Le basi dei regolatori di pressione

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I regolatori di pressione si trovano in molte comuni applicazioni domestiche e industriali. Per esempio, i regolatori di pressione sono utilizzati nelle griglie a gas per regolare il propano, nei forni per il riscaldamento domestico per regolare i gas naturali, nelle apparecchiature mediche e dentistiche per regolare l’ossigeno e i gas di anestesia, nei sistemi di automazione pneumatica per regolare l’aria compressa, nei motori per regolare il carburante e nelle celle a combustibile per regolare l’idrogeno. Come dimostra questo elenco parziale, le applicazioni dei regolatori sono numerose, ma in ognuna di esse il regolatore di pressione svolge la stessa funzione. I regolatori di pressione riducono una pressione di alimentazione (o di ingresso) a una pressione di uscita inferiore e lavorano per mantenere questa pressione di uscita nonostante le fluttuazioni della pressione di ingresso. La riduzione della pressione di entrata a una pressione di uscita più bassa è la caratteristica chiave dei regolatori di pressione.

Quando si sceglie un regolatore di pressione si devono considerare molti fattori. Considerazioni importanti includono: intervalli di pressione operativa per l’ingresso e l’uscita, requisiti di flusso, il fluido (è un gas, un liquido, tossico o infiammabile?), intervallo di temperatura operativa previsto, selezione del materiale per i componenti del regolatore, comprese le guarnizioni, nonché vincoli di dimensioni e peso.

Materiali usati nei regolatori di pressione

Una vasta gamma di materiali sono disponibili per gestire vari fluidi e ambienti operativi. I materiali comuni dei componenti del regolatore includono ottone, plastica e alluminio. Sono disponibili anche vari gradi di acciaio inossidabile (come 303, 304 e 316). Le molle usate all’interno del regolatore sono tipicamente fatte di filo musicale (acciaio al carbonio) o acciaio inossidabile.

L’ottone è adatto alla maggior parte delle applicazioni comuni ed è solitamente economico. L’alluminio è spesso specificato quando il peso è una considerazione. La plastica è considerata quando il basso costo è di primaria importanza o quando è richiesto un articolo da buttare. Gli acciai inossidabili sono spesso scelti per l’uso con fluidi corrosivi, per l’uso in ambienti corrosivi, quando la pulizia del fluido è una considerazione o quando le temperature operative saranno elevate.

Altrettanto importante è la compatibilità del materiale della tenuta con il fluido e con la gamma di temperature operative. La Buna-n è un tipico materiale di tenuta. Guarnizioni opzionali sono offerte da alcuni produttori e queste includono: Fluorocarbonio, EPDM, Silicone e Perfluoroelastomero.

Fluido usato (gas, liquido, tossico o infiammabile)

Le proprietà chimiche del fluido dovrebbero essere considerate prima di determinare i migliori materiali per la vostra applicazione. Ogni fluido avrà le sue caratteristiche uniche, quindi è necessario prestare attenzione a selezionare i materiali appropriati per il corpo e la guarnizione che entreranno in contatto con il fluido. Le parti del regolatore in contatto con il fluido sono conosciute come i componenti “bagnati”.

È anche importante determinare se il fluido è infiammabile, tossico, esplosivo, o di natura pericolosa. Un regolatore non-relieving è preferito per l’uso con gas pericolosi, esplosivi o costosi perché il design non fa sfogare l’eccessiva pressione a valle nell’atmosfera. In contrasto con un regolatore non di alleggerimento, un regolatore di alleggerimento (noto anche come self-relieving) è progettato per scaricare la pressione in eccesso a valle nell’atmosfera. Tipicamente c’è un foro di sfiato sul lato del corpo del regolatore per questo scopo. In alcuni progetti speciali, la porta di sfiato può essere filettata e qualsiasi eccesso di pressione può essere espulso dal corpo del regolatore attraverso un tubo e scaricato in una zona sicura. Se si sceglie questo tipo di design, il fluido in eccesso deve essere scaricato in modo appropriato e in conformità con tutte le norme di sicurezza.

Temperatura

I materiali selezionati per il regolatore di pressione non solo devono essere compatibili con il fluido ma devono anche essere in grado di funzionare correttamente alla temperatura operativa prevista. La preoccupazione principale è se l’elastomero scelto funzionerà correttamente per tutto l’intervallo di temperatura previsto. Inoltre, la temperatura di funzionamento può influenzare la capacità di flusso e/o la velocità della molla in applicazioni estreme.

Pressioni di funzionamento

Le pressioni di ingresso e di uscita sono fattori importanti da considerare prima di scegliere il miglior regolatore. Le domande importanti a cui rispondere sono: Qual è il range di fluttuazione della pressione d’ingresso? Qual è la pressione di uscita richiesta? Qual è la variazione ammissibile della pressione di uscita?

