Definition
Vanne à cage
- Système d’obturation permet
• Excellent guidage du clapet
• Echange rapide de la cage
- Joint torique au piston ---> réduction fuites
- Piston équilibré
- Direction débit de l’extérieur vers l’intérieur
- Ouvertures cage usinées en fonction caractéristiques débit
Vanne à double siège/clapet
Vanne guillotine
Vanne à membrane
Pneumatique
- Système buse-palette
Electropneumatique
Le positionneur comprend :
– une partie pneumatique, électrique ou numérique, traduisant le signal du régulateur en demande de position
– un système mécanique ou électronique de mesure de la position
– un relais ou pilote pneumatique avec son alimentation d’air comprimé
– un comparateur entre consigne et mesure
– un correcteur P, PI ou PID
Inconvénients des positionneurs
– coûts d’achat, de configuration, de mise en service et de maintenance
– complexité accrue exigeant plus de connaissances pour le réglage
– risque de déréglage à cause des vibrations transmises par la tuyauterie et aux variations de température ambiante
– risque d’auto-oscillation propre à la boucle d’asservissement par déréglage des positionneurs pneumatique et électropneumatiques
Utilité du positionneur
– la pression différentielle est élevée et nécessite une pression de commande du servomoteur (supérieure à 3,5 ou 4 bar)
Servomoteurs – Split-range
Servomoteurs/ Complémentaires
Vannes trois voies
Electrique flottant (ou 3 points)
- 2 Sens de rotation opposé
- 2 contacts
• Ouverture
• Fermeture
- Fins de course
- 24 V ou 220 V
Caractéristiques d’une vanne
Caractéristique intrinsèque
Appelée aussi loi de débit, la caractéristique intrinsèque d’une vanne de régulation est la relation entre le débit Q et la course h du clapet, pour une pression différentielle constante aux bornes de la vanne. Cette caractéristique est liée technologiquement à la forme du clapet ou des orifices de la cage. Les trois lois principales sont : linéaire, égal pourcentage, et ouverture rapide
Lois d’ouverture
Linéaire théorique
Logarithmique (ou égal pourcentage) théorique
Égal pourcentage (= %) :
La relation est exponentielle ;
n: le coefficient propre à la vanne.
Ouverture rapide
L’appellation courante « ouverture rapide » ne correspond pas à un temps de réponse court, mais à un fonctionnement proche du « tout ou rien »
Comparaison
Adaptation de la caractéristique
Quelle que soit la technologie employée, on adapte la caractéristique de débit Q de la vanne de réglage avec le positionneur, à celle du procédé pour obtenir une caractéristique finale linéaire entre la commande Y et la mesure X.
Adaptation de la caractéristique
Les possibilités technologiques
C’est le profil des clapets ou des orifices des cages des vannes droites qui définit la caractéristique intrinsèque de débit .
Il est possible de changer le clapet une fois la vanne installée mais c’est très onéreux. À part quelques vannes à boisseau sphérique dont les obturateurs sont définis en fonction de la loi désirée. les vannes rotatives ont leurs caractéristiques intrinsèque imposées technologiquement. Les positionneurs à came, mécanique ou numérique, permettent d’adapter la caractéristique de l’ensemble vanne-servomoteur-positionneur de façon à garder constant le gain statique du procédé
Coefficient de débit Cv-Kv
Calcule du Coefficient de débit Cv-Kv
La pression d’eau doit être régulée à Pu = 3,6 bar à l’aide de la vanne de régulation à caractéristique linéaire .Le débit prévu est Q maxi = 45 m3 · h−1.
2. Calculer le CV maxi de cette vanne.
3. Choisir le CV nominal dans l’extrait fourni
4. Le débit minimal de 2 m3 · h−1 est-il contrôlable ?
5. La vanne est-elle en régime de cavitation ?
Solution
1. ∆PV = PS − ∆PR1+R2 − Pu donc pour Qmaxi, ∆Pv = 9,88−2,23−3,6 = 4,05 bar.
