Calcolo della coppia nelle valvole con attuatore elettrico

Nella scelta delle valvole con attuatore elettrico, la “coppia” è uno degli aspetti tecnici più critici. La coppia è la forza di rotazione che un attuatore è in grado di produrre per ruotare l’albero della valvola o per muoverla verso la posizione di chiusura. La documentazione di prodotto di Belimo mostra chiaramente che gli attuatori rotativi sono offerti in classi di coppia specifiche; ad esempio 1 Nm, 2 Nm, 5 Nm, 10 Nm, 20 Nm, 40 Nm e 160 Nm.

L’obiettivo del calcolo della coppia non è dire “qualunque sia il diametro della valvola, montiamo un attuatore adeguato”. L’approccio corretto è capire quanta forza di rotazione richiede realmente la valvola nelle reali condizioni di esercizio. Spirax Sarco sottolinea espressamente che il dimensionamento dell’attuatore deve basarsi sulla pressione differenziale massima e sui dati di combinazione valvola/attuatore riportati nelle schede tecniche del produttore.

Che cos’è la coppia?

La coppia è il momento necessario per produrre un movimento di rotazione attorno a un albero. Nelle valvole con attuatore elettrico, questo momento serve a portare il meccanismo interno della valvola dalla posizione chiusa a quella aperta, dalla aperta alla chiusa o in posizioni intermedie. La documentazione di base degli attuatori di Siemens indica chiaramente che, nella scelta di una valvola e nella sostituzione di un attuatore, occorre tenere conto dei valori di “positioning force” e “torque”.

In pratica questo significa: se la coppia prodotta dall’attuatore è inferiore a quella richiesta dalla valvola, la valvola non apre affatto, non chiude completamente o funziona sotto sforzo. Con il tempo questo riduce la vita utile dell’attuatore, compromette la tenuta della valvola e provoca guasti all’impianto. Per le applicazioni con valvola a farfalla, Belimo indica chiaramente che l’attuatore deve essere abbastanza potente da portare la valvola in sicurezza da chiusa a completamente aperta.

Perché il calcolo della coppia è così importante?

Se la coppia viene calcolata in modo errato, si verificano problemi molto tipici sul campo: la valvola si ferma a metà, perde in fase di chiusura, non riesce a muoversi contro un’elevata pressione differenziale, ha difficoltà nei frequenti cicli di apertura/chiusura o l’attuatore viene sovraccaricato. Nei dati delle valvole motorizzate, Siemens indica la “close-off pressure” —la pressione differenziale massima contro la quale la valvola può chiudere in sicurezza— come criterio di selezione a sé stante.

La questione diventa ancora più critica nelle valvole a farfalla. Secondo la guida tecnica di Belimo, quando una valvola a farfalla è parzialmente aperta, sul disco agiscono forze dinamiche di flusso che generano una coppia in direzione di apertura; si indica che questo effetto raggiunge il picco tra 60° e 85°. La stessa fonte segnala che, nelle valvole con sede morbida (resilient seat), la coppia richiesta in prossimità della posizione di chiusura può essere maggiore.

I principali fattori che determinano la coppia nelle valvole con attuatore elettrico

Il calcolo della coppia non dipende da una sola variabile. Come minimo, occorre valutare congiuntamente i seguenti fattori:

1. Tipo di valvola

Le valvole a sfera, a farfalla, rotative e di regolazione lineare non hanno lo stesso comportamento in termini di coppia. In particolare nelle valvole a farfalla, la geometria del disco, la costruzione della sede e la posizione angolare influiscono notevolmente sulla richiesta di coppia. Belimo indica che, nei progetti di valvola a farfalla ad alte prestazioni, la costruzione “double offset” riduce l’usura della sede e abbassa la coppia necessaria.

2. Diametro della valvola

Con l’aumentare del diametro, di norma aumenta anche la richiesta di coppia dell’attuatore. Il fatto che Siemens, nei suoi documenti di ordinazione e combinazione delle valvole a farfalla, offra opzioni di attuatore con diverse classi di coppia all’interno della stessa famiglia di valvole è la corrispondenza diretta di questo sul campo.

3. Pressione differenziale

Uno dei carichi più importanti che l’attuatore deve vincere è la differenza di pressione attraverso la valvola. Le fonti di Siemens e Spirax Sarco segnalano che la pressione differenziale massima contro la quale la valvola motorizzata chiude in sicurezza deve essere indicata come dato tecnico a sé stante. In altre parole, la stessa valvola può muoversi facilmente a bassa pressione, ma richiedere molta più coppia ad alta pressione.

