Comment dimensionner et sélectionner une vanne de régulation modulante

Figure 1 : Une variété de vannes de régulation modulantes, de gauche à droite : électrovanne proportionnelle, vanne à bille modulante, vanne à membrane électrique, vanne à siège incliné électrique, vanne à globe électrique et vanne à disque électrique.

Un dimensionnement précis des vannes de régulation modulantes est une exigence nécessaire pour assurer la stabilité du processus, maximiser l'efficacité énergétique et minimiser les dommages aux équipements. Des vannes trop grandes ou trop petites peuvent provoquer du bruit, de la cavitation et une défaillance prématurée.

Pour dimensionner une vanne de régulation modulante, il faut calculer le coefficient de débit requis (Kv ou Cv), vérifier la perte de pression admissible et choisir un type de vanne (à globe, à bille, etc.) qui fonctionne entre 20 et 80 % d'ouverture en débit normal.

Table des matières

• Les principes fondamentaux du dimensionnement des vannes de régulation
• Guide de dimensionnement des vannes de régulation : étape par étape
• Types de vannes de régulation modulantes

Les principes fondamentaux du dimensionnement des vannes de régulation

Cette section se concentre sur les concepts fondamentaux qu'il est nécessaire de comprendre pour dimensionner correctement une vanne de régulation. Si ces concepts sont trop élémentaires, passez directement à la section "Guide de dimensionnement des vannes de régulation : étape par étape".

Le coefficient de débit : Kv et Cv

Le coefficient de débit (Kv ou Cv) est une métrique importante utilisée pour quantifier la capacité d'une vanne à laisser passer un fluide dans des conditions normalisées.

• Kv : Représente le débit d'eau en mètres cubes par heure (m³/h) avec une perte de pression de 1 bar à travers la vanne.
• Cv : Couramment utilisé aux États-Unis, Cv représente le débit d'eau en gallons par minute (GPM) avec une perte de pression de 1 psi à travers la vanne.

Si le coefficient de débit est sous-estimé et que la vanne est sous-dimensionnée, le système peut subir une perte de pression excessive et un débit insuffisant, entraînant de mauvaises performances. S'il est surestimé et que la vanne est surdimensionnée, la précision du contrôle est réduite et la vanne peut fonctionner principalement en position presque fermée, causant de l'instabilité et de l'usure.

Dynamique de pression du système et autorité de la vanne

La performance d'une vanne modulante dépend de la comparaison entre sa perte de pression et celle du reste du système. Cette interaction est connue sous le nom d'autorité de la vanne (β). Une autorité élevée garantit qu'un changement de position de la vanne produit un changement significatif et prévisible du débit du système, conduisant à une meilleure stabilité du contrôle.

La pression différentielle du système est la force motrice du débit. Cette pression totale est répartie entre la vanne de régulation (ΔPV) et les autres éléments du circuit (ΔPC). Ces éléments peuvent inclure des tuyaux, des raccords, des filtres, etc.

L'autorité de la vanne est un rapport sans dimension qui mesure l'influence de la vanne sur le débit total par rapport à la résistance fixe du reste du circuit. Elle est mathématiquement définie comme le rapport entre la perte de pression à travers la vanne de régulation complètement ouverte (ΔPV) et la perte de pression totale à travers l'ensemble du circuit lorsque la vanne est complètement ouverte (ΔPV+ΔPC).

Exemple

Si la vanne complètement ouverte a une perte de pression ΔPv = 2 bar et que le reste du système contribue pour ΔPc = 3 bar, alors :

β = ΔPv ÷ (ΔPv + ΔPc) = 2 ÷ (2 + 3) = 0,4 → 40% d'autorité.

Cela se situe dans la plage recommandée de 35 à 75%.

Fenêtre de sélection critique

Pour les vannes de régulation dépendantes de la pression, le dimensionnement nécessite un équilibre entre les exigences de stabilité de contrôle et de consommation d'énergie. Une vanne sous-dimensionnée aura une autorité élevée, résultant en un excellent contrôle mais une consommation d'énergie élevée car le système doit surmonter la résistance de la vanne. Les vannes surdimensionnées économisent de l'énergie mais rendent le contrôle du débit instable.

La plage d'autorité optimale de la vanne se situe entre 35% et 75%. Sélectionner une vanne dans cette fourchette assure une perte de pression suffisante au niveau de la vanne de régulation sans consommation d'énergie excessive. Lorsqu'une précision absolue est nécessaire, il est préférable de choisir une vanne avec une autorité de 75% et plus, malgré un compromis énergétique.

