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STS C.I.R.A 1re anne

Lyce Saint-Cricq

LES VANNES

Les vannes ne sont pas les seuls actionneurs que vous tudierez et rencontrerez mais leurs applications sont tellement nombreuses dans tous les domaines de la rgulation industrielle quelles sont incontournables. Cette tude reprend de nombreux lments du cours CAPTEURS-TRANSMETTEURS INDICATEURS DE DEBIT ; jy ferai rgulirement rfrence... Mme si cela napparait pas clairement dans les chapitres qui vont suivre, nous allons mener une tude pour : Les vannes de rgulation : La section de passage du fluide peut varier entre 0% et 100% de la section de passage pleine ouverture Les vannes T.O.R : La section de passage du fluide est gale 0% ou 100% de la section de passage pleine ouverture COURS: VANNES Instrumentation Page 1

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1 ROLE DE LA VANNE DANS UNE CHAINE DE REGULATION1.1 RappelsComme nimporte quel actionneur elle agit sur : La GRANDEUR REGLANTE qui sera toujours pour une vanne 2 voies, LE DEBIT. Voir aussi TP37 Suivant le procd dans lequel la vanne se situe, la grandeur rgle sera une pression, un dbit, un niveau, une temprature, un rapport de concentration...Voir exemples pilote pdagogique TOTAL.

+

-

P.I.D

VANNE

PROCEDE

Fig. CRS8_1

TRANSMETTEUR

CAPTEUR

1.2 Modle de connaissanceIl ny a pas quune seule faon de modliser une vanne afin dobtenir un modle mathmatique utilisable dans un schma fonctionnel. Tout dpendra : De la complexit du problme (unicit du rgime dcoulement ou pas, fluide mono ou biphasique) De la prcision souhaite pour les rsultats thoriques Du point de vue utilisateur concepteur (qualitatif ou quantitatif) En premire approche nous utiliserons un modle reposant sur les hypothses ncessaires au thorme de Bernoulli (1700-1782) : Ecoulement permanent Fluide parfait (incompressible et non visqueux) La vanne est considre comme une section variable (en fonction du signal de commande) au sein dune canalisation (perte de charge singulire) et ltude est mene de la mme faon que celle dun organe dprimogne (Voir cours dbit) Ce rsultat fait apparaitre plusieurs lments importants:

Qv = k (Y ).

P (1) d

Le dbit dpend de louverture k(Y) (loi de commande) de la vanne et de Le dbit nest pas une fonction linaire de ces 2 variables.

P

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STS C.I.R.A 1re anne Lyce Saint-Cricq Lutilisation de ce modle dans un schma fonctionnel pour des variations qv, reposant sur la transforme de Laplace ne pourra tre envisage quaprs linarisation autour dun point de fonctionnement.Qv0. (Qv) (Qv) qv = (Y ) Qv 0 * y + (P) Qv 0 * p Qv = Qv 0 + qvQv Qv0 qv3

(2)

Dbit volumique instantan en m /s 3 Dbit volumique au point de fonctionnement m /s 3 Variation du dbit volumique autour du point de fonctionnement m /s

1.3 ExerciceAppliquez ce que vous venez de voir pour une vanne ayant une loi de commande linaire (k1*Y) ; le fluide trait est de leau et le point de fonctionnement est fix pour un dbit de 0.5 m /h.. La P est de 5 bar. Etablissez lquation aprs linarisation3

Etablissez le schma fonctionnel de ce composant

1.4) ConclusionLes calculs de dimensionnement des vannes ont tous comme base de dpart la relation (1). Les modifications apportes cette relation ont pour objectif deffectuer des corrections sur : La masse volumique du fluide La pression diffrentielle entre amont et aval de la vanne. La contraction de la veine liquide au passage de la vanne

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2 TECHNOLOGIE DES VANNESCe chapitre na pas la prtention dtre exhaustif sur ce sujet tant les fabricants et les astuces quils ont pu trouver sont nombreuses. De plus lutilisation de la vanne lchelle industrielle est ancienne.

2.1 StructureQuelque soit le fabricant, le type de vanne ou sa gnration, une vanne est toujours dcomposable technologiquement en 2 parties La vanne (Corps de vanne, sige, clapet) Lactionneur (Arcade, servo-moteur)

Servo moteur pneumatique Positionneur Electro-pneumatique ArcadeClapet Sige

Presse toupe

Corps de vanne

1:Corps de vanne 2 Micro lment de rglage 2.1: Module sige 2.2: Bague de sige 2.3: Clapet de vanne 2.4: Ressort pour 3.2 2.5: Ecrou de sige 4: Presse toupe 4.1: Ressort 4.2: Garniture PTFE

5: Noix de presse toupe 5.1: Bague de guidage 5.2: Douille filete 6: Tige de clapet 6.1: Ecrou daccouplement 7: Accouplement entre tige de transmission et clapet (avec indicateur de course) 8 Servo-moteur 8.1: Tige de transmission 8.2: Ecrou

