Da duecento bar a qualche bar: il salto di pressione
Un riduttore di pressione è il dispositivo che si monta sulla valvola di una bombola e porta il gas dalla pressione a cui è immagazzinato a una pressione di lavoro molto più bassa, tenendola poi costante mentre la bombola si svuota. A monte c’è una pressione alta e variabile, a valle una pressione bassa e stabile: è tutto il suo mestiere, e da qui viene anche il sinonimo regolatore di pressione, che nei documenti tecnici dei gas medicali indica lo stesso oggetto e non un componente diverso.
Gli ordini di grandezza chiariscono la questione. Le bombole d’acciaio per ossigeno terapeutico si riempiono a 200 bar, e la ISO 10524-1, nell’edizione del 2018, che detta progettazione, costruzione, prove di tipo e marcatura per questi apparecchi, li considera destinati a bombole ricaricabili con pressione di esercizio fino a 30.000 kPa, cioè 300 bar. A valle si lavora con qualche bar. Il rapporto fra le due pressioni è di due ordini di grandezza.
Membrana, molla e otturatore: il principio
Dentro c’è una camera chiusa da una membrana elastica, caricata da una molla su un lato e dalla pressione del gas sull’altro. La membrana è collegata a un otturatore che appoggia su una sede: quando l’otturatore è in sede il passaggio dall’alta alla bassa pressione è chiuso.
Il gioco è di retroazione. Se a valle si preleva gas la pressione nella camera cala, la molla vince, la membrana si sposta e apre l’otturatore; entra gas dall’alta pressione, la pressione nella camera risale, spinge indietro la membrana e richiude. L’equilibrio si stabilisce a una pressione che dipende dal precarico della molla e dal rapporto fra le aree in gioco, e si mantiene da solo senza che nessuno intervenga. Nei riduttori con vite di regolazione si agisce sul precarico della molla; in quelli per gas medicali a uscita fissa il precarico è impostato in fabbrica.
La regolazione non è perfetta. Man mano che la bombola si svuota la pressione a monte scende, e la pressione di uscita di un riduttore a stadio unico deriva leggermente. È la ragione per cui esistono i riduttori a doppio stadio: la riduzione avviene in due passaggi in serie, il primo grossolano, il secondo che vede sempre a monte una pressione quasi costante e quindi deriva molto meno.
Il manometro di contenuto e quello che non misura
Sul lato ad alta pressione c’è quasi sempre un manometro, e viene chiamato manometro di contenuto per una ragione fisica precisa. In una bombola di gas compresso, come l’ossigeno o l’aria, il gas resta gassoso a qualunque grado di riempimento: la pressione è proporzionale alla massa che resta dentro, e l’ago scende in modo regolare mentre il contenuto si consuma. Leggere la pressione equivale a leggere quanto ne è rimasto.
Con un gas liquefatto la stessa lettura mente. Finché nella bombola c’è liquido, la pressione resta ferma alla tensione di vapore di quel liquido alla temperatura di quel momento, e non si muove mentre il contenuto cala; scende in fretta soltanto quando il liquido è finito e resta solo vapore. Su quei gas l’unico dato di contenuto è la massa, cioè la bombola sulla bilancia. Il manometro dice se c’è pressione, non quanto ne resta.
Accanto al manometro i riduttori portano una valvola di rilascio sul lato a bassa pressione, che si apre se la sede di riduzione lascia passare gas oltre il dovuto, e in molti modelli una seconda uscita a bassa pressione, priva di misura di portata, destinata ad alimentare un ventilatore.
Gli attacchi alla bombola e perché cambiano da gas a gas
Il collegamento alla valvola della bombola non è universale, ed è voluto: la geometria dell’attacco è specifica del gas, così che un riduttore destinato a un gas non si monti sulla valvola di un altro. Un errore di collegamento diventa quindi un errore meccanico che non entra, invece di un errore silenzioso.
Le famiglie sono due. Con gli attacchi filettati la ghiera si avvita sull’uscita della valvola, con filetto e diametro diversi per ogni gas; le sigle che compaiono sulle schede, UNI, NF, DIN e British Standard, sono le denominazioni nazionali di questi filetti, italiana, francese, tedesca e britannica. Con l’attacco a staffa, invece, il riduttore abbraccia la valvola e viene serrato da una vite, e l’univocità la danno due perni la cui posizione angolare cambia da gas a gas, incastrandosi in due fori corrispondenti: è il sistema pin index, normato dalla ISO 407 per le bombole di piccola capacità per gas medicali, con pressione di esercizio fino a 200 bar e pressione di prova fino a 300.
Riduttore e flussimetro non sono lo stesso apparecchio
I due si confondono perché stanno attaccati, ma tengono ferme due grandezze diverse. Il riduttore tiene costante una pressione, e la portata che ne esce dipende da cosa c’è a valle. Il flussimetro tiene o misura una portata, e per farlo ha bisogno che a monte la pressione sia già quella prevista: senza un riduttore davanti, la sua scala non varrebbe niente.
Esistono apparecchi che riuniscono le due funzioni, e in ambito medicale la regolazione della portata spesso non è affidata a un tubo con galleggiante ma a un selettore a fori calibrati: un disco forato che ruota a scatti, dove ogni foro ha un diametro tale da lasciar passare una portata definita quando è alimentato alla pressione di lavoro del riduttore. I valori sono discreti, non continui, e sulle ghiere ricorre una serie a nove posizioni fra 1 e 15 litri al minuto. Poiché la portata attraverso un foro calibrato dipende dalla pressione ai suoi capi, ogni resistenza aggiunta a valle sposta il valore reale rispetto a quello scritto sulla ghiera.
Fuori dai gas tecnici la stessa parola indica altro ancora: il riduttore che si mette all’ingresso di un impianto idrico domestico abbassa la pressione dell’acquedotto, lavora su un liquido incomprimibile e si taratura su valori di pochi bar. Il principio della membrana contrapposta a una molla è lo stesso; le portate, i materiali e le prove no.
