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Choix de la courbe caractéristique d'une vanne de réglage


Pour optimiser le fonctionnement d'une régulation

Si la vanne est un élément d'une boucle de régulation l'évolution du gain global du procédé doit être idéalement maintenu dans une plage étroite pour faciliter l'action du régulateur et obtenir une meilleure réponse dynamique. Il est souvent recommandé de limiter le ratio entre le gain maxi et le gain mini à 4 (typiquement entre 0,5 et 2). Concrètement la courbe caractéristique du système (variable régulée en fonction de l'ouverture de la vanne) doit s'approcher d'une évolution linéaire.
Le comportement global du procédé ne dépend pas seulement de la vanne mais aussi des autres éléments (pompes, tuyauteries, filtres, échangeurs, ...) qui peuvent aussi influer sur le débit par leur perte de charge, leur capacité de pompage ou d'échange de chaleur.
Les courbes de débit caractéristiques des vannes sont présentées en supposant une différence de pression constante. Ce n'est pas toujours le cas dans les applications réelles. Par exemple si le circuit dans lequel le fluide débite présente une perte de charge significative, la différence de pression disponible pour la vanne ira en diminuant avec l'augmentation de débit. La vanne n'est alors plus seule à influencer sur le débit.

Exemple de régulation de débit dans un circuit résistant

Si on considère le cas simple d'une régulaton de débit:
Si la perte de charge du circuit hors la vanne est faible, la perte de charge de la vanne sera constante; il sera préférable de d'utiliser une vanne ayant une caractéristique linéaire.
Evolution du débit dans un circuit résistant avec une vanne égal pourcentageSi la perte de charge du circuit hors la vanne est important ou si la pression amont est générée par une pompe, la perte de charge disponible pour la vanne diminuera lorsque le débit augmentera. Le graphe ci-contre montre qu'alors, en utilisant une vanne ayant une caractéristique égal pourcentage, la courbe de débit caractéristique du système se rapproche d'une évolution linéaire. La meilleure combinaison sera obtenu avec, au point de fonctionnement nominal, une perte de charge sur la vanne de l'ordre de la moitié de la perte de charge du circuit hors vanne (autorité de la vanne = 0,33).

Autorité de la vanne

On exprime l'influence relative 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.

Exemple de régulation de température

Evolution du réchauffage d'un fluide dans un échangeurLe but final d'une boucle de régulation est souvent l'ajustement d'une variable autre qu'un débit (presion, température, niveau, concentration, ...). Il s'agit alors de considérer la relation indirecte entre ouverture de la vanne et valeur du paramètre à réguler. Considèrons un cas de régulation de température d'un fluide froid en agissant sur le débit d'un fluide chaud alimentant un échangeur.  Si l'augmentation de température du fluide froid  est proportionelle au débit de fluide chaud pour les faibles débits, elle devient limitée par la capacité de l'échangeur pour les débits plus élevés. La relation entre les deux variables a une forme plutôt exponentielle.
L'utilisation d'une vanne de caractéristique linéaire conduirait à reproduire cette non linéarité. L'utilisation d'une vanne à caractéristique égal pourcentage est préférable car elle tend à rendre l'évolution de l'augmentation de température en fonction de l'ouverture de vanne plus proche d'une évolution linéaire, avec une variation du gain contenue dans une plage acceptable.

Exemple de régulation de débit de décharge

Evolution du débit avec l'ouverture de vanne dans le cas d'une déchargeIl est des situations où la différence de pression disponible pour la vanne augmente avec le débit. Ceci est dû à des circonstances extérieures à la vanne. La pression aval peut être plus basse ou la pression amont plus élevée lorsque le besoin en débit est plus grand. C'est une situation rencontrée entre autres quand la vanne doit décharger un réseau amont.
Si le rapport maxi/mini des différences de pressions disponibles est grand (>2), on préfèrera utiliser une vanne à ouverture rapide, car combinée avec l'évolution du procédé, elle provoquera une évolution globale du système plus proche d'une évolution linéaire.

Récapitulatif des situations rencontrées

Réglage de débit

Evolution de la pression différentielle sur la vanne Courbe caractéristique recommandée
ΔP constante linéaire
La pression différentielle sur la vanne diminue avec l'accroissement du débit ΔP à débit mini / ΔP à débit maxi < 5 linéaire
ΔP à débit mini / ΔP à débit maxi > 5 égal pourcentage
La pression différentielle sur la vanne augmente avec l'accroissement du débit ΔP à débit maxi / ΔP à débit mini < 2 linéaire
ΔP à débit maxi / ΔP à débit mini > 2 ouverture rapide
La plage de débit est faibleLa variation de ΔP est grandeégal pourcentage
La plage de débit est largeinéaire
La plage de débits usuels est étroite, mais exceptionellement le débit peut être beaucoup plus importantégal pourcentage
La plage de débits usuels est étroite, mais exceptionellement le débit peut être beaucoup plus faibleouverture rapide




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