4. Costruzione della sede e del meccanismo interno

La guida delle valvole a farfalla di Belimo indica che le valvole con sede morbida (resilient seat) richiedono una coppia maggiore in prossimità della posizione di chiusura, mentre i progetti “undercut disc” possono ridurre la coppia di chiusura (close-off). Per questo motivo, anche due valvole a farfalla dello stesso diametro possono richiedere una coppia diversa a causa di una diversa costruzione della sede.

5. Velocità di flusso

Secondo il documento “velocity chart” di Belimo, a velocità di flusso molto elevate il rivestimento (liner) e il disco possono danneggiarsi; inoltre la coppia può aumentare e si può persino superare la capacità dell’attuatore. Questo dimostra che il calcolo deve considerare non solo la chiusura statica, ma anche le condizioni di flusso.

6. Modalità di funzionamento

La valvola funzionerà solo in on/off oppure modulerà? Spirax Sarco segnala che gli attuatori elettrici modulanti possono avere un numero maggiore di avviamenti e diversi requisiti di servizio (duty). Anche AUMA definisce separatamente le classi di servizio on/off (open-close duty) e modulante (modulating duty). Questo dimostra che la scelta della coppia va considerata insieme al regime di funzionamento e non solo al momento istantaneo.

Come si calcola la coppia?

Il metodo ideale sul campo non è cercare di ricavare una formula teorica, bensì basarsi sui dati di “required torque / close-off pressure” del produttore della valvola e scegliere poi un attuatore adeguato. Spirax Sarco raccomanda espressamente di basarsi sulle schede tecniche del produttore per il dimensionamento dell’attuatore.

La sequenza pratica è la seguente:

1. Si definisce il tipo di valvola: a sfera, a farfalla, a 2 vie o a 3 vie.
2. Si determina il diametro della valvola.
3. Si determina la pressione differenziale massima nella linea.
4. Si ricava il valore di “required torque” o “close-off pressure” indicato dal produttore per quella valvola.
5. Si seleziona un attuatore con un margine di sicurezza superiore a tale valore.
6. Se la valvola deve modulare, si valutano separatamente la classe di servizio (duty) e la frequenza dei cicli.

Perché conviene lavorare con i dati del produttore e non con una teoria

A volte gli utenti cercano un approccio generale come “coppia = pressione × area × lunghezza del braccio”. Questa logica può dare un’idea approssimativa; tuttavia il comportamento reale della valvola dipende da numerose variabili, come l’attrito della sede, la geometria interna, la resistenza dell’albero, la posizione angolare, la forza di flusso e il progetto del corpo. La guida tecnica delle valvole a farfalla di Belimo mostra chiaramente che la coppia varia con la posizione angolare e che le forze di flusso aumentano soprattutto a determinati angoli. Per questo, nella selezione pratica occorre basarsi sulla scheda tecnica del produttore.

Come va impostato il calcolo della coppia per le valvole a farfalla?

Nelle valvole a farfalla, il calcolo della coppia è uno dei temi più delicati. Questo perché il disco lavora sia contro la sede sia sotto le forze dinamiche del fluido. Secondo Belimo, le forze dinamiche che agiscono su una valvola a farfalla parzialmente aperta producono una coppia in direzione di apertura, e questo effetto raggiunge il picco tra 60° e 85°. La stessa fonte indica che in prossimità della posizione di chiusura è richiesta una coppia elevata a causa della sede morbida.

Per questo, nella scelta di un attuatore per una valvola a farfalla occorre seguire la seguente logica:

• il solo diametro nominale non basta,
• non si può dire semplicemente “questa valvola è DN100, bastano 20 Nm”,
• occorre tenere assolutamente conto della coppia dipendente dalla pressione o della classe di close-off indicate dal produttore. Anche nei documenti delle valvole a farfalla di Siemens, le classi di coppia dell’attuatore sono incluse nel codice di prodotto come parametro a sé stante; questo dimostra che la coppia è un criterio di selezione indipendente.

Come va impostato il calcolo della coppia per le valvole a sfera?

Nelle valvole a sfera la geometria è in genere diversa da quella delle valvole a farfalla; ciononostante, la richiesta di coppia dipende comunque dalla pressione e dalla costruzione interna della sede. Nei documenti sulla valvola a sfera di regolazione (control ball valve) di Siemens, la pressione differenziale massima contro la quale la valvola motorizzata chiude in sicurezza è definita a parte. Questo dimostra che anche nella scelta di una valvola a sfera la capacità di close-off è direttamente decisiva.

