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LES VANNES
Les vannes ne sont pas les seuls actionneurs que vous tudierez
et rencontrerez mais leurs applications sont tellement nombreuses
dans tous les domaines de la rgulation industrielle quelles sont
incontournables. Cette tude reprend de nombreux lments du cours
CAPTEURS-TRANSMETTEURS INDICATEURS DE DEBIT ; jy ferai rgulirement
rfrence... Mme si cela napparait pas clairement dans les chapitres
qui vont suivre, nous allons mener une tude pour :
Les vannes de rgulation : La section de passage du fluide peut
varier entre 0% et 100% de la section de passage pleine
ouverture
Les vannes T.O.R : La section de passage du fluide est gale 0%
ou 100% de la section de passage pleine ouverture
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1 ROLE DE LA VANNE DANS UNE CHAINE DE REGULATION
1.1 Rappels Comme nimporte quel actionneur elle agit sur :
La GRANDEUR REGLANTE qui sera toujours pour une vanne 2 voies,
LE DEBIT. Voir aussi TP37
Suivant le procd dans lequel la vanne se situe, la grandeur rgle
sera une pression, un dbit, un niveau, une temprature, un rapport
de concentration...Voir exemples pilote pdagogique TOTAL.
P.I.D+-
VANNE
CAPTEURTRANSMETTEUR
PROCEDE
Fig. CRS8_1
1.2 Modle de connaissance Il ny a pas quune seule faon de
modliser une vanne afin dobtenir un modle mathmatique utilisable
dans un
schma fonctionnel. Tout dpendra :
De la complexit du problme (unicit du rgime dcoulement ou pas,
fluide mono ou biphasique)
De la prcision souhaite pour les rsultats thoriques Du point de
vue utilisateur concepteur (qualitatif ou quantitatif)
En premire approche nous utiliserons un modle reposant sur les
hypothses ncessaires au thorme de Bernoulli (1700-1782) :
Ecoulement permanent Fluide parfait (incompressible et non
visqueux)
La vanne est considre comme une section variable (en fonction du
signal de commande) au sein dune canalisation (perte de charge
singulire) et ltude est mene de la mme faon que celle dun organe
dprimogne (Voir cours dbit)
Ce rsultat fait apparaitre plusieurs lments importants:
dPYkQv = ).( (1)
Le dbit dpend de louverture k(Y) (loi de commande) de la vanne
et de P Le dbit nest pas une fonction linaire de ces 2
variables.
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Lutilisation de ce modle dans un schma fonctionnel pour des
variations qv, reposant sur la transforme de Laplace ne pourra tre
envisage quaprs linarisation autour dun point de
fonctionnement.Qv0.
qvQvQv
pP
QvyYQvqv QvQv
+=
+
=
0
00 *)()(
*)()(
(2)
qvQvQv
0 Dbit volumique instantan en m
3/s
Dbit volumique au point de fonctionnement m3/s
Variation du dbit volumique autour du point de fonctionnement
m3/s
1.3 Exercice Appliquez ce que vous venez de voir pour une vanne
ayant une loi de commande linaire (k
1*Y) ; le fluide
trait est de leau et le point de fonctionnement est fix pour un
dbit de 0.5 m3/h.. La P est de 5 bar.
Etablissez lquation aprs linarisation
Etablissez le schma fonctionnel de ce composant
1.4) Conclusion Les calculs de dimensionnement des vannes ont
tous comme base de dpart la relation (1). Les modifications
apportes cette relation ont pour objectif deffectuer des
corrections sur : La masse volumique du fluide La pression
diffrentielle entre amont et aval de la vanne. La contraction de la
veine liquide au passage de la vanne
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2 TECHNOLOGIE DES VANNES Ce chapitre na pas la prtention dtre
exhaustif sur ce sujet tant les fabricants et les astuces quils ont
pu trouver sont nombreuses. De plus lutilisation de la vanne
lchelle industrielle est ancienne.
