Progettazione di valvole a farfalla eccentriche e analisi delle prestazioni di tenuta

UNvalvola a farfallaè un tipo di valvola utilizzata per regolare e intercettare il fluido in una tubazione. Le sue caratteristiche strutturali includono un diametro ridotto del corpo valvola, pareti sottili e peso leggero. Il meccanismo di chiusura della valvola è un grande disco a forma di farfalla che può ruotare avanti e indietro all'interno del canale del tubo della valvola, consentendo le funzioni di apertura e chiusura. La forma della piastra a farfalla ricorda un disco a forma di farfalla, da qui il nome "valvola a farfalla".

Già nel IV secolo a.C. gli antichi greci avevano iniziato ad utilizzare semplici valvole a farfalla. Queste valvole erano costituite da una coppia di piastre metalliche utilizzate per controllare il flusso dell'acqua. A quel tempo, questo tipo di valvola era chiamata "valvola a farfalla", cioè una valvola che "svolazza come una farfalla". Con il progresso della tecnologia e dello sviluppo industriale, la struttura e i materiali delle valvole a farfalla sono stati continuamente migliorati e sono ora ampiamente utilizzati in vari campi.
La valvola a farfalla prende il nome principalmente perché la sua struttura e forma sono simili a una farfalla. Questo tipo di valvola ha un aspetto a farfalla e caratteristiche dinamiche. Nel corso del tempo, il termine "valvola a farfalla" si è gradualmente evoluto nell'attuale "valvola a farfalla". Inoltre, le valvole a farfalla hanno una struttura semplice, sono facili da usare e hanno buone prestazioni di tenuta, motivo per cui sono ampiamente utilizzate in varie situazioni.
Una valvola a farfalla standard è composta dai seguenti componenti:
Corpo: funge da guscio esterno della valvola, fornendo il passaggio del fluido e una base di montaggio. Il materiale viene scelto in base alle caratteristiche del mezzo (come ghisa, acciaio inossidabile, ecc.).

I tipi di tenuta delle valvole a farfalla possono essere suddivisi in valvole a farfalla a tenuta morbida e valvole a farfalla a tenuta dura.

Una valvola a farfalla a tenuta morbida si riferisce a una valvola in cui un lato della coppia di tenuta è realizzato in materiale metallico e l'altro lato è realizzato in materiale elastico non metallico. Questo tipo di guarnizione ha buone prestazioni di tenuta, ma non è resistente alle alte temperature, è soggetta ad usura e meccanicamente più debole. I materiali delle sedi delle valvole a farfalla con tenuta morbida includono due tipi di gomma, EPDM e NBR, oltre al fluoroplastico PTFE. Questi tre materiali conferiscono alle valvole a farfalla con tenuta morbida eccellenti prestazioni di tenuta, ma a causa delle limitazioni intrinseche dei materiali, le valvole a farfalla con tenuta morbida non possono essere utilizzate in ambienti ad alta temperatura o alta pressione. Inoltre, la resistenza all'erosione del materiale della superficie di tenuta delle valvole a farfalla a tenuta morbida non è buona quanto quella dei materiali metallici, quindi la loro durata è relativamente più breve rispetto alle valvole a farfalla a tenuta dura.

