Régulations de température auto-actionnées

Ce tutoriel donne une introduction de base sur ce que sont les systèmes de régulation de température auto-actionnés et comment ils fonctionnent. Les différents types de vannes et de contrôleurs sont brièvement discutés ainsi que les applications typiques pour les systèmes à vapeur et à eau.

Qu’est-ce que la régulation de température auto-actionnée et comment fonctionne-t-elle ?

Il existe deux formes principales de régulation de température auto-actionnée disponibles sur le marché : les systèmes à remplissage liquide et les systèmes à tension de vapeur. Les régulations de température auto-actionnées sont auto-alimentées, sans besoin d’électricité ou d’air comprimé. Le système de régulation est un élément monobloc comprenant un capteur, un tube capillaire et un actionneur. C’est ensuite connecté à la vanne de régulation appropriée, comme montré dans la Figure 7.1.1.

Le principe auto-actionné Si un fluide sensible à la température est chauffé, il se dilatera. S’il est refroidi, il se contractera. Dans le cas d’une régulation de température auto-actionnée, le fluide de remplissage sensible à la température dans le capteur et le capillaire se dilatera avec une augmentation de température (voir Figure 7.1.2). La force créée par cette dilatation (ou contraction dans le cas où moins de chaleur est appliquée au capteur) est transférée via le capillaire à l’actionneur, ouvrant ou fermant ainsi la vanne de régulation, et contrôlant à son tour le débit de fluide à travers la vanne de régulation. Le fluide hydraulique reste sous forme liquide.

Il existe une relation linéaire entre le changement de température au capteur et la quantité de mouvement à l’actionneur. Ainsi, la même quantité de mouvement peut être obtenue pour chaque unité égale de montée ou de descente de température. Cela signifie qu’un système de régulation de température auto-actionné donne une « régulation proportionnelle » ; la pleine plage de la bande proportionnelle agissant au-dessus ou en dessous de la consigne selon que l’application est un chauffage ou un refroidissement. Par exemple, si la bande proportionnelle d’un système de chauffage auto-actionné était de 5°C, et que la consigne était de 70°C, alors la vanne serait entièrement fermée à 70°C et entièrement ouverte à 65°C. Avec un refroidissement réglé à 70°C, la vanne serait entièrement ouverte à 70°C, et entièrement fermée à 65°C. La bande proportionnelle varie selon la taille de la vanne, les vannes plus grandes ayant des bandes P plus larges. Si une vanne est trop grande pour l’application, le seul vrai problème est que la stabilité du système sera compromise ; si l’orifice de la vanne est plus grand qu’il ne devrait être, un petit changement dans la condition régulée (peut-être la température du débit secondaire d’un calorifère de chauffage) permet un changement trop important du débit de vapeur. Le résultat est que le système pourrait fonctionner de manière tout ou rien, plutôt que de manière modulante. Pour abaisser la température de consigne

Le bouton de réglage est tourné dans le sens horaire pour insérer le piston plus profondément dans le capteur. Cela réduit effectivement la quantité d’espace disponible pour le remplissage liquide, ce qui signifie que la vanne est fermée à une température plus basse. La température de consigne sera donc plus basse. Sur les systèmes de régulation avec des ajustements à cadran, le même effet sera obtenu (généralement) en utilisant un tournevis pour tourner la vis de réglage dans le sens horaire. Pour élever la température de consigne

Le bouton de réglage est tourné dans le sens anti-horaire pour diminuer la longueur du piston inséré dans le capteur. Cela augmente la quantité d’espace disponible pour le remplissage liquide, ce qui signifie qu’une température plus élevée sera nécessaire pour provoquer la dilatation suffisante du remplissage pour fermer la vanne de régulation. La température de consigne sera donc plus élevée. Encore une fois, typiquement pour un ajustement à cadran, un tournevis est utilisé pour tourner la vis de réglage dans le sens anti-horaire. Protection contre les surchauffes En cas de dépassement de température au-dessus de la température de consigne (les causes possibles pouvant être une vanne de régulation fuyante, un mauvais réglage, ou une source de chaleur additionnelle séparée) ; une série de ressorts à disques logés à l’intérieur du piston absorbera la dilatation excessive du remplissage. Cela empêchera le système de régulation de se rompre. Lorsque le dépassement de température a cessé, les ressorts à disques reviendront à leur position originale et le système de régulation fonctionnera normalement. Le dépassement est typiquement de 30°C à 50°C au-dessus de la température de consigne, selon le type de régulation.