Tableau 1 : Plage d'autorité de la vanne : qualité de contrôle, consommation d'énergie et conséquence du dimensionnement

Solution indépendante de la pression

Les défis liés aux calculs d'autorité de vanne et aux pénalités énergétiques sont en grande partie résolus par les vannes de régulation indépendantes de la pression (PICV). Avec une pression différentielle minimale maintenue pour le fonctionnement, une PICV maintient un débit constant malgré les variations de pression différentielle à ses bornes. Ce type de vanne éliminant l'influence des fluctuations de pression du système, elle possède une autorité inhérente de 100% et atteint une haute efficacité énergétique.

Figure 2 : Une vanne de zone indépendante de la pression pour CVC

Caractéristiques de débit inhérentes

La caractéristique de débit inhérente d'une vanne de régulation définit la relation entre le pourcentage de course de la tige de la vanne et le pourcentage de débit résultant. Cette définition suppose une pression différentielle constante aux bornes de la vanne.

Tableau 2 : Caractéristiques de débit inhérentes

Note : Le gain est le rapport entre le changement de sortie et le changement d'entrée

Figure 3 : Représentations théoriques des caractéristiques de débit inhérentes : ouverture rapide (A), linéaire (B) et égal pourcentage (C)

Les vannes à pourcentage égal sont préférées dans la plupart des applications de modulation car les systèmes réels maintiennent rarement une perte de pression constante. Lorsque la vanne se ferme, la perte de pression du système à travers la vanne augmente. La caractéristique à pourcentage égal compense cet effet, produisant une réponse globale du système approximativement linéaire.

Plage de réglage et rapport de régulation

La plage de réglage (R) est une propriété du corps de la vanne et du modèle de la garniture. Elle est définie comme le rapport entre le débit maximal contrôlable (Qmax) et le débit minimal contrôlable (Qmin) lorsque la perte de pression est constante (c'est-à-dire mesurée en laboratoire). Par exemple, une vanne à globe avec une plage de réglage de 50:1 peut moduler de manière fiable le débit de 100% à 2% de sa capacité maximale.

Le rapport de régulation (TDR) est la mesure opérationnelle de la performance, en d'autres termes, comment la vanne fonctionne pour moduler le débit lorsqu'elle n'est pas dans un environnement de laboratoire contrôlé. C'est le rapport entre le débit maximal utilisable et le débit minimal contrôlable. Le TDR est toujours inférieur ou égal à la plage de réglage théorique de la vanne.

La résolution de l'actionneur associé à la vanne de régulation a la plus grande influence sur le rapport de régulation. Si une vanne à grande plage de réglage est associée à un actionneur à faible résolution, il est peu probable que le mécanisme d'ouverture de la vanne (par exemple, la boule ou le disque) soit positionné précisément où il devrait l'être. Cela amènera l'actionneur à "chercher" la position correcte, ce qui surcycle la vanne. En fin de compte, cela peut réduire le rapport de régulation jusqu'à 3:1.

Guide de dimensionnement des vannes de régulation : étape par étape

Étape 1 : Rassembler les paramètres clés de dimensionnement

Avant de pouvoir effectuer des calculs de dimensionnement, il est nécessaire de comprendre les paramètres clés de dimensionnement :

• Propriétés du fluide : Identifier le milieu (liquide, gaz ou vapeur), sa densité relative, sa viscosité, sa pression de vapeur et sa pression critique.
• Exigences de débit : Débit maximal (Qmax), débit normal (Qnorm) et débit minimal (Qmin).
  • Qmax est nécessaire pour calculer le Kv nécessaire (expliqué ci-dessus)
  • Qmin est nécessaire pour vérifier la capacité de régulation de la vanne (expliqué ci-dessus)
• Pression et température :Pression absolue en amont et en aval, ou perte de pression pour Qmax. La température de fonctionnement est également requise.
• Contraintes de conception : Autorité du système souhaitée (β) (expliquée ci-dessus) et caractéristique de débit inhérente (souvent à pourcentage égal).

Étape 2 : Déterminer la perte de pression admissible

Lors du dimensionnement d'une vanne de régulation, vous devez savoir quelle perte de pression elle peut supporter en toute sécurité. Une perte de pression trop importante peut provoquer de la cavitation, du flashing, du bruit, de l'érosion ou simplement limiter la capacité de débit de la vanne.

