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Capacité des vannes de réglage

L'ajustement d'un débit ou d'une pression dans un circuit où un fluide circule fait souvent appel à une vanne. En faisant varier la section de passage elle permet de créer une perte de charge dans le circuit. Cette méthode ne fonctionne que si le fluide circule.

Les vannes employées peuvent être des vannes normalement utilisée pour fermer le circuit. Un réglage précis pourra alors être difficile.

D'autres vannes sont spécialement conçues pour assurer un réglage très précis du débit ou de la pression dans une large plage. Elle sont généralement associées à une boucle de régulation.

Définition du coefficient de débit

Valeurs usuelles de Cv des vannes de réglage
Diamètre nominal de la vanne Cv
inch mm
1/2 12,5
3/4 19
1 25 14
1,5 40 30
2 50 50
3 80 135
4 100 230
6 150 500
8 200 850
10 250 1300
12 300 1750
Les vannes peuvent être équipées d'un clapet de section réduite donnant un Cv à 40% de la valeur normale

La caractéristique principale d'une vanne de réglage est son coefficient de débit. Ce critère introduit en 1944 par le constructeur US de vannes Masoneilan avec le symbole "Cv", correspond au débit maximum (en Gallon US) d'eau pouvant la traverser en 1 minute pour une chute de pression de 1 psi (livre par pouce carré).
En unités SI, 1 unité de Cv correspond à une capacité de 865 litres d'eau par heure avec une chute de pression de 1 bar.

La norme NF 29-312 défini un coefficient "Kv" comme le nombre de m3 d'eau (de densité = 1) traversant la vanne en une heure, avec une perte de charge de 1 bars;
1 Cv = 1,16 Kv

Le débit passant est :
- proportionnel à la valeur du Cv
- proportionnel à la racine carrée de la chute de pression
- inversement proportionnel à la racine carrée de la masse volumique


Course de la vanne

% Cv en fonction de % ouvertureCertaines vannes ont une course dite linéaire pour lesquelles le Cv et la course varient dans la même proportion sur toute la plage; ce type d'évolution est utile lorsque la même précision de réglage est requise sur une large plage d'ouvertures.
D'autres ont une course dite égal pourcentage; cela signifie que chaque incrément identique d'ouverture de la vanne provoque une augmentation de Cv d'un même pourcentage de la valeur avant changement;
exemple: passer l'ouverture de 10 à 20% provoque une augmentation du Cv de 5,3/3,7=1,43 de 43% de même qu'une ouverture de 80 à 90% provoque une augmentation du Cv de 69/48= 1,43 de 43%
Ce type d'évolution permet un réglage fin et précis dans la première moitié de la course de la vanne et un autorise un débit beaucoup plus important si besoin à l'approche de la pleine ouverture. Une telle évolution est utile si un débit important doit parfois être traité ou si une perte de charge du circuit peut être exceptionellement élevée.

A l'inverse d'autres vannes suivent une courbe de type quick opening. La capacité croît plus rapidement au début de l'ouverture. Ce type d'évolution est utile lorsque un fonctionnement proche du tout ou rien est requis.

Forme des clapets de vannes de réglageLa valeur de Cv est proportionelle à la section de passage. C'est généralement la forme de l'obturateur qui défini le type de course de la vanne.

Le graphe ci-dessous donne pour un liquide, en fonction de l'ouverture de la vanne, les variations de:
- débit à pression différentielle constante
- pression différentielle à débit constant




Formules de calcul

D'après Masoneilan control valve sizing handbook

Vanne sur gaz

 Gaz en écoulement non critique:
  Equation de débit dans vanne de réglage en écoulement non critique
  


 Gaz en écoulement critique:
   
 Equation de débit dans une vanne de réglage en écoulement critique
avec:
Qm: débit masse de gaz (t/h)
 Cv: coefficient de débit de la vanne
 FL: coefficient de récupération de pression
 P1: pression amont (bar abs)
 P2: pression aval (bar abs)
ΔP: =P1-P2
 Mw: masse molaire du gaz (g/mole)
T: température du gaz (K)
Z: facteur de compressibilité du gaz


Vanne sur liquide (écoulement turbulent)

Les formules ci-dessous sont applicables pour un écoulement turbulent dans la vanne. Ceci peut être vérifié en calculant le nombre de Reynolds dans la vanne (Rev). Il doit être >10000 pour que l'écoulement puisse être considéré comme turbulent. Si le liquide est visqueux ou la différence de presion très faible, il est possible que l'écoulement soit laminaire (Rev <10000). Il conviendra alors d'appliquer les formules pour les liquides visqueux.
 Liquide sans risque de flash ou de cavitation:
  Equation de débit de liquide dans une vanne sans risque de flash
  

 Liquide avec risque de flash ou de cavitation:
  Equation de débit de liquide dans une vanne avec risque de flash 
Avec:
ρ: masse volumique du liquide (kg/m3)
Pv : pression de vapeur saturante du liquide
à la température d'écoulement (bar absolu)
Pc : pression critique thermodynamique
du liquide (bar absolu)





Vanne sur liquide visqueux (écoulement laminaire)

 Liquide visqueux en écoulement laminaire:
   
