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STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 1 L

STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 1 LES VANNES Les vannes ne sont pas les seuls actionneurs que vous étudierez et rencontrerez mais leurs applications sont tellement nombreuses dans tous les domaines de la régulation industrielle qu’elles sont incontournables. Cette étude reprend de nombreux éléments du cours “CAPTEURS-TRANSMETTEURS INDICATEURS DE DEBIT” ; j’y ferai régulièrement référence... Même si cela n’apparait pas clairement dans les chapitres qui vont suivre, nous allons mener une étude pour : Les vannes de régulation : La section de passage du fluide peut varier entre 0% et 100% de la section de passage à pleine ouverture Les vannes T.O.R : La section de passage du fluide est égale à 0% ou 100% de la section de passage à pleine ouverture STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 2 1 ROLE DE LA VANNE DANS UNE CHAINE DE REGULATION 1.1 Rappels Comme n’importe quel actionneur elle agit sur : La GRANDEUR REGLANTE qui sera toujours pour une vanne 2 voies, LE DEBIT. Voir aussi TP37 Suivant le procédé dans lequel la vanne se situe, la grandeur réglée sera une pression, un débit, un niveau, une température, un rapport de concentration...Voir exemples pilote pédagogique TOTAL. P.I.D +- VANNE CAPTEUR TRANSMETTEUR PROCEDE Fig. CRS8_1 1.2 Modèle de connaissance Il n’y a pas qu’une seule façon de modéliser une vanne afin d’obtenir un modèle mathématique utilisable dans un schéma fonctionnel. Tout dépendra : De la complexité du problème (unicité du régime d’écoulement ou pas, fluide mono ou biphasique) De la précision souhaitée pour les résultats théoriques Du point de vue utilisateur concepteur (qualitatif ou quantitatif) En première approche nous utiliserons un modèle reposant sur les hypothèses nécessaires au théorème de Bernoulli (1700-1782) : Ecoulement permanent Fluide parfait (incompressible et non visqueux) La vanne est considérée comme une section variable (en fonction du signal de commande) au sein d’une canalisation (perte de charge singulière) et l’étude est menée de la même façon que celle d’un organe déprimogène (Voir cours débit) Ce résultat fait apparaitre plusieurs éléments importants: d P Y k Qv ∆ = ). ( (1) Le débit dépend de l’ouverture k(Y) (loi de commande) de la vanne et de P ∆ Le débit n’est pas une fonction linéaire de ces 2 variables. STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 3 L’utilisation de ce modèle dans un schéma fonctionnel pour des variations qv, reposant sur la transformée de Laplace ne pourra être envisagée qu’après linéarisation autour d’un point de fonctionnement.Qv0. qv Qv Qv p P Qv y Y Qv qv Qv Qv + = ∆         ∆ +         = 0 0 0 * ) ( ) ( * ) ( ) ( ∂ ∂ ∂ ∂ (2) qv Qv Qv 0 Débit volumique instantané en m 3/s Débit volumique au point de fonctionnement m 3/s Variation du débit volumique autour du point de fonctionnement m 3/s 1.3 Exercice Appliquez ce que vous venez de voir pour une vanne ayant une loi de commande linéaire (k1*Y) ; le fluide traité est de l’eau et le point de fonctionnement est fixé pour un débit de 0.5 m 3/h.. La P ∆ est de 5 bar. Etablissez l’équation après linéarisation Etablissez le schéma fonctionnel de ce composant 1.4) Conclusion Les calculs de dimensionnement des vannes ont tous comme base de départ la relation (1). Les modifications apportées à cette relation ont pour objectif d’effectuer des corrections sur : La masse volumique du fluide La pression différentielle entre amont et aval de la vanne. La contraction de la veine liquide au passage de la vanne STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 4 2 TECHNOLOGIE DES VANNES Ce chapitre n’a pas la prétention d’être exhaustif sur ce sujet tant les fabricants et les «astuces» qu’ils ont pu trouver sont nombreuses. De plus l’utilisation de la vanne à l’échelle industrielle est ancienne. 