Chapitre 5 - Dimensionnement des vannes de régulation
5.4 Caractéristiques du débit de la vanne de régulation
Les caractéristiques du débit d'une vanne de régulation sont la relation entre le débit qui traverse la vanne et la course de la vanne lorsqu'elle varie de 0 à 100%. Les caractéristiques de débit inhérentes sont les caractéristiques observées avec une baisse de pression constante à travers la vanne. Les caractéristiques du débit installé sont les caractéristiques obtenues en service lorsque la baisse de pression varie avec le débit et d'autres changements dans le système.
La caractérisation des vannes de régulation assure une stabilité relativement uniforme de la boucle de contrôle par rapport à la plage attendue de conditions de fonctionnement du système. Pour définir les caractéristiques du débit nécessaires à un système donné, une analyse dynamique de la boucle de contrôle doit être effectuée. Des analyses des procédés les plus communs ont toutefois été effectuées, ce qui permet de disposer d'indications utiles pour le choix des bonnes caractéristiques du débit. Ces indications seront analysées après une brève description des caractéristiques du débit utilisées actuellement.
5.4.1 Caractéristiques du débit La Figure 5.1 illustre des courbes type de caractéristiques du débit. La caractéristiques du débit à ouverture rapide assure un changement maximum du débit lorsque la course de la vanne est faible, et la relation est quasiment linéaire. D'autres augmentations de la course de la vanne réduisent largement les changements de débit, et lorsque le clapet de vanne s'approche de la position entièrement ouverte, le changement de débit est proche de zéro. Dans une vanne de régulation, le clapet de vanne à ouverture rapide est avant tout utilisé pour la fonction marche/arrêt, mais il peut également être utilisé pour un grand nombre d'applications pour lesquelles un clapet de vanne linéaire serait normalement indiqué.
0 100
100
Coefficient de débit nominal (%)
Ouverture nominale (%)
Linéaire
Égal pourcentage Ouverture rapide
Figure 5.1 Boucle de contrôle de surveillance
La courbe de la caractéristique du débit linéaire montre que le débit est directement proportionnel à la course de la vanne. Ce rapport proportionnel produit une courbe caractéristique à pente constante : le gain de la vanne est donc le même pour tous les débits lorsque la baisse de pression est constante. (le gain de la vanne est le taux de changement incrémentiel de la position du clapet de la vanne. Le gain est fonction de la taille et de la configuration de la vanne, des conditions de fonctionnement du système et de la caractéristique du clapet de vanne).
Le clapet de vanne linéaire est généralement indiqué pour le contrôle du niveau de liquide, et pour certaines applications de régulation de débit qui demandent un gain constant.
Dans la caractéristique de débit à égal pourcentage, des incréments égaux de la course de la vanne produisent des changements à égal pourcentage du débit.
Le changement de débit est toujours proportionnel au débit juste avant le changement de la position du clapet de vanne, du disque ou de la bille. Lorsque le clapet, le disque ou la bille de la vanne est proche de son siège, le débit est faible ; lorsque le débit est important, le changement de taux de débit sera important.
Les vannes à caractéristiques du débit à égal pourcentage sont généralement utilisées sur les applications de régulation de pression ou sur les applications où un pourcentage plus élevé de baisse de pression est normalement absorbé par le système, et où seul un pourcentage relativement faible est disponible au niveau de la vanne de régulation. Les vannes qui présentent une caractéristique à égal pourcentage doivent également être prise en considération lorsque les variations de la baisse de pression peuvent être très importantes.
5.4.2 Choix des caractéristiques du débit Les caractéristiques du débit idéales sont celles qui génèrent une caractéristique installée linéaire et un gain installé uniforme.
Pour assurer des performances optimales, une analyse dynamique complète doit être effectuée, car de nombreux autres facteurs, outre les caractéristiques du débit, influent sur les performances. Une analyse de ce type serait particulièrement utile pour les applications dans lesquelles la précision du contrôle est essentielle. Pour
d'autres applications, des caractéristiques de débit inférieures aux valeurs idéales peuvent être ajustées de quelques degrés dans l'équipement de contrôle. Pour de plus amples informations concernant les performances de la vanne de régulation, voir le Chapitre 2.
5.5 Dimensionnement de la vanne
Les activités de standardisation du dimensionnement des vannes de régulation ont commencé au début des années 1960, lorsqu'une association commerciale, le Fluids Control Institute, a publié des équations pour le dimensionnement à utiliser pour les fluides compressibles et incompressibles.