La perte de pression admissible est déterminée par la plus basse des trois valeurs suivantes :

• Perte de pression disponible du système : La différence entre les pressions en amont et en aval.
• Perte de pression critique : La limite hydraulique/de débit : cavitation dans les liquides, vitesse sonique dans les gaz.
• Pression différentielle maximale nominale de la vanne : La limite de résistance mécanique spécifiée par le fabricant.

La norme IEC 60534 fournit des méthodes de calcul pour prédire l'écoulement critique en utilisant des paramètres tels que le facteur de récupération de pression de la vanne (F_L) et les propriétés du fluide comme la pression de vapeur (P_v) et les facteurs de rapport de pression critique (F_F, x_T).

Distinction importante :

• La valeur nominale ΔP maximale est une limite mécanique.
• Le ΔP critique est une limite hydraulique.
• Le ΔP admissible pour le dimensionnement est celui qui est le plus bas dans vos conditions de service.

Exemple 1 : Eau

• Pression en amont : 10 bar
• Pression en aval : 4 bar
• Fluide : Eau froide (P_v ≈ 0 bar)
• Valeur nominale de la vanne : 6 bar max ΔP
• Facteur de récupération de la vanne : F_L=0,9, F_F = 0,96

Étape 1 : ΔP disponible

Étape 2 : ΔP critique

Pour les liquides, la norme IEC 60534 donne :

Où :

• P₁ = pression absolue en amont
• P_v = pression de vapeur du fluide
• F_F = facteur de rapport de pression critique du liquide (~0,96 pour l'eau)
• F_L = facteur de récupération de pression de la vanne

Application :

Étape 3 : Comparaison

• ΔP disponible = 6 bar
• ΔP critique = 8,1 bar
• Capacité mécanique = 6 bar

Par conséquent, le ΔP admissible = 6 bar (limité par le système et la capacité)

Exemple 2 : Air

• Pression en amont : 7 bar
• Pression en aval : 2 bar
• Fluide : Air
• Capacité de la vanne : 10 bar ΔP max
• Facteur de récupération de la vanne : F_L = 0,85
• Facteur de rapport de pression critique du gaz : x_T = 0,7

Étape 1 : ΔP disponible

Étape 2 : ΔP critique

Pour les gaz :

Étape 3 : Comparaison

• ΔP disponible = 5 bar
• ΔP critique = 3,6 bar
• Capacité mécanique = 10 bar

Par conséquent, le ΔP admissible = 3,6 bar (limité par l'étranglement sonique)

Étape 3 : Calculer le coefficient de débit (Kv ou Cv)

Une fois la pression admissible établie, le coefficient de débit peut être calculé.

Tableau 3 : Calcul des coefficients de débit pour les liquides et les gaz

Liquides	Kv		Q = débit (m3/h) Δp = perte de pression à travers la vanne (bar) ⍴ = masse volumique du fluide [kg/m3]
	Cv		Q = débit [US gpm] Δp = perte de pression à travers la vanne (psi) Gf = densité relative du liquide (eau = 1,0)
Gaz	Kv		QN = débit de gaz dans les conditions normales (Nm3/h) Δp = perte de pression (bar) ⍴N = masse volumique du gaz dans les conditions normales [kg/m3] TN = température normale (par exemple, 273 K) T = température absolue du gaz (K)
	Cv		Q = débit de gaz (SCFH) T = température absolue du gaz (R) Gg = densité relative du gaz par rapport à l'air P1 = pression en amont (psia) Y = facteur d'expansion

Étape 4 : Sélection préliminaire de la vanne et courses

Le coefficient de débit calculé est utilisé pour sélectionner la taille initiale de la vanne et la combinaison de garniture. Pour garantir des performances optimales, la vanne doit être dimensionnée de manière à ce que son fonctionnement reste dans une plage de courses utilisable. Pendant le fonctionnement, la vanne doit éviter d'opérer près de la position complètement fermée ou complètement ouverte. Une bonne estimation est que la course de la vanne devrait se situer entre 60% et 80% lors du débit maximal et pas moins de 20% lors du débit minimal.

Si le coefficient de débit calculé conduit à une vanne surdimensionnée, celle-ci sera contrainte de fonctionner à l'extrémité inférieure de sa course (par exemple, en dessous de 20%) pour réguler précisément le débit. Ce fonctionnement compromet drastiquement le rapport de régulation, le faisant souvent chuter à 3:1 ou moins, entraînant une instabilité de gain élevée et des oscillations. De plus, le dimensionnement de la vanne à une taille significativement inférieure à la moitié du diamètre de la tuyauterie est généralement évité pour prévenir des turbulences inutiles et des pertes de pression localisées en dehors de l'élément de commande.

