Principes d'écoulement

Figure 1 : Les propriétés de l'écoulement changent lorsqu'il s'écoule à travers un rétrécissement

L'écoulement d'un fluide dans un système possède de nombreuses propriétés qui varient en fonction de plusieurs facteurs. Lors de la conception d'un système et du choix des vannes, il est important de comprendre et de prendre en compte ces facteurs pour sélectionner une vanne optimale. Cet article présente les différents principes d'écoulement impliqués afin d'aider les lecteurs à comprendre comment choisir la meilleure vanne possible.

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Pression

La pression est définie comme la quantité de force agissant par unité de surface :

p=F/A

où :

p : pression en Pascal (^N/m2)
F : force en Newton (N)
A : surface (^m2)

Le pascal (Pa) est une unité relativement petite. C'est pourquoi les termes bar et psi sont souvent utilisés à la place. 1 bar = 105 Pa.

Lorsque vous calculez la pression pour déterminer le modèle de soupape à utiliser dans un système, vous devez comprendre les différents aspects de la pression :

Pression absolue et pression relative : La pression absolue utilise le zéro absolu comme point de référence. La pression relative ou manométrique utilise la pression atmosphérique comme point de référence. Lors de la sélection d'une soupape, l'utilisation de la pression absolue permet de s'assurer que la pression atmosphérique est prise en compte lors de la détermination des pressions totales exercées sur la soupape. Pour en savoir plus sur les types depression, consultez notre article sur les différents types de pression.
Pression statique et pression dynamique : La pression statique est la pression exercée par un liquide ou un gaz au repos. La pression dynamique est la pression exercée par un fluide en mouvement.
- Pression statique : La résistance structurelle de la valve permet de résister à cette pression. Par conséquent, lors de la conception d'un système, il convient de s'assurer que les vannes ont une résistance et une intégrité suffisantes pour supporter la pression statique prévue.
- Pression dynamique : La pression dynamique dépend de la vitesse et de la densité du fluide. La conception de systèmes capables de supporter une pression dynamique est plus compliquée, car il faut tenir compte de facteurs tels que le diamètre des tuyaux, le débit, la viscosité du fluide et l'agencement du système.

Equations de pression statique et dynamique

Les équations standard suivantes permettent de se faire une idée des pressions statiques et dynamiques d'un système. Les systèmes réels de vannes et de tuyauteries peuvent être plus complexes en raison de la compressibilité des fluides, des pertes par frottement, des changements d'altitude et de l'accélération du débit.

L'équation de la pression statique est la suivante

Où ?

P : pression statique
⍴ : densité du fluide
g : accélération due à la gravité
h : hauteur de la colonne de fluide au-dessus du point considéré

L'équation de la pression dynamique est la suivante

Où ?

q : pression dynamique
⍴ : densité du fluide
v : vitesse du fluide

Perte de charge

Lors de la sélection d'une vanne pour un système, il faut tenir compte de la chute de pression dans la vanne. La perte de charge de la vanne de régulation diffère entre les pressions amont et aval. Les pertes de charge ont un impact sur le système de la manière suivante :

Efficacité : Une chute de pression importante au niveau d'une vanne peut entraîner une inefficacité énergétique et donc des coûts d'exploitation plus élevés.
Débit : Une perte de charge élevée peut également entraîner un faible débit, ce qui perturbe le fonctionnement du système.
Contrôle : La chute de pression dans une vanne de régulation contrôle le débit. La vanne de régulation de pression doit être conçue pour fournir le débit souhaité avec une perte de charge minimale afin d'économiser de l'énergie.

Lisez notre article sur la perte de charge pour en savoir plus sur les facteurs qui causent la perte de charge.

Relation entre la pression et la vitesse

La pression et la vitesse sont inversement proportionnelles. Par conséquent, l'ajustement de la vitesse d'écoulement permet d'ajuster simultanément la pression. Tous les robinets offrent une certaine restriction au débit, allant de presque insignifiante(robinet à bille) à très importante(robinet à soupape). Cette restriction prend généralement la forme d'une surface réduite pour le flux, ce qui augmente sa vitesse et réduit sa pression.