Requisiti di flusso

Qual è la portata massima che l’applicazione richiede? Quanto varia la portata? Anche i requisiti dell’attacco sono una considerazione importante.

Dimensioni & Peso

In molte applicazioni ad alta tecnologia lo spazio è limitato e il peso è un fattore. Alcuni produttori sono specializzati in componenti miniaturizzati e dovrebbero essere consultati. La selezione dei materiali, in particolare i componenti del corpo del regolatore, avrà un impatto sul peso. Considerare anche attentamente le dimensioni della porta (filettatura), gli stili di regolazione e le opzioni di montaggio in quanto queste influenzeranno le dimensioni e il peso.

Regolatori di pressione in funzione

Un regolatore di pressione è composto da tre elementi funzionali

1. ) Un elemento che riduce o limita la pressione. Spesso si tratta di una valvola ad otturatore a molla.
2. ) Un elemento di rilevamento. Tipicamente un diaframma o un pistone.
3. ) Un elemento di forza di riferimento. Più comunemente una molla.

In funzione, la forza di riferimento generata dalla molla apre la valvola. L’apertura della valvola applica la pressione all’elemento di rilevamento che a sua volta chiude la valvola fino a quando è aperta quanto basta per mantenere la pressione impostata. Lo schema semplificato “Schema del regolatore di pressione” illustra questa disposizione di equilibrio delle forze. (vedi sotto)

(1) Elemento di riduzione della pressione (valvola ad otturatore)

I regolatori impiegano comunemente una valvola ad otturatore a molla come elemento restrittivo. L’otturatore include una guarnizione elastomerica o, in alcuni progetti ad alta pressione, una guarnizione termoplastica, che è configurata per fare una tenuta su una sede della valvola. Quando la forza della molla sposta la guarnizione dalla sede della valvola, il fluido può fluire dall’ingresso del regolatore all’uscita. Quando la pressione di uscita aumenta, la forza generata dall’elemento sensibile resiste alla forza della molla e la valvola viene chiusa. Queste due forze raggiungono un punto di equilibrio al set point del regolatore di pressione. Quando la pressione a valle scende al di sotto del set-point, la molla spinge l’otturatore lontano dalla sede della valvola e il fluido aggiuntivo può fluire dall’ingresso all’uscita fino a quando l’equilibrio delle forze viene ripristinato.

(2) Elemento sensibile (pistone o diaframma)

I modelli a pistone sono spesso utilizzati quando sono richieste pressioni di uscita più elevate, quando la robustezza è una preoccupazione o quando la pressione di uscita non deve essere tenuta ad una stretta tolleranza. I modelli a pistone tendono ad essere lenti, rispetto ai modelli a diaframma, a causa dell’attrito tra la guarnizione del pistone e il corpo del regolatore.

Nelle applicazioni a bassa pressione, o quando è richiesta un’alta precisione, si preferisce lo stile a diaframma. I regolatori a diaframma impiegano un sottile elemento a forma di disco che viene utilizzato per rilevare i cambiamenti di pressione. Di solito sono fatti di un elastomero, tuttavia, in applicazioni speciali si usa del metallo sottile convoluto. I diaframmi eliminano essenzialmente l’attrito inerente ai design a pistone. Inoltre, per una particolare dimensione del regolatore, è spesso possibile fornire una maggiore area di rilevamento con un design a diaframma di quanto sarebbe possibile se fosse impiegato un design a pistone.

(3) L’elemento di forza di riferimento (molla)

L’elemento di forza di riferimento è solitamente una molla meccanica. Questa molla esercita una forza sull’elemento sensibile e agisce per aprire la valvola. La maggior parte dei regolatori sono progettati con una regolazione che permette all’utente di regolare il set-point della pressione di uscita cambiando la forza esercitata dalla molla di riferimento.

Precisione e capacità del regolatore

La precisione di un regolatore di pressione è determinata dal grafico della pressione di uscita contro la portata. Il grafico risultante mostra la caduta della pressione di uscita all’aumentare della portata. Questo fenomeno è conosciuto come droop. L’accuratezza del regolatore di pressione è definita come la quantità di sbandamento che il dispositivo mostra su una gamma di flussi; meno sbandamento equivale a maggiore accuratezza. Le curve di pressione rispetto al flusso fornite nel grafico “Direct Acting Pressure Regulator Operating Map”, indicano la capacità di regolazione utile del regolatore. Quando si seleziona un regolatore, gli ingegneri dovrebbero esaminare le curve di pressione rispetto al flusso per assicurarsi che il regolatore possa soddisfare i requisiti di prestazione necessari per l’applicazione proposta.