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2.2 La vanneLe choix de la technologie de la vanne va faire intervenir de trs nombreux critres: La nature du fluide trait Lagressivit mcanique et/ou chimique du fluide La temprature de fonctionnement La pression du fluide en amont et en aval Les possibilits de rglage (du Cv par exemple) Les dispositifs anti cavitation Les dispositifs limitant le bruit Le niveau dtanchit souhait entre sige et clapet Circulation du fluide en 1 sens ou 2 sens La force ou le moment dvelopper pour mouvoir le clapet Le poids, lencombrement Raccordement aux conduites La maintenabilit (SAV, facilit de montage dmontage) Le prix Les dlais de livraison Nous allons dcrire les diffrents types de vannes en donnant les avantages et les inconvnients de chacun ainsi que les principaux domaines demploi. Certains types de vannes trop particuliers seront volontairement passs sous silence.

2.2.1 Vanne conventionnelle simple sigeAvantages Modle simple en excution standard (cot rduit) Usage gnral Sige dmontable Rversibilit (sens daction) obtenu au niveau du servo-moteur Utilisation de diffrents couples sige-clapet, sur un mme corps, pour obtenir le Cv dsir ou la caractristique intrinsque voulue Inconvnients Efforts hydrodynamiques sur le clapet non quilibrs Dmontage sige dlicat Risque de cavitation ou de vaporisation avec certains fluides Risque de niveau sonore lev

Remarque 1: Il existe des versions moins rcentes pour lesquelles la rversibilit tait obtenue par retournement du sige et du clapet. Remarque 2 : Ne pas confondre les notions OMA FMA (comportement en absence dnergie motrice) avec NO NF (comportement vis--vis du signal de commande). On peut avoir une vanne FMA qui soit NO. Comment cela est il possible ? Remarque 3 : Existe en version balance pour rduire les efforts.

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Lyce Saint-CricqAvantages Efforts hydrodynamiques sur les clapets quilibrs (servo-moteur moins puissant que pour 2.2) Cv plus lev (de 10 2500) que 2.2) pour le mme N Inconvnients Etanchit moins bonne que 2.2) Dmontage montage dlicat Risque de vaporisation ou de cavitation

2.2.2 Vanne conventionnelle double sige

2.2.3 Vanne cageAvantages: Rduction ou limination du risque de cavitation Rduction du niveau sonore Dmontage facile du sige (non viss) Meilleur guidage du clapet Inconvnients Utilisation sur fluide propre Cv moins lv que 2.3) pour le mme N

2.2.4 Vanne clapet rotatif excentrAvantages: Trs bon Cv par rapport aux modles prcdents Utilisation sur fluide charg Efforts hydrodynamiques assez bien quilibrs Etanchit leve Encombrement sur la conduite assez rduit Temprature dutilisation -200C +400C Inconvnients Montage dmontage dlicat Pas de possibilit de modifier le Cv pour un mme corps de vanne par mise en place de diffrents couples sige-clapet Tendance la cavitation plus marque que les vannes prcdentes mais moindre que les suivantes.

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Lyce Saint-CricqAvantages: Encombrement en ligne trs rduit Cot rduit Plage de temprature de fonctionnement trs tendue Cv important

2.2.5 Vanne papillon

Inconvnients: Moment hydrodynamique trs important Rclame un servomoteur plus puissant Niveau dtanchit lev difficile obtenir Doc FlowServe

2.2.6 Vanne boisseau sphriqueAvantages: Trs bonne tanchit Cot rduit Cv important Utilisable sur fluide charg Inconvnients: Tendance la cavitation

2.2.7 Vanne membraneAvantages: Trs bonne tanchit mme avec des particules solides Pas dtanchit prvoir entre le corps et la tige de liaison au servo-moteur Facilement nettoyable (industrie alimentaire et pharmaceutique) Inconvnients: Remplacement rgulier de la membrane Limitation en temprature et pression

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2.2.8 Vanne dangleEssentiellement ralis pour des vannes simple sige. Elle permet de combiner la mise en place dune vanne avec des impratifs de ralisation de conduites. Dforme moins la veine fluide quune vanne conventionnelle. Nettoyage plus facile quune vanne conventionnelle

2.2.9 Vannes 3 voies2 types de fonctionnement : Mlangeuse (2 entres et 1 sortie) Rpartitrice (1 entre et 2 sorties) On ne doit en aucun substituer un type lautre La vanne prsente est de type rpartitrice, crire la relation entre Qe, Qs1 et Qs2

Qe = Qs1 + Qs2La grandeur rgle par cette vanne est: La proportion du dbit dentre Qs1 = *Qe

Qs2 = (1-)*Qe

: reprsente la fraction de la course totale du clapet

Les vannes 3 voies ne permettent pas un quilibrage hydrodynamique correct des efforts sur les clapets; cest pourquoi elle rclame des actionneurs plus puissants. Cette vanne remplace avantageusement (temps de rponse identique sur les 2 sorties, cot rduit) la structure dcrite la page suivante, sauf si la temprature de service du fluide est suprieure 300C. Si lon veut, en plus de la rgulation de proportion, faire une

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