2.1 Structure Quelque soit le fabricant, le type de vanne ou sa
gnration, une vanne est toujours dcomposable technologiquement en 2
parties
La vanne (Corps de vanne, sige, clapet) Lactionneur (Arcade,
servo-moteur)
Servo moteur
pneumatique
Positionneur
Electro-pneumatique
Arcade
Corps de vanne
Presse toupe
Clapet
Sige
1:Corps de vanne 2 Micro lment de rglage
2.1: Module sige 2.2: Bague de sige 2.3: Clapet de vanne 2.4:
Ressort pour 3.2
2.5: Ecrou de sige 4: Presse toupe 4.1: Ressort 4.2: Garniture
PTFE
5: Noix de presse toupe 5.1: Bague de guidage 5.2: Douille
filete 6: Tige de clapet 6.1: Ecrou daccouplement 7: Accouplement
entre tige de transmission et clapet (avec indicateur de course) 8
Servo-moteur 8.1: Tige de transmission 8.2: Ecrou
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2.2 La vanne Le choix de la technologie de la vanne va faire
intervenir de trs nombreux critres:
La nature du fluide trait Lagressivit mcanique et/ou chimique du
fluide La temprature de fonctionnement La pression du fluide en
amont et en aval Les possibilits de rglage (du Cv par exemple) Les
dispositifs anti cavitation Les dispositifs limitant le bruit Le
niveau dtanchit souhait entre sige et clapet Circulation du fluide
en 1 sens ou 2 sens La force ou le moment dvelopper pour mouvoir le
clapet Le poids, lencombrement Raccordement aux conduites La
maintenabilit (SAV, facilit de montage dmontage) Le prix Les dlais
de livraison
Nous allons dcrire les diffrents types de vannes en donnant les
avantages et les inconvnients de chacun ainsi que les principaux
domaines demploi. Certains types de vannes trop particuliers seront
volontairement passs sous silence.
2.2.1 Vanne conventionnelle simple sige Avantages Modle simple
en excution standard (cot rduit) Usage gnral Sige dmontable
Rversibilit (sens daction) obtenu au niveau du servo-moteur
Utilisation de diffrents couples sige-clapet, sur un mme
corps, pour obtenir le Cv dsir ou la caractristique intrinsque
voulue
Inconvnients Efforts hydrodynamiques sur le clapet non quilibrs
Dmontage sige dlicat Risque de cavitation ou de vaporisation avec
certains
fluides Risque de niveau sonore lev
Remarque 1: Il existe des versions moins rcentes pour lesquelles
la rversibilit tait obtenue par retournement du sige et du clapet.
Remarque 2 : Ne pas confondre les notions OMA FMA (comportement en
absence dnergie motrice) avec NO NF (comportement vis--vis du
signal de commande). On peut avoir une vanne FMA qui soit NO.
Comment cela est il possible ? Remarque 3 : Existe en version
balance pour rduire les efforts.
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2.2.2 Vanne conventionnelle double sige Avantages Efforts
hydrodynamiques sur les clapets
quilibrs (servo-moteur moins puissant que pour 2.2)
Cv plus lev (de 10 2500) que 2.2) pour le mme N
Inconvnients Etanchit moins bonne que 2.2) Dmontage montage
dlicat Risque de vaporisation ou de cavitation
2.2.3 Vanne cage
Avantages: Rduction ou limination du risque de
cavitation Rduction du niveau sonore Dmontage facile du sige
(non viss) Meilleur guidage du clapet
Inconvnients Utilisation sur fluide propre Cv moins lv que 2.3)
pour le mme N
2.2.4 Vanne clapet rotatif excentr
Avantages: Trs bon Cv par rapport aux modles prcdents
Utilisation sur fluide charg Efforts hydrodynamiques assez bien
quilibrs Etanchit leve Encombrement sur la conduite assez rduit
Temprature dutilisation -200C +400C
Inconvnients Montage dmontage dlicat Pas de possibilit de
modifier le Cv pour un mme
corps de vanne par mise en place de diffrents couples
sige-clapet
Tendance la cavitation plus marque que les vannes prcdentes mais
moindre que les suivantes.
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2.2.5 Vanne papillon
Avantages: Encombrement en ligne trs rduit Cot rduit Plage de
temprature de fonctionnement trs tendue Cv important
Inconvnients: Moment hydrodynamique trs important Rclame un
servomoteur plus puissant Niveau dtanchit lev difficile obtenir
Doc FlowServe
2.2.6 Vanne boisseau sphrique
Avantages: Trs bonne tanchit Cot rduit Cv important Utilisable
sur fluide charg
Inconvnients: Tendance la cavitation
2.2.7 Vanne membrane
Avantages: Trs bonne tanchit mme avec des
particules solides Pas dtanchit prvoir entre le corps et
la tige de liaison au servo-moteur Facilement nettoyable
(industrie
alimentaire et pharmaceutique)
Inconvnients: Remplacement rgulier de la membrane Limitation en
temprature et pression
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2.2.8 Vanne dangle
Essentiellement ralis pour des vannes simple sige. Elle permet
de combiner la mise en place dune vanne avec des
impratifs de ralisation de conduites. Dforme moins la veine
fluide quune vanne conventionnelle. Nettoyage plus facile quune
vanne conventionnelle
2.2.9 Vannes 3 voies
2 types de fonctionnement : Mlangeuse (2 entres et 1 sortie)
Rpartitrice (1 entre et 2 sorties) On ne doit en aucun substituer
un type lautre La vanne prsente est de type rpartitrice, crire la
relation entre Qe, Qs
1 et Qs
2 Qe = Qs1 + Qs2
La grandeur rgle par cette vanne est: La proportion du dbit
dentre
Qs1 = *Qe Qs2 = (1-)*Qe : reprsente la fraction de la course
totale du clapet
Les vannes 3 voies ne permettent pas un quilibrage
hydrodynamique correct des efforts sur les clapets; cest pourquoi
elle rclame des actionneurs plus puissants. Cette vanne remplace
avantageusement (temps de rponse identique sur les 2 sorties, cot
rduit) la structure dcrite la page suivante, sauf si la temprature
de service du fluide est suprieure 300C. Si lon veut, en plus de la
rgulation de proportion, faire une rgulation de dbit il faudra
rajouter une vanne supplmentaire en amont.