Definizione di droop

Il termine “droop” è usato per descrivere la caduta della pressione in uscita, al di sotto del set-point originale, quando il flusso aumenta. Lo statismo può anche essere causato da cambiamenti significativi nella pressione di ingresso (dal valore quando l’uscita del regolatore è stata impostata). Quando la pressione d’ingresso aumenta rispetto all’impostazione iniziale, la pressione d’uscita scende. Viceversa, quando la pressione d’ingresso scende, la pressione d’uscita sale. Come si vede nel grafico “Direct Acting Pressure Regulator Operating Map”, questo effetto è importante per un utente perché mostra la capacità di regolazione utile di un regolatore.

Orifice Size

Aumentare l’orifizio della valvola può aumentare la capacità di flusso del regolatore. Questo può essere vantaggioso se il vostro progetto può ospitare un regolatore più grande, tuttavia fate attenzione a non specificare troppo. Un regolatore con una valvola sovradimensionata, per le condizioni dell’applicazione prevista, risulterà in una maggiore sensibilità alle fluttuazioni della pressione d’ingresso, e può causare un eccessivo droop.

Pressione di blocco

La “pressione di blocco” è la pressione sopra il set-point che è richiesta per chiudere completamente la valvola del regolatore e assicurare che non ci sia flusso.

Isteresi

L’isteresi può verificarsi in sistemi meccanici, come i regolatori di pressione, a causa delle forze di attrito causate da molle e guarnizioni. Date un’occhiata al grafico e noterete, per una data portata, che la pressione in uscita sarà più alta con la diminuzione del flusso che con l’aumento del flusso.

Regolatore monostadio

I regolatori monostadio sono una scelta eccellente per riduzioni di pressione relativamente piccole. Per esempio, i compressori d’aria usati nella maggior parte delle fabbriche generano pressioni massime nell’intervallo da 100 a 150 psi. Questa pressione viene convogliata attraverso la fabbrica, ma viene spesso ridotta con un regolatore monostadio a pressioni inferiori (10 psi, 50 psi, 80 psi ecc.) per azionare macchinari automatizzati, banchi di prova, macchine utensili, attrezzature per prove di tenuta, attuatori lineari e altri dispositivi. I regolatori di pressione monostadio in genere non funzionano bene con grandi oscillazioni della pressione di ingresso e/o delle portate.

Regolatore a due stadi (Dual Stage)

Un regolatore di pressione a due stadi è ideale per applicazioni con grandi variazioni nella portata, fluttuazioni significative nella pressione di ingresso, o pressione di ingresso in diminuzione come avviene con il gas fornito da un piccolo serbatoio o da una bombola di gas.

Con la maggior parte dei regolatori monostadio, eccetto quelli che usano un design compensato a pressione, un grande calo della pressione in entrata causerà un leggero aumento della pressione in uscita. Questo accade perché le forze che agiscono sulla valvola cambiano, a causa della grande caduta di pressione, da quando la pressione di uscita è stata inizialmente impostata. In un design a due stadi, il secondo stadio non sarà soggetto a questi grandi cambiamenti nella pressione d’ingresso, solo il leggero cambiamento dall’uscita del primo stadio. Questa disposizione si traduce in una pressione di uscita stabile dal secondo stadio nonostante i cambiamenti significativi nella pressione fornita al primo stadio.

Regolatore a tre stadi

Un regolatore a tre stadi fornisce una pressione di uscita stabile simile a un regolatore a due stadi ma con la capacità aggiunta di gestire una pressione di ingresso massima significativamente più alta. Per esempio, il regolatore a tre stadi della serie PRD3HP di Beswick è valutato per gestire una pressione di ingresso fino a 3.000 psi e fornirà una pressione di uscita stabile (nell’intervallo da 0 a 30 psi) nonostante i cambiamenti della pressione di alimentazione. Un regolatore di pressione piccolo e leggero che può mantenere una bassa pressione di uscita stabile nonostante una pressione di ingresso che diminuirà nel tempo da una pressione elevata è un componente critico in molti progetti. Gli esempi includono strumenti analitici portatili, celle a combustibile a idrogeno, UAV e dispositivi medici alimentati da gas ad alta pressione forniti da una cartuccia di gas o da una bombola di stoccaggio.

Ora che avete scelto il regolatore più adatto alla vostra applicazione, è importante che il regolatore sia installato e regolato correttamente per assicurare che funzioni come previsto.

