Caractéristiques des control valves

Différents types de caractéristiques d’écoulement sont disponibles. Ce tutoriel aborde les trois principaux types utilisés dans les applications d’eau et de steam : ouverture rapide, linéaire et pourcentage égal ; comment ils se comparent et comment (et pourquoi) ils doivent être adaptés à l’application dans laquelle ils sont utilisés.

Caractéristiques d’écoulement Toutes les control valves possèdent une caractéristique d’écoulement inhérente qui définit la relation entre l’« ouverture de la valve » et le débit dans des conditions de pression constantes. Veuillez noter que « ouverture de la valve » dans ce contexte fait référence à la position relative du clapet par rapport à sa position fermée contre le siège de la valve. Cela ne fait pas référence à la surface de passage de l’orifice. La surface de passage de l’orifice est parfois appelée le « col de la valve » et est le point le plus étroit entre le clapet et le siège à travers lequel le fluide passe à tout moment. Pour toute valve, quelle que soit sa caractérisation, la relation entre le débit et la surface de passage de l’orifice est toujours directement proportionnelle.

Les valves de toute taille ou caractéristique d’écoulement inhérente soumises au même débit volumétrique et à la même pression différentielle auront exactement la même surface de passage de l’orifice. Cependant, des caractéristiques de valve différentes donneront des « ouvertures de valve » différentes pour la même surface de passage. En comparant des valves linéaires et à pourcentage égal, une valve linéaire pourrait avoir une ouverture de 25 % pour une certaine chute de pression et un certain débit, tandis qu’une valve à pourcentage égal pourrait avoir une ouverture de 65 % pour exactement les mêmes conditions. Les surfaces de passage de l’orifice seront identiques.

La forme physique de l’ensemble clapet-siège, parfois appelée la « garniture » de la valve, provoque la différence d’ouverture entre ces valves. Les formes typiques de garniture pour les valves globe à tige sont comparées dans la Figure 6.5.1. Dans ce Module, le terme « levée de valve » est utilisé pour définir l’ouverture de la valve, qu’il s’agisse d’une valve globe (mouvement vertical du clapet par rapport au siège) ou d’une valve rotative (mouvement latéral du clapet par rapport au siège).

Les valves rotatives (par exemple, à boisseau sphérique et papillon) ont chacune une courbe caractéristique de base, mais celle-ci peut être modifiée en altérant les détails du boisseau sphérique ou du papillon. Les caractéristiques d’écoulement inhérentes des valves globe et rotatives typiques sont comparées dans la Figure 6.5.2.

Des exemples de ces valves et de leurs caractéristiques inhérentes sont présentés dans les Figures 6.5.1 et 6.5.2.

Caractéristique d’ouverture rapide Le clapet à caractéristique d’ouverture rapide donnera une grande variation de débit pour une faible levée de valve à partir de la position fermée. Par exemple, une levée de 50 % peut entraîner une surface de passage d’orifice et un débit allant jusqu’à 90 % de son potentiel maximum.

Une valve utilisant ce type de clapet est parfois décrite comme ayant une caractéristique « tout ou rien ».

Contrairement aux caractéristiques linéaires et à pourcentage égal, la forme exacte de la courbe d’ouverture rapide n’est pas définie dans les normes. Par conséquent, deux valves, l’une donnant 80 % de débit pour 50 % de levée, l’autre 90 % de débit pour 60 % de levée, peuvent toutes deux être considérées comme ayant une caractéristique d’ouverture rapide.

Les valves à ouverture rapide sont généralement actionnées électriquement ou pneumatiquement et utilisées pour le contrôle « tout ou rien ».

Le type de control valve auto-régulé tend à avoir une forme de clapet similaire au clapet d’ouverture rapide de la Figure 6.5.1. La position du clapet répond aux changements de pression du liquide ou de la vapeur dans le système de contrôle. Le mouvement de ce type de clapet peut être extrêmement petit par rapport aux faibles variations de la condition contrôlée, et par conséquent la valve a une plage de régulation intrinsèquement élevée. Le clapet est donc capable de reproduire de petites variations de débit et ne doit pas être considéré comme une control valve à ouverture rapide.