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2.2.10 Normalisation des classes dtanchit Une vanne de rgulation
nest pas prvue pour tre tanche. Lisolation dune portion de circuit
incombe aux vannes prvues cette fonction. (ANSI FCI 70-2-1991 NF C
46-516)
Classes dtanchit Fuite maximale I Suivant accord entre acheteur
et fabricant II 0,5% du dbit maximum III 0,1% du dbit maximum IV
0,01% du dbit maximum V )()(
5)/( ..10.8,1 mmbarhlfuite DPQv =
VI ( )DkPQv barmnmlfuite ..3,0 )()/( = avec k(D) facteur de
fuite 2.3 Lactionneur
On parlera aussi de servo-moteur (appellation impropre). Sa
fonction est : CONVERTIR LA COMMANDE EN ENERGIE MECANIQUE
Suivant le type de lensemble sige clapet le mouvement sera une
translation ou une rotation. La grandeur physique qui nous intresse
cest la position du clapet quelques soient les difficults
rencontres sur la trajectoire. Efforts hydrodynamiques Efforts
hydrostatiques Frottements des systmes assurant ltanchit Efforts du
ressort de rappel si lactionneur est du type simple effet
Frottements sur tous les guidages Matire dpose entre sige et clapet
Les technologies rencontres pour les actionneurs sont: Pneumatique
ou, Hydraulique ou, Electrique Les commandes arrivant sur les
actionneurs sont le plus souvent: Electrique (4-20 mA, 0-20 mA) ou,
Pneumatique (0,2-1 bar, 3-15 PSI / 0,4-2 bar, 6-30 PSI) Tout ou
rien ou proportionnelle
2.3.1 Sens daction Le sens daction pour lactionneur associ une
vanne est dtermin par: Le signe de laccroissement du dbit pour un
accroissement du signal de commande positif
COMMANDE
DEBIT
COMMANDE
DEBIT
ACTION DIRECTE ACTION INVERSE
Le choix du sens daction sera toujours donn par des impratifs de
scurit des personnes et des biens. Il doit tre effectu en suivant
la dmarche:
En cas de coupure dnergie motrice de lactionneur ou de sa
commande la vanne doit-elle atteindre une position de repli ?
NON: Actionneur double effet OUI: Actionneur simple effet ou
double effet avec rserve dnergie
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Quelle doit-tre la position de la vanne lors de la coupure
dnergie? COMPLETEMENT OUVERTE (Ouverte par Manque dAir - OMA)
COMPLETEMENT FERMEE (Ferme par Manque dAir - FMA)
Nb: Ce genre de choix demande une connaissance approfondie du
procd. Exemples: Combustible vers bruleurs FMA Eau de
refroidissement changeur OMA
2.3.2 Technologie pneumatique La plus rpandue
Avantages: Rapide Utilisable en atmosphre explosible Dveloppe un
effort assez important Technologie utilisable en T.O.R
Inconvnients: Actionneur assez important en taille Rseau de
distribution dair
(pertes de charges en bout de ligne) air moteur
moteur " double effet "
air moteur
air moteurmoteur " simple effet "
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2.3.3 Technologie hydraulique
Commande manuelle et hydraulique
Cette technologie utilise des fluides hydrauliques particuliers
(faible coef. de compressibilit) avec des pressions importantes
(attention fuites et raccords) Avantages Dveloppe des efforts trs
importants Rapide Encombrement actionneur trs faible Translation ou
rotation
Inconvnients Groupe hydraulique proximit (pas de rseau
envisageable) Pas de rserve dnergie pour retour en position de
bute
2.3.4 Technologie lectrique Deux technologies existent, lune
utilisant la force cre par le champ magntique dune bobine sur un
corps magntique, lautre le moteur lectrique et un rducteur.