La maggior parte dei produttori raccomanda l’installazione di un filtro a monte del regolatore (alcuni regolatori hanno un filtro incorporato) per evitare che sporco e particolato contaminino la sede della valvola. Il funzionamento di un regolatore senza filtro potrebbe provocare una perdita alla porta di uscita se la sede della valvola è contaminata da sporco o materiale estraneo. I gas regolati devono essere privi di oli, grassi e altri contaminanti che potrebbero sporcare o danneggiare i componenti della valvola o attaccare le guarnizioni del regolatore. Molti utenti non sanno che i gas forniti in bombole e piccole cartucce di gas possono contenere tracce di oli dal processo di produzione. La presenza di olio nel gas spesso non è evidente all’utente e quindi questo argomento dovrebbe essere discusso con il vostro fornitore di gas prima di scegliere i materiali di tenuta per il vostro regolatore. Inoltre, i gas dovrebbero essere privi di umidità eccessiva. Nelle applicazioni ad alta portata, il congelamento del regolatore può verificarsi se è presente umidità.

Se il regolatore di pressione sarà utilizzato con l’ossigeno, essere consapevoli che l’ossigeno richiede conoscenze specialistiche per una progettazione sicura del sistema. I lubrificanti compatibili con l’ossigeno devono essere specificati e una pulizia extra, per rimuovere le tracce di oli da taglio a base di petrolio, è tipicamente specificata. Assicurarsi di informare il fornitore del regolatore che si prevede di utilizzare il regolatore in un’applicazione con ossigeno.

Non collegare i regolatori a una fonte di alimentazione con una pressione massima superiore alla pressione nominale di ingresso del regolatore. I regolatori di pressione non sono destinati ad essere utilizzati come dispositivi di chiusura. Quando il regolatore non è in uso, la pressione di alimentazione deve essere spenta.

Installazione

Passo 1
Iniziare a collegare la fonte di pressione alla porta di ingresso e la linea di pressione regolata alla porta di uscita. Se le porte non sono contrassegnate, controllare con il produttore per evitare collegamenti errati. In alcuni modelli, possono verificarsi danni ai componenti interni se la pressione di alimentazione viene erroneamente fornita alla porta di uscita.

Passo 2
Prima di attivare la pressione di alimentazione al regolatore, ridurre la manopola di regolazione per limitare il flusso attraverso il regolatore. Inserire gradualmente la pressione di alimentazione in modo da non “scioccare” il regolatore con un’improvvisa ondata di fluido pressurizzato. NOTA: Evitare di girare la vite di regolazione fino in fondo nel regolatore perché, in alcuni modelli di regolatori, l’intera pressione di alimentazione sarà fornita alla porta di uscita.

Passo 3
Impostare il regolatore di pressione alla pressione di uscita desiderata. Se il regolatore non è di tipo “relief”, sarà più facile regolare la pressione d’uscita se il fluido scorre piuttosto che “dead ended” (nessun flusso). Se la pressione di uscita misurata supera la pressione di uscita desiderata, scaricare il fluido dal lato a valle del regolatore e abbassare la pressione di uscita ruotando la manopola di regolazione. Non sfiatare mai il fluido allentando i raccordi, per evitare lesioni.

Con un regolatore di tipo relieving, la pressione in eccesso sarà automaticamente scaricata nell’atmosfera dal lato a valle del regolatore quando si ruota la manopola per abbassare la regolazione di uscita. Per questo motivo, non utilizzare i regolatori di tipo relieving con fluidi infiammabili o pericolosi. Assicurarsi che il fluido in eccesso venga scaricato in modo sicuro e in conformità con tutte le normative locali, statali e federali.

Passo 4
Per ottenere la pressione di uscita desiderata, effettuare le regolazioni finali aumentando lentamente la pressione da sotto il set point desiderato. L’impostazione della pressione da sotto il set point desiderato è preferibile all’impostazione da sopra il set point desiderato. Se si supera il punto di regolazione durante l’impostazione del regolatore di pressione, ridurre la pressione impostata ad un punto inferiore al punto di regolazione. Poi, di nuovo, aumentare gradualmente la pressione fino al punto di regolazione desiderato.

Passo 5
Ciclare la pressione di alimentazione su e giù diverse volte mentre si controlla la pressione di uscita per confermare che il regolatore sta tornando costantemente al punto di regolazione. Inoltre, anche la pressione di uscita dovrebbe essere attivata e disattivata per assicurare che il regolatore di pressione ritorni al set point desiderato. Ripetere la sequenza di impostazione della pressione se la pressione di uscita non ritorna all’impostazione desiderata.

Beswick Engineering è specializzata in raccordi miniaturizzati per liquidi e pneumatici, attacchi rapidi, valvole e regolatori. Abbiamo un team di ingegneri applicativi laureati pronti ad assistervi con le vostre domande. I design personalizzati sono disponibili su richiesta. Invia la tua richiesta sulla nostra pagina Contattaci o clicca sull’icona Live Chat in basso a destra del tuo schermo.