La plage de conditions de service qui pouvaient être définies avec précision par ces équations était relativement limitée, et les normes ne suscitaient pas un grand consensus. En 1967, l'ISA a mis en place un comité chargé de développer et de publier des équations standards. Les efforts de ce comité ont conduit à la rédaction de la procédure de dimensionnement des vannes qui est devenue un loi nationale américaine.
Plus tard, un comité de la Commission électrotechnique internationale (CEI) a utilisé les travaux de l'ISA comme base pour formuler des normes internationales en matière de dimensionnement des vannes de régulation. (certaines informations de ce matériel introductif ont été extraites de la norme ANSI/ISA-75.01.01, avec l'autorisation de l'éditeur, l'ISA). Les normes ANSI/ISA-75.01.01 et CEI 60534-2-1 en matière de dimensionnement des vannes ont été harmonisées, de sorte que ces deux normes peuvent être utilisées.
Bien que les méthodes de dimensionnement standard des vannes fonctionnent bien dans la plupart des situations de dimensionnement des vannes de régulation, il est important de remarquer que les normes ont des limites d'application. Leur utilisation au-delà des limites pour lesquelles elles ont été conçues doit être attentive. Les exigences des normes pour une précision raisonnable sont les suivantes :
fluides à un seul composant et une seule phase
fluides newtoniens
Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 5 : Dimensionnement des vannes de régulation
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gaz et vapeurs idéaux
Taux idéal des chaleurs spécifiques dans la plage comprise entre 1,08 < γ < 1,65 pour les gaz et les vapeurs.
Vannes caractérisées par xT ≤ 0,84
Vannes caractérisées par Cv/d2 < 30
Les chapitres suivants expliquent la nomenclature et les procédures, mais ils résolvent également certains problèmes afin d'illustrer leur utilisation. Dans les situations présentées ci-après, il est établi que tous les débits sont entièrement turbulents. Pour les fluides à haute viscosité ou à débit très faible, des considérations supplémentaires sont requises.
5.6 Abréviations et terminologie
Symbole Symbole
Cv Coefficient de dimensionnement de la vanne ∆P Perte de pression (P1-P2) à travers la vanne
d Diamètre nominal de la vanne ∆Psegmenté Perte de pression du liquide qui limite le débit par segments D1, D2
Diamètre interne du conduit respectivement
en amont et en aval du conduit. ∆Pdimensionnement
Valeur de la baisse de pression utilisée pour le calcul du dimensionnement du liquide Fd Type de modification de la vanne, sans
dimension q Débit volumétrique standard (1)
FF Facteur du taux de pression critique du liquide,
sans dimension T1 Température absolue en amont
Fγ Taux du facteur de chaleur spécifique, sans
dimensions w Débit massique
FL
Facteur de récupération de la pression du
liquide, sans dimension x Taux de baisse de pression à travers la vanne en fonction de la pression statique absolue
en amont (∆P/P1), sans dimension
FLP
Facteur de récupération de la pression du liquide associé au facteur de géométrie du conduit de la vanne et des raccords (en
l'absence de raccords, FLP égale FL), sans dimensions
xobstrué Taux de baisse de pression obstruée pour
débit compressible
FP
Facteur de géométrique du conduit, sans
dimension xdimensionnement
Valeur du taux de baisse de pression utilisée pour le dimensionnement compressible K Coefficient de baisse de tête pour un dispositif,
sans dimension (dénoté par ζ dans les normes
de dimensionnement) xT
Facteur du taux de baisse de pression à débit obstrué, sans dimension
M Masse moléculaire xTP
Facteur du taux de baisse de pression sur débit obstrué avec raccords, sans dimension N Constante numérique, utilisée pour calculer
différents ensembles d'unités Y Facteur d'expansion, sans dimension P1 Pression statique absolue en amont Z1
Facteur de compressibilité aux conditions d'entrée, sans dimension P2 Pression statique absolue en aval γ Taux idéal de chaleurs spécifiques, sans
dimensions Pc Pression critique thermodynamique absolue ν Viscosité cinématique
Pv
Pression de vapeur absolue du liquide à la température d'entrée
ρ1 Densité aux conditions d'entrée
ρ1/ρo
Gravité spécifique du liquide à l'entrée (taux de densité du liquide à la température
du débit selon la densité de l'eau à 15,5°C (60°F)), sans dimension 1. Les conditions standard sont définies à 15,5°C (60°F) et 14,7 psia (101,3 k Pa).