Attention cette dernire demande une commande 3 niveaux et introduit
un comportement intgrateur pour le procd vu du rgulateur. Chacune
delle peut tre dcline sous la forme TOR ou module Avantages: Rseau
de distribution possible Possibilit de variation dnergie avec un
bon rendement Technologie trs simple en T.O.R (bobine)
Inconvnients: Pas dutilisation en atmosphre explosible sans
prcautions particulires Lent car ncessite un rducteur pour
augmenter le couple ou la force Pas de rserve dnergie pour retour
en position de bute
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Electro-hydraulique
Commande par bobine en TOR
Electromcanique avec rducteur (roue-pignon et roue et vis sans
fin)
2.3.5 Remarque sur la position de bute Cest la position
quoccupera lactionneur en labsence de commande ou dnergie. Pour
amener un actionneur en position de bute de scurit : soit le systme
est rversible ou dbrayable automatiquement et alors muni dun
ressort (rserve
dnergie potentielle). Soit il y a une alimentation de secours
qui vient se substituer automatiquement lalimentation normale
en mme temps que le signal prend la bonne valeur. Soit le systme
actionneur vanne garde la dernire position occupe avant
linterruption dnergie
(effet mmoire ; comportement intgrateur)
De nombreux accessoires peuvent tre ajouts lactionneur: Commande
manuelle de lactionneur (Voir exemple Pilote Pdagogique). Contacts
fin de course pour la gestion des alarmes et des scurits par
automatismes squentiels Rserve de gaz sous pression Groupe
hydraulique manuel
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2.4 Le positionneur Cet accessoire a 2 rles principaux: Faire en
sorte que la position vise par la commande arrivant sur lactionneur
soit rellement
tenue par lobturateur. Donner une relation entre commande et
position de lobturateur obissant une loi dfinie
Ces lments vont introduire dans le systme comportant une vanne
quipe dun positionneur: Une boucle locale ..
Faire le schma P&ID dune boucle de rgulation de dbit
comportant une vanne munie dun positionneur, puis le schma blocs.
Que remarquez-vous ? Conclusion.
1
2
3
4
5
Avantages: Amlioration de la prcision du positionnement en
rendant lensemble Vanne-Actionneur le
moins sensible possible aux perturbations de position.
Amlioration de la vitesse de rponse Choix dune caractristique de
transfert statique permettant damliorer la linarit (gain
constant) du process.
Inconvnients: Complexit et cot accrus Boucle locale pouvant
introduire des risques dinstabilit si les rglages des actions de
correction
du positionneur sont mauvais.
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Le positionneur aura en plus une fonction dinterfaage entre: Le
signal entrant (4-20 mA ou 0,2-1 bar) La commande de lactionneur
(pneumatique ou lectrique)
La structure dun positionneur repose sur les mmes principes que
ceux qui ont t tudis sur les transmetteurs (Voir exemples cours
Pression). On retrouvera des structures :
quilibre de force (ou de couple) quilibre de dplacement
Lobtention dune caractristique de transfert statique (Qv = f(Y)
pour P constante) quelconque peut tre obtenue par :
Lutilisation de came profil Lutilisation dun capteur de position
numrique et dune table utilisateur dfinissant un certain
nombre de points de la caractristique dsire. Lutilisation dun
profil de clapet particulier
Le sens de laction peut tre modifi par un choix appropri de
positionneur
Doc Samson
Yr1 Yr2correcteur
conversionservo
Pression force Z
ressortsurface
position
mesure
position
vanne Elec. -> Pr.
REMARQUE IMPORTANTEEn 3.2) Yr1=Yr2 car
G linaire
Yr2=G(Yr1)
3 CHOIX ET DIMENSIONNEMENT DE LA VANNE Ce cours na pas la
prtention de vous former toutes les techniques de choix et de
dimensionnement. Dun constructeur un autre vous constaterez
beaucoup de points communs mais aussi de nombreuses formules de
dimensionnement diffrentes. Le but est de donner des notions
principales et des points de repres communs dans la dmarche.
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3.1 Caractristique Intrinsque - Caractristique installe
3.1.1 Caractristique Intrinsque Daprs (1) page 2 (et sa
linarisation (2) autour dun point de fonctionnement) le dbit
transversant une vanne dpend dau moins 2 paramtres: La variation de
la section entre sige et clapet qui dpend du signal de commande Y
La P de la vanne qui dpend du reste du circuit hydraulique.
On appellera caractristique intrinsque dune vanne la fonction
Qv=f(Y) pour une P constante Cette caractristique intrinsque
correspond ce que lon a appel prcdemment dans ce cours la
caractristique de transfert statique. On trouve principalement 2
caractristiques: La caractristique linaire La caractristique gal
pourcentage ou exponentielle
CARACTERISTIQUES INTRINSEQUES
0
20
40
60
80
100
Qv
Commande Y
EGAL % LINEAIRE
Pour information, on trouve aussi les caractristiques ouverture
rapide parabolique exponentielle modifie propres lutilisateur,
obtenues par un profil de came particulier ou un positionneur
intelligent.
