La vanne de régulation automatisée s’utilise essentiellement dans l’industrie de transformation pour maintenir une ou plusieurs variables d’un processus dans les limites d’une plage déterminée, en garantissant, ce faisant, la qualité du produit fini.
Ces opérations s’effectuent par le biais d’un circuit de régulation comportant les composants suivants : capteur, émetteur, unité de commande et vanne de régulation.
Le capteur recueille des informations relatives aux variables du processus, l’émetteur les convertit en un signal utilisable, puis les complète (éventuellement d’un visuel affichable) avant de les transmettre à l’unité de commande.
Se présentant sous la forme d’un API, d’un système SCADA ou DCS, l’unité de commande poursuit le traitement de ces informations et établit les opérations à effectuer pour atteindre le point de consigne souhaité.
Dans la foulée, l’unité de commande pilote la vanne de régulation et détermine le taux d’ouverture de ladite vanne. En fonction de l’écart entre les valeurs réelles et souhaitées que prennent ou devraient prendre les variables du processus, l’unité de commande maintient le taux d’ouverture de la vanne de régulation à un niveau supérieur, inférieur ou identique. Cette vanne permet d’agir sur les variables du processus et de maintenir la ou les valeurs souhaitées.
Une vanne de régulation se compose de 3 organes majeurs:
Le positionneur reçoit le signal électrique provenant de l’unité de commande. Ce signal électrique dépend du protocole de communication employé par l’unité de commande et peut prendre l’une des formes suivantes: un signal électrique analogique de 4 à 20 mA (avec ou sans HART) ou un signal numérique par le biais d’un bus du type Modbus, Profibus, Profinet ou Foundation Fieldbus. Le positionneur convertit le signal et le transmet à l’actionneur de la vanne.
Cet actionneur n’est autre que le moteur de la vanne. Ce dernier transmet une force (mouvement linéaire) ou un moment (mouvement de rotation) à la partie mécanique de la vanne pour que cette dernière s’ouvre, se ferme ou occupe une position intermédiaire. Les actionneurs sont de trois types: pneumatique, électrique ou hydraulique. En fonction de la source d’énergie qui alimente l’actionneur de la vanne, le positionneur transmet à ce dernier un signal du même type.
Monté sur la canalisation concernée, le corps de la vanne de régulation est mécaniquement solidaire de l’actionneur.
Pour procéder au dimensionnement correct d’une vanne de régulation ainsi qu’à sa sélection, il faut disposer d’un certain nombre de données importantes.
Il s’agit des données suivantes:
Si le diamètre de la canalisation n’est pas encore fixé, la formule suivante permet de le déterminer:
di = diamètre intérieur de la canalisation (mm)
Q = débit (m³/h)
v = vitesse d’écoulement du fluide (m/s)
di = diamètre intérieur de la canalisation (mm) Q = débit (m³/h) v = vitesse d’écoulement du fluide (m/s) |
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Le calcul par approximation de la vitesse d’écoulement d’un fluide s’effectue en fonction du type de canalisation et de l’état du fluide.
Valeurs standard de la vitesse d’écoulement :
Liquides
v = 0,5 à 1,0 m/s pour les conduites d’aspiration
v = 1,0 à 3,0 m/s pour les conduites de refoulement
Gaz
v = 10 à 30 m/s
Exemple de calcul:
Conduite de refoulement d’eau
Q = 14 m³/h
v = 2 m/s
La conduite sélectionnée doit présenter un DN50.
Exemple de calcul: Conduite de refoulement d’eau Q = 14 m³/h v = 2 m/s La conduite sélectionnée doit présenter un DN50. |
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La section de la vanne de régulation est souvent inférieure à celle de la conduite retenue, mais cette approximation laisse à désirer.