Un système de régulation à tension de vapeur a un système de détection rempli d’un mélange de liquide et de vapeur. Une augmentation de la température du capteur fait bouillir une plus grande proportion de vapeur à partir du liquide qu’il contient, augmentant la pression de vapeur dans le système du capteur et du capillaire. Cette augmentation de pression est transmise à travers le capillaire vers un soufflet ou un ensemble membrane à l’extrémité opposée (voir Figure 7.1.3).

Un système à tension de vapeur suit une courbe de saturation pression/température unique pour le fluide contenu par le système. Tous les fluides ont une relation entre la pression et leur température d’ébullition. Le résultat peut être tracé par une courbe de saturation. La courbe de saturation de l’eau peut être vue dans la Figure 7.1.4. La Figure 7.1.4 illustre comment un changement de température de 5°C à 150°C provoquera un changement de 0,65 bar de la pression du système. À la base de l’échelle, un changement de température de 5°C ne résulte qu’en un changement de 0,18 bar de la pression du système. Ainsi pour le même changement de température, la vanne se déplacera davantage dans la partie supérieure de la plage de température que dans la partie inférieure. Par conséquent, pour déplacer une vanne de entièrement ouverte à entièrement fermée, un changement de température plus important est nécessaire dans la partie inférieure de la plage que dans la partie supérieure. Les fabricants de ces types de systèmes de régulation à tension de vapeur suggèrent souvent que la régulation ne soit utilisée que dans la partie supérieure de sa plage, mais cela signifie que pour couvrir une étendue de température raisonnable, des remplissages différents sont utilisés (y compris l’eau, le méthanol et le benzène). Alternativement, un système à remplissage liquide donnera une véritable relation linéaire entre le changement de température et le mouvement de la vanne, en grande partie parce que le liquide est incompressible. La température de consigne peut être étalonnée en degrés et non simplement par une série de chiffres. Il n’y a pas de confusion sur l’ajustement de la température de consigne ; ce qui réduit le temps de mise en service. De plus, l’ajustement, qui est effectué en modifiant la quantité d’espace disponible pour le remplissage liquide, peut être effectué n’importe où entre la vanne de régulation et le capteur. Ce n’est pas le cas avec les systèmes à tension de vapeur, qui ne peuvent généralement être ajustés qu’à la vanne de régulation.

• Les vannes de régulation à tension de vapeur fuient parfois par la tige. Pour éviter le coût supplémentaire d’un second mécanisme d’étanchéité par soufflet, la plupart des fabricants de régulations à tension de vapeur utilisent un joint mécanique sur la tige de la vanne. Ceux-ci ont tendance à être soit trop lâches, provoquant des fuites ; soit trop serrés, provoquant trop de friction sur la tige et le coincement de la vanne.
• Dans les systèmes à liquide, parce que le mouvement de la vanne est véritablement proportionnel au changement de température et que le joint de la vanne est sans friction, la régulation de température a une très grande plage de modulation et peut contrôler à des charges très faibles.

Les vannes pour les systèmes de régulation de température auto-actionnés peuvent être divisées en trois groupes :

• Vannes à deux voies normalement ouvertes.
• Vannes à deux voies normalement fermées.
• Vannes de mélange ou de dérivation à trois voies.