Remarque 1: QQ
QQ
1
1
2
2=
Lappellation gal pourcentage provient du fait quune mme
variation Y du signal de commande entrainera une variation relative
de dbit identique
Remarque 2: Les caractristiques relles des vannes doivent se
situer dans un intervalle de tolrance autour des caractristiques
thoriques sur environ 90% du signal de commande. En dehors de cette
zone, caractristiques relles et thoriques sont trs loignes et lon
ne fait pas travailler la vanne dans cette zone. On dfinit un
rapport entre les points maxi et mini de la zone de fonctionnement
de la vanne Compltez le graphique Voir paragraphe 3.2.4) pour
complments
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3.1.2 Caractristique installe La caractristique installe prend
en compte les 2 principaux facteurs qui influencent le dbit au
travers dune vanne Cest la caractristique relle Qv=f(Y) dune vanne
de caractristique intrinsque connue place dans une installation qui
fera varier la P. Exemple:
R1
H1
P1
P
Pompe
R2
H2
P2
Liquide centrifuge
La diffrence de pression motrice qui tend dplacer le fluide de
R1 vers R2.est gale ( ) ( )P P g H H Ppompe1 2 1 2 + +. .
La diffrence de pression rsistante est gale lensemble des pertes
de charges rgulires et singulires (Ligne, accessoires et VANNE
)
Le systme est en quilibre quand Pmotrice P= rsistante pour Q
donn
On doit accepter chacun de ces facteurs comme tant des
perturbations qui vont moduler le dbit. La vanne va devoir modifier
sa section de passage pour atteindre un dbit dsir avec une P non
constante entre son entre et sa sortie. La caractristique
intrinsque est donc modifie.
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3.2 Coefficient de vanne (Cv, Kv, Av) Les constructeurs ont
dfini des paramtres permettant lutilisateur de connaitre le dbit
que lon peut faire passer au travers dune vanne dans des conditions
dtermines. Bien sr les conditions dessais indiques par le
constructeur ne sont que rarement celles de lutilisateur. Il faudra
alors avoir recours un certain nombre de coefficients qui prendront
en compte les paramtres propres lcoulement tudi (pression,
temprature, viscosit, masse vol...). Les organismes de
normalisation ont repris et ordonn ces caractrisations de vannes:
NF C 46-502 (CEI 534-1) Vannes de rgulation des processus
industriels - considrations gnrales NF C 46-503 Dimensionnement
pour fluides incompressibles NF C 46-504 Dimensionnement pour
fluides compressibles NF C 46-516 (CEI 534-4) Vannes de rgulation
des processus industriels - Inspection et essais
individuels
3.2.1 Cv Le coefficient le plus employ est dduit dun essai dans
lequel la vanne, au maximum de sa course utile, est soumise une P
constante et traverse par de leau 15,6C.
dPYkQv = ).(
On a daprs (1) Si P=1 PSI, d=1, pour Y=100% alors Qv (en GPM)
est gal la section relle de passage du fluide. Voir cours dbit
paragraphe organes dprimognes.
Cette valeur particulire de Qv est appelle Cv ou Coefficient de
vanne En mesurant Qv on obtient bien Cv
Cv Qv dP= .
3.2.2 Kv On peut chercher exprimer la mme notion mais avec des
units drives du systme MKSA Dans ce cas la P est de 1bar et Qv en
m3/h
( ) ( )Kv Qvd
PQv d
PCv
Kv Cv Cv Kv
= =
=
= =
* . ** .
* . *.
* .
* . * ,
0 2270 069 0 227
10 069
0 86417
086417 1157
3.2.3 Av Mme ide mais en revenant directement aux grandeurs du
systme MKSA. Dans ce cas la P est en Pascal et Qv en m3/s. Cest un
coefficient de dimensionnement utilis par les normes NF donnes en
rfrence.
Av Qvd
PQv d
PCv=
= = *
.
*
*
* . **
.
. ** *
*
0 2273600 0 069 10
0 2273600
100 069 10 24 10
10
05
3
56
6
Av = Cv * 24 *10 Cv =Av24
-6
Exercice: Recherchez par une quation aux dimensions lunit de
Av
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Av en m2. Attention Av ne correspond pas la section de passage
entre sige et clapet
puisquil tient compte des effets de contraction de la veine
liquide.
