Nozioni di base sul regolatore di pressione
I regolatori di pressione si trovano in molte applicazioni comuni domestiche e industriali. Ad esempio, i regolatori di pressione sono utilizzati nelle griglie a gas per regolare il propano, nelle caldaie per il riscaldamento domestico per regolare i gas naturali, nelle apparecchiature mediche e odontoiatriche per regolare l'ossigeno e i gas anestetici, 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, ci sono numerose applicazioni per i regolatori, ma in ognuna di esse il regolatore di pressione fornisce 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 nella pressione di ingresso. La riduzione della pressione di ingresso a una pressione di uscita inferiore è la caratteristica chiave dei regolatori di pressione.
Quando si sceglie un regolatore di pressione, devono essere considerati molti fattori. Le considerazioni importanti includono: intervalli di pressione di esercizio per l'ingresso e l'uscita, requisiti di flusso, fluido (è un gas, un liquido, tossico o infiammabile?), intervallo di temperatura di esercizio previsto, selezione del materiale per i componenti del regolatore, comprese le guarnizioni, nonché vincoli di dimensioni e peso.
Materiali utilizzati nei regolatori di pressione
È disponibile un'ampia gamma di materiali 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 utilizzate all'interno del regolatore sono in genere realizzate in filo armonico (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 un fattore da considerare. La plastica è presa in considerazione quando il basso costo è una preoccupazione primaria o è richiesto un articolo usa e getta. Gli acciai inossidabili sono spesso scelti per l'uso con fluidi corrosivi, l'uso in ambienti corrosivi, quando la pulizia del fluido è un fattore da considerare o quando le temperature di esercizio saranno elevate.
Altrettanto importante è la compatibilità del materiale di tenuta con il fluido e con l'intervallo di temperatura di esercizio. Buna-n è un tipico materiale di tenuta. Guarnizioni opzionali sono offerte da alcuni produttori e queste includono: Fluorocarbonio, EPDM, Silicone e Perfluoroelastomero.
Fluido utilizzato (gas, liquido, tossico o infiammabile)
Le proprietà chimiche del fluido devono essere considerate prima di determinare i materiali migliori per la tua applicazione. Ogni fluido avrà le sue caratteristiche uniche, quindi bisogna fare attenzione a selezionare i materiali appropriati per il corpo e la guarnizione che entreranno in contatto con il fluido. Le parti del regolatore a contatto con il fluido sono note come componenti "bagnati".
È anche importante determinare se il fluido è di natura infiammabile, tossica, esplosiva o pericolosa. Un regolatore non-relieving è preferibile per l'uso con gas pericolosi, esplosivi o costosi perché il design non scarica una pressione eccessiva a valle nell'atmosfera. A differenza di un regolatore non-relieving, un regolatore relieving (noto anche come auto-relieving) è progettato per scaricare la pressione eccessiva a valle nell'atmosfera. In genere c'è un foro di sfiato sul lato del corpo del regolatore per questo scopo. In alcuni design speciali, la porta di sfiato può essere filettata e qualsiasi pressione in eccesso può essere scaricata dal corpo del regolatore attraverso una tubazione e scaricata in un'area sicura. Se si seleziona questo tipo di design, il fluido in eccesso deve essere scaricato in modo appropriato e in conformità a tutte le normative di sicurezza.
La 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 di esercizio prevista. La preoccupazione principale è se l'elastomero scelto funzionerà correttamente nell'intervallo di temperatura previsto. Inoltre, la temperatura di esercizio può influire sulla capacità di flusso e/o sulla velocità della molla in applicazioni estreme.
Pressioni di esercizio
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 l'intervallo di fluttuazione della pressione di ingresso? Qual è la pressione di uscita richiesta? Qual è la variazione consentita della pressione di uscita?
Requisiti di flusso
Qual è la portata massima richiesta dall'applicazione? Quanto varia la portata? Anche i requisiti di porting sono una considerazione importante.
Dimensioni e peso
In molte applicazioni ad alta tecnologia lo spazio è limitato e il peso è un fattore. Alcuni produttori sono specializzati in componenti in miniatura e dovrebbero essere consultati se le dimensioni e il peso complessivi sono critici. La selezione del materiale, in particolare i componenti del corpo del regolatore, avrà un impatto sul peso. Considerare attentamente anche le dimensioni delle porte (filettature), gli stili di regolazione e le opzioni di montaggio poiché influenzeranno le dimensioni e il peso.
Regolatori di pressione in funzione
Un regolatore di pressione è composto da tre elementi funzionali
* Un elemento di riduzione o restrizione della pressione. Spesso si tratta di una valvola a fungo a molla.
* Un elemento di rilevamento. In genere un diaframma o un pistone.
*Un elemento di forza di riferimento. Più comunemente una molla.
Durante il funzionamento, la forza di riferimento generata dalla molla apre la valvola. L'apertura della valvola applica pressione all'elemento di rilevamento che a sua volta chiude la valvola finché non è aperta quanto basta per mantenere la pressione impostata. Lo schema semplificato "Pressure Regulator Schematic" illustra questa disposizione di bilanciamento delle forze.