Una valvola a farfalla a tenuta dura si riferisce a una valvola in cui entrambi i lati della coppia di tenuta sono realizzati in metallo o altri materiali relativamente duri. Questo tipo di guarnizione ha prestazioni di tenuta relativamente scarse, ma è resistente alle alte temperature, resistente all'usura e ha buone proprietà meccaniche. Una valvola a farfalla a tenuta rigida utilizza un disco circolare (il componente di tenuta) che ruota con l'albero della valvola per aprire o chiudere la tubazione, fungendo principalmente da valvola di intercettazione, ma può anche essere progettata per fornire funzioni sia di intercettazione che di strozzamento. L'uso di valvole a farfalla a tenuta rigida è in aumento nelle tubazioni a bassa pressione, di medio e grande diametro. Il disco a farfalla della valvola a farfalla a tenuta rigida è installato lungo il diametro della tubazione. All'interno del passaggio cilindrico del corpo valvola, la farfalla discoidale ruota attorno ad un asse con un angolo compreso tra 0° e 90°; ruotata di 90° la valvola è completamente aperta. La valvola a farfalla di tenuta ha una struttura semplice, di piccole dimensioni e leggera, composta solo da poche parti. Può essere aperto o chiuso rapidamente con una rotazione di soli 90°, facilitando il funzionamento. Inoltre, questa valvola elettrica ha buone caratteristiche di controllo del fluido. Quando la valvola a farfalla è completamente aperta, lo spessore del disco costituisce la resistenza principale al fluido che scorre attraverso il corpo della valvola, quindi la caduta di pressione generata dalla valvola è molto piccola, conferendole buone caratteristiche di controllo del flusso.

Le valvole a farfalla a tenuta morbida sono per lo più valvole a farfalla di tipo concentrico, mentre quelle a tenuta dura sono per lo più valvole a farfalla a eccentrico singolo, doppio eccentrico o triplo eccentrico.

La caratteristica progettuale di una valvola a farfalla centrica risiede nell'allineamento coassiale dell'asse dello stelo della valvola, del centro del disco e del centro del corpo valvola. La sua struttura è semplice e facile da produrre. Questo tipo di valvole presenta però un inconveniente: il disco è continuamente sottoposto a schiacciamenti e raschiamenti contro la sede della valvola, cosa che ne aumenta la resistenza e ne accelera l'usura. Per garantire prestazioni di tenuta e ridurre schiacciamenti e raschiamenti, la sede della valvola è solitamente realizzata in materiale EPDM, mentre per condizioni operative particolari viene utilizzato materiale PTFE.

Per risolvere il problema della pressione del disco contro la sede della valvola nelle valvole a farfalla concentriche, è stata sviluppata la valvola a farfalla monoeccentrica. La caratteristica strutturale di questa valvola è che esiste uno sfasamento tra l'asse dello stelo e il centro del disco, facendo sì che le estremità superiore e inferiore del disco non servano più come asse di rotazione, disperdendo e riducendo così l'eccessiva compressione tra le estremità superiore e inferiore del disco e la sede della valvola.

La valvola a farfalla a doppio eccentrico è un ulteriore miglioramento basato sulla valvola a farfalla a eccentrico singolo. L'asse dello stelo della valvola non coincide completamente con il centro del disco, né con il centro del corpo. Il design a doppio eccentrico consente al disco di allontanarsi rapidamente dalla sede durante il processo di apertura, riducendo significativamente la compressione eccessiva e il raschiamento tra il disco e la sede, diminuendo la resistenza all'apertura, riducendo l'usura e prolungando così la durata della sede della valvola. Con un raschiamento notevolmente ridotto, le valvole a farfalla a doppio eccentrico possono utilizzare sedi metalliche, migliorando le loro prestazioni in ambienti ad alta temperatura. Il suo principio di tenuta è una struttura di tenuta a contatto, il che significa che le superfici di tenuta del disco e della sede sono in contatto in linea. La tenuta è ottenuta per deformazione elastica causata dalla pressione del disco contro la sede, richiedendo quindi un'elevata precisione in posizione di chiusura (soprattutto per sedi metalliche) ed avendo una capacità di carico relativamente bassa. Questo è il motivo per cui, secondo la visione tradizionale, le valvole a farfalla sono considerate inadatte all'alta pressione e soggette a perdite.