Le dimensionnement correct d’une vanne de régulation revêt une grande importance. La capacité d’une vanne s’exprime par le coefficient de débit Kv (en Europe) ou Cv (dans les autres régions du monde). La formule simplifiée qui suit permet de calculer cette capacité:
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Il s’agit de la capacité déterminée expérimentalement d’une vanne dont l’ouverture spécifique correspond à une perte de pression d’un bar lors de l’acheminement d’une eau portée à une température comprise entre 5 et 40 °C. Cette capacité s’exprime en m³/h ou en l/min.
Ci-après figure un exemple de courbe caractéristique de débit d’une vanne à bille du type 546 Pro en DN40:
Il est possible de calculer le coefficient de débit Kv en fonction des conditions connues d’exécution du processus, puis de le comparer avec la courbe caractéristique de débit de la vanne souhaitée. Ces conditions doivent se situer dans la plage de réglage (région verte de la courbe) de la vanne. Pour obtenir un dimensionnement convenable, il faut que les conditions d’exécution du processus soient réunies pour un angle d’ouverture de la vanne compris entre 20 et 80 degrés.
Si le coefficient de débit Kv calculé en fonction des conditions d’exécution du processus ne s’obtient qu’avec un angle d’ouverture inférieur à 20°, ce dernier se situe en dehors de la plage de réglage de la vanne. Dès lors, il est préférable de sélectionner une vanne de plus petite taille. Un angle d’ouverture inférieur à 20° risque d’entraîner une instabilité du réglage susceptible d’engendrer des vibrations et, partant, d’endommager la vanne ou la canalisation.
Si le coefficient de débit Kv calculé en fonction des conditions d’exécution du processus ne s’obtient qu’avec un angle d’ouverture supérieur à 80°, cet angle ne manquera pas d’entraîner une instabilité du réglage au risque de provoquer des dommages dus à la cavitation et d’engendrer des vibrations plus importantes ainsi qu’un niveau de bruit accru. En pareil cas, il est préférable d’opter pour une vanne de plus grande taille.
Exemple de calcul:
Conduite d’eau DN50
P1 = 3 bars(g)
P2 = 2 bars(g)
Q = 14 m³/h
Poids spécifique (densité) = 1
Exemple de calcul: Conduite d’eau DN50 P1 = 3 bars(g) P2 = 2 bars(g) Q = 14 m³/h Poids spécifique (densité) = 1 |
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Admettons que le diamètre de la vanne soit d’une dimension inférieure à celle de la conduite, à savoir DN40.
La courbe caractéristique de débit de la vanne 546 Pro DN40 (voir courbe) révèle que le coefficient de débit Kv correspond à un angle d’ouverture de 50°, lequel se situe au beau milieu de la plage de réglage de la vanne à bille.
Les variables suivantes contribuent à déterminer le choix du type de vanne:
Dans la gamme GF, les types de vannes susceptibles de remplir une mission de régulation sont les suivants:
Dans le cadre de toute application comportant le transport de liquides ou de gaz le long d’une canalisation et nécessitant le maintien précis d’une variable de processus déterminée, la solution réside dans l’installation d’une vanne de régulation automatisée.
La variable de processus dont le maintien s’impose compte vraisemblablement au nombre de celles qui suivent : débit, pression, température, acidité (pH), niveau, conductivité et bien d’autres encore.
Régulation du débit d’une canalisation au moyen de débitmètres GF et d’électrovannes à membrane (e-diastar) pilotées par une unité de commande émettant un signal de 4 à 20 mA.
Vanne pneumatique à membrane (diastar) pilotée par l’intermédiaire d’un positionneur (type DSR500) émettant un signal de 4 à 20 mA
Régulation d’un débit ou du niveau d’une cuve au moyen d’une vanne pneumatique à membrane (diastar) pilotée par l’intermédiaire d’un positionneur (type DSR500) émettant un signal de 4 à 20 mA ou bien au moyen d’une électrovanne à bille pilotée par une unité de commande émettant un signal de 4 à 20 mA ainsi que par le biais d’une série de jauges de niveau et débitmètres GF.
Pour tout savoir sur les vannes de régulation, visitez la catégorie Robinetterie.
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