Vanne de contrôle

En ingénierie des procédés, la plupart des variables d’ajustement sont contrôlées par des vannes. Une vanne pourra réguler le débit d’un fluide, tandis qu’une autre sera capable de réduire la pression dans un ballon. Par conséquent les vannes sont particulièrement importante pour la régulation et donc pour le bon fonctionnement d’une unité de process.

a)   Composant d’une vanne

Une vanne de régulation se compose de trois éléments distincts :

-          Le corps de vanne par lequel le fluide passe,

-          Le positionneur qui permet l’ouverture de la vanne en coordination avec le signal de contrôle

-          L’actionneur ou le servomoteur qui convertit le signal de contrôle en mouvement.

La réalité d’une vanne de contrôle est plus complexe comme le montre la figure ci-dessous.

Figure 1 : Schéma d’une vanne détaillée

b)   Les types de vannes

Il existe deux grands types de vannes :

-          Les vannes rotatives : L’ouverture et la fermeture se fait par la rotation d’un clapet.

-          Les vannes linéaires : L’ouverture et la fermeture se fait par un mouvement linéaire du bas vers le haut et vice-versa.

Figure 2 : Vanne rotative                                                                              Figure 3 : Vanne linéaire

Chacune de ces vannes possèdent des avantages qui lui sont propres. Le tableau ci-dessous résume les principaux avantages de chaque type.

Tableau 1 : Avantage des différents types de vannes

Les vannes rotatives et linéaires correspondent aux deux grandes familles de vanne. Le tableau ci-dessous défini les vannes qui appartiennent à chacune de ces catégorie.

Tableau 2 : Types de vannes

c)   Risques des vannes

L’un des risques les plus courants concerne la cavitation. En effet, la perte de charge induit une perte de pression. La pression diminuant, le fluide cherche à se transformer en gaz. Ainsi de petites particules de gaz peuvent apparaitre dissoutes dans le liquide. Dans le pire des cas, le liquide se transforme en gaz dans la vanne.

La cavitation abime tous les équipements rotatifs tels que les pompes. Le bruit sonore dans les lignes dépasse les recommandations usuelles (85 dB). Les vibrations entrainent le desserrement des boulons provocant ainsi des fuites. Les vannes s’abiment à cause des vibrations engendrées (destruction du clapet, du corps...). Le contrôle n’est plus efficace étant donné que la valeur du fluide qui passe n’est plus proportionnelle au signal (calibrage initial).

Le calcul d’une vanne se fait par la caractérisation du Kv. Le tableau ci-dessous explicite la formule pour déterminer le Kv en fonction du type de fluide.

Tableau 3 : Equation pour le calcul de vanne

Le Kvs de la vanne :

Pour caractériser les vannes de série, on donne un coefficient Kvs, qui correspond au coefficient Kv pour une course nominale de H100 du clapet

Pour chaque type de vanne de série, on donne une course nominale H100 pour laquelle la vanne peut être considérée comme complètement ouverte

Le Kvo de la vanne :

C'est le débit de fuite qui traverse la vanne si elle présente une perte de charge de 1 bar (DPv =1 bar) quand elle est totalement fermée. Le Kvo s'exprime en m³/h.

Le site suivant permet de calculer le Cv d’une vanne :

http://www.omicron-technologies.com/guide-technique/calcul-cv

Taux de fuite

Le taux de fuite d’une vanne est le rapport Kvo / Kvs

Pour une vanne neuve, ce taux de fuite doit être inférieur à 0,05 %.

Coefficient de débit Kv pour une vanne

C'est le débit d'eau Q en m3/h mesuré à 4°C (Masse volumique = 1000kg/m3) qui pour une perte de charge de 1 bar, passe à travers la vanne considérée comme entièrement ouverte.

Une vanne sous dimensionnée peut engendrer une chute de pression élevée au travers du dispositif et peut par conséquent endommager le siège de la vanne par érosion.

Inversement une vanne de régulation surdimensionnée peut entraîner un fonctionnement instable de l'installation.

Pour chaque type de vanne, le constructeur indique une pression différentielle limite admissible qui dépend de son diamètre, du mode de construction, de la puissance du servomoteur, de la température du fluide, du taux de fuite et du débit maximal qui le traverse. Avec :

Q = Débit d'eau réel en m3/h à la température x

rho = masse volumique de l’eau en kg/dm3 ou densité (dépend de la température)

DP Chute de pression au travers de la vanne en bar

Chute de pression

C'est la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne. C'est donc sa perte de charge.

La valeur du Kv est de même utilisée pour calculer la chute de pression dans une vanne en fonction du débit qui le traverse. Avec :

Q = Débit d'eau réel en m3/h à la température x

r = masse volumique de l’eau en kg/dm3 ou densité (dépend de la température)

DP Chute de pression au travers de la vanne en bar

Autorité de la vanne

La fonction principale d'une vanne de régulation est d'assurer la progressivité d'un débit. C'est l'autorité de la vanne qui va déterminer la stabilité de la régulation.

Cette progressivité sera quantifiée par l'autorité de la vanne.

DPv = perte de charge de la vanne entièrement ouverte pour le débit nominal

DPL = perte de charge du circuit à débit variable

Vanne à caractéristique linéaire

:

La meilleure progressivité de la puissance thermique est obtenue quand la vanne a une autorité, a = 1. Il est impensable de choisir cette valeur, donc la progressivité sera médiocre avec ce type de vanne. Pour utiliser ce type de vanne en régulation, il faudrait régler la bande proportionnelle à une valeur très élevée. Cette vanne ne peut pas être utilisée en régulation progressive.

Vanne à caractéristique quadratique

:

La meilleure progressivité serait obtenue pour une autorité, a = 1. Mais toutefois pour a = 0,5, l’autorité de la vanne n’étant pas linéaire peut malgré tout donné satisfaction. Si la hauteur manométrique de la pompe le permet, on aurait intérêt à donner une autorité par exemple de 0,6 à 0,7.

Vanne à caractéristique logarithmique

:

Dans ce type de vanne, le déplacement du clapet produit une variation de débit proportionnelle au débit total précédent le changement. La meilleure progressivité de puissance est obtenue pour 0,6 à 0,7.

Vanne à puissance calorifique linéaire

:

Dans ce type de vanne le constructeur a conçu le clapet de façon à obtenir une puissance calorifique proportionnelle à la levée du clapet, pour une autorité a = 0,5.Une autorité trop grande aurait le même effet nuisible qu’une autorité trop petite.

 Le dimensionnement d'une vanne de régulation consiste à calculer un coefficient : le CV (ou le Kv).

Pour cela il faut connaître les paramètres suivants :

- la nature du fluide,

- le débit

- la delta P aux brides de la vanne à pleine ouverture

- la densité ou la masse volumique du fluide aux conditions process.

Il faut commencer par déterminer la delta P de la vanne.

Suivant la delta-P vanne, on peut choisir une vanne droite à clapet ou une vanne à cage ou encore une vanne rotative excentrée. Après le calcul du Cv, on recherche le Cv "constructeur" et le DN de la vanne. Après ce choix, il faut vérifier la vitesse d'entrée (entre 20 et 60 m/s pour de la vapeur saturée).

Il faut tenir compte du fait qu'une vanne de régulation dépend aussi de critère tel que la rangeabilité, les matériaux employés suivant le fluide et ses caractéristiques, la caractéristique intrinsèque suivant la régulation, etc.

J.M.