3-I)Vannesderégulation

6)Vannesderégulation1. Généralités...................................................................................................................................................................................................21.1. Schématisation.................................................................................................................................................................................21.2. Contraintesduesaufluideetàl'environnement..............................................................................................................21.3. Élémentsconstituantslavannederégulation....................................................................................................................21.4. Formeducorpsdevanne............................................................................................................................................................31.5. Différentstypesdeclapet............................................................................................................................................................31.5.1. Clapetsimplesiège...............................................................................................................................................................31.5.2. Clapetdoublesiège...............................................................................................................................................................31.5.3. Clapetàcage............................................................................................................................................................................31.5.4. Clapetpapillon........................................................................................................................................................................41.5.5. Clapetàmembrane...............................................................................................................................................................41.5.6. Vanneàclapetrotatifexcentré........................................................................................................................................4

1.6. Lesservomoteurs............................................................................................................................................................................42. Caractéristiquesdesvannesderégulation....................................................................................................................................52.1. Caractéristiqueintrinsèquededébit......................................................................................................................................52.2. ModélisationdelarelationEQP................................................................................................................................................5

3. Positiondelavanneencasdemanqued’air................................................................................................................................53.1. Unchoixàeffectuer........................................................................................................................................................................53.2. Casdesservomoteursàdiaphragme,àpistonsimpleeffet..........................................................................................63.3. Casdesservomoteursàpistondoubleeffet........................................................................................................................63.4. Maintiendelavannerégulatricedeposition......................................................................................................................6

4. Capacitédedébitd’unevanne.............................................................................................................................................................64.1. Rappel..................................................................................................................................................................................................64.2. CVducorpsdevanne....................................................................................................................................................................64.3. KVducorpsdevanne....................................................................................................................................................................7

5. CalculdeCv(d'aprèsformulairedeMasoneilan).......................................................................................................................75.1. Liquides...............................................................................................................................................................................................75.2. Vapeur..................................................................................................................................................................................................75.3. Gaz.........................................................................................................................................................................................................85.4. CVéquivalentdeplusieursvannesmontéesenparallèle.............................................................................................85.5. CVéquivalentdeplusieursvannesmontéesensérie.....................................................................................................85.6. Influencedesconvergents-divergents...................................................................................................................................9

6. Cavitationetvaporisation.....................................................................................................................................................................96.1. Variationdelapressionstatiqueàtraversunevanne....................................................................................................96.2. Cavitation............................................................................................................................................................................................96.3. Vaporisation...................................................................................................................................................................................106.4. Conséquencespratiques...........................................................................................................................................................10

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1. Généralités

1.1. SchématisationLavannederégulationestutiliséecommeorganederéglagedansdifférentstypesdebouclesderégulation.Ellepermet de contrôler le débit dans une canalisation, en modifiant les pertes de charges de celle-ci. Il existeplusieursreprésentationsd'unevanne;

Vannesimple Vannemanuelle VannePneumatique Electrovanne Vannepneumatiqueavec

positionneur

1.2. Contraintesduesaufluideetàl'environnementLavannederéglagedevraêtreconçueetfabriquéedemanièreàfonctionnercorrectement,avecunminimumd'entretien,malgréuncertainnombredeproblèmesposésparlefluideetparsonenvironnement.Lefluidequipassedanslavannederéglagepeutêtre:

• Corrosif(attaquechimiquedesmatériaux);• Chargédeparticulessolides(érosion,encrassementdelavanne);• Chargédebullesgazeuses,ouconstituéd'unmélangedeliquidesetdegaznonhomogènes;• Visqueux(exempledel'huile);• Inflammableouexplosifenprésencedel'air,d'uneétincelle;• Toxique,doncdangereuxencasdefuite;• Dangereux,carilpeutsetransformerchimiquementtoutseul(polymérisation)ouréagiravecd'autres

produits,parfoisviolemment;• Unliquidequisesolidifielorsquelatempératurebaisse(cristallisation);• Unliquidequisevaporiselorsquelatempératureaugmenteouquelapressiondiminue;• Unevapeurquisecondenselorsquelatempératurebaisseouquelapressionaugmente;• Sousfortepressionousousvide.