3.2.4 Remarques sur le Cv La frquence demploi des coefficients
de vanne correspond lordre de prsentation. La suite du cours sera
base sur une dmarche constructeur (Masoneilan) qui utilise
exclusivement le
Cv. Le Cv mesur dune vanne correspond donc une section de
passage donne sous des conditions
dcoulement prcises. Il est donn dans les catalogues. Le Cv
calcul (en vue dun choix de vanne) sous les conditions dcoulement P
et Qv correspond
lorifice thorique quil faudrait placer pour limiter lcoulement
la valeur dsire sous la P retenue. Cest le rsultat dun calcul fait
par le concepteur.
La caractristique intrinsque dune vanne peut tre donne sous la
forme Qv=f(Y) mais aussi Cv=f(Y).Le Cv du catalogue, ou Cv nominal,
correspondant Y=100%
La rangeabilit r0ou dynamique de rglage de la vanne se dfinit
comme le rapport entre
rCv
CvGO
Y i
Y
00
100%
=
=
min courbe dans sa limite
0
0
1=
r
On peut aussi parler de coefficient de dbit relatif
La notion de Cv peut tre tendue tout organe hydraulique comme
tant le rapport entre Qv et P pour un fluide de densit donn.
Association de Cv: Mise en srie Mise en parallle
=
=
1
2211 i
n ieq CvCv
=
=
1i
n
CviCveq
Nimporte quel problme de choix de vanne peut tre ainsi ramen un
dimensionnement de Cv Exemple: Utilisation de cette technique pour
mettre en vidence la modification de la caractristique
intrinsque dune vanne dans le cadre dune installation donne.
Notes personnelles :
-
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Comment construire Q=f(Cde) ?
Notes personnelles sur la mthode de construction :
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Le rapport d
PvannePvanne P
=
+
rsistante
entraine une dformation plus ou moins importante de la
caractristique intrinsque suivant sa valeur et le type de
caractristique. Il importe que ce rapport ait une valeur minimale
pour que la dynamique de rglage soit sensible. Lordre de grandeur
retenu est d=1/2
3.3 Caractrisation des coulements Le dimensionnement dune vanne
de rglage revient choisir une restriction variable qui peut tre
amene modifier le rgime dcoulement. Nous allons apporter des
informations complmentaires celles vues en dbut du cours Capteurs
Transmetteurs Indicateurs de dbit. Il importe de bien retenir les
grandes caractristiques des diffrents rgimes dcoulement car
pour
chacun deux la formule de dimensionnement de la vanne est
diffrente. La compressibilit ou lincompressibilit du fluide trait
sera un paramtre supplmentaire prendre
en compte. Quelque soit le constructeur et ses formules vous
retrouverez toujours cette diffrenciation.
Pour FLUIDE INCOMPRESSIBLE
On remarque un point important: Il existe un rgime dcoulement
pour lequel le Qv naugmente plus en fonction de la P. On parlera
aussi de rgime avec engorgement. Ce phnomne apparait aussi bien
pour des fluides compressibles quincompressibles.
3.4 Mthodologie de choix Il faut en premier lieu faire un bilan
des conditions de service Nature du fluide vhicul (compressible ou
non, visqueux ou non, cas particulier vapeur) Rgime dcoulement avec
Cf (Fl) connu ou fix priori
Calcul PS(ervice) Calcul PC
Cas particulier de la vapeur deau (sature ou surchauffe) Choix
de la bonne relation de Cv
-
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Liquide ou gaz dbit volume ou dbit masse vapeur sature ou
surchauffe Prise en compte divergent convergent , viscosit,
biphasique
Dtermination du Cv calcul Recherche dans catalogue
Type de vanne Cv nominal Vrification du Cf (Fl) Correction
ventuelle du Cv calcul partir du Fl catalogue
Choix dfinitif (actionneur, accessoires..) Simulation Applet
caractristique installe - caractristique intrinsque Notes
personnelles : Utilisation de lorganigramme de calcul
Remarques de fin dorganigramme Prendre un Cv de vanne suprieur
au Cv calcul. Vrifier le calcul pour la bonne valeur de Cf qui
dpend : du type de vanne du rapport Cv nominal/Cv calcul
Installation dun convergent-divergent si dimensions vanne et ligne
diffrentes.
-
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pPv < pPv >
vS PPP = 1dim v
c
vs PP
PPP ..28,096,,01dim
=
dim2
. Sc PCfP = avec Cf impos ou choisi priori
CPPs CPPs >>
1P 2P
vP temp
Cavitation non tolre :
Revoir condition amont P1
Rduire Ps Modifier la direction du fluide
2 vannes en srie
Cavitation ou vaporisation
tolre :
Vanne
multi tage
s
vv PGfQC
= ..16.1
Gf Qv
dim
.
.16.1s
vv P
GfCf
QC
=
s
vv PGf
WC
=
.
.16.1
Gf W
dim..