 Equation de débit dans une vanne de réglage en écoulement laminaire
avec:
 Qm: débit masse de liquide (t/h)
 Cv: coefficient de débit de la vanne
 FL: coefficient de récupération de pression
 Fd: facteur de forme de la vanne
 FR: coefficient de correction dû au Reynolds
 P1: pression amont (bar abs)
 P2: pression aval (bar abs)
 ρ: masse volumique du liquide (kg/m3)
 μ: viscosité dynamique du liquide (cpo)

L'augmentation de la viscosité du liquide étend le domaine des vitesses d'écoulement pour lesquelles l'écoulement est laminaire. Cela est vrai pour les écoulements dans les vannes comme dans les tuyauteries. En régime laminaire, la perte de charge est sensiblement proportionelle au débit. La nature du régime d'écoulement est déterminée par un nombre de Reynolds appliqué aux vannes Rev. Pour des Rev <100 l'écoulement est laminaire. Un facteur de correction FR (sans dimension) <1 est utilisé dans le calcul du débit.
Facteur de correction de débit pour liquide visqueux

Valeurs typiques de Fd, FL
Type de vanne FdFL
Vanne a clapet simple (fluide tend à ouvrir) 0,50,9
Vanne a clapet simple (fluide tend à fermer)1,00,9
Vanne à clapet double (fluide entre les sièges) 0,70,9
Vanne à cage0,1
Vanne à clapet rotatif excentré 1,00,8
Vanne papillon (100% ouvert) 0,70,6
Vanne papillon (65% ouvert)0,50,65
Vanne à boule 1,00,7


Vanne sur vapeur d'eau


 Vapeur d'eau en écoulement non critique:
 
Equation de débit de vapeur dans une vanne en écoulement non critique

Avec:
Tsh : surchauffe de la vapeur (=0 pour vapeur saturée) (°C)

 Vapeur d'eau en écoulement critique:
   
 Equation de débit de vapeur dans une vanne en écoulement critique





Points de vigilence dans le choix d'une vanne de réglage

Pouvoir de réglage de la vanne

Si la vanne de réglage est incluse dans un circuit lui-même résistant, la résistance crée par la vanne doit être en rapport avec la résistance du circuit. Une vanne surdimensionnée sera inefficace sur une large plage et ne pourra être utilisée que presque fermée. Une vanne sous dimensionnée, outre qu'elle ajoute au circuit une résistance inutile, ne sera utilisée que sur une faible plage proche de la pleine ouverture.
Pour un fonctionnement efficace de la vanne, il est recommandé que:
- au débit nominal, elle occasionne une chute de pression égale à 50% de la chute de pression par frottement dans le reste du circuit,
- elle autorise, à pleine ouverture, un débit de 10 à 20% supérieur au nominal.

Autorité de la vanne

Dans certaines professions on exprime l'influence de la vanne par le ratio:
ΔPv / ( ΔPv +  ΔPc)
avec:
ΔPv: perte de charge dans la vanne
ΔPc: perte de charge du reste du circuit
Ce ratio est communément appelé "autorité de la vanne".
Cette expression, assez obscure en français résulte d'une traduction paresseuse de l'expression anglo-saxone "valve authority" qu'on peut aussi traduire par pouvoir de contrôle de la vanne.
En effet plus la part de perte de charge prise par la vanne est grande, plus grand sera l'effet de ses variations sur le débit global. On recommande souvent une valeur comprise entre 0,2 et 0,5.

Régime d'écoulement

Le débit passant au travers de la vanne augmente avec la chute de pression autorisée, mais il est limité par:
- une éventuelle vaporisation du liquide en aval de la vanne si en un point quelconque de la vanne la pression devient inférieure à la tension de vapeur du liquide
- l'écoulement sonique du gaz dans la vanne qui se produit lorsque la pression aval devient inférieure à 50% de la pression amont
Ces régimes d'écoulement sont dit critiques.

Gain du procédé

Régulation de débit dans un circuit résistantSi la vanne est incluse dans une boucle de régulation, il faut choisir un type de courbe caractéristique et une plage d'utilisation telle que les variations de gain du procédé soient limitées. Une variation dans un rapport de 1 à 4 semble être un maximum recommandé. Ceci est obtenu lorsque la courbe d'évolution du paramètre régulé en fonction de l'ouverture de la vanne s'approche d'une allure linéaire. Même pour un réglage de débit cette allure n'est pas due uniquement à la vanne, mais à l'association de la vanne et du reste du procédé.
Le gain  du procédé est le rapport de la variation de la variable régulée sur la variation d'ouverture de la vanne. La variable régulée peut être le débit réglé par la vanne, mais aussi toute autre variable impactée indirectement par le débit réglé par la vanne (pression, niveau, température, concentration, ...). Un des paramètres importants de réglage du régulateur est le gain de l'action proportionelle (% ouverture de la vanne / écart à la consigne en % d'échelle). Il est généralement fixe sur toute la plage de fonctionnement. Le gain du régulateur doit être adapté au gain du procédé dont la vanne de réglage fait partie. Si le gain du procédé varie trop d'un point à un autre de sa plage de fonctionnement, le gain du régulateur risque d'être mal adapté dans certains domaines.




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