L'analyseapprofondieetlarésolutiondecesproblèmesdoiventpermettred'assurerlasécuritédupersonneletdesinstallations,ainsiquelebonfonctionnementdelavanne.L'ambianceextérieurepeutposerlesproblèmessuivants:

• Atmosphère explosive, corrosive, sèche ou humide,poussiéreuse,chaudeoufroide;

• Vibrations,duesparexempleàunemachinevoisine;• Parasites,dusàdesappareilsdemandantunegrandepuissance

électrique.

1.3. ÉlémentsconstituantslavannederégulationLavanneestconstituéededeuxélémentsprincipaux:

• Lecorpsdevanne:c'estl'élémentquiassureleréglagedudébit;• Le servomoteur : c'est l'élément qui assure la conversion du

signaldecommandeenmouvementdelavanne.Etaussid'uncertainnombred'élémentsauxiliaires:

• Uncontacteurdedébutetdefindecourse;• Unerecopiedelaposition;• Unfiltredétendeur;• Unpositionneur:ilrégulel'ouverturedelavanneenaccordavec

lesignaldecommande.

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1.4. FormeducorpsdevanneOndistinguelesdifférentscorpsdevannes:

• Lecorpsdroit:l'entréeetlasortiesontdanslemêmeaxe;• Lecorpsd'angle:l'entréeetlasortiesontdansdeuxplansperpendiculaires;• Lecorpsmélangeur:ilpossèdedeuxentréesetunesortieafindepermettrelemélangededeuxfluides;• Lecorpsdedérivation(répartiteur):ilpossèdeuneentréeetdeuxsortiesafindepermettrelaséparation

dufluidesuivantdeuxdirections.

1.5. Différentstypesdeclapet

1.5.1. ClapetsimplesiègeAvantages:

• Bonneétanchéitéàlafermeture(aprèsrodageduclapetsurlesiège);• Existence de clapets réversibles à double guidage permettant d'inverser le sens

d'actionducorpsdevanneparunmontageàl'envers.Inconvénients:

• Lapousséeduliquideexerceuneforceimportantesurleclapetcequinécessiteunactionneur puissant d'où utilisation d'un simple siège pour une différence depressionfaible;

• Frottementsimportantsauniveaudupresseétoupe;• Passage indirect donc plus grand risque de bouchage par des particules en

suspension.

1.5.2. ClapetdoublesiègeConstituépardeuxclapetsetpardeuxsiègesvissés.Leprincipalavantageapportéaucorpsde vanne à simple siège concerne son équilibrage, c'est à dire la diminution de la forcerésultantedueàlapoussédufluidesurleclapetdoncutilisablepourdefortesdifférencesdepression.Sonprincipalinconvénientestunemauvaiseétanchéitédelafermeturedufaitdeladoubleportée.

1.5.3. ClapetàcageIlcomprendunobturateuretunecage.Lefluidearriveperpendiculairementà lacageetpasseparunespacedéterminéparlapositiondel'obturateur(sortedepiston)àl'intérieurdelacage.Enpositionbasselestroussituésàlapartieinférieuredelacagesontobturésetréaliseainsil'étanchéitédelavanneàlafermeture.Avantages:

• Équilibragegrâceauxtrousdansl'obturateur;• Bonneétanchéitéàlafermeture;• Bonneplagederéglage;• Cages spécifiques possibles pour obtenir différentes caractéristiques, ou pour

résoudreunproblèmedecavitation(cageanti-cavitation)oudebruit(cageanti-bruit).

• Lechangementdecageestaisé.Inconvénients:

• Corpsdroitnonréversible;• Risquedecoincementde l'obturateurdans lacageavecdes fluideschargésde

particulessolides.