L’approccio pratico per le valvole a sfera è il seguente:

• si considerano la pressione di chiusura (close-off) indicata nella scheda tecnica della valvola e la combinazione di attuatore adeguata,
• si definiscono il segnale di comando e la modalità di funzionamento,
• si lascia un margine di sicurezza,
• se necessario, si tiene conto del fatto che le versioni con ritorno a molla (spring return) possono produrre una forza netta inferiore. Spirax Sarco indica chiaramente che, nelle versioni con riserva a molla (spring reserve), la forza dell’attuatore elettrico può essere limitata e occorre consultare le tabelle del produttore.

Come va considerato il margine di sicurezza?

Nell’applicazione, non è sempre corretto selezionare un attuatore solo con la coppia minima indicata nel catalogo della valvola. Questo perché, sul campo:

• può verificarsi un colpo d’ariete,
• la pressione della linea può variare,
• la sede può invecchiare,
• possono formarsi sporco e depositi,
• le variazioni di temperatura possono aumentare l’attrito.

Per questo, nella pratica si lascia un margine di sicurezza. La percentuale esatta di questo margine varia in base al produttore e all’applicazione; non è corretto indicare un unico valore universale. Il metodo corretto è basarsi sulla tabella di combinazione valvola-attuatore del produttore e non selezionare al limite. Proprio per questo è così importante l’indicazione di Spirax Sarco: “manufacturer’s charts should always be consulted”.

Perché la coppia è ancora più critica nelle applicazioni modulanti?

Nelle applicazioni on/off, la valvola funziona sostanzialmente nelle posizioni finali di apertura e chiusura. Nelle applicazioni modulanti, invece, la valvola si muove di continuo in numerose posizioni intermedie. Spirax Sarco segnala che gli attuatori elettrici modulanti si spostano di continuo nella posizione desiderata tramite un sensore di posizione e retroazione (feedback); AUMA, a sua volta, definisce classi di servizio specifiche per il servizio modulante (modulating duty). Questo dimostra che, oltre al calcolo della coppia, occorre tenere conto anche della frequenza dei cicli e della classe di servizio.

I 7 errori più comuni

Gli errori più comuni nel calcolo della coppia per le valvole con attuatore elettrico sono:

1. Selezionare l’attuatore solo in base al diametro della valvola.
2. Non tenere conto della pressione differenziale.
3. Non leggere il valore di “close-off pressure”.
4. Ritenere che le valvole a farfalla e a sfera abbiano lo stesso comportamento in termini di coppia.
5. Trascurare la classe di servizio nel funzionamento modulante.
6. Non tenere conto della differenza di forza/coppia netta negli attuatori con ritorno a molla.
7. Selezionare per stima anziché usare le tabelle di combinazione del produttore.

Tutti questi punti sono evidenziati, direttamente o indirettamente, da Siemens, Belimo e Spirax Sarco nella logica di selezione valvola-attuatore.

Domande frequenti

Che cos’è la coppia?È il momento di rotazione che un attuatore produce per ruotare l’albero della valvola. Nei gruppi di prodotto di Belimo e Siemens questo valore è indicato in Nm o lb-in.

La coppia si calcola con una formula?Si può impostare un approccio ingegneristico approssimativo; tuttavia, per la selezione reale occorre usare i dati di “required torque”, “actuator torque” e “close-off pressure” indicati dal produttore per la valvola. Spirax Sarco lo raccomanda espressamente.

Perché occorre prestare più attenzione con le valvole a farfalla?Perché sul disco agiscono forze di flusso e la richiesta di coppia varia con la posizione angolare. La guida tecnica delle valvole a farfalla di Belimo lo spiega in dettaglio.

Cosa succede se la coppia è insufficiente?La valvola non apre completamente, non chiude completamente, può perdere, l’attuatore può essere sotto sforzo e la sua vita utile può ridursi. Questo risultato è coerente con il requisito di close-off e di coppia sufficiente evidenziato dalle fonti dei produttori.

Conclusione

Il calcolo della coppia nelle valvole con attuatore elettrico non è un tema secondario della selezione delle valvole, bensì il suo nucleo. Per una scelta corretta della coppia non si considera solo la misura DN; occorre valutare congiuntamente:

• il tipo di valvola,
• la pressione differenziale,
• la pressione di chiusura (close-off),
• la costruzione della sede,
• la velocità di flusso,
• la modalità di funzionamento,
• la tabella di combinazione del produttore

Le fonti di Siemens, Belimo e Spirax Sarco puntano allo stesso aspetto: la scelta dell’attuatore deve basarsi sui dati tecnici del produttore e occorre sempre tenere conto della pressione differenziale massima e della coppia necessaria.