.16.1s
v PGfCfWC
=
Ps, Psdim : bar Gf : densit du liquide temp. / eau @15,5 C Qv :
m3/h W : t/h
LIQUIDES NON VISQUEUX
21 PPPs =
temp. : temprature
absolue du liquide
aux conditions de
service
Pv Tension de vapeur temp
amont
Pc Pression au point critique en
bar abs.
Cf Facteur dbit critique
A temp. de service vP temp
1.5,0 Pp =
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Dautres arbres de calcul pourraient tre dvelopps partir des
formules donnes dans le dossier VANNES-ANNEXES TECHNIQUES pour :
Les gaz, la vapeur deau, les coulements diphasiques, les liquides
visqueux, lutilisation de convergent-divergent. Des vrifications
supplmentaires sont ncessaires:
Vitesse du fluide en entre de vanne Vitesse du fluide en sortie
de vanne Niveau de bruit mis
3.5 Rpartition des pressions sur le parcours
Si le fluide trait est tel que : CAS 1: PV
-
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Mise en place de purge dans la zone isolable par les vannes de
gardes (attention la nature du produit ou du gaz)
Position de la vanne par rapport un transmetteur Faut-il prvoir
un rchauffage ou un calorifugeage Quel est le sens dcoulement?
Protection mcanique de la vanne et des accessoires Qualit de lair
actionneur
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5 VANNES AUTO-MOTRICES
Ce sont des vannes qui rcuprent lnergie de leur actionneur sur
le fluide quelles rgulent. Lactionneur est combin avec un rgulateur
qui gnralement assure une rgulation de : Temprature Pression
Dbit
Avantage: Regroupement en un seul composant du transmetteur, du
rgulateur et de lactionneur Inconvnient: Pas de possibilit de choix
et de modifications
6 QUELQUES ORDRES DE GRANDEURS
Tension de vapeur de l'eau
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 50 100 150 200 250 300 350
Formule de Duperray utilisable de100 300C 4
100
=
TPs
Avec Ps en atmosphre T en C
Fluide Type vanne Dimension nominale (pouces)1 2 3 4 6 8 10 12
14 16
Liquide propre Conventionnelle 10 7 5 cage 13 10 8
Liquide charg Conventionnelle 5 3 2 cage NON RECOMMANDE
Gaz Conventionnelle 100 70 50Vapeur surchauffe
sauf O2: Ve
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GAZ
Pser=P1-P2
Pc=0.5xCfxP1
Pser 0,2xCfxP1 0,2xCfxP1 Pser Pc Pser Pc
PserP1
1,4Cfy=
PserP1
1,63Cfy=
Vannes 7700 A et B-78011PlaquesCartouches
LO-DB
Autres vannes
0 y 1,5
Ecoulement non critique
Pr= P1absPcabs
qv
Pc
Pr 40Pr 40
GZ
GZ
WGf
qvGT
WGf
Ecoulement critique
Pr= P1absPcabs
qv
Pc
Pr 40Pr 40
GZ
GZ
WGf
P1 P2
Cf
2 3 4 5 6 7 81
( )Cvqv G T
Pser P P=
+295 1 2.
.Cv qv G T Z
Cf P y y=
. . .
. . . , .257 1 0148 3Cv W
Cf P Gf y y=
54 51 0 148 3
, .
. . , .
( )CvW
Pser P P Gf=
+
47 21 2
, .
. . ( )Cvqv G T Z
Pser P P=
+295 1 2. .
. Cvqv G T Z
Cf P=. .
. .257 1
Cv qv G TCf P=. .
. .257 1
Cv WCf P Gf
=54 5
1, .
. .
1
2
3
4
5
6
7
8
-
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Tserv Tsat Tserv Tsat
Vapeur d'eausature surchauffe
Vapeur d'eau
Tsh=Tserv-Tsat
Tserv Tsat Tserv Tsat
Vapeur d'eausature surchauffe
Vapeur d'eau
Tsh=Tserv-Tsat
VAPEUR D'EAU
Pserv =P1-P2
Pc =0,5.Cf.P1
0,2xCfxP1 Pser Pc
Utilisation du coefficient yFormules simplifies
Pser 0,2xCfxP1
Ecoulement non critique Ecoulement critique
0 y 1,5
Tserv Tsat Tserv Tsat
Vapeur d'eausature surchauffe
Vapeur d'eau
Tsh=Tserv-Tsat
Pser Pc
1 2 3 4 5 6
Ecoulement non critique
( )CvW
P P P=
+
724
1 2
, .
.( )
( )CvTsh W
P P P=
+
+
724 1 000126
1 2
, . , . .
.Cv WCf P=
8371
, .
.
( )Cv Tsh WCf P=+837 1 000126
1, . , . .
.
Cv W
Cf P y y=
837
1 0148 3, .
. . , .