2. Cv maxi = 1,16 × 45* √1/4,05 = 25,94 .
3. La loi de débit de la vanne étant linéaire, on pondère le Cv calculé par 1,25 :
Cv nominal = 1,25 × Cv maxi = 32,4 . On choisit dans l’extrait proposé le Cv supérieur le plus proche, soit : Cv = 33,3 (ou Cv = 33,9).
4. Contrôler un débit minimal de 2 m3 · h−1 nécessite un Cv mini à contrôler . La ∆Pv pour ce débit est Pv = 7,89 bar et conduit à : Cv mini à cont. = 1,16 × 2 1*7,89 = 0,83.
On vérifie que la vanne choisie est telle que : Cv mini contrôlable < Cv mini à contrôler
C’est bien le cas puisque : Cv mini cont. = Cv maxi cont./r = 33,3/50 = 0,67.
5. La vanne n’est pas en régime de cavitation puisque :
Pv = 4,05 bar < C2f·Ps = 0,932 × (9,88 + 1,013 − 1,115 − 0,042) = 8,4 bar.
Exprimer les pressions en bar absolu pour faire ce calcul.
Autorité de la vanne
l’autorité a d’une vanne est : a = Jv/(Jv + JR1+JR2)
Phénomène de cavitation
Au passage au siège la vitesse du liquide augmente entraînant une baisse de pression. Lorsqu’elle est inférieure à la pression Pv de vaporisation du liquide, il y a formation de bulles de vapeur au sein du liquide.
À l’aval du siège, la pression remonte au-dessus de Pv provocant l’implosion des bulles de vapeur : c’est la cavitation dont les effets dépendent de la perte de charge.
L’écoulement est critique si : ΔP ≥ 0,5 C2f· ΔPs (formule simplifiée)
avec ΔPS = P1 − Pv et Cf (ou FL) le coefficient de la vanne, donné par le fabricant
Phénomène de Cavitation
2 Phases
- Phase 1
• Pression liquide devient < pression tension vapeur
• ---> formation de bulles de gaz – Flashing
- Phase 2
• Pression liquide remonte > pression tension vapeur
• ---> implosion bulles de gaz par condensation – Cavitation
Risques et inconvénients de la cavitation
L’implosion des bulles de vapeur crée des ondes de chocs pouvant produire des pressions de l’ordre de 7 000 bars générant des contraintes supérieures à la charge de rupture du métal du corps et du siège-clapet.
Une vanne atteinte du phénomène de cavitation peut se détruire très rapidement (exemple : corps percé en 2 mois).
Les fréquences élevées des vibrations générées désolidarisent la tige du clapet, et desserrent les éléments vissés du servomoteur et du positionneur.
L’émission d’un bruit important semblable à celui que feraient des graviers transportés dans la tuyauterie est caractéristique de la cavitation.
Solutions envers la cavitation
– Choisir une vanne avec un meilleur coefficient Cv c’est-à-dire plus grand.
– Déplacer la vanne pour changer sa pression aval ou/et si possible où le fluide est plus froid pour abaisser la pression Pv de vaporisation.