Vérification de la plage de régulation

Après la sélection préliminaire, le débit minimal (Qmin) est vérifié par rapport à la courbe caractéristique du fabricant pour s'assurer que le pourcentage de course correspondant ne descend pas en dessous de 10 %. Si la vanne fonctionne trop près du siège au débit minimal, une vanne plus petite peut être nécessaire pour déplacer la plage de fonctionnement vers la bande de contrôle stable (20 %-80 %).

Types de vannes de régulation modulantes

Une fois le coefficient de débit de la vanne de régulation calculé, l'étape suivante consiste à choisir le type de vanne le plus adapté à l'application. Bien que la taille de la vanne de régulation soit cruciale, sa construction, sa caractéristique de débit et sa compatibilité avec le fluide sont tout aussi importantes. Voici les principales considérations pour les types courants de vannes modulantes :

Vanne à globe motorisée

La vanne à globe reste l'option la plus polyvalente pour un étranglement précis. Avec une excellente plage de régulation et des caractéristiques de débit prévisibles, elle est souvent choisie lorsqu'une haute précision est requise. Le Cv de la vanne à globe et la taille de la vanne à globe doivent être soigneusement adaptés aux exigences de débit calculées du système, en gardant à l'esprit la relation entre la taille de la vanne de régulation et celle de la conduite. Dans de nombreux cas, une vanne à globe est intentionnellement plus petite que la taille de la conduite pour obtenir une meilleure autorité de contrôle.

Vanne à disque motorisée

Les vannes à disque sont compactes et fiables, souvent utilisées dans des applications nécessitant des performances de contrôle modérées à moindre coût. Disponibles dans diverses tailles de vannes à disque, elles conviennent mieux lorsque l'espace est limité et qu'une modulation extrêmement fine n'est pas nécessaire.

Vanne à siège incliné motorisée

Les vannes à siège incliné sont appréciées pour leur durabilité et leur longue durée de vie en cycles, particulièrement dans les applications de vapeur et de fluides agressifs. La capacité d'une vanne à siège incliné à gérer des actionnements fréquents en fait un choix solide pour les processus industriels propres.

Vanne à membrane motorisée

Les vannes à membrane sont particulièrement efficaces pour gérer les fluides corrosifs, les boues ou les applications hygiéniques. Leur Cv de vanne à membrane et leur valeur Kv doivent être soigneusement comparés au point de fonctionnement requis, car elles ont généralement des capacités de débit inférieures à celles des vannes à globe ou à bille. Disponibles dans une gamme de tailles, elles sont souvent choisies lorsque la compatibilité avec le fluide est le facteur prédominant.

Vanne à bille modulante

Les vannes à bille avec garnitures caractérisées offrent de bonnes performances de contrôle tout en conservant une conception compacte. Une taille de port correctement sélectionnée permet d'obtenir à la fois une fermeture étanche et une modulation stable. Elles sont souvent choisies pour les systèmes CVC, d'eau et les utilités générales où une capacité de débit élevée est requise.

Électrovanne proportionnelle

Les électrovannes proportionnelles offrent une réponse rapide et une forme compacte, les rendant idéales pour les applications à faible débit ou les systèmes nécessitant des ajustements fréquents. Elles sont généralement disponibles en plus petites tailles et conviennent mieux lorsqu'une modulation précise à faible débit est plus importante qu'une grande capacité de débit. Pour en savoir plus, consultez notre article sur l'aperçu des électrovannes proportionnelles.

Vanne de régulation indépendante de la pression (PICV)

Les vannes de régulation indépendantes de la pression combinent une vanne de régulation modulante avec un régulateur de pression différentielle intégré. Cette conception compense automatiquement les changements de pression du système, maintenant un débit constant indépendamment des fluctuations en amont ou en aval. En éliminant le besoin d'équilibrage manuel, les PICV simplifient la mise en service et améliorent significativement l'efficacité énergétique dans les systèmes à débit variable.

Tableau 4 : Cas d'utilisation réels pour les vannes de régulation modulantes

FAQ

Qu'est-ce que l'autorité d'une vanne et pourquoi est-ce important ?

L'autorité d'une vanne est le rapport entre la perte de pression à travers la vanne et la perte de pression totale du système. Une autorité plus élevée (≥0,5) améliore la précision et la stabilité du contrôle.

Qu'est-ce qu'une vanne de régulation modulante ?

Une vanne modulante ajuste en continu le débit du fluide en utilisant un actionneur et un signal de commande pour maintenir un débit ou une pression cible.