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1.5.4. ClapetpapillonL'obturateur est un disque dont le diamètre est égal au diamètre intérieur de laconduite.Àlafermeture,cedisqueasasurfaceperpendiculaireausensdupassagedufluide.Lavariationde lasectiondepassagese faitpar inclinaisondecedisqueparrapportàlaverticale.Latigedel'obturateureffectueunmouvementderotation,cequi est nettement préférable pour le presse étoupe (meilleure étanchéité). Cetterotationestsouventlimitéeàunangled'ouverturede60°àcausedel'importanceducoupleexercéparlefluide. Cetypedevannen'estréalisablequepourdesgrandsdiamètresDN>4".Vuelasurfacedel'obturateuretlaformedecelui-ci, ilnepeutêtreutilisépourdespressionstrèsélevées.Dufaitdelagrandelongueurdeportéedupapillonsurlecorps(quiformeaussilesiège),l'étanchéitéàlafermetureestdélicateàobtenir,doncmauvaiseleplussouvent.Ànoteraussiunfrottementdûàlaforcedepousséeduliquidequiplaquelatiged’obturateurcontrelagarniture(efforttransversal).

1.5.5. ClapetàmembraneElleestutiliséedanslecasdefluidestrèschargésdeparticulessolides,outrèscorrosifs.La section de passage est obtenue entre une membrane déformable en caoutchoucsynthétiquegénéralementetlapartieinférieureducorpsdevanne.Avantages:

• Solutionpeucoûteuse;• Supprimelespresseétoupesd'oùlerisquedefuiteséventuelles;• Bonneétanchéitéàlafermeture.

Inconvénients:• Précisionderéglagetrèsmédiocre;• Caractéristiquestatiquemaldéfinie;• Pressionmaximalesupportablefaible;• Températuremaximaled'environ200°C.

1.5.6. VanneàclapetrotatifexcentréAvantages:

• Utilisationsurfluidechargé;• Effortshydrodynamiquesassezbienéquilibrés;• Etanchéitéélevée;

Inconvénients:• Montagedémontagedélicat;• Tendanceàlacavitation.

1.6. LesservomoteursLe servomoteur est l'organe permettant d'actionner la tige de claper de la vanne. L'effort développé par leservomoteuràdeuxbuts:

• Luttercontrelapressionagissantsurleclapet;• Assurerl'étanchéitédelavanne;

Cesdeuxcritèresconditionnentledimensionnementdesservomoteurs.Lefluidemoteurpeutêtre;del'air,del'eau,del'huile,del'électricité(servomoteurélectrique).Engénéral,lefluideestdel'airetlapressiondecommandevariede0,2barà1bar(3-15PSI).Ondistingue:

• Leservomoteurclassiqueàmembrane,conventionnel(àactiondirectouinverse)ouréversible(onpeutchangerlesensd'action).

• Leservomoteuràmembranesdéroulante,surtoututilisépourlesvannesrotatives.• Le servomoteur à piston, utilisé lorsque les efforts à fournir sont très importants. La pression de

commandepeutêtreimportante.Lefluidemoteurpeutêtredel'air,del'eauoudel'huile.• Le servomoteur électrique, utilisé pour les vannes rotatives. On associe à un moteur électrique un

réducteurdevitessepermettantainsid'obtenirdescouplestrèsimportants.

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2. Caractéristiquesdesvannesderégulation

2.1. CaractéristiqueintrinsèquededébitC'estlaloientreledébitQetlesignaldecommandedelavanneY,lapressiondifférentielle∆Pauxbornesdelavanneétantmaintenueconstante.Ondistingueessentiellementtroistypesdecaractéristiquesintrinsèquesdedébit:

• Linéaire;• Égalpourcentage;• Toutourien(ouQuickOpening).

DébitlinéairePL DébitégalenpourcentageEQP DébittoutourienPT

Ledébitévoluelinéairementenfonctiondusignal.Lacaractéristiqueestunedroite.Desaccroissementségauxdusignalvanneprovoquentdesaccroissementségauxdedébit.

Lacaractéristiqueestuneexponentielle.Desaccroissementségauxdusignalvanneprovoquentdesaccroissementségauxdedébitrelatif.

