Dimensionnement des control valves pour les systèmes d'eau

Ce tutoriel décrit brièvement comment utiliser les coefficients de débit pour dimensionner les valves pour les systèmes d’eau, la différence entre l’utilisation de valves à deux et trois voies et l’effet de ces valves sur la chute de pression, le débit et les caractéristiques du système d’eau. L’importance de l’autorité de la valve est également expliquée, ainsi que les causes et effets de la cavitation et du flashing dans certaines conditions.

La control valve peut être dimensionnée pour fonctionner à une certaine pression différentielle en utilisant un graphique reliant le débit, la chute de pression et les coefficients de débit de la valve.

Alternativement, le coefficient de débit peut être calculé à l’aide d’une formule. Une fois déterminé, le coefficient de débit est utilisé pour sélectionner la valve de taille correcte à partir des données techniques du fabricant.

Historiquement, la formule du coefficient de débit a été dérivée en utilisant des unités impériales, offrant une mesure en gallons/minute avec une pression différentielle d’une livre par pouce carré. Il existe deux versions du coefficient impérial, une version britannique et une version américaine, et il faut être prudent lors de leur utilisation car chacune est différente, même si le symbole adopté pour les deux versions est « Cv ». La version britannique utilise des gallons impériaux, tandis que la version américaine utilise des gallons américains, qui représentent 0,833 du volume d’un gallon impérial. Le symbole adopté pour les deux versions est Cv. La version métrique du coefficient de débit a été initialement dérivée en termes de mètres cubes par heure (m³/h) de débit pour une pression différentielle mesurée en kilogramme-force par mètre carré (kgf/m²). Cette définition avait été dérivée avant l’existence d’une norme européenne qui définissait Kv en termes d’unités SI (bar). Cependant, une norme SI existe depuis 1987 sous la forme de l’IEC 534 -1 (maintenant EN 60534 -1). La définition standard relie maintenant le débit en termes de m³/h pour une pression différentielle de 1 bar. Les deux versions métriques sont encore utilisées avec le symbole adopté Kv, et bien que la différence entre elles soit assez petite, il est important de s’assurer ou de préciser laquelle est utilisée. Certains fabricants citent par erreur des valeurs de conversion Kv sans qualifier l’unité de la pression différentielle.

Le Tableau 6.3.1 convertit les différents types de coefficients de débit mentionnés ci-dessus : Par exemple, multiplier Kv (bar) par 1,16 pour convertir en Cv (US).

La version Kv citée dans ces modules est toujours mesurée en Kv (bar), c’est-à-dire en unités de m³/h bar, sauf indication contraire.

Pour l’écoulement liquide en général, la formule de Kv est montrée dans l’Équation 6.3.1. Parfois, le débit volumétrique doit être déterminé, en utilisant le coefficient de débit de la valve et la pression différentielle. Pour l’eau, G = 1, par conséquent l’équation pour l’eau peut être simplifiée comme montrée dans l’Équation 6.3.2. Exemple 6.3.1 10 m³/h d’eau sont pompés dans un circuit ; déterminer la chute de pression à travers une valve avec un Kv de 16 en utilisant l’Équation 6.3.2 : Alternativement, pour cet exemple, l’abaque montré à la Figure 6.3.1 peut être utilisé. (Remarque : un abaque Kv pour eau plus complet est montré à la Figure 6.3.2) :

1. Entrer dans l’abaque sur le côté gauche à 10 m³/h.
2. Projeter une ligne horizontalement vers la droite jusqu’à ce qu’elle croise le Kv = 16 (estimé).
3. Projeter une ligne verticalement vers le bas et lire la chute de pression depuis l’axe « X » (environ 40 kPa ou 0,4 bar). Remarque : Avant de dimensionner les valves pour les systèmes liquides, il est nécessaire de connaître les caractéristiques du système et de ses appareils constitutifs tels que les pompes.