(1) Elemento di riduzione della pressione (valvola a fungo)
Più comunemente, i regolatori impiegano una valvola "a fungo" caricata a molla come elemento restrittivo. Il fungo include una guarnizione elastomerica o, in alcuni modelli ad alta pressione, una guarnizione termoplastica, che è configurata per creare una tenuta su una sede valvola. Quando la forza della molla allontana la guarnizione dalla sede valvola, il fluido può fluire dall'ingresso del regolatore all'uscita. Quando la pressione di uscita aumenta, la forza generata dall'elemento di rilevamento resiste alla forza della molla e la valvola si chiude. Queste due forze raggiungono un punto di equilibrio al punto di regolazione del regolatore di pressione. Quando la pressione a valle scende al di sotto del punto di regolazione, la molla spinge il fungo lontano dalla sede valvola e altro fluido può fluire dall'ingresso all'uscita finché non viene ripristinato l'equilibrio di forza.
(2) Elemento di rilevamento (pistone o diaframma)
I design a pistone sono spesso utilizzati quando sono richieste pressioni di uscita più elevate, quando la robustezza è un problema o quando la pressione di uscita non deve essere mantenuta entro una tolleranza stretta. I design a pistone tendono a essere lenti, rispetto ai design a membrana, a causa dell'attrito tra la guarnizione del pistone e il corpo del regolatore.
Nelle applicazioni a bassa pressione, o quando è richiesta un'elevata precisione, è preferibile lo stile a diaframma. I regolatori a diaframma impiegano un sottile elemento a forma di disco che viene utilizzato per rilevare le variazioni di pressione. Di solito sono realizzati in elastomero, tuttavia, in applicazioni speciali viene utilizzato un sottile metallo convoluto. I diaframmi eliminano essenzialmente l'attrito inerente ai design a pistone. Inoltre, per una particolare dimensione del regolatore, è spesso possibile fornire un'area di rilevamento maggiore con un design a diaframma rispetto a quanto sarebbe fattibile 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 di rilevamento e agisce per aprire la valvola. La maggior parte dei regolatori è progettata con una regolazione che consente all'utente di regolare il set-point della pressione di uscita modificando 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 rispetto alla portata. Il grafico risultante mostra il calo della pressione di uscita all'aumentare della portata. Questo fenomeno è noto come droop. La precisione del regolatore di pressione è definita come la quantità di droop che il dispositivo mostra su un intervallo di portate; un droop minore equivale a una maggiore precisione. Le curve di pressione rispetto alla portata fornite nel grafico "Direct Acting Pressure Regulator Operating Map" indicano la capacità di regolazione utile del regolatore. Quando si seleziona un regolatore, gli ingegneri devono esaminare le curve di pressione rispetto alla portata per garantire che il regolatore possa soddisfare i requisiti di prestazione necessari per l'applicazione proposta.
Definizione di caduta
Il termine "droop" è utilizzato per descrivere il calo della pressione di uscita, al di sotto del set-point originale, all'aumentare del flusso. Il droop può anche essere causato da cambiamenti significativi nella pressione di ingresso (rispetto al valore al momento dell'impostazione dell'uscita del regolatore). Quando la pressione di ingresso aumenta rispetto all'impostazione iniziale, la pressione di uscita diminuisce. Al contrario, quando la pressione di ingresso diminuisce, la pressione di uscita aumenta. 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.
Dimensione dell'orifizio
Aumentare l'orifizio della valvola può aumentare la capacità di flusso del regolatore. Ciò può essere utile se il tuo progetto può ospitare un regolatore più grande, tuttavia fai attenzione a non specificare troppo. Un regolatore con una valvola sovradimensionata, per le condizioni dell'applicazione prevista, comporterà una maggiore sensibilità alle pressioni di ingresso fluttuanti e potrebbe causare un calo eccessivo.
Pressione di blocco
La "pressione di blocco" è la pressione superiore al punto di regolazione necessaria per chiudere completamente la valvola del regolatore e garantire che non vi 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. Dai un'occhiata al grafico e noterai che, per una data portata, la pressione di uscita sarà più alta con una portata decrescente rispetto a una portata crescente.
Regolatore monostadio
I regolatori monostadio sono una scelta eccellente per riduzioni relativamente piccole della pressione. Ad esempio, i compressori d'aria utilizzati nella maggior parte delle fabbriche generano pressioni massime nell'intervallo da 100 a 150 psi. Questa pressione viene convogliata attraverso la fabbrica, ma spesso viene ridotta con un regolatore monostadio a pressioni inferiori (10 psi, 50 psi, 80 psi ecc.) per azionare macchinari automatizzati, banchi di prova, macchine utensili, apparecchiature per prove di tenuta, attuatori lineari e altri dispositivi. I regolatori di pressione monostadio in genere non funzionano bene con grandi oscillazioni nella pressione di ingresso e/o nelle portate.
Regolatore a due stadi (doppio stadio)
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 calo, come avviene con il gas fornito da un piccolo serbatoio di stoccaggio o da una bombola di gas.
