ORGANES DE RÉGLAGE

1. Généralités 1.1. Localisation dans une boucle de régulation

1.2. Approche fonctionnelle

FP1 « Agir sur la grandeur réglante du processus, généralement un débit, suivant le signal de commande »

FC1 « Travailler dans de bonnes conditions »FC2 « S'adapter à l'environnement »FC3 « S'adapter à l'énergie »FC4 « Recevoir le signal de commande »

Il existe deux sortes d'organe de réglage constitués comme de véritables chaînes d'énergie :Énergie auxiliaire Préactionneur Actionneur Effecteur

électrique variateur de fréquence moteur électrique pompeventilateur

électriquepneumatique

relais d'asservissement (ou « positionneur »)

servomoteur pneumatique ou électrique

robinetregistre

C'est celui utilisant un robinet qui est le plus largement répandu et étudié ici : la vanne de réglage

1.3. Constitution de la vanne de réglage

La vanne de réglage est constituée de deux grandes parties :• le corps 1 avec sa garniture interne 2, 3, 4, 5, 6 : restriction variable en contact avec le fluide ;Liste des différentes possibilités :

Corps MVT tige Obturateurdroit

à angleà 3 voies

droitdroit

droit pour micro-débit

linéaire Siège simple ou double Clapet massif tournéou moulé en V

à cageà membraneà glissière

réduit à aiguilledroit rotatif papillon

à clapet excentréà boisseau sphérique

• le servomoteur 8 provoquant un déplacement de tige suivant le signal de commande donné.A ces organes peuvent être ajoutés les accessoires suivants :

– un positionneur ou relais d'asservissement en position de la tige ;– un convertisseur de signal ;– un potentiomètre ou système de recopie de position ;– un ou deux contact de position ;– une commande manuelle ;

2. Conception des vannes à mouvement linéaire 2.1. Vanne droite classique

2.1.1. à clapet massif tourné simple siège et simple guidageAvantages : – Construction simple ;– Étanche (ou quasiment) à la fermeture.Inconvénients : très nombreux– Frottements importants au niveau du

presse-étoupe ;– Vanne ouverte, les pertes de charges sont

importantes ;– La différence de pression agit sur le

clapet et impose un servomoteur puissant donc coûteux à l'achat et consommateur d'énergie ;

– Les effets dynamiques de l'écoulement induisent une stabilité dynamique précaire (vibrations, flexions, ...) d'où une mauvaise rangeabilité ;

– Risque de bouchage avec liquide chargé ;– ...

Le débit dépend de l'espace annulaire compris entre le clapet et le siège. Il suffit de profiler la forme du clapet pour donner la loi intrinsèque de la vanne

VANNE DE RÉGLAGEGrandeurRéglante

- débit

YConvertisseur

Servo-moteur Robinet

Potentiomètre

h

H

Ym

+-

+

ContactsPositionneur

+

Convention, on dit que la vanne est à :• corps direct si le clapet est au-dessus

du siège, sa descente ferme la vanne.• corps inverse si le clapet est au-

dessous du siège, sa descente ouvre la vanne.

Il existe des clapets réversibles permettant d'inverser le sens d'action du corps de vanne par montage à l'envers.

Symbolisation :• clapet

• siège

2.1.2. à clapet massif tourné double siège ou / et double guidage

• double siège Avantage Les forces de pression s'exerçant sur le clapet du haut ont tendance à s'annuler avec celles agissant sur le clapet du bas (tendance car les deux clapets n'ont pas la même dimension pour des raisons de montage).

Inconvénient Pas d'étanchéité, le contact siège – clapet ne peut être assurer simultanément sur les deux obturateurs. Plus cher.

• double guidage Avantage Améliore la stabilité de la caractéristique de la vanne.Inconvénient Plus cher.

2.1.3. à clapet moulé en V simple (ou double siège) et simple (ou double) guidage

Avantages : – Guidage incorporé ;– Équilibrage possible sur un clapet.Inconvénients :– Fabrication plus difficile.

2.2. Vanne droite à cage vanne ouverte vanne fermée

Si le mouvement de l'obturateur est toujours linéaire, ce dernier ne « lamine » pas le fluide de la même manière. Le fluide arrive perpendiculairement à la cage et passe par un espace déterminé par la position d'un piston jouant le rôle de clapet à l'intérieur de la cage.

C'est la forme des trous pratiqués dans la cage qui détermine la caractéristique du corps de vanne.