( )Cv Tsh WCf P y y
=
+
837 1 000126
1 0148 3, . , . .
. . , .
-
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Coefficient de compressibilit Corrlation de Robertson
Z=1+a*(x-b)*(1-e-c)x Pr
Tc2Pr
Pservice
Pcritique
a 0.1219*Tr0.638 TrTservice
Tcritique
b Tr 7.76 14.75Tr
c 0.3*x 0.441*x
= =
= =
= +
= +
Recherche du Coefficient de compressibilt pour lquation des
gaz rels P.V = Z.n.R.T
Dtermination par abaques : voir pages 6 et 7 des prsentes
annexes Dtermination par calcul: Formule ci-dessous
Ref: Physique industrielle des fluides Notions fondamentales et
applications numriques Aut.: M. Lagire Editions Technip ISBN
2-7108-0701-7 (1997)
Robertson S. (1989) 3Pressure explicit equation The oil and gas
journal June 19 p.8,9
Nos amis anglo-saxons appellent cela : rule of thumb
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7 REFERENCES
7.1 Internet http://www.emersonprocess.com/Fisher/
http://www.masoneilan.com/ http://pdf.directindustry.fr/
http://www.flowserve.com/fls/index.html http://www.scribd.com un
service dhbergement de documents parmi lesquels linstrumentation et
la rgulation ont une belle place.
7.2 Ouvrages articles Masoneilan Bulletins techniques Comment
choisir les vannes de rglage Documentation Varipak M. Cerr
Instrumentation industrielle T2 Tec&Doc Lavoisier M. Grout
Instrumentation industrielle Dunod M. Grout Instrumentation
formulaire et guide pratique 2me Ed. Editions Kirk M. Ct La
slection des vannes de contrle version prliminaire M. Ct T.Sc.A
Collectif Flow control manual Neles Jamesbury
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8 TABLE DES MATIERES 1 ROLE DE LA VANNE DANS UNE CHAINE DE
REGULATION......................................................
2
1.1 Rappels
.............................................................................................................................................
2 1.2 Modle de connaissance
...................................................................................................................
2 1.3 Exercice
............................................................................................................................................
3
2 TECHNOLOGIE DES VANNES
............................................................................................................
4 2.1
Structure............................................................................................................................................
4 2.2 La
vanne............................................................................................................................................
5
2.2.1 Vanne conventionnelle simple sige
........................................................................................
5 2.2.2 Vanne conventionnelle double sige
........................................................................................
6 2.2.3 Vanne
cage.............................................................................................................................
6 2.2.4 Vanne clapet rotatif excentr
.................................................................................................
6 2.2.5 Vanne
papillon..........................................................................................................................
7 2.2.6 Vanne boisseau
sphrique......................................................................................................
7 2.2.7 Vanne membrane
...................................................................................................................
7 2.2.8 Vanne
dangle...........................................................................................................................
8 2.2.9 Vannes 3
voies..........................................................................................................................
8 2.2.10 Normalisation des classes dtanchit
....................................................................................
9
2.3
Lactionneur......................................................................................................................................
9 2.3.1 Sens
daction.............................................................................................................................
9 2.3.2 Technologie
pneumatique.......................................................................................................
10 2.3.3 Technologie hydraulique
........................................................................................................
11 2.3.4 Technologie
lectrique............................................................................................................
11 2.3.5 Remarque sur la position de
bute..........................................................................................
12
2.4 Le positionneur
...............................................................................................................................
13 3 CHOIX ET DIMENSIONNEMENT DE LA
VANNE..........................................................................
14
3.1 Caractristique Intrinsque - Caractristique installe
...................................................................
15 3.1.1 Caractristique Intrinsque
.....................................................................................................
15 3.1.2 Caractristique
installe..........................................................................................................
16
3.2 Coefficient de vanne (Cv, Kv,
Av).................................................................................................
17 3.2.1
Cv............................................................................................................................................
17 3.2.2 Kv
...........................................................................................................................................
17 3.2.3 Av
...........................................................................................................................................
17 3.2.4 Remarques sur le
Cv...............................................................................................................
18
3.3 Caractrisation des
coulements.....................................................................................................
20 3.4 Mthodologie de choix
...................................................................................................................
20 3.5 Rpartition des pressions sur le parcours
.......................................................................................
23
4 REGLES DE MONTAGE DES VANNES
............................................................................................
23 5 VANNES AUTO-MOTRICES
..............................................................................................................
25 6 QUELQUES ORDRES DE
GRANDEURS...........................................................................................
25 7 REFERENCES
.......................................................................................................................................
29
7.1 Internet
............................................................................................................................................
29 7.2 Ouvrages articles
............................................................................................................................
29
8 TABLE DES
MATIERES......................................................................................................................
30