Cettecaractéristiqueprésenteuneaugmentationrapidedudébitendébutdecoursepouratteindrealorsenviron80%dudébitmaximum.

2.2. ModélisationdelarelationEQPOncomplèteicicequiaétéditdanslechapitreconcernantlareprésentationdesrelationsentrelesgrandeursphysiques.Larelationquinousintéresseiciestcelledudébitégalpourcentage.Danscecasparticulier,paranalogieaveccequiaétéditprécédemment,onpeutalorsécrire:

(𝑄#$% − 𝑄#'()/(𝑄#$% + 𝑄#'()

𝑌#$% − 𝑌#'(=(𝑄 − 𝑄#'()/(𝑄 + 𝑄#'()

𝑌 − 𝑌#'(

3. Positiondelavanneencasdemanqued’air

3.1. UnchoixàeffectuerLechoix imposéde lapositiond'unevanneencasdepanned'airmoteur(ouverteoufermée)estbasésur laréponseduprocédéetdoitêtreeffectuéafind'assurerlasécuritédupersonneletdesinstallations.Exemplesclassiques:

• Combustibleversbrûleurs:FERMÉE;• Eauderefroidissementverséchangeur:OUVERTE.

Ce choix doit être déterminé en collaboration avec le spécialiste du procédé et fait partie intégrante de laspécification de la vanne régulatrice. Il appartient au constructeur de choisir un ensemble de vanne etservomoteur adapté à l'exigence formulée, et de fournir éventuellement des équipements supplémentairespermettantlerespectdecetteexigence.

100

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20

10

0

D

é

b

i

t

e

n

%

100806040200

Signal de Vanne en %

4.3. Débit égal en pourcentage EQP

La caractéristique est une exponentielle. Des acroissements égaux du signal vanne provoquent des accroisse-ments égaux de débit relatif.

100,00

90,00

80,00

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0,00

D

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%

100806040200

Signal de Vanne en %

!U !U

!Q1

!Q2

!Q1

Q1=!Q2

Q2

4.4. Débit tout ou rien PT

Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début de course pour atteindre alors environ 80% du débit maximum.

MITA Chapitre IX : La vanne de réglage page 12/13

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4.3. Débit égal en pourcentage EQP

La caractéristique est une exponentielle. Des acroissements égaux du signal vanne provoquent des accroisse-ments égaux de débit relatif.

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Signal de Vanne en %

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Q1=!Q2

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4.4. Débit tout ou rien PT

Cette caractéristique présente une augmentation rapide du débit en début de course pour atteindre alors environ 80% du débit maximum.

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Signal de Vanne en %

4.5. Caractéristique installée

C’est la loi de variation du débit en fonction du signal de commande. Cette caractéristique est fonction :- De l’installation, des condition de service ;

- De la vanne, c’est à dire de sa caractéristique intrinsèque de débit.

5. Position de la vanne en cas de manque d’air5.1. Un choix à effectuer

Le choix imposé de la position d'une vanne en cas de panne d'air moteur (ouverte ou fermée) est basé sur la ré-ponse du procédé et doit être effectué afin d'assurer la sécurité du personnel et des installations.

Exemples :

Combustible vers brûleurs : FERMÉE

Eau de refroidissement vers échangeur : OUVERTE

Ce choix doit être déterminé en collaboration avec le spécialiste du procédé et fait partie intégrante de la spécifi-cation de la vanne régulatrice.

Il appartient au constructeur de choisir un ensemble de vanne et servomoteur adapté à l'exigence formulée, et de fournir éventuellement des équipements supplémentaires permettant le respect de cette exigence.

5.2. Cas des servomoteurs à diaphragme, a piston simple effet

En cas de panne d'air, par action du ressort antagoniste, le servomoteur prend une position extrême permettant d'amener l'obturateur en position de fermeture ou d'ouverture complète. Ces types de servomoteurs ne posent donc pas de problème particulier pour le respect de la spécification (servomoteurs "directs., "inverses., réversi-bles.).

5.3. Cas des servomoteurs à piston double effet

En cas de panne d'air, le piston prend une position quelconque selon la force exercée par le fluide sur l'obturateur de la vanne.