Caractéristique linéaire Le clapet à caractéristique linéaire est formé de sorte que le débit est directement proportionnel à la levée de valve (H), à une pression différentielle constante. Une valve linéaire y parvient en ayant une relation linéaire entre la levée de valve et la surface de passage de l’orifice (voir Figure 6.5.3). Par exemple, à 40 % de levée, une taille d’orifice de 40 % permet le passage de 40 % du débit total.

Caractéristique à pourcentage égal (ou caractéristique logarithmique) Ces valves ont un clapet formé de sorte que chaque incrément de levée augmente le débit d’un certain pourcentage du débit précédent. La relation entre la levée de valve et la taille d’orifice (et donc le débit) n’est pas linéaire mais logarithmique, et s’exprime mathématiquement dans l’Équation 6.5.1 : Exemple 6.5.1 Le débit maximum à travers une control valve à caractéristique à pourcentage égal est de 10 m³/h. Si la valve a une plage de régulation de 50:1 et est soumise à une pression différentielle constante, en utilisant l’Équation 6.5.1, quelle quantité passera à travers la valve à des levées de 40 %, 50 % et 60 % respectivement ? L’augmentation du débit volumétrique à travers ce type de control valve augmente d’un pourcentage égal par incrément égal de mouvement de valve :

• Lorsque la valve est ouverte à 50 %, elle passera 1,414 m³/h, soit une augmentation de 48 % par rapport au débit de 0,956 m³/h lorsque la valve est ouverte à 40 %.
• Lorsque la valve est ouverte à 60 %, elle passera 2,091 m³/h, soit une augmentation de 48 % par rapport au débit de 1,414 m³/h lorsque la valve est ouverte à 50 %. On constate que (avec une pression différentielle constante) pour toute augmentation de 10 % de la levée, il y a une augmentation de 48 % du débit à travers la control valve. Ce sera toujours le cas pour une valve à pourcentage égal avec une plage de régulation de 50. À titre indicatif, si une valve a une plage de régulation de 100, l’augmentation incrémentielle du débit pour un changement de 10 % de la levée est de 58 %.

Le Tableau 6.5.1 montre comment la variation de débit évolue sur la plage de levée pour la valve à pourcentage égal de l’Exemple 6.5.1 avec une plage de régulation de 50 et une pression différentielle constante. Quelques autres caractéristiques inhérentes de valve sont parfois utilisées, telles que parabolique, linéaire modifiée ou hyperbolique, mais les types les plus courants en fabrication sont l’ouverture rapide, le linéaire et le pourcentage égal. Adaptation de la caractéristique de valve à la caractéristique d’installation Chaque application aura une caractéristique d’installation unique qui relie le débit du fluide à la demande de chaleur. La pression différentielle à travers la valve contrôlant le débit du fluide de chauffage peut également varier :

• Dans les systèmes d’eau, la courbe caractéristique de la pompe signifie que lorsque le débit diminue, la pression en amont de la valve augivement (se référer à l’Exemple 6.5.2 et au Module 6.3).
• Dans les systèmes de contrôle de température de steam, la chute de pression à travers la control valve est délibérément modifiée pour satisfaire la charge thermique requise. La caractéristique de la control valve choisie pour une application doit résulter en une relation directe entre l’ouverture de la valve et le débit, sur la plus grande partie possible de la course de la valve.

Cette section examinera les différentes options de caractéristiques de valve pour le contrôle des systèmes d’eau et de steam. En général, les valves linéaires sont utilisées pour les systèmes d’eau tandis que les systèmes de steam fonctionnent mieux avec des valves à pourcentage égal. 1. Un système de chauffage à circulation d’eau avec valve trois voies Dans les systèmes d’eau où un débit constant d’eau est mélangé ou détourné par une valve trois voies dans un circuit équilibré, la perte de pression à travers la valve est maintenue aussi stable que possible pour maintenir l’équilibre du système**.

