Dimensionner une vannes de réglage

Dimensionner une vanne de réglage est un travail complexe. De nombreuses règles empiriques circulent, qui permettent de simplifier le travail. Cependant une démarche méthodique, et l'application de règles logiques conduira plus sûrement à un résultat satisfaisant.

Les étapes du dimensionnement

1: Définir le système

Quelle est la nature du fluide et ses propriétés physiques (masse volumique, viscosité, ...)
Quelle est la source de pression (réseau, pompe, bac de stockage, ...)
Quelle est la destination du fluide et le niveau de pression aval (bac, filtre, échangeur, réseau, ...)
Quels sont les débits minimum, maximum et usuels devant traverser la vanne
Quel est le diamètre de la tuyauterie sur laquelle la vanne sera installée

2: Définir la perte de charge disponible pour la vanne

Si tous les autres éléments du circuit sont définis:

Pour les différents cas de fonctionnement, couvrant tout le domaine d'ouverture de la vanne, calculer le profil de pression et en déduire la perte de charge disponible pour la vanne.

Si la pompe générant la pression du circuit n'est pas encore définie:

Attribuer à la vanne 50% de la perte de charge par frottement du circuit au débit maximum.

3: Calculer la caractéristique de débit de la vanne

Les informations précédentes suffisent pour rédiger une réquisition procédé qui pourra être soumise aux fournisseurs de vannes.
Si on souhaite poursuivre le dimensionnement:
Calculer le coefficient de débit (Cv ou Kv) correspondant aux cas de fonctionnement identifiés à l'étape précédente, en utilisant les équations appropriées à la nature du fluide.

4: Faire une sélection préliminaire de la vanne

Choisir une vanne dont le Cv est environ 20% supérieur à la valeur la plus élevée calculée précédemment.
Vérifier le diamètre nominal de la vanne sélectionnée et le comparer au diamètre de la tuyauterie adjacente. Il ne doit pas être inférieur à 50% du diamètre de la tuyauterie. Si la vanne est d'un diamètre trop petit, choisir un modèle de taille supérieure équipé d'un clapet réduit. En général un clapet réduit présente un Cv égal à 40% de la valeur normale.

5: Vérifier l'ouverture de la vanne au débit minimum

Faire le calcul de l'ouverture de la vanne pour le cas demandant le Cv minimum. Cette ouverture doit de préférence être supérieure à 15%.

6: Vérifier le gain aux différents débits

Le gain de la vanne inséré dans son circuit est défini comme le rapport de la variation de débit sur la variation d'ouverture. Quelle que soit la valeur du gain, sa variation dans la plage d'utilisation de vanne doit être limitée. Une variation dans un rapport de 1 à 4 est un maximum. En dehors de ce domaine, le débit que la vanne doit ajuster pourra se monter instable.
Il est possible de corriger le gain en optant pour une course différente (égal pourcentage ou ouverture rapide au lieu de linéaire).

7: Sélectionner un type de vanne

Les vannes les plus courantes pour régler un débit sont:

Vannes à clapet ou à soupape

Efficaces aussi bien pour les gaz que pour les liquides, même flashant, elles sont disponibles avec des courses aussi bien linéaire que égal pourcentage ou ouverture rapide. Elles présentent une perte de charge généralement importante et sont souvent plus coûteuses que d'autres vannes.

Vanne à clapet rotatif

Aussi efficaces en régulation que les vannes à clapet, elles présentent une perte de charge généralement plus faible

Vannes à boule

De capacité élevée, présentant une bonne étanchéité fermées, elles sont peu efficaces en régulation sauf à rechercher des formes particulière d'orifice.

Vannes papillon

De capacité élevée pour un faible coût, l'étanchéité fermée est souvent difficile à assurer. Elles présentent des variations de gain trop importantes sur l'ensemmble de la plage d'ouverture; aussi, incluses dans une boucle de régulation, leur plage de fonctionnement devra être restrainte.

8: Vérifier l'absence de cavitation

Une vanne de réglage crée un étranglement du fluide dont elle ajuste le débit. Le fluide accélère dans le passage de l'orifice de la vanne. Il atteint sa vitesse maximum un peu après le point le plus étroit de l'orifice, dans une zone appelée "vena contracta". A ce point il atteint sa plus grande vitesse et sa plus faible pression en application de la loi de Bernoulli.
Cela est sans conséquence sauf si la pression minimum atteinte devient inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide. Alors des bulles de gaz se forment rapidement au sein du liquide.
Si la pression du liquide redevient ensuite supérieure à sa pression de vapeur saturante, ces bulles de gaz collapsent rapidement en générant une onde de choc et réintègrent la phase liquide. C'est le phénomène de cavitation. S'il se produit, des dégradations mécaniques importantes et rapides sont à craindre.
La pression minimale atteinte dépend d'un facteur de récupération liquide publié par chaque constructeur. Il dépend de la forme de la vanne.
Le risque de cavitation dans la vanne doit remettre en cause le choix effectué.