– Créer une double détente en installant devant la vanne une plaque dite « à trous » dimensionnée spécialement ; si la cavitation persiste alors c’est la plaque qui cavite
- Vanne de régulation = résistance variable (chute de pression)
- Constituée de 2 éléments
• Servomoteur
• Corps de vanne
• Servomoteur
• Corps de vanne
Pneumatiques
Corps de vanne
Vannes à commande rotative
Vanne papillon
- Disque métal dans manchette actionné par servomoteur
- Installation à minimum d’espace
- Faible perte de charge
- Couple potentiellement élevé à servomoteur à piston
- Bon réglage sur angle de 60°
Vannes à commande rotative
Vanne papillon
- Disque métal dans manchette actionné par servomoteur
- Installation à minimum d’espace
- Faible perte de charge
- Couple potentiellement élevé à servomoteur à piston
- Bon réglage sur angle de 60°
Q = K S (L - sin a)
Q= débit,
K = coefficient,
a = angle du papillon et de l'axe de la vanne,
S = section du papillon
L: rayon du papillon
Obturateur rotatif excentré
- Clapet excentré pivote de 50°
- Fluide ---> tendance à ouverture ou fermeture selon le sens d’écoulement
- Direction fluide choisie selon règles de sécurité (si vanne FO, tendance fluide ---> ouverture)
Obturateur rotatif excentré
- Clapet excentré pivote de 50°
- Fluide ---> tendance à ouverture ou fermeture selon le sens d’écoulement
- Direction fluide choisie selon règles de sécurité (si vanne FO, tendance fluide ---> ouverture)
Vanne à boule
- Ø sphère ou boule = Ø tuyauterie
- Boule pivote de 90 °
- Utilisée dans système sécurité TOR
- Boule modifiée ---> ouverture en Y pour fluides visqueux ou particules
- Tendance fluide ---> fermeture vanne
- Ø sphère ou boule = Ø tuyauterie
- Boule pivote de 90 °
- Utilisée dans système sécurité TOR
- Boule modifiée ---> ouverture en Y pour fluides visqueux ou particules
- Tendance fluide ---> fermeture vanne
Vannes à commande linéaire
- Vanne à siège et clapet
- Moins chères à l’achat
- Bonne étanchéité à la fermeture
- Fortes pressions différentielles à la fermeture à instabilités
- Servo de grand diamètre
- Installation à fluide tende à ouvrir la vanne pour éviter fermeture brutale
- Vanne à siège et clapet
- Moins chères à l’achat
- Bonne étanchéité à la fermeture
- Fortes pressions différentielles à la fermeture à instabilités
- Servo de grand diamètre
- Installation à fluide tende à ouvrir la vanne pour éviter fermeture brutale
Vanne à double siège/clapet
- Fluide ---> tendance
• Ouverture clapet supérieur
• Fermeture clapet inférieur
- Fluide ---> tendance
• Ouverture clapet supérieur
• Fermeture clapet inférieur
• ---> forces équilibrées
• ---> servo de + faible dimension
- Etanchéité à la fermeture pas très bonne
Vanne à cage
- Système d’obturation permet
• Excellent guidage du clapet
• Echange rapide de la cage
- Joint torique au piston ---> réduction fuites
- Piston équilibré
- Direction débit de l’extérieur vers l’intérieur
- Ouvertures cage usinées en fonction caractéristiques débit
Vanne à double siège/clapet
Vanne guillotine
Vanne à membrane
Vannes trois voies
Servomoteurs/ positionneur
Electropneumatique
- Système buse-palette
Electropneumatique
- Système buse-palette
Pneumatique
- Système buse-palette
Electropneumatique
Le positionneur comprend :
– une partie pneumatique, électrique ou numérique, traduisant le signal du régulateur en demande de position
– un système mécanique ou électronique de mesure de la position
– un relais ou pilote pneumatique avec son alimentation d’air comprimé
– un comparateur entre consigne et mesure
– un correcteur P, PI ou PID
Inconvénients des positionneurs
– coûts d’achat, de configuration, de mise en service et de maintenance
– complexité accrue exigeant plus de connaissances pour le réglage
– risque de déréglage à cause des vibrations transmises par la tuyauterie et aux variations de température ambiante
– risque d’auto-oscillation propre à la boucle d’asservissement par déréglage des positionneurs pneumatique et électropneumatiques
– les positionneurs munis de cames mécaniques ont seulement des caractéristiques de débit standardisées.
