Come sono fatte le valvole?
Foto Chiudere l’acqua con una valvola di isolamento. Girando questa leva di novanta gradi si chiude una valvola a sfera al centro del tubo, interrompendo il flusso dell’acqua. La maggior parte delle case hanno valvole come questa sul “feed” dell’acqua fredda in entrata e sui tubi che entrano ed escono dai serbatoi dell’acqua. Le valvole di isolamento sono molto utili durante un’emergenza (come un tubo d’acqua scoppiato) o per eseguire la manutenzione ordinaria. Una volta che la valvola è chiusa, si può tranquillamente effettuare le riparazioni senza che il fluido esca tutto fuori.
Le valvole sono di solito fatte di metallo o di plastica e hanno diverse parti. La parte esterna è chiamata sede e spesso ha un involucro esterno di metallo solido e una guarnizione interna di gomma morbida o di plastica, per cui la valvola fa una chiusura assolutamente ermetica. La parte interna della valvola, che si apre e si chiude, si chiama corpo e si inserisce nella sede quando la valvola è chiusa. C’è anche una qualche forma di meccanismo per aprire e chiudere la valvola, sia una leva manuale o una ruota (come in un rubinetto o un rubinetto di arresto) o un meccanismo automatizzato (come in un motore d’auto o un motore a vapore).
È spesso molto importante per le valvole che sono spente permettere assolutamente nessuna fuga di liquido o gas attraverso un tubo per evitare incidenti, esplosioni, inquinamento o la perdita di prodotti chimici preziosi (anche un rubinetto che gocciola può essere costoso se la vostra acqua è misurata). Ecco perché il sigillo di una valvola deve essere perfettamente sicuro e una valvola spenta deve essere ben chiusa. Spegnere un flusso di liquido o gas ad alta pressione ostruendolo con una valvola è un lavoro fisicamente difficile: in altre parole, bisogna usare molta forza per farlo. Ecco perché alcune valvole sono azionate da leve (come quella fotografata qui, ma alcune possono essere molto più lunghe per dare più forza di rotazione) o grandi ruote (come nella foto in alto in questo articolo). Se le valvole davvero grandi richiedono troppa forza per essere fornite da un essere umano, sono azionate da pistoni idraulici.
Scegliere il materiale giusto
Non tutte le valvole sono cose grandi, potenti e resistenti fatte di metallo. Guardate attentamente i contenitori di cibo nella vostra cucina e scoprirete che molti hanno delle valvole al loro interno. Le bottiglie d’acqua (come quella che ho raffigurato sopra) hanno spesso valvole a otturatore invece di tappi a vite. La parte superiore del barattolo di cibo che ho fotografato qui sotto è un altro esempio davvero ingegnoso di valvola, fatta da un elastomero elastico (in pratica, una gomma elastica, sintetica, di silicone). Sigilla un barattolo per la distribuzione del cibo che normalmente si trova a testa in giù, quindi, in teoria, il cibo potrebbe colare sul tavolo sottostante! Questa ingegnosa valvola è ciò che lo impedisce. Il materiale gommoso ha quattro fessure per far passare il cibo, ma è anche abbastanza solido, quindi si apre solo quando si schiaccia il barattolo. La pressione che fornisci quando schiacci costringe il cibo attraverso le quattro fessure, che si aprono. Quando si rilascia la pressione, l’elasticità della valvola fa sì che le fessure si aprano di nuovo e sigillino di nuovo il barattolo. È così semplice e banale che probabilmente non l’hai mai notato, eppure è un’ingegnosa opera di ingegneria che si basa su una selezione molto attenta del materiale giusto.
Foto: Una valvola elastomerica di tenuta degli alimenti. A sinistra: sguardo dal basso verso la valvola sigillata. Al centro: Guardando dall’alto la stessa valvola sigillata. A destra: Guardando dall’alto con il mio dito che spinge verso l’alto per rivelare come funziona il meccanismo della fessura autosigillante (se siete interessati, credo che questa sia una valvola a fessura SimpliSqueeze® prodotta da Aptar, e potete leggere tutti i dettagli tecnici di come funziona nel loro US10287066B2: Dispensing valve.)