Vannes de régulation à deux voies normalement ouvertes Ces vannes sont pour les applications de chauffage, qui est le type d’application le plus courant. Elles sont maintenues en position ouverte par un ressort. Une fois le système en fonctionnement, toute augmentation de température, détectée par le capteur, provoquera la dilatation du remplissage et commencera à fermer la vanne, restreignant le débit du milieu de chauffage. Vannes de régulation à deux voies normalement fermées Ces vannes sont pour les applications de refroidissement. Elles sont maintenues en position fermée par un ressort. Lorsque le système est en fonctionnement, toute augmentation de température provoquera la dilatation du remplissage et commencera à ouvrir la vanne, permettant au milieu de refroidissement de s’écouler. Force requise pour fermer une vanne de régulation auto-actionnée La force de fermeture requise sur le clapet de la vanne est le produit de la surface de l’orifice de la vanne et de la pression différentielle comme montré dans l’Équation 7.1.1. Notez que pour les vannes vapeur à deux voies, la pression différentielle doit être prise comme la pression absolue de vapeur amont ; tandis que pour les vannes eau à deux voies ce sera la pression manométrique maximale de la pompe moins la perte de charge le long de la conduite entre la pompe et l’entrée de la vanne. Exemple 7.1.1 Calculer la force requise pour fermer la vanne si l’orifice d’une vanne vapeur est de 20 mm de diamètre et la pression de vapeur est de 9 bar g. (La pression différentielle maximale est de 9 + 1 = 10 bar absolus). Cela signifie que l’actionneur doit fournir au moins 314 newtons pour fermer la vanne de régulation contre la pression de vapeur amont de 9 bar g.

On peut voir de l’Exemple 7.1.1 que la force requise pour fermer la vanne augmente avec le carré du diamètre. Il y a une quantité limitée de force disponible de l’actionneur, c’est pourquoi la pression maximale contre laquelle une vanne peut se fermer diminue avec l’augmentation de la taille de la vanne.

Cela limiterait effectivement les régulations de température auto-actionnées à de basses pressions dans les tailles supérieures à DN25, sans un dispositif d’équilibrage. L’équilibrage peut être réalisé au moyen d’un soufflet ou d’un double siège. Vannes à soufflet équilibré

Dans une vanne à soufflet équilibré, un soufflet d’équilibrage de même surface effective que l’orifice du siège est utilisé pour contrer les forces agissant sur le clapet de la vanne. Un petit trou au centre de la tige de la vanne forme un tube d’équilibrage, permettant à la pression de l’amont du clapet d’être transmise au logement du soufflet (voir Figure 7.1.5). De même, les forces sur le clapet pressurisent l’intérieur du soufflet. La pression différentielle aux bornes du soufflet est donc la même que la pression différentielle aux bornes du clapet, mais puisque les forces agissent dans des directions opposées, elles s’annulent mutuellement.

Le soufflet d’équilibrage peut typiquement être fabriqué en :

• Bronze phosphoreux.
• Acier inoxydable, qui permet des pressions et températures plus élevées.

Vannes de régulation à double siège

Les vannes de régulation à double siège sont utiles lorsqu’un débit à grande capacité est requis et qu’une fermeture étanche n’est pas nécessaire. Elles peuvent fermer contre des pressions différentielles plus élevées que les vannes à simple siège de même taille. C’est parce que la vanne de régulation comprend deux clapets sur une tige commune avec deux sièges correspondants, comme montré dans la Figure 7.1.6. Les forces agissant sur les deux clapets sont presque équilibrées. Bien que la pression différentielle essaie de maintenir un clapet éloigné de son siège, elle pousse l’autre clapet sur son siège. Cependant, les tolérances nécessaires pour fabriquer les composants de la vanne de régulation rendent difficile l’obtention d’une fermeture étanche. Cela n’est pas aidé par le fait que le clapet inférieur et son siège sont plus petits que leur homologue supérieur, ce qui permet le retrait de l’ensemble complet pour la maintenance. De plus, bien que le corps et le shuttle de la vanne soient le même matériau, de petites variations dans la chimie des pièces individuelles peuvent entraîner de subtiles variations des coefficients de dilatation, ce qui affecte négativement la fermeture. Une vanne de régulation à double siège ne doit pas être utilisée comme dispositif de sécurité avec une protection de limite haute. Vannes de régulation avec orifice de purge fixe intégré Une vanne normalement fermée nécessitera généralement une purge fixe (Figure 7.1.7) pour permettre un petit débit à travers la vanne de régulation lorsqu’elle est entièrement fermée. Les vannes de régulation auto-actionnées normalement fermées sont parfois appelées à action inversée (RA).

