavitazione può perforare il corpo della valvola entro poche settimane dalla messa in servizio.

Per le valvole di controllo a globo azionate da membrana, il limite pratico del rapporto di pressione è 3:1. Con 12 bar a monte, la valvola deve scaricare ad almeno 4 bar di contropressione. Alcuni design modificati del percorso del flusso raggiungono 4:1, ma si dovrebbe presumere 3:1, a meno che il produttore non sia in grado di fornire dati di test per il modello specifico.

Quando il differenziale disponibile supera il rapporto di sicurezza, sono disponibili due opzioni. La prima consiste nell'installare uno stadio di riduzione della pressione a monte: una seconda PRV o una piastra orifizio fissa per riportare il differenziale attraverso la valvola di controllo principale entro il rapporto di sicurezza. La seconda consiste nell'utilizzare una valvola specificamente progettata per applicazioni ad alto differenziale, con un percorso di flusso interno modificato. Le piastre orbitali sono un'opzione più economica, ma producono una caduta di pressione fissa a una determinata portata. Al di fuori di questo punto di progettazione, il differenziale attraverso la valvola a valle cambia e la protezione dalla cavitazione può andare persa.

Uscita fissa, controllo modulato nel tempo e nel flusso

Il pilota PRV più semplice mantiene una pressione di uscita fissa, regolata da una molla. Questo è affidabile e non richiede energia esterna, ma imposta la pressione per il caso peggiore: una domanda elevata nel punto critico della zona. Durante i periodi non di punta, in genere da mezzanotte alle 5 del mattino, viene mantenuta la pressione di zona completa, anche se la domanda può essere una frazione del flusso diurno. Nelle reti in cui le perdite di fondo sono un problema, questo rappresenta un volume significativo di perdite inutili.

I piloti a modulazione temporale riducono il set point della pressione di uscita durante i periodi programmati di bassa domanda, in genere da 0,5 a 1,5 bar. Il programma è programmato in una piccola unità timer nel circuito pilota. La riduzione durante il periodo notturno, applicata a tutte le connessioni di servizio della zona, riduce in modo significativo le perdite di fondo senza influire sulla pressione di servizio diurna.

I piloti a modulazione di flusso regolano la pressione di uscita in tempo reale in base a un segnale proveniente da un flussometro all'ingresso del DMA. Quando la domanda aumenta, il pilota aumenta automaticamente la pressione di uscita per mantenere una pressione di servizio adeguata nel punto critico; quando la domanda diminuisce, la pressione di uscita si riduce. Questo approccio richiede l'ingresso di un segnale di flusso, ma si adatta automaticamente ai modelli di domanda stagionali e diurni. Nelle reti ad alta perdita, in genere offre un'ulteriore riduzione delle perdite del 5-10% rispetto al controllo a modulazione temporale.

Requisiti per l'installazione

Un filtro a monte della PRV è essenziale, non opzionale. I detriti che entrano negli orifizi di pilotaggio causano l'apertura completa della valvola o la sua mancata apertura. Un filtro a Y con maglie di dimensioni adeguate deve essere installato da uno a due diametri di tubo a monte, con valvole di isolamento su entrambi i lati per la pulizia senza l'interruzione del sistema.

Installare valvole di isolamento a monte e a valle della PRV per consentire l'ispezione e la manutenzione senza svuotare il sistema. Un gruppo di bypass, costituito da un tubo parallelo con una valvola a globo o a saracinesca manuale, consente alla zona di rimanere pressurizzata durante la manutenzione. Dimensionare la valvola di bypass almeno una taglia in meno rispetto al PRV principale, per evitare una sovrapressione involontaria se viene aperta completamente.

I manometri a monte e a valle della valvola, con rubinetti di isolamento, consentono agli operatori di verificare la pressione impostata senza strumenti calibrati. Includere una valvola a spillo di messa in servizio a valle della connessione di rilevamento del pilota, per consentire la regolazione della pressione impostata in condizioni di flusso vivo.

Esempio funzionante

Un ingresso DMA serve 850 connessioni di servizio con una richiesta di picco di 28 l/s (100,8 m³/h) e una richiesta media di 3,2 l/s per la linea notturna. La pressione a monte varia tra 6,5 e 9,5 bar a seconda del ciclo di pompaggio. La pressione di uscita richiesta è di 2,8 bar, stabilita dall'elevazione del punto critico all'interno della zona.

Il rapporto di pressione massimo è di 9,5 bar in ingresso a 2,8 bar in uscita: un rapporto di 3,4:1. Questo supera marginalmente il limite di cavitazione di 3:1, quindi è necessario specificare una valvola modificata del percorso del flusso, oppure installare un orifizio fisso a monte per ridurre la pressione di ingresso a 8,4 bar nelle condizioni peggiori.

Per il dimensionamento al flusso di picco con un differenziale di 6,7 bar (9,5 meno 2,8), il Kv richiesto è di 100,8 / √6,7 = 38,9. Una valvola DN100 con un Kv completamente aperto di 65 passerà questo flusso a circa il 60% di apertura - all'interno del range operativo corretto. Una valvola DN150 con Kv 150 passerà lo stesso flusso a circa il 25% di apertura, operando nell'intervallo quasi chiuso, a rischio di erosione, in condizioni di domanda media.