Pompes ****Contrairement aux systèmes de steam, les systèmes liquides nécessitent une pompe pour faire circuler le liquide. Les pompes centrifuges sont souvent utilisées, qui ont une courbe caractéristique similaire à celle montrée à la Figure 6.3.3. Notez que lorsque le débit augmente, la pression de refoulement de la pompe diminue. Caractéristiques du système de circulation Il est important non seulement de considérer la taille d’une control valve d’eau, mais aussi le système dans lequel l’eau circule ; cela peut avoir une influence sur le type et la taille de valve utilisés, et sur l’endroit où elle devrait être positionnée dans le circuit.

Lorsque l’eau est mise en circulation dans un système, elle subira des pertes par friction. Ces pertes par friction peuvent être exprimées comme une perte de pression, et augmenteront proportionnellement au carré de la vitesse. Le débit peut être calculé à travers un tuyau de diamètre constant à toute autre perte de pression en utilisant l’Équation 6.3.3, où v̇1 et v̇2 doivent être dans les mêmes unités, et P1 et P2 doivent être dans les mêmes unités. Exemple 6.3.2

On observe que le débit v̇1 à travers un tuyau d’une certaine taille est de 2500 m³/h lorsque la perte de pression (P1) est de 4 bar. Déterminer la perte de pression à travers un tuyau de même taille (P2) si le débit v̇2 était de 3 500 m³/h, en utilisant l’Équation 6.3.3. On peut voir que lorsque davantage de liquide est pompé à travers un tuyau de même taille, le débit augmentera. Sur cette base, une courbe caractéristique du système, comme celle montrée à la Figure 6.3.4, peut être créée en utilisant l’Équation 6.3.3, où le débit augmente conformément à la loi du carré. Performances réelles On peut observer à partir des caractéristiques de la pompe et du système, que lorsque le débit et la friction augmentent, la pompe fournit moins de pression. Une situation est finalement atteinte où la pression de la pompe est égale à la friction dans le circuit, et le débit ne peut plus augmenter.

Si la courbe de la pompe et la courbe caractéristique du système sont tracées sur le même graphique - Figure 6.3.5, le point où la courbe de la pompe et la courbe caractéristique du système se croisent sera la performance réelle de la combinaison pompe/circuit. Valve à trois voies Une valve à trois voies peut être considérée comme une valve à débit constant, car, qu’elle soit utilisée pour mélanger ou dévier, le débit total à travers la valve reste constant. Dans les applications où de telles valves sont employées, le circuit d’eau se divisera naturellement en deux boucles distinctes, à débit constant et à débit variable.

Le système simple montré à la Figure 6.3.6 représente une valve de mélange maintenant un débit constant d’eau à travers le circuit « charge ». Dans un système de chauffage, le circuit de charge fait référence au circuit contenant les émetteurs de chaleur, tels que les radiateurs dans un bâtiment. La quantité de chaleur émise par les radiateurs dépend de la température de l’eau circulant dans le circuit de charge, qui à son tour dépend de la quantité d’eau circulant dans la valve de mélange depuis la chaudière, et de la quantité retournant à la valve de mélange via la ligne d’équilibrage.

Il est nécessaire d’installer une vanne d’équilibrage dans la ligne d’équilibrage. La vanne d’équilibrage est réglée pour maintenir la même résistance à l’écoulement dans la partie à débit variable du réseau de tuyauterie, comme illustré dans les Figures 6.3.6 et 6.3.7. Cela aide à maintenir une régulation fluide par la valve lorsqu’elle change de position.

En pratique, la valve de mélange est parfois conçue pour ne pas complètement fermer le port A ; cela garantit qu’un débit minimum passera toujours à travers la chaudière sous l’influence de la pompe.

Alternativement, la chaudière peut utiliser un circuit primaire, qui est également pompé pour permettre un flux constant d’eau à travers la chaudière, empêchant la chaudière de surchauffer.