Ouverture rapide Linéaire Égal pourcentage

Avantages : – Forces de pression équilibrées sur le piston ;– Étanche à la fermeture ;– Piston guidé directement dans l'alésage de la cage ;– Bonne rangeabilité (> 100)– Possibilité d'utiliser des cages spéciales pour les écoulements critiques (voir chapitres suivants).Inconvénients :– Corps droit non réversible ;– Ne supporte pas les fluides chargés de particules (à cause du guidage piston / cage) ;– Usinage de la cage complexe.

2.3. Vanne droite à membrane La membrane de vanne remplit les fonctions du clapet. Le débit dépend de la section libre entre la membrane et le seuil du corps de vanne.Afin de protéger la membrane, la tige de servomoteur est équipée de butées de limitation de force.

Avantages : – Pour fluides très chargés ou très

corrosifs ;– Corps parfaitement étanche ;– Bonne étanchéité à la fermeture.Inconvénients très nombreux dus à la membrane en élastomère :– Limité en température ;– Perte de précision pour cause de mauvais vieillissement ;– Pression maximale supportée faible ;– Caractéristique intrinsèque parfois particulière (ni linéaire, ni =%)

2.4. Vanne d'angle Avantages par rapport à une vanne classique– Peut être installée à la place d'un coude, son montage et son

démontage sont facilités ;– Écoulement moins perturbé ;– Peut utiliser des clapets massifs tournés, moulés

en V, à cage.

2.5. Vanne à glissière parallèle Elles sont généralement utilisée en tant que vanne ToR. De grands diamètres sont possibles : jusqu'à 2 m.

2.6. Vanne 3 voies Mélangeuse Répartitrice

Caractéristique de ces vannes :– linéaire sur le clapet supérieur– linéaire sur le clapet inférieur

ainsi le débit traversant la vanne reste toujours le même.

Très utilisées dans les installations de chauffage, elles permettent de réguler le débit de fluide passant dans un échangeur de chaleur : régulation en température.

2.7. Vanne à clapet réduit

2.8. Vanne à micro-débit Pour des petits débits donc des petits diamètres, le clapet prend la forme d'une aiguille : Cv jusqu'à 0,0003.

3. Conception des vannes à mouvement rotatif 3.1. Vanne papillon Avantages : – Corps de vanne à passage direct donc très

grand Cv ;– Construction simple.Inconvénients :– Le couple exercé par le fluide sur le disque de

l'obturateur est tel que cette vanne ne peut travailler qu'à faible Δp et sous une ouverture limitée à 60° ;

– Étanchéité délicate à obtenir à la fermeture sauf utilisation d'un chemisage en élastomère ;

Certaines vannes papillons améliorées permettent des ouvertures à 90° grâce à un bon équilibrage des actions de pression dû à leur profil particulier :

– clapet légèrement excentré ;– clapet en forme de S ;– ...

3.2. Vanne à boisseau sphérique Appelée aussi vanne à boule, l'obturateur est dans sa version la plus simple une sphère percée d'un diamètre égal à celui de la conduite.Avantages : – Écoulement direct peu perturbé donc grand

Cv ;– Adaptée pour fluides chargés ou fibreux

(industrie papetière) ;– Bonne étanchéité à la fermeture grâce à un

siège souple (joint élastomère) plaqué sur la boule.

Inconvénients :– Frottement important du joint d'étanchéité sur la boule.

Ci-dessous une variante : obturateur en forme de segment sphérique avec une échancrure en V permettant de donner une caractéristique (linéaire ou =%), un micro-débit ou d'éviter la cavitation.

3.3. Vanne à clapet excentré Ce corps de vanne original (CAMFLEX conçu par Masoneilan) est comporte un obturateur rotatif en forme de calotte sphérique dont le centre est décalé par rapport à son axe de rotation.

Avantages : – Sa construction originale diminue le couple

exercé par le fluide sur le clapet d'où une puissance du servomoteur d'autant diminuée par rapport à une vanne classique ou papillon ;

– Pas de frottement du clapet sur un élastomère en cours d'ouverture d'où une puissance du servomoteur d'autant diminuée par rapport à une vanne à boule ;

– Écoulement direct assez peu perturbé donc grand Cv ;

– Bonne étanchéité à la fermeture ;– Bonne rangeabilité.Inconvénients :– Usinage délicat de l'obturateur.