Conclusion** - Le meilleur choix dans ces applications est généralement une valve à caractéristique linéaire. Pour cette raison, les caractéristiques installée et inhérente sont toujours similaires et linéaires, et il y aura une amplification limitée dans la boucle de contrôle.2. Un système de contrôle de niveau d’eau de chaudière – un système d’eau avec valve deux voies Dans les systèmes de ce type (un exemple est montré dans la Figure 6.5.6), où une valve de contrôle d’eau d’alimentation deux voies varie le débit d’eau, la chute de pression à travers la control valve variera avec le débit. Cette variation est causée par :

• La caractéristique de la pompe. Lorsque le débit diminue, la pression différentielle entre la pompe et la chaudière augmente (ce phénomène est discuté plus en détail dans le Module 6.3).
• La résistance par friction de la tuyauterie change avec le débit. La perte de charge due à la friction est proportionnelle au carré de la vitesse. (Ce phénomène est discuté plus en détail dans le Module 6.3).
• La pression dans la chaudière variera en fonction de la charge de steam, du type de système de contrôle du brûleur et de son mode de contrôle. Exemple 6.5.2 Sélectionner et dimensionner la valve d’eau d’alimentation dans la Figure 6.5.6 Dans un exemple simplifié (qui suppose une pression de chaudière constante et une perte par friction constante dans la tuyauterie), une chaudière est conçue pour produire 10 tonnes de steam par heure. La caractéristique de performance de la pompe d’alimentation est tabulée dans le Tableau 6.5.2, ainsi que la pression différentielle (ΔP) résultante à travers la valve d’eau d’alimentation à différents débits, à et en dessous du débit maximum requis de 10 m³/h d’eau d’alimentation.

Remarque : Le ΔP de la valve est la différence entre la pression de refoulement de la pompe et une pression de chaudière constante de 10 bar g. Notez que la pression de refoulement de la pompe diminuera à mesure que le débit d’eau d’alimentation augmente. Cela signifie que la pression de l’eau avant la valve d’alimentation diminue également avec l’augmentation du débit, ce qui affectera la relation entre la chute de pression et le débit à travers la valve.

On peut déterminer à partir du Tableau 6.5.2 que la baisse de la pression de refoulement de la pompe est d’environ 26 % du régime sans charge au régime pleine charge, mais la baisse de la pression différentielle à travers la valve d’alimentation est beaucoup plus importante à 72 %. Si la chute de pression différentielle à travers la valve n’est pas prise en compte lors du dimensionnement, la valve pourrait être sous-dimensionnée. Comme discuté dans les Modules 6.2 et 6.3, les capacités des valves sont généralement mesurées en termes de Kv. Plus précisément, Kvs se rapporte à la surface de passage de la valve lorsqu’elle est totalement ouverte, tandis que Kvr se rapporte à la surface de passage de la valve telle que requise par l’application.

Considérons que la surface de passage d’une valve totalement ouverte avec un Kvs de 10 est de 100 %. Si la valve se ferme de sorte que la surface de passage est de 60 % de la surface en position totalement ouverte, le Kvr est également de 60 % de 10 = 6. Cela s’applique quelle que soit la caractéristique inhérente de la valve. Le débit à travers la valve à chaque ouverture dépendra de la pression différentielle au moment considéré.

En utilisant les données du Tableau 6.5.2, la capacité de valve requise, Kvr, peut être calculée pour chaque débit incrémental et chaque pression différentielle de valve, en utilisant l’Équation 6.5.2, qui est dérivée de l’Équation 6.3.2. Le Kvr peut être considéré comme la capacité réelle de valve requise par l’installation et, s’il est tracé en fonction du débit requis, le graphique résultant peut être appelé la « courbe d’installation ». À pleine charge, à partir du Tableau 6.5.2 :

Débit requis à travers la valve = 10 m³/ h

ΔP à travers la valve = 1,54 bar

À partir de l’Équation 6.5.2 :

En prenant le débit de valve et le ΔP de valve du Tableau 6.5.2, un Kvr pour chaque incrément peut être déterminé à partir de l’Équation 6.5.2 ; ceux-ci sont tabulés dans le Tableau 6.5.3. Construction de la courbe d’installation Le Kvr de 8,06 satisfait la condition de débit maximum de 10 m3/h pour cet exemple.