Afin de forcer la position de l'obturateur, il est donc nécessaire de prévoir un dispositif comprenant une réserve d'air comprimé et des éléments de commutation permettant d'amener la vanne à la position choisie en cas de panne d'air de réseau de distribution.

5.4. Maintien de la vanne régulatrice de position

Pour éviter un changement brutal dans la circulation d'un fluide dans un procédé, en cas de panne d'air moteur on peut spécifier, en plus de la position ultime fixée précédemment, un dispositif bloquant la vanne dans la po-sition qu'elle occupait au moment où la pression d'air dans le réseau de distribution atteignait une valeur basse limite.

MITA Chapitre IX : La vanne de réglage page 13/13

Qmin

Ymin

Qmax

Ymax

Q

y

unité de débit

%

EQP

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3.2. Casdesservomoteursàdiaphragme,àpistonsimpleeffetEncasdepanned'air,paractionduressortantagoniste,leservomoteurprend une position extrême permettant d'amener l'obturateur enposition de fermeture ou d'ouverture complète. Ces types deservomoteurs ne posent donc pas de problème particulier pour lerespect de la spécification, servomoteurs directs, "inverses" ouréversibles.

3.3. CasdesservomoteursàpistondoubleeffetEncasdepanned'air,lepistonprendunepositionquelconqueselonlaforce exercéepar le fluide sur l'obturateurde la vanne.Afinde forcer lapositionde l'obturateur, il estdoncnécessairedeprévoirundispositif comprenantuneréserved'aircompriméetdesélémentsdecommutationpermettantd'amenerlavanneàlapositionchoisieencasdepanned'airderéseaudedistribution.

3.4. MaintiendelavannerégulatricedepositionPouréviterunchangementbrutaldanslacirculationd'unfluidedansunprocédé,encasdepanned'airmoteuron peut spécifier, en plus de la position ultime fixée précédemment, un dispositif bloquant la vanne dans lapositionqu'elleoccupaitaumomentoùlapressiond'airdansleréseaudedistributionatteignaitunevaleurbasselimite.

4. Capacitédedébitd’unevanne

4.1. RappelIlaétéétabliquelaloiliantledébitQvàlasectiondepassageSpetàla∆Pestlasuivante:

𝑄𝑣 = 𝐾×𝑆∆𝑃𝜌

Avec:• Qv:débitvolumique;• ∆P:pertesdechargedufluidedanslavanne;• S:sectiondepassageentrelesiègeetleclapet;• ρ:massevolumiquedufluide;• K:coefficientdépendantduprofilinternedelavanne.

Nousconstatonsque:• Ledébitvarieproportionnellementàlasectiondepassage;• Ledébitestproportionnelàlaracinecarréedelapertedecharge;• Ledébitvolumiqueestinversementproportionnelàlaracinecarréedelamassevolumique.

Pourun liquide, lorsque la températurenevariequedequelquesdegrés, samassevolumiqueestàpeuprèsconstante,donc,ledébitnevariequ'enfonctiondelapertedechargeetdelasectiondepassage.

4.2. CVducorpsdevanneLecoefficientdedébitCV,utilisépourlapremièrefoisparMasoneilanen1944,estdevenurapidementl'étalonuniverseldemesuredudébitdefluidequis'écouledansunevanne.Cecoefficientesteneffetsipratiquequ'ilestmaintenantpresquetoujoursemployédanslescalculsquiconduisentaudimensionnementdesvannesouàladéterminationdesdébitsquilestraversent.Pardéfinition,lecoefficientCVestlenombredegallonsUSd'eauà15°C,traversantenuneminuteunerestrictionlorsquelachutedepressionaupassagedecetterestrictionestde1PSI.

Ona,pourunliquide:CV=Qv5∆6,

AvecQvledébitengallonsUSparmin;dladensitéduliquideet∆PladifférencedepressionenPSI.