Une application typique pour ce type de vanne est la régulation du débit d’eau de refroidissement (fluide caloporteur) pour un moteur industriel tel qu’un compresseur à air (Figure 7.1.8). La vanne de régulation, contrôlant le débit de fluide caloporteur à travers le moteur, est en amont du moteur et le capteur de température enregistre sa température à la sortie du moteur. Si le fluide caloporteur sortant du moteur est plus chaud que la consigne, la vanne de régulation s’ouvre pour permettre à plus de fluide caloporteur de traverser la vanne. Cependant, une fois que l’eau sortant du moteur atteint la température de consigne requise, la vanne se refermera. Sans orifice de purge, le fluide caloporteur ne s’écoulerait plus et continuerait à absorber la chaleur du moteur. Sans que le capteur d’aval ne détecte une élévation de température, le moteur risquerait de surchauffer. Si la vanne de régulation a un orifice de purge de diamètre fixe, suffisamment d’eau de refroidissement peut s’écouler à travers la vanne pour permettre au capteur d’aval d’enregistrer une température représentative lorsque la vanne est fermée. Cette caractéristique est essentielle lorsque le capteur est éloigné de la source de chaleur de l’application. Une vanne normalement fermée peut également avoir un dispositif fusible optionnel (voir Figure 7.1.7). Le dispositif fond en cas de surchauffe, supprimant la tension du ressort sur le clapet de la vanne et ouvrant la vanne pour permettre à l’eau de refroidissement d’entrer dans le système. Il est courant avec ce type de dispositif de sécurité, qu’une fois le dispositif fusible fondu, il ne peut être réparé et doit être remplacé. Vannes de régulation à trois voies ****La plupart des vannes de régulation utilisées avec les systèmes de régulation auto-actionnés sont à deux voies. Cependant, la Figure 7.1.9 illustre une vanne de régulation auto-actionnée à piston à trois voies. L’avantage de ce type de conception de vanne permet d’utiliser la même vanne pour des applications de mélange ou de dérivation d’eau ; ce qui n’est normalement pas le cas avec les vannes nécessitant des actionneurs électriques ou pneumatiques.

Les applications les plus courantes sont pour le chauffage de l’eau, mais les vannes de régulation à trois voies peuvent également être utilisées pour des applications de refroidissement telles que les refroidisseurs d’air, et sur des circuits à pompage dans les applications de chauffage, ventilation et climatisation. Lorsqu’une vanne de régulation à trois voies est utilisée comme vanne de mélange (voir Figure 7.1.10), le port à volume constant « O » est utilisé comme sortie commune.

Lorsqu’une vanne de régulation à trois voies est utilisée comme vanne de dérivation (voir Figure 7.1.11), le port à volume constant est utilisé comme entrée commune.

Vanne de régulation à trois voies autonome

Un autre type de vanne de régulation auto-actionnée à trois voies contient un dispositif de détection de température intégré et ne nécessite donc pas de contrôleur de température externe pour fonctionner. Elle peut être utilisée pour protéger les chaudières à eau chaude basse température (LTHW) contre la corrosion des tubes de flamme pendant les séquences de démarrage lorsque la température de l’eau de retour secondaire est basse (voir Figure 7.1.12). Au démarrage, la vanne permet à l’eau secondaire froide de contourner le système externe et de s’écouler à travers le circuit de la chaudière. Cela permet à l’eau dans la chaudière de chauffer rapidement, minimisant la condensation de la vapeur d’eau dans les fumées. À mesure que l’eau de la chaudière chauffe, elle est progressivement mélangée avec l’eau du système principal, maintenant ainsi la protection pendant que l’ensemble du système est progressivement amené à température. Ce type de vanne de régulation peut également être utilisé sur des systèmes de refroidissement tels que ceux trouvés sur les compresseurs à air (Figure 7.1.13).