La courbe d’installation pourrait être construite en comparant le débit au Kvr, mais il est généralement plus pratique de visualiser la courbe d’installation en termes de pourcentage. Cela signifie simplement le pourcentage du Kvr par rapport au Kvs, ou en d’autres termes, le pourcentage de la surface de passage réelle par rapport à la surface de passage en position totalement ouverte.

Pour cet exemple : La courbe d’installation est construite en prenant le rapport du Kvr à n’importe quelle charge par rapport au Kvs de 8,06. Une valve avec un Kvs de 8,06 serait « parfaitement dimensionnée » et décrirait la courbe d’installation, comme tabulé dans le Tableau 6.5.4 et tracé dans la Figure 6.5.7. Cette courbe d’installation peut être considérée comme la capacité de valve d’une valve parfaitement dimensionnée pour cet exemple.**** On peut voir que, comme la valve est « parfaitement dimensionnée » pour cette installation, le débit maximum est satisfait lorsque la valve est totalement ouverte.

Cependant, il est peu probable et indésirable de sélectionner une valve parfaitement dimensionnée. En pratique, la valve sélectionnée serait généralement au moins une taille au-dessus, et aurait donc un Kvs supérieur au Kvr de l’installation.

Comme une valve avec un Kvs de 8,06 n’est pas disponible commercialement, la valve standard suivante de taille supérieure aurait un Kvs de 10 avec des raccordements nominaux DN25.

Il est intéressant de comparer des valves linéaires et à pourcentage égal ayant un Kvs de 10 par rapport à la courbe d’installation de cet exemple.

Considérons une valve à caractéristique inhérente linéaire Une valve à caractéristique linéaire signifie que la relation entre la levée de valve et la surface de passage de l’orifice est linéaire. Par conséquent, la surface de passage et la levée de valve à toute condition de débit sont simplement le Kvr exprimé en proportion du Kvs de la valve. Par exemple :**** On peut voir du Tableau 6.5.4 qu’au débit maximum de 10 m³/h, le Kvr est de 8,06. Si la valve linéaire a un Kvs de 10, pour que la valve satisfasse le débit maximum requis, la valve se lèvera : En utilisant la même méthode, la taille d’orifice et la levée de valve requise à différents débits peuvent être déterminées pour la valve linéaire, comme montré dans le Tableau 6.5.5. Une valve à pourcentage égal nécessitera exactement la même surface de passage pour satisfaire le même débit maximum, mais sa levée sera différente de celle de la valve linéaire.

Considérons une valve à caractéristique inhérente à pourcentage égal

Étant donné une plage de régulation de valve de 50:1, τ = 50, la levée (H) peut être déterminée en utilisant l’Équation 6.5.1 : Le pourcentage de levée de valve est noté par l’Équation 6.5.3. Comme le débit volumétrique à travers toute valve est proportionnel à la surface de passage de l’orifice, l’Équation 6.5.3 peut être modifiée pour donner la levée de valve à pourcentage égal en termes de surface de passage et donc de Kv.

Cela est montré par l’Équation 6.5.4. Comme déjà calculé, le Kvr au débit maximum de 10 m³/h est de 8,06, et le Kvs de la valve DN25 est de 10. En utilisant l’Équation 6.5.4, la levée de valve requise à pleine charge est donc :donc :

Tableau**** 6.5.10 Comparaison des levées de valve (Kvs 160) le Kvr et la courbe d’installation

*La courbe d’installation est le pourcentage du Kvr à toute charge par rapport au Kvr à charge maximale

On peut voir de la Figure 6.5.11 que les deux courbes de valve se sont déplacées vers la gauche par rapport aux valves plus petites (correctement dimensionnées) de la Figure 6.5.10, tandis que la courbe d’installation reste statique.