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LeCvestunrepèredegrandeuraumoyenduquelletechnicienpeutdéterminerrapidementetavecprécisionladimensiond'unerestrictionconnaissantlesconditionsdedébit,depressionéventuellementd'autresparamètresannexesetcecipourn'importequelfluide.

QuelquesvaleursdeCVdevannes:Diamètreenpouce

VanneàclapetclassiqueVanneàcage Vannedetype

CAMFLEX VannePapillonSimplesiège Doublesiège

1 9 12 20 14 222 36 48 72 50 90

4.3. KVducorpsdevanne

Avecdesunitésplusclassiquespournous:KV=Qv5∆6

AvecQvledébitenm3.h-1;dladensitéduliquideet∆Pladifférencedepressionenbar.

5. CalculdeCv(d'aprèsformulairedeMasoneilan)Lesformulesci-dessous,modifiéespermettentdedéterminerdirectementlecoefficientdedébitCVàpartirdesconditionseffectivesd'utilisationdufluide,expriméesenunitésmétriques.Pourdéterminerlediamètrenominald'unevanne(oubienlediamètredepassageintérieurpourlesvannesàpassageréduit)ondoitcalculerlecoefficientdudébitCVenfonctiondesconditionseffectivesdufluideet,enfonction du type de clapet choisi, on détermine le diamètre de passage à l'aide des tableaux des CVcorrespondantsauxdiversesversionsdevannes.Pourlecalculonutiliseledébitmaximumrequismais,pourobtenirunebonneprécisionderégulationetéviterdesoscillations,ilfautéviterdesur-dimensionnerlavanne.Pourlesclapetségalpourcentage,lediamètredelavanneserachoisiàpartird'unCVdecalculcorrespondantà60-65%environdelavaleurduCVdutableau.Lediamètrenominalducorpsseraégalàceluidupassageintérieuràconditionquelavitessed'écoulementsemaintiennedansdeslimitesacceptables(ex.200-220m/spourlavapeur);danslecascontraireetseulementpourlaversionà2voiesonutiliseralesvannesàpassageréduit.

5.1. LiquidesLaformulesuivanteestvariablepourdesliquidesquineprésententpasdephénomènesderevaporisation.

𝐶𝑉 = 1,17𝑄𝑑∆𝑃

• Q:Débitenm3.h-1;• d:massevolumiqueduliquideenkg.dm-3àlatempératuredefonctionnement;• ∆P:pressiondifférentielleenbar.

Facteurdecorrectionpourliquidesvisqueux:Danslecasdeliquidesvisqueux,multiplierlesCVcalculésaveclaformuleprécédenteparlescoefficientssuivantsenfonctiondelaviscositéendegrésEngler:2°E->1,06;5°E->1,18;10°E->1,28;15°E->1,32;30°E->1,38;50°E->1,47;100°E->1,60;150°E->1,68;

5.2. VapeurPremiercas:pressionavalabsoluesupérieureà50%delapressionabsolued'entréedanslavanne.

𝐶𝑉 = 𝑄

16 ∆𝑃. 𝑃1

• Q:Débitenkg.h-1;• ∆P:pressiondifférentielleenbar;• P1:pressionabsoluedelavapeuràl'entréedelavanneenbar.

Deuxièmecas:pressionavalabsolueinférieureà50%delapressionabsolued'entréedanslavanne.

𝐶𝑉 = 𝑄

10𝑃1

• Q:Débitenkg.h-1;• P1:pressionabsoluedelavapeuràl'entréedelavanneenbar.

Note:Cesformulesdecalculsontàutiliserpourlavapeursaturée.

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Facteurdecorrectionpourlavapeursurchauffée:Pour lavapeursurchauffée,multiplier lesCVcalculésaves lesdeux formulesprécédentespar lescoefficientssuivantsenfonctiondelatempératuredesurchauffe:25°C->1,03;50°C->1,06;100°C->1,12;150°C->1,18;200°C->1,24;250°C->1,30;300°C->1,36;350°C->1,42;Latempératuredesurchauffeest ladifférencedetempératureen°Centre lavapeursurchaufféeet lavapeursaturéeàlamêmepressionàl'entréedanslavanne.