Le point où la vitesse est la plus élevée, et donc la pression la plus basse, est appelé vena contracta (figure 2).

Le produit de la vitesse et de la surface en amont du rétrécissement est égal au produit de la vitesse et de la surface en aval du rétrécissement.

V₁ * A₁ = V₂ * A₂

Par conséquent, la vitesse et la pression peuvent être ajustées en modifiant la taille de la constriction. Dans le cas des vannes de régulation, il s'agit de déplacer le mécanisme de fermeture à un point situé entre l'ouverture et la fermeture afin de moduler le débit.

Figure 2 : Le point où la vitesse est la plus restreinte est celui où la vitesse est la plus élevée et la pression la plus faible.

Température et débit

La température peut avoir un impact significatif sur le débit d'une vanne. Il faut donc tenir compte de la plage de température de fonctionnement lors de la conception d'un système et du choix d'une vanne. La température peut affecter de manière significative le débit d'une vanne de la façon suivante :

Expansion/contraction des matériaux : Les vannes sont composées d'éléments fabriqués à partir de différents matériaux. Les changements de température peuvent entraîner une dilatation ou une contraction de ces matériaux. Lorsque la température élevée provoque une dilatation excessive des pièces d'une soupape, des fuites et une réduction de l'efficacité peuvent se produire.
Changements de viscosité : La viscosité d'un fluide est une mesure de sa résistance à l'écoulement. La viscosité est fortement influencée par la température. Lorsque la température augmente, la viscosité diminue généralement, ce qui permet au produit de s'écouler plus facilement. À des températures plus basses, la viscosité augmente, ce qui peut réduire la capacité de la vanne à contrôler le débit. Pour en savoir plus sur les vannes conçues pour les fluides à haute viscosité, lisez notre article sur les vannes pour fluides à haute viscosité.
Changements de pression : Une hausse de la température peut augmenter la pression dans une soupape, et une baisse de la température peut diminuer la pression.
Performance des joints : Si la température est inférieure ou supérieure à la température nominale du joint de la vanne, le joint peut se dégrader ou se rompre, ce qui entraîne des fuites.

Coefficient de débit

Le coefficient de débit, Cv ou Kv, est une mesure de la capacité de la soupape à laisser passer le fluide. Kv exprime la quantité d'eau qui peut passer à travers une vanne en mètres cubes par heure avec une chute de pression d'un bar. Cv exprime la quantité d'eau qui peut passer à travers la vanne en gallons par minute avec une chute de pression d'un psi. Un coefficient de débit plus élevé indique une plus grande capacité de débit, ce qui signifie qu'une plus grande quantité de fluide peut passer à travers la soupape pour une chute de pression donnée.

En outre, une vanne ayant un coefficient de débit plus élevé aura une perte de charge plus faible. Le coefficient de débit peut être utilisé pour estimer la chute de pression dans la vanne.

Coefficient de débit	Équation pour estimer la perte de charge
Kv
Cv

Où ?

ΔP : chute de pression dans la vanne (bar, psi)
Q : Débit à travers la vanne (^m3/h, gpm)
SG : gravité spécifique du fluide

Pour en savoir plus sur les différents coefficients de débit et sur la manière de les calculer, consultez nos articles sur les calculateurs kv et cv .

Flux étouffé

L'étranglement signifie que la chute de pression à travers la soupape augmente, mais pas le débit, car il a atteint un maximum. Cela se produit généralement lorsque la vitesse du fluide a atteint la vitesse du son, ce qui est également connu comme une condition d'écoulement critique. L'étranglement du flux est un problème majeur car il peut endommager l'équipement et provoquer des bruits plus forts que les niveaux de sécurité recommandés ou requis.

Pour éviter que le débit ne soit étouffé, il convient de tenir compte des éléments suivants lors du choix d'une vanne :

Capacité de débit : Une vanne trop petite peut rapidement s'étrangler, limitant le débit quelle que soit la pression.
Chute de pression : Étant donné que l'étranglement des vannes se produit lorsque la pression en aval chute à un certain niveau, il convient de s'assurer que les vannes sont dimensionnées pour les pressions maximales en amont et en aval qu'elles subiront en cours de fonctionnement.
Type de fluide : Les gaz et les liquides se comportent différemment lorsqu'ils traversent une vanne. Leurs propriétés spécifiques, telles que la température, la pression et le rapport thermique spécifique, influencent le moment où l'étouffement se produit.