Le changement pour la valve linéaire est assez spectaculaire ; on peut voir qu’à 30 % de charge, la valve n’est ouverte qu’à 10 %. Même à 85 % de charge, la valve n’est ouverte qu’à 30 %. On peut également observer que la variation de débit est importante pour un changement relativement faible de la levée. Cela signifie effectivement que la valve fonctionne comme une valve à action rapide sur jusqu’à 90 % de sa plage. Ce n’est pas le type de caractéristique inhérente le mieux adapté pour ce type d’installation de steam, car il est généralement préférable que les variations de débit de steam se produisent assez lentement.

Bien que la courbe de la valve à pourcentage égal ait changé de position, elle reste à droite de la courbe d’installation et capable de fournir un bon contrôle. La partie inférieure de sa courbe est relativement peu pentue, offrant une ouverture plus lente lors de sa course initiale, et est meilleure pour le contrôle du débit de steam que la valve linéaire dans ce cas.

Les circonstances pouvant conduiter à un surdimensionnement comprennent :

• Les données d’application sont approximatives, et par conséquent un « facteur de sécurité » supplémentaire est inclus.
• Les méthodes de dimensionnement qui incluent des « facteurs » opérationnels tels qu’une provision excessive pour l’encrassement.
• Le Kvr calculé n’est que légèrement supérieur au Kvs d’une valve standard, et la taille suivante supérieure doit être sélectionnée. Il existe également des situations où :
• La chute de pression disponible à travers la control valve à pleine charge est faible. Par exemple, si la pression d’alimentation en steam est de 4,5 bar a et la pression de steam requise dans l’échangeur de chaleur à pleine charge est de 4 bar a, cela ne donne qu’une chute de pression de 11 % à pleine charge.
• La charge minimale est beaucoup inférieure à la charge maximale. Une caractéristique de valve linéaire signifierait que le clapet fonctionne près du siège, avec un risque de dommage.

Dans ces circonstances courantes, la caractéristique de valve à pourcentage égal fournira une solution beaucoup plus flexible et pratique.

C’est pourquoi la plupart des fabricants de control valves recommanderont une caractéristique à pourcentage égal pour les control valves deux voies, en particulier lorsqu’elles sont utilisées avec des fluides compressibles tels que le steam.

Veuillez noter : Étant donné l’opportunité, il est préférable de dimensionner les valves de steam avec une chute de pression aussi élevée que possible à charge maximale ; même avec une chute de pression critique se produisant à travers la control valve si les conditions le permettent. Cela aide à réduire la taille et le coût de la control valve, donne une courbe d’installation plus linéaire, et offre la possibilité de sélectionner une valve linéaire.

Cependant, les conditions peuvent ne pas le permettre. La valve ne peut être dimensionnée que selon les conditions d’application. Par exemple, si la pression de fonctionnement de l’échangeur de chaleur est de 4,5 bar a et que la pression de steam disponible maximum n’est que de 5 bar a, la valve ne peut être dimensionnée que sur une chute de pression de 10 % ([5 – 4,5]/5). Dans cette situation, dimensionner la valve sur une chute de pression critique aurait réduit la taille de la control valve et privé l’échangeur de chaleur de steam.

S’il était impossible d’augmenter la pression d’alimentation en steam, une solution serait d’installer un échangeur de chaleur fonctionnant à une pression plus basse. De cette façon, la chute de pression augmenterait à travers la control valve. Cela pourrait résulter en une valve plus petite mais aussi un échangeur de chaleur plus grand, car la température de fonctionnement de l’échangeur de chaleur est maintenant plus basse.

Un autre ensemble d’avantages découle des échangeurs de chaleur plus grands fonctionnant à des pressions de steam plus basses :

• Il y a moins de tendance à la formation de tartre et d’encrassement sur les surfaces de chauffage.
• Il y a moins de flash steam produit dans le système de condensat.
• Il y a moins de contre-pression dans le système de condensat. Un équilibre doit être trouvé entre le coût de la control valve et de l’échangeur de chaleur, la capacité de la valve à contrôler correctement, et les effets sur le reste du système comme expliqué ci-dessus. Sur les systèmes de steam, les valves à pourcentage égal seront généralement un meilleur choix que les valves linéaires, car si des chutes de pression faibles se produisent, elles auront moins d’effet sur leur performance sur toute la plage de mouvement de la valve.