2.1 Structure Quelque soit le fabricant, le type de vanne ou sa génération, une vanne est toujours décomposable technologiquement en 2 parties La vanne (Corps de vanne, siège, clapet) L’actionneur (Arcade, servo-moteur) Servo moteur pneumatique Positionneur Electro-pneumatique Arcade Corps de vanne Presse étoupe Clapet Siège 1:Corps de vanne 2 Micro élément de réglage 2.1: Module siège 2.2: Bague de siège 2.3: Clapet de vanne 2.4: Ressort pour 3.2 2.5: Ecrou de siège 4: Presse étoupe 4.1: Ressort 4.2: Garniture PTFE 5: Noix de presse étoupe 5.1: Bague de guidage 5.2: Douille filetée 6: Tige de clapet 6.1: Ecrou d’accouplement 7: Accouplement entre tige de transmission et clapet (avec indicateur de course) 8 Servo-moteur 8.1: Tige de transmission 8.2: Ecrou STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 5 2.2 La vanne Le choix de la technologie de la vanne va faire intervenir de très nombreux critères: La nature du fluide traité L’agressivité mécanique et/ou chimique du fluide La température de fonctionnement La pression du fluide en amont et en aval Les possibilités de réglage (du Cv par exemple) Les dispositifs anti cavitation Les dispositifs limitant le bruit Le niveau d’étanchéité souhaité entre siège et clapet Circulation du fluide en 1 sens ou 2 sens La force ou le moment à développer pour mouvoir le clapet Le poids, l’encombrement Raccordement aux conduites La maintenabilité (SAV, facilité de montage démontage) Le prix Les délais de livraison Nous allons décrire les différents types de vannes en donnant les avantages et les inconvénients de chacun ainsi que les principaux domaines d’emploi. Certains types de vannes trop particuliers seront volontairement passés sous silence. 2.2.1 Vanne conventionnelle simple siège Avantages Modèle simple en exécution standard (coût réduit) Usage général Siège démontable Réversibilité (sens d’action) obtenu au niveau du servo-moteur Utilisation de différents couples siège-clapet, sur un même corps, pour obtenir le Cv désiré ou la caractéristique intrinsèque voulue Inconvénients Efforts hydrodynamiques sur le clapet non équilibrés Démontage siège délicat Risque de cavitation ou de vaporisation avec certains fluides Risque de niveau sonore élevé Remarque 1: Il existe des versions moins récentes pour lesquelles la réversibilité était obtenue par retournement du siège et du clapet. Remarque 2 : Ne pas confondre les notions OMA – FMA (comportement en absence d’énergie motrice) avec NO – NF (comportement vis-à-vis du signal de commande). On peut avoir une vanne FMA qui soit NO. Comment cela est il possible ? Remarque 3 : Existe en version balancée pour réduire les efforts. STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 6 2.2.2 Vanne conventionnelle double siège Avantages Efforts hydrodynamiques sur les clapets équilibrés (servo-moteur moins puissant que pour 2.2) Cv plus élevé (de 10 à 2500) que 2.2) pour le même ∅ ∅ ∅ ∅N Inconvénients Etanchéité moins bonne que 2.2) Démontage montage délicat Risque de vaporisation ou de cavitation 2.2.3 Vanne à cage Avantages: Réduction ou élimination du risque de cavitation Réduction du niveau sonore Démontage facile du siège (non vissé) Meilleur guidage du clapet Inconvénients Utilisation sur fluide propre Cv moins élévé que 2.3) pour le même ∅ ∅ ∅ ∅N 2.2.4 Vanne à clapet rotatif excentré Avantages: Très bon Cv par rapport aux modèles précédents Utilisation sur fluide chargé Efforts hydrodynamiques assez bien équilibrés Etanchéité élevée Encombrement sur la conduite assez réduit Température d’utilisation -200°C +400°C Inconvénients Montage démontage délicat Pas de possibilité de modifier le Cv pour un même corps de vanne par mise en place de différents couples siège-clapet Tendance à la cavitation plus marquée que les vannes précédentes mais moindre que les suivantes. STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 7 2.2.5 Vanne papillon Avantages: Encombrement en ligne très réduit Coût réduit Plage de température de fonctionnement très étendue Cv important Inconvénients: Moment hydrodynamique très important Réclame un servomoteur plus puissant Niveau d’étanchéité élevé difficile à obtenir Doc FlowServe 2.2.6 Vanne à boisseau sphérique Avantages: Très bonne étanchéité Coût réduit Cv important Utilisable sur fluide chargé Inconvénients: Tendance à la cavitation 2.2.7 Vanne à membrane Avantages: Très bonne étanchéité même avec des particules solides Pas d’étanchéité à prévoir entre le corps et la tige de liaison au servo-moteur Facilement nettoyable (industrie alimentaire et pharmaceutique) Inconvénients: Remplacement régulier de la membrane Limitation en température et pression STS C.I.R.A 1ère année Lycée Saint-Cricq COURS: VANNES Instrumentation Page 8 2.2.8 Vanne d’angle Essentiellement réalisé pour des vannes à simple siège. Elle permet de combiner la mise en place d’une vanne avec des impératifs de réalisation de conduites. Déforme moins la veine fluide qu’une vanne conventionnelle. Nettoyage plus uploads/Industriel/ cours-vannes.pdf