Utilité du positionneur
– la pression différentielle est élevée et nécessite une pression de commande du servomoteur (supérieure à 3,5 ou 4 bar)
– la pression différentielle du fluide fluctue rapidement et perturbe la grandeur réglée du processus
– le fluide est très visqueux, collant ou colmatant, comme la pâte à papier, le goudron ou le sucre liquide
– le fluide engendre un grippage de la tige du clapet ou/et des points durs dans le mouvement
– la capacité totale du circuit d’air modulé (volumes du servomoteur et de la conduite pneumatique) conduit à un temps de réponse trop long ou/et non constant
– le temps de réponse de la vanne n’est pas constant, notamment dû à la non linéarité de frottement par hystérésis sur les faibles incréments de commande limitant la précision de la régulation du processus
– la caractéristique de débit utile ne correspond pas à celle de la vanne
Servomoteurs
Commande manuelle
- Démarrage
- Urgence
- Manque d’énergie
- Pas de by-pass sur vanne
– le fluide est très visqueux, collant ou colmatant, comme la pâte à papier, le goudron ou le sucre liquide
– le fluide engendre un grippage de la tige du clapet ou/et des points durs dans le mouvement
– la capacité totale du circuit d’air modulé (volumes du servomoteur et de la conduite pneumatique) conduit à un temps de réponse trop long ou/et non constant
– le temps de réponse de la vanne n’est pas constant, notamment dû à la non linéarité de frottement par hystérésis sur les faibles incréments de commande limitant la précision de la régulation du processus
– la caractéristique de débit utile ne correspond pas à celle de la vanne
Servomoteurs
Commande manuelle
- Démarrage
- Urgence
- Manque d’énergie
- Pas de by-pass sur vanne
Servomoteurs – Split-range
Servomoteurs/ Complémentaires
Vannes trois voies
Electrique flottant (ou 3 points)
- 2 Sens de rotation opposé
- 2 contacts
• Ouverture
• Fermeture
- Fins de course
- 24 V ou 220 V
Commande
Caractéristiques d’une vanne
Caractéristique intrinsèque
Appelée aussi loi de débit, la caractéristique intrinsèque d’une vanne de régulation est la relation entre le débit Q et la course h du clapet, pour une pression différentielle constante aux bornes de la vanne. Cette caractéristique est liée technologiquement à la forme du clapet ou des orifices de la cage. Les trois lois principales sont : linéaire, égal pourcentage, et ouverture rapide
Lois d’ouverture
Linéaire théorique
Logarithmique (ou égal pourcentage) théorique
Égal pourcentage (= %) :
La relation est exponentielle ;
Q = Q0 ·e n-h
Q0: étant le débit minimal contrôlablen: le coefficient propre à la vanne.
Ouverture rapide
Comparaison
Adaptation de la caractéristique
Quelle que soit la technologie employée, on adapte la caractéristique de débit Q de la vanne de réglage avec le positionneur, à celle du procédé pour obtenir une caractéristique finale linéaire entre la commande Y et la mesure X.
Adaptation de la caractéristique
Les possibilités technologiques
C’est le profil des clapets ou des orifices des cages des vannes droites qui définit la caractéristique intrinsèque de débit .
Il est possible de changer le clapet une fois la vanne installée mais c’est très onéreux. À part quelques vannes à boisseau sphérique dont les obturateurs sont définis en fonction de la loi désirée. les vannes rotatives ont leurs caractéristiques intrinsèque imposées technologiquement. Les positionneurs à came, mécanique ou numérique, permettent d’adapter la caractéristique de l’ensemble vanne-servomoteur-positionneur de façon à garder constant le gain statique du procédé
Coefficient de débit Cv-Kv
Calcule du Coefficient de débit Cv-Kv
La pression d’eau doit être régulée à Pu = 3,6 bar à l’aide de la vanne de régulation à caractéristique linéaire .Le débit prévu est Q maxi = 45 m3 · h−1.