Clignotement et cavitation

L'étranglement de l'écoulement est souvent un précurseur du clignotement et de la cavitation. Ces deux phénomènes se produisent lorsque la pression dans le système est inférieure à la pression de vapeur du liquide, ce qui entraîne la formation de bulles dans le liquide. Lorsque la pression augmente à nouveau, les bulles implosent, créant des ondes de choc qui peuvent endommager les composants de la valve. Tout comme l'étranglement, la cavitation et le clignotement endommagent les équipements et sont dangereux pour les opérateurs car ils sont très bruyants. Pour en savoir plus sur les spécificités de ces deux phénomènes, lisez notre article sur la cavitation et le clignotement. Notre article sur la cavitation dans les pompes, les vannes et les tuyaux examine de plus près son impact sur les vannes.

Type de débit

Différents types de flux peuvent se produire dans un système. Certains de ces types de flux peuvent être plus performants que d'autres dans des applications spécifiques. Il est important de comprendre cela lors de la sélection d'une vanne destinée à remplir une fonction spécifique :

Laminaire : L'écoulement laminaire (figure 3 à gauche) est un écoulement de fluide dans lequel les particules se déplacent en couches parallèles avec un mélange minimal. Le flux laminaire convient aux applications qui nécessitent un flux régulier, comme les applications de laboratoire. Les robinets à soupape ont d'excellentes capacités d'étranglement et de contrôle, ce qui les rend aptes à créer des conditions d'écoulement laminaire.
Turbulent : L'écoulement turbulent (figure 3 droite) est opposé à l'écoulement laminaire. Les particules de fluide se déplacent de manière chaotique avec des mélanges et des tourbillons. Il se produit généralement à des débits élevés et avec des tuyaux de grand diamètre. Les flux turbulents peuvent être bénéfiques dans les applications de mélange. Les vannes papillon fonctionnent bien dans les systèmes à flux turbulents en raison de leur conception robuste et de leur capacité à gérer des débits élevés.

Figure 3 : Écoulement laminaire (à gauche) et écoulement turbulent (à droite)

Transitionnel : L'écoulement transitoire se situe entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent. Les opérateurs doivent connaître ce type d'écoulement pour comprendre qu'il peut passer d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. Les robinets-vannes fonctionnent bien dans ces conditions d'écoulement car ils peuvent gérer une large gamme de conditions d'écoulement et s'ouvrir complètement pour permettre des débits élevés.
Stable et instable : Dans un écoulement régulier, la vitesse du fluide ne varie pas dans le temps, qu'il s'agisse d'un écoulement laminaire ou turbulent. Dans un écoulement instable, la vitesse varie à un moment donné. Un débit régulier nécessite une vanne qui offre un débit constant, comme les vannes à bille. Un débit instable nécessite une vanne qui peut réagir rapidement aux changements dans le système, telle qu'une électrovanne.
Compressible et incompressible : L'écoulement compressible affecte davantage les gaz que les liquides, alors que l'écoulement incompressible est généralement considéré pour les liquides. Les flux compressibles nécessitent une vanne capable de gérer les changements de densité et de volume, telle qu'une vanne à diaphragme. Les flux incompressibles nécessitent une vanne qui peut supporter des pressions élevées sans fuir, comme les vannes à guillotine.

FAQ

Comment la pression et la vitesse des fluides sont-elles liées ?

La pression et la vitesse des fluides sont inversement proportionnelles. Quand l'un monte dans le système, l'autre descend.

Qu'est-ce qu'un coefficient de débit ?

Le coefficient de débit (Cv ou Kv) mesure le débit à travers une vanne à une température spécifique et à 1 bar ou 1 psi.

Comment la température affecte-t-elle le débit ?

Les changements de température peuvent modifier la viscosité et la pression d'un fluide. De plus, la température peut avoir un impact négatif sur le corps de la vanne et les matériaux d'étanchéité, dégradant ainsi les conditions d'écoulement.