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

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

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

Formules de calcul

Les formules détaillées de calcul du débit traversant une vanne de réglage , sont publiées dans la norme IEC 60534-2. Ces formules, sont très détaillées mais aussi très complexes à appliquer. De nombreux fabricants de vannes en proposent des versions dérivées, souvent plus simples d'emploi.

Les  formules ci-après sont adaptées de la version de 1970 du Masoneilan control valve sizing handbook.

Vanne sur 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 (Re_v). 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 (Re_v <10000). Il conviendra alors d'appliquer les formules pour les liquides visqueux.

Vanne sur liquide visqueux (écoulement laminaire)

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 Re_v. Pour des Re_v <100 l'écoulement est laminaire. Un facteur de correction F_R (sans dimension) <1 est utilisé dans le calcul du débit.

Valeurs typiques de F_d, F_L

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

Vanne sur vapeur d'eau

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:
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

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.