Il significato delle tre valvole a farfalla eccentriche è di eseguire l'eccentricità della valvola a farfalla tre volte:
La prima eccentricità: l'albero si discosta dalla linea centrale della superficie di tenuta
La seconda eccentricità: l'albero si discosta dalla tubazione e dalla linea centrale della valvola
La terza eccentricità: l'angolo eccentrico unico della sede della valvola e l'angolo tra il centro della tubazione, in modo che la sede della valvola e l'anello di tenuta siano completamente separati durante l'intero processo di apertura e chiusura della valvola. Questa struttura sfrutta sia l'effetto camma che elimina completamente l'attrito, eliminando la possibilità di usura e perdite
Questo processo di progettazione consente alla valvola a farfalla a tre eccentrici di avere una gamma più ampia di applicazioni, che non solo ha le buone prestazioni di tenuta della valvola a farfalla a tenuta morbida, ma ha anche le caratteristiche di resistenza alle alte temperature e all'alta pressione della valvola a farfalla a tenuta dura. A seconda delle diverse caratteristiche dei materiali di tenuta ad alta e bassa temperatura, i materiali di tenuta duri sono più adatti per ambienti ad alta temperatura, mentre i materiali di tenuta morbidi sono più adatti per ottenere perdite pari a zero. Per risolvere la contraddizione tra alta temperatura e zero perdite delle valvole a farfalla a doppio eccentrico, gli ingegneri hanno condotto un terzo progetto eccentrico di valvole a farfalla dopo una ricerca approfondita. La caratteristica strutturale di questa valvola a farfalla trieccentrica è che, sulla base del doppio stelo e albero della valvola eccentrico, la posizione dell'asse conico della superficie di tenuta della piastra a farfalla rispetto all'asse cilindrico del corpo viene ulteriormente regolata. Dopo un'attenta progettazione, la sezione di tenuta della piastra a farfalla della valvola a farfalla a tre eccentrici cambia da rotonda a ovale, ottenendo così l'asimmetria della forma della superficie di tenuta. Un lato è parallelo alla linea centrale del corpo e l'altro lato è inclinato rispetto alla linea centrale del corpo. Questa ottimizzazione strutturale consente alla valvola a farfalla tripla eccentrica di mantenere eccellenti prestazioni di tenuta in ambienti ad alta temperatura raggiungendo al contempo i requisiti di perdita zero.

Le valvole a farfalla determinano il metodo di installazione della tubazione in base al tipo di connessione, adattandosi ai diversi requisiti del progetto della tubazione.

Le connessioni wafer sono uno dei metodi di connessione più classici e diffusi per le valvole a farfalla. Come suggerisce il nome, si tratta di "serrare" il disco della valvola a farfalla tra due flange del tubo e quindi fissarlo mediante bulloni che passano attraverso i fori di collegamento delle flange e della valvola a farfalla.

Come suggerisce il nome, una valvola a farfalla flangiata ottiene la tenuta adattando strettamente la flangia alla flangia del tubo e quindi fissandola con bulloni. I vantaggi di questo tipo di connessione sono molto evidenti.

I collegamenti a capocorda LT sono una "caratteristica personalizzata esclusiva" per valvole a farfalla di grande diametro, progettate specificamente per tubazioni ad alto flusso con DN300 e superiore. L'idea centrale è quella di aggiungere alette integrate (alberi ad alette) su entrambe le estremità o al centro del corpo della valvola, che sono fissate al supporto della tubazione o a flange speciali attraverso i fori di posizionamento sulle alette, aggiungendo di fatto un "telaio portante" alla valvola.

La connessione a morsetto è rappresentativa dello stile di "installazione rapida". La valvola è fissata alla tubazione mediante una fascetta e bulloni di serraggio, caratterizzata da facilità di installazione e comodo smontaggio.

Le connessioni saldate comportano la saldatura diretta delle estremità di ingresso e di uscita della valvola a farfalla alla tubazione, rendendo la valvola e la tubazione "integrate come una cosa sola". Questo metodo funge da "guardiano" per i media ad alto rischio.

In futuro, con le tendenze di sviluppo dell'intelligenza industriale e dell'ecologia, la tecnologia delle valvole a farfalla continuerà ad avanzare verso il controllo intelligente e il risparmio energetico ad alta efficienza. Le nuove valvole a farfalla, che combinano capacità di controllo preciso con stabilità a lungo termine, svolgeranno senza dubbio un ruolo sempre più critico nei moderni sistemi industriali, fornendo soluzioni più affidabili per vari trasporti di fluidi e controllo delle tubazioni.