5.3. GazPremiercas:pressionavalabsoluesupérieureà50%delapressionabsolued'entréedanslavanne.

𝐶𝑉 = 𝑄380

𝑑. 𝑇∆𝑃. 𝑃2

• Q:Débitenkg.h-1;• ∆P:pressiondifférentielleenbar;• P2:pressionabsoluedugazenavaldelavanneenbar;• d:densitédugazparrapportàl'air;• T:températureabsolueenK.

Deuxièmecas:pressionavalabsolueinférieureà50%delapressionabsolued'entréedanslavanne.

𝐶𝑉 = 𝑄

205. 𝑃1𝑑. 𝑇

• Q:Débitenkg.h-1;• ∆P:pressiondifférentielleenbar;• P1:pressionabsoluedelavapeuràl'entréedelavanneenbar;• d:densitédugazparrapportàl'air;• T:températureabsolueenK.

5.4. CVéquivalentdeplusieursvannesmontéesenparallèle

Pourunmontageenparallèleona:

• Qveq=Qv1+Qv2;• ∆Pv1=∆Pv2=∆Pveq.

=> 𝐶𝑣𝑒𝑞 = 𝐶𝑣1 + 𝐶𝑣2

5.5. CVéquivalentdeplusieursvannesmontéesensérie

Pourunmontageensérieona:

• Qveq=Qv1=Qv2;• ∆Pveq=∆Pv1+∆Pv2.

=> 1

𝐶𝑣𝑒𝑞

I

= 1𝐶𝑣2

I

+1𝐶𝑣1

I

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5.6. Influencedesconvergents-divergentsQuandunevannen'estpasdelamêmedimensionquelatuyauterie,elleestinstalléeentreunconvergentetundivergent.Ceux-cicréentunechutedepressionsupplémentaireprovoquéeparlacontractionetladilatationdelaveinefluide.LeCVcalculédoitêtrecorrigéparlarelationsuivante:

𝐶𝑉𝑐𝑜𝑟 =𝐶𝑉𝐹𝑝

LecoefficientdecorrectionFpdéterminéexpérimentalementesthabituellementfourniparleconstructeur.Ilpeut être aussi déterminé de manière approchée à partir des formules suivantes. Il est alors calculé enconsidérantquelacontractionetladilatationdelaveinefluidesefontd'unefaçonbrutale.Lachutedepressionestdoncsurestiméeetl'onnerisquepasdesous-dimensionnerlavanne.

• CV:coefficientdedébit;• d:diamètredelavanneenmm;• D:diamètredelatuyauterieenmm.

Facteurdecorrectiondedébitenécoulementnoncritiquepourinstallationavecconvergent-divergent(angleausommetduconvergentsupérieurà40°)

Facteurdecorrectiondedébitenécoulementnoncritiquepourinstallationavecundivergentseulouavecconvergent-divergentlorsquel'angleausommet

duconvergentestinférieurà40°

6. Cavitationetvaporisation

6.1. VariationdelapressionstatiqueàtraversunevanneEnapplicationduthéorèmedeBernoulli,larestrictiondelasectiondepassageprésentée par la vanne et son opérateur provoque une augmentation de lapressiondynamique.Ilenrésulteunediminutiondelapressionstatiqueplusoumoinsimportanteselon:

• Lagéométrieinternedelavanne;• Lavaleurdelapressionstatiqueenavaldelavanne.

Cettediminutionde lapression statiquede la vannedoit être comparée à latension de vapeur du liquide à la température d'écoulement, car il peut enrésulter des phénomènes nuisibles à la qualité du contrôle et à la tenue dumatériel.

6.2. CavitationLorsquelapressionstatiquedanslaveinefluidedécroîtetatteintlavaleur de la tension de vapeur du liquide à la températured'écoulement, le phénomène de cavitation apparaît (formation depetites bulles de vapeur au seindu liquide, courbe2 sur la figure).Quand la pression statique s'accroît à nouveau (diminution de lavitesseparélargissementdelaveinefluide), lesbullesdevapeursecondensentetimplosent.

