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.
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
Certaines 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.
La 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
Type de vanne | Fd | FL |
---|---|---|
Vanne a clapet simple (fluide tend à ouvrir) | 0,5 | 0,9 |
Vanne a clapet simple (fluide tend à fermer) | 1,0 | 0,9 |
Vanne à clapet double (fluide entre les sièges) | 0,7 | 0,9 |
Vanne à cage | 0,1 | |
Vanne à clapet rotatif excentré | 1,0 | 0,8 |
Vanne papillon (100% ouvert) | 0,7 | 0,6 |
Vanne papillon (65% ouvert) | 0,5 | 0,65 |
Vanne à boule | 1,0 | 0,7 |
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.
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.
Si
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.