Con la maggior parte dei regolatori monostadio, ad eccezione di quelli che utilizzano un design compensato in pressione, un forte calo della pressione di ingresso causerà un leggero aumento della pressione di uscita. Ciò accade perché le forze che agiscono sulla valvola cambiano, a causa del forte calo della pressione, rispetto a 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 di ingresso, solo al leggero cambiamento dall'uscita del primo stadio. Questa disposizione determina 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 aggiuntiva di gestire una pressione di ingresso massima significativamente più elevata. Ad esempio, il regolatore a tre stadi della serie Beswick PRD4HP 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 le modifiche alla pressione di alimentazione. Un regolatore di pressione piccolo e leggero in grado di mantenere una pressione di uscita bassa stabile nonostante una pressione di ingresso che diminuirà nel tempo da una pressione elevata è un componente fondamentale in molti progetti. Esempi includono strumenti analitici portatili, celle a combustibile a idrogeno, UAV e dispositivi medici alimentati da gas ad alta pressione fornito da una cartuccia di gas o da una bombola di stoccaggio.
Ora che hai scelto il regolatore più adatto alla tua applicazione, è importante che il regolatore sia installato e regolato correttamente per garantire che funzioni come previsto.
La maggior parte dei produttori consiglia l'installazione di un filtro a monte del regolatore (alcuni regolatori hanno un filtro incorporato) per evitare che sporcizia e particelle contaminino la sede della valvola. Il funzionamento di un regolatore senza filtro potrebbe causare una perdita nella porta di uscita se la sede della valvola è contaminata da sporcizia 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 derivanti dal processo di fabbricazione. La presenza di olio nel gas spesso non è evidente all'utente e pertanto questo argomento dovrebbe essere discusso con il fornitore del gas prima di selezionare i materiali di tenuta per il regolatore. Inoltre, i gas devono essere privi di umidità eccessiva. Nelle applicazioni ad alta portata, può verificarsi la formazione di ghiaccio sul regolatore in presenza di umidità.
Se il regolatore di pressione verrà utilizzato con ossigeno, tieni presente che l'ossigeno richiede una conoscenza specialistica per una progettazione sicura del sistema. Devono essere specificati lubrificanti compatibili con l'ossigeno e in genere è specificata una pulizia extra per rimuovere tracce di oli da taglio a base di petrolio. Assicurati di informare il fornitore del regolatore che intendi utilizzare il regolatore in un'applicazione con ossigeno.
Non collegare i regolatori a una fonte di alimentazione con una pressione massima maggiore della pressione di ingresso nominale del regolatore. I regolatori di pressione non sono destinati a essere utilizzati come dispositivi di intercettazione. Quando il regolatore non è in uso, la pressione di alimentazione deve essere disattivata.
Installazione
STEP 1
Iniziare collegando la fonte di pressione alla porta di ingresso e la linea di pressione regolata alla porta di uscita. Se le porte non sono contrassegnate, verificare con il produttore per evitare connessioni errate. In alcuni progetti, possono verificarsi danni ai componenti interni se la pressione di alimentazione viene erroneamente fornita alla porta di uscita.
STEP 2
Prima di accendere la pressione di alimentazione al regolatore, svitare la manopola di controllo della regolazione per limitare il flusso attraverso il regolatore. Accendere gradualmente la pressione di alimentazione in modo da non "shockare" il regolatore con un'improvvisa ondata di fluido pressurizzato. NOTA: evitare di girare la vite di regolazione fino in fondo al regolatore perché, in alcuni modelli di regolatore, la pressione di alimentazione completa verrà erogata alla porta di uscita.
STEP 3
Impostare il regolatore di pressione alla pressione di uscita desiderata. Se il regolatore non è a rilascio, sarà più facile regolare la pressione di uscita se il fluido scorre piuttosto che "in stallo" (nessun flusso). Se la pressione di uscita misurata supera la pressione di uscita desiderata, sfiatare 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, poiché potrebbero verificarsi lesioni.
Con un regolatore di tipo relieving, la pressione in eccesso verrà automaticamente scaricata nell'atmosfera dal lato a valle del regolatore quando la manopola viene ruotata per abbassare l'impostazione di uscita. Per questo motivo, non utilizzare 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.
STEP 4
Per ottenere la pressione di uscita desiderata, effettuare le regolazioni finali aumentando lentamente la pressione da sotto il set point desiderato. Impostare la pressione da sotto il set point desiderato è preferibile a impostarla da sopra il set point desiderato. Se si supera il set point durante l'impostazione del regolatore di pressione, ridurre la pressione impostata a un punto al di sotto del set point. Quindi, di nuovo, aumentare gradualmente la pressione fino al set point desiderato.
STEP 5
Accendere e spegnere la pressione di alimentazione più volte monitorando la pressione di uscita per confermare che il regolatore torni costantemente al punto di regolazione. Inoltre, anche la pressione di uscita dovrebbe essere accesa e spenta per garantire che il regolatore di pressione torni al punto di regolazione desiderato. Ripetere la sequenza di impostazione della pressione se la pressione di uscita non torna all'impostazione desiderata.
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