E scegliere i materiali per le valvole non è solo una questione di pensare a come funzioneranno durante la loro vita, ma a cosa succede dopo. Con il packaging alimentare, per esempio, il riciclaggio è una considerazione sempre più importante. Prendiamo le piccole valvole che si trovano sui sacchetti di caffè. Dopo che il caffè viene tostato e infilato nei sacchetti, potrebbe rimanere sullo scaffale di un negozio fino a un anno, durante il quale continua a emettere gas di anidride carbonica. Senza una valvola sul sacchetto, si gonfierebbe e potenzialmente scoppierebbe nel negozio (o nella tua cucina), lanciando il caffè dappertutto. Così i sacchetti di caffè hanno queste ingegnose valvole unidirezionali di “degassificazione” fatte di membrane che si aprono quando la pressione si accumula all’interno. Ecco perché puoi “svegliarti e sentire l’odore del caffè” senza aprire effettivamente il sacchetto. Quando l’aria cerca di entrare dall’esterno, appiattisce la membrana e sigilla il sacchetto. Fin qui tutto bene, ma che dire del riciclaggio? Se si cominciano a mettere complicate valvole di plastica sui sacchetti, i sacchetti diventano molto più difficili da riciclare. Qual è la risposta? I produttori stanno realizzando sacchetti di caffè e valvole interamente in bioplastica compostabile per eliminare il problema dello smaltimento dei rifiuti.
Foto: Come funzionano le valvole del caffè. Riga in alto: A sinistra: una tipica valvola all’interno di un sacchetto di caffè. In mezzo: Questa valvola bioplastica compostabile (prodotta dall’azienda svizzera Wipf) ha una sede esterna fissa (nera) e un corpo interno (rosso) con uno sfiato di gas. A destra: Smontatela e scoprirete che ha anche una membrana di plastica all’interno (blu). L’illustrazione qui sotto mostra come queste tre parti lavorano insieme. La membrana si flette verso l’alto per far uscire la CO2, poi si appiattisce di nuovo verso il basso per impedire all’aria e al vapore acqueo di entrare.
Tipi di valvole
Artwork: Otto tipi comuni di valvole, molto semplificati. Chiave di colore: la parte grigia è il tubo attraverso il quale scorre il fluido; la parte rossa è la valvola e la sua maniglia o comando; le frecce blu mostrano come la valvola si muove o ruota; e la linea gialla mostra da che parte si muove il fluido quando la valvola è aperta.
I diversi tipi di valvole hanno tutti nomi diversi. Le più comuni sono la farfalla, il rubinetto o spina, la saracinesca, il globo, l’ago, la valvola a fungo e la bobina:
- Sfera: In una valvola a sfera, una sfera incavata (la sfera) si trova all’interno di un tubo, bloccando completamente il flusso del fluido. Quando si gira la maniglia, si fa ruotare la sfera di novanta gradi, permettendo al fluido di fluire attraverso il centro di essa.
- Farfalla: Una valvola a farfalla è un disco che si trova nel mezzo di un tubo e ruota lateralmente (per ammettere il fluido) o verticalmente (per bloccare il flusso completamente).
- Gallo o tappo: In una valvola gallo o tappo, il flusso è bloccato da un tappo a forma di cono che si sposta da parte quando si gira una ruota o maniglia.
- Cancello o saracinesca: Le valvole a saracinesca aprono e chiudono i tubi abbassando dei cancelli di metallo attraverso di essi. La maggior parte delle valvole di questo tipo sono progettate per essere completamente aperte o completamente chiuse e possono non funzionare correttamente quando sono solo parzialmente aperte. I tubi dell’approvvigionamento idrico usano valvole di questo tipo.
- Globo: I rubinetti dell’acqua sono esempi di valvole a globo. Quando si gira la maniglia, si avvita una valvola verso l’alto o verso il basso e questo permette all’acqua pressurizzata di fluire verso l’alto attraverso un tubo e fuori attraverso il beccuccio sottostante. A differenza di un cancello o di una saracinesca, una valvola come questa può essere impostata per consentire più o meno fluido attraverso di essa.
- Ago: Una valvola a spillo usa un ago lungo e scorrevole per regolare con precisione il flusso del fluido in macchine come i carburatori dei motori delle auto e i sistemi di riscaldamento centralizzati.
- Poppet: Le valvole nei cilindri dei motori d’auto sono poppet. Questo tipo di valvola è come un coperchio seduto sopra un tubo. Ogni tanto, il coperchio si solleva per rilasciare o ammettere liquido o gas.
- Spool: Le valvole a spola regolano il flusso del fluido nei sistemi idraulici. Valvole come questa scorrono avanti e indietro per far scorrere il fluido in una direzione o in un’altra intorno a un circuito di tubi.