Valvole a membrana nella tecnica di processo e dosaggio: struttura e selezione

Una valvola a membrana in plastica è, nella tecnica di processo e dosaggio, tra le valvole di intercettazione e regolazione più affidabili per fluidi aggressivi, ad alta purezza o carichi di solidi. Il motivo risiede nel suo principio di funzionamento: una membrana flessibile separa completamente l’attuatore dallo spazio attraversato dal flusso, in modo che il fluido entri in contatto esclusivamente con materiali chimicamente resistenti come PVC-U, PP, PVDF o PTFE. In questa guida spieghiamo la struttura delle valvole a membrana, confrontiamo le tipologie costruttive e i materiali comuni, mostriamo i criteri di selezione e dimensionamento più importanti e indichiamo gli errori tipici che nella pratica portano a un guasto precoce della membrana.

Struttura e principio di funzionamento di una valvola a membrana

Una valvola a membrana è composta essenzialmente da tre gruppi costruttivi: il corpo valvola (parte inferiore), la membrana e la parte superiore con attuatore. Il corpo valvola conduce il fluido e presenta – a seconda della tipologia costruttiva – una diga (weir) o un passaggio liscio. La membrana si trova tra la parte inferiore e quella superiore e viene premuta verso il basso tramite un piattello (compressore). Alla chiusura si dispone a tenuta sulla diga o sul fondo del corpo e interrompe così il flusso.

Il vantaggio costruttivo decisivo: la membrana è l’unico punto di tenuta mobile a contatto con il fluido. Stelo, piattello e attuatore si trovano sopra la membrana senza contatto con il fluido. Ciò elimina la necessità di tenute e baderne dello stelo a contatto con il fluido, il fluido non viene contaminato da lubrificanti, e la valvola è adatta anche per applicazioni con elevati requisiti di purezza. La valvola viene azionata manualmente tramite un volantino o automaticamente tramite un attuatore pneumatico o elettrico.

La membrana come componente centrale

La membrana svolge contemporaneamente la funzione di tenuta, di separazione e di movimento ed è quindi il componente più sollecitato. È un componente soggetto a usura programmata e deve essere adattata a fluido, temperatura e numero di manovre. Sono comuni due tipi fondamentali:

• Membrane in elastomero (ad es. EPDM, FPM/FKM, NBR): flessibili, economiche, con buona forza di richiamo e lunga durata di vita con fluidi moderati.
• Membrane in PTFE con strato di supporto in elastomero sul retro: chimicamente resistenti in modo quasi universale e adatte per acidi, basi e solventi aggressivi; sul lato fluido il PTFE impedisce il contatto diretto con l’elastomero.

Per fluidi impegnativi, viene spesso combinata una membrana in PTFE con una membrana di supporto in EPDM, per unire resistenza chimica ed elasticità meccanica.

Tipologie costruttive: valvola a membrana con diga e valvola a membrana a passaggio diretto

Per quanto riguarda la tipologia costruttiva si distinguono soprattutto due principi, che differiscono nettamente per conduzione del flusso e ambito di impiego principale.

Valvola a diga (Weir-Type)

Nella valvola a diga si eleva al centro del corpo una diga (weir), sulla quale la membrana si appoggia per chiudere. La corsa della membrana è ridotta, la sollecitazione della membrana bassa e il comportamento di regolazione fine – la valvola a diga è quindi adatta bene per strozzare e regolare portate da piccole a medie. La diga genera tuttavia una perdita di carico leggermente maggiore e uno spazio residuo non completamente svuotabile.

Valvola a passaggio diretto (Straight-Through)

La valvola a passaggio diretto possiede un foro liscio e continuo senza diga. La membrana viene premuta contro il fondo del corpo su tutta la sezione. Questa tipologia costruttiva offre un passaggio quasi pieno, bassa perdita di carico e un buon autosvuotamento – un vantaggio con sospensioni, componenti solidi, fluidi fibrosi o densi. La corsa maggiore della membrana comporta una maggiore sollecitazione della membrana.

Valvola a membrana in plastica nell’impiego di processo: scegliere correttamente i materiali

La scelta del materiale determina resistenza chimica, sollecitazione di temperatura e pressione e quindi la durata di vita della valvola. Per una valvola a membrana in plastica nell’impiego di processo, il materiale del corpo e quello della membrana vanno considerati separatamente e sempre verificati con una tabella di resistenza per il fluido concreto in combinazione di concentrazione e temperatura.

Materiali del corpo (termoplastici)

• PVC-U: economico, buona resistenza a molti acidi, basi e soluzioni saline; standard per la tecnica dell’acqua e delle acque reflue. Impiego di temperatura limitato (di regola fino a circa 60 °C).
• PVC-C: chimica simile al PVC-U, tuttavia maggiore resistenza alla temperatura.
• PP (polipropilene): buona resistenza a basi e molti fluidi organici, campo di temperatura più alto, per prodotti chimici aggressivi spesso in versione PP-H o rinforzata.
• PVDF (polivinilidenfluoruro): alta resistenza chimica ad acidi aggressivi, alogeni e solventi, elevato grado di purezza, impiegabile fino a intervalli di temperatura più elevati – prima scelta per applicazioni chimiche impegnative e fluidi ultrapuri.

Materiali della membrana

• EPDM: buona resistenza ad acqua, acidi e basi diluiti, fluidi polari; non resistente a oli minerali e molti idrocarburi.
• FPM/FKM (gomma fluorurata): resistente a molti oli, carburanti e fluidi aggressivi; limitato con acqua calda e basi.
• PTFE (con strato di supporto in elastomero): resistenza chimica quasi universale, per fluidi altamente aggressivi e ad alta purezza; maggiore rigidità, quindi caratteristica di manovra e regolazione diversa.

Dimensionamento: diametro nominale, valore Kv e classe di pressione

Il dimensionamento corretto assicura che la valvola gestisca la portata richiesta con una perdita di carico accettabile e che la membrana non venga sovraccaricata. Le grandezze decisive sono il diametro nominale (DN), il coefficiente di flusso (valore Kv o Cv), la classe di pressione (PN) e il campo pressione-temperatura ammesso.

Il valore Kv descrive la portata in m³/h di acqua che attraversa la valvola con una perdita di carico di 1 bar. Serve ad adattare la valvola al punto di esercizio. Per compiti di regolazione va inoltre considerata la caratteristica della valvola – le valvole a diga offrono qui un comportamento di regolazione più fine. In linea di principio vale: non è il diametro nominale della tubazione a determinare la valvola, ma il punto di esercizio richiesto in termini di portata e perdita di carico ammessa.