Fp =

s

1� 1, 5(1� d2

D2)2(

Cv

0, 046d2)2 Fp =

s

1� (1� d2

D2)2(

Cv

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Effets de la cavitation dans une pompe

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Cephénomènedecavitationprésentelesinconvénientssuivants:• Bruit,d'unniveausonoreinacceptable,trèscaractéristiquecarsemblableàceluiqueprovoqueraientdes

caillouxcirculantdanslatuyauterie;• Vibrationsàdesfréquencesélevéesayantpoureffetdedesserrertoutelaboulonneriedelavanneetde

sesaccessoires;• Destructionrapideduclapet,dusiège,ducorps,parenlèvementdeparticulesmétalliques.Lessurfaces

soumisesàlacavitationprésententunesurfacegranuleuse;• Ledébittraversantlavannen'estplusproportionnelàlacommande(voircourbe).

C'estgénéralementlesvanneslesplusprofiléesintérieurementquiontunetendanceaccrueàlacavitation.

6.3. VaporisationSilapressionstatiqueenavaldelavanneestfaible(fortepertedechargedanslavanne),leprocessusd'implosiondesbullesgazeusesneseproduitpas :celles-cirestentprésentesdans laveine fluide,d'où lephénomènedevaporisation(courbe3).Cephénomènedevaporisationprésentelesinconvénientssuivants:

• Bruit,d'unniveausonoremoindrequeceluiprovoquéparlacavitation;• Dommagesmécaniquessurleclapet,lesiègeetlecorps,parpassageàgrandevitessed'unmélangegaz-

liquide;• Lessurfacesexposéesàcephénomèneprésententdescavitésd'unaspectpoli;• Régimecritique.

6.4. ConséquencespratiquesPouréviterlebruitetladestructionrapidedelavanne,ondoitcalculeretchoisirunevannederégulationneprésentantpasdephénomènedecavitation.Toutaupluspeut-onaccepterunecavitationnaissante.Demême,unevanneprésentantunphénomènedevaporisationnedoitpasêtreemployée.Lachutedepressionmaximumutilisablepourl'accroissementdudébit(∆Pc)etenparticulierlesconditionsdepressionpourlesquellesunevanneseracomplètementsoumiseàlacavitationpeuventêtredéfiniesgrâceaufacteurFL,delafaçonsuivante:

𝐹O =∆𝑃𝑐

𝑃1 − 𝑃𝑣

• P1:Pressionenamontdelavanne;• Pv:Pressiondevapeurduliquideàlatempératureenamont.

Pourlesapplicationsoùaucunetracedecavitationnepeutêtretolérée,ilfaututiliserunnouveaufacteurKcaulieudelavaleurdeFL.CemêmefacteurKcserautilisésilavanneestplacéeentreunconvergentetundivergent.Pourtrouverlachutedepressioncorrespondantaudébutdecavitation,utiliserlaformulesuivante:

𝐾𝑐 =∆𝑃𝑐

𝑃1 − 𝑃𝑣

Dessolutionstechniquesdoiventdoncêtretrouvéespourévitercavitationetvaporisationdanslesvannesderégulation.Sil'onseréfèreauxrelationsprécédentes,ilsuffit,pouréviterlacavitation,deramenerlachutedepressiondanslavanneàunevaleurinférieureàPc.Onpeutdonc:

• Augmenterlapressionenamontetenavalenchoisissantpourlavanneunepositionquisetrouveàunniveaubasdansl'installation:ceciaugmentelapressionstatique;

• SélectionneruntypedevanneayantunfacteurFLplusimportant;• Changer ladirectiondu fluide ; le facteurFLd'unevanned'angleutilisée avec écoulement "tendant à

ouvrir"aulieude"tendantàfermer"passede0,48à0,9cequisignifiequelachutedepressionpeutêtreaumoinstriplée.

• Installerdeuxvannessemblables,ensérie,etl'oncalculeralefacteurFLtotaldesdeuxvannesdelafaçonsuivante:FLeq=FLd'unevanne.