On donne : ∆PR1 = ∆PR2 = 55 × 10−5Q2 et PS = 11,5 − 0,0008Q2 avec Ps en bar et Q en m3 · h−1. Conduite en DN 100. Pression de vaporisation PV = 0,042 bar abs.
1. Déterminer la ∆Pv aux bornes de la vanne pour le débit maximal.2. Calculer le CV maxi de cette vanne.
3. Choisir le CV nominal dans l’extrait fourni
4. Le débit minimal de 2 m3 · h−1 est-il contrôlable ?
5. La vanne est-elle en régime de cavitation ?
Solution
1. ∆PV = PS − ∆PR1+R2 − Pu donc pour Qmaxi, ∆Pv = 9,88−2,23−3,6 = 4,05 bar.
2. Cv maxi = 1,16 × 45* √1/4,05 = 25,94 .
3. La loi de débit de la vanne étant linéaire, on pondère le Cv calculé par 1,25 :
Cv nominal = 1,25 × Cv maxi = 32,4 . On choisit dans l’extrait proposé le Cv supérieur le plus proche, soit : Cv = 33,3 (ou Cv = 33,9).
4. Contrôler un débit minimal de 2 m3 · h−1 nécessite un Cv mini à contrôler . La ∆Pv pour ce débit est Pv = 7,89 bar et conduit à : Cv mini à cont. = 1,16 × 2 1*7,89 = 0,83.
On vérifie que la vanne choisie est telle que : Cv mini contrôlable < Cv mini à contrôler
C’est bien le cas puisque : Cv mini cont. = Cv maxi cont./r = 33,3/50 = 0,67.
5. La vanne n’est pas en régime de cavitation puisque :
Pv = 4,05 bar < C2f·Ps = 0,932 × (9,88 + 1,013 − 1,115 − 0,042) = 8,4 bar.
Exprimer les pressions en bar absolu pour faire ce calcul.
Autorité de la vanne
l’autorité a d’une vanne est : a = Jv/(Jv + JR1+JR2)
Phénomène de cavitation
Au passage au siège la vitesse du liquide augmente entraînant une baisse de pression. Lorsqu’elle est inférieure à la pression Pv de vaporisation du liquide, il y a formation de bulles de vapeur au sein du liquide.
À l’aval du siège, la pression remonte au-dessus de Pv provocant l’implosion des bulles de vapeur : c’est la cavitation dont les effets dépendent de la perte de charge.
L’écoulement est critique si : ΔP ≥ 0,5 C2f· ΔPs (formule simplifiée)
avec ΔPS = P1 − Pv et Cf (ou FL) le coefficient de la vanne, donné par le fabricant
Phénomène de Cavitation
2 Phases
- Phase 1
• Pression liquide devient < pression tension vapeur
• ---> formation de bulles de gaz – Flashing
- Phase 2
• Pression liquide remonte > pression tension vapeur
• ---> implosion bulles de gaz par condensation – Cavitation
L’implosion des bulles de vapeur crée des ondes de chocs pouvant produire des pressions de l’ordre de 7 000 bars générant des contraintes supérieures à la charge de rupture du métal du corps et du siège-clapet.
Une vanne atteinte du phénomène de cavitation peut se détruire très rapidement (exemple : corps percé en 2 mois).
Les fréquences élevées des vibrations générées désolidarisent la tige du clapet, et desserrent les éléments vissés du servomoteur et du positionneur.
L’émission d’un bruit important semblable à celui que feraient des graviers transportés dans la tuyauterie est caractéristique de la cavitation.
Solutions envers la cavitation
– Choisir une vanne avec un meilleur coefficient Cv c’est-à-dire plus grand.
– Déplacer la vanne pour changer sa pression aval ou/et si possible où le fluide est plus froid pour abaisser la pression Pv de vaporisation.
– Créer une double détente en installant devant la vanne une plaque dite « à trous » dimensionnée spécialement ; si la cavitation persiste alors c’est la plaque qui cavite
La source: formation continue du groupe OCP
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