Le système simple montré à la Figure 6.3.7 montre une valve de déviation maintenant un débit constant d’eau à travers la boucle à débit constant. Dans ce système, le circuit de charge reçoit un débit variable d’eau selon la position de la valve.

La température de l’eau dans le circuit de charge sera constante, car elle reçoit l’eau du circuit de la chaudière quelle que soit la position de la valve. La quantité de chaleur disponible pour les radiateurs dépend de la quantité d’eau circulant dans le circuit de charge, qui à son tour dépend du degré d’ouverture de la valve de déviation. L’effet de ne pas installer et régler une vanne d’équilibrage peut être observé à la Figure 6.3.8. Celle-ci montre la courbe de la pompe et la courbe du système changeant avec la position de la valve. Les deux courbes du système illustrent la différence de pression de pompe requise entre le circuit de charge P1 et le circuit de dérivation P2, en raison de la résistance plus faible offerte par le circuit d’équilibrage, si aucune vanne d’équilibrage n’est installée. Si le circuit n’est pas correctement équilibré, alors un court-circuit et une privation de tout autre sous-circuit (non montré) peuvent en résulter, et le circuit de charge peut être privé d’eau.

Valves à deux voies Lorsqu’une valve à deux voies est utilisée sur un système d’eau, à mesure que la valve se ferme, le débit diminuera et la pression en amont de la valve augmentera. Des changements dans la hauteur manométrique de la pompe se produiront à mesure que la control valve étrangle vers une position fermée. Les effets sont illustrés à la Figure 6.3.9.

Une baisse du débit augmente non seulement la pression de la pompe mais peut également augmenter la puissance consommée par la pompe. Le changement de pression de la pompe peut être utilisé comme signal pour actionner deux ou plusieurs pompes de capacités différentes, ou pour fournir un signal à des variateurs de vitesse de pompe. Cela permet d’adapter les débits de pompage à la demande, économisant les coûts de puissance de pompage.

Les control valves à deux voies sont utilisées pour contrôler le débit d’eau vers un processus, par exemple, pour le contrôle du niveau d’eau d’une chaudière à steam, ou pour maintenir le niveau d’eau dans un réservoir d’alimentation.

Elles peuvent également être utilisées sur des processus d’échange thermique, cependant, lorsque la valve à deux voies est fermée, l’écoulement d’eau dans la section de tuyauterie en amont de la control valve est arrêté, créant un « cul-de-sac ». L’eau dans le cul-de-sac peut perdre de la température au profit de l’environnement. Lorsque la control valve est rouverte, l’eau plus froide entrera dans les serpentins d’échange thermique et perturbera la température du processus. Pour éviter cette situation, le système de commande peut inclure un dispositif pour maintenir un débit minimum via un tuyau de petit diamètre et une vanne à soupape réglable, qui court-circuitent la control valve et le circuit de charge.

Les valves à deux voies sont utilisées avec succès sur les grands circuits de chauffage, où une multitude de valves sont incorporées dans le système global. Sur les grands systèmes, il est très peu probable que toutes les valves à deux voies soient fermées simultanément, résultant en une caractéristique intrinsèque d’« auto-équilibrage ». Ces types de systèmes ont également tendance à utiliser des pompes à vitesse variable qui modifient leurs caractéristiques de débit par rapport aux exigences de charge du système ; cela facilite l’opération d’auto-équilibrage. Lors de la sélection d’une control valve à deux voies pour une application :

• Si une control valve à deux voies largement sous-dimensionnée était installée dans un système, la pompe utiliserait une grande quantité d’énergie simplement pour faire passer suffisamment d’eau à travers la valve. En supposant qu’une quantité suffisante d’eau pourrait être forcée à travers la valve, la commande serait précise car même de petits incrément de mouvement de la valve entraîneraient des changements de débit. Cela signifie que toute la course de la valve pourrait être utilisée pour atteindre la commande.
• Si une control valve à deux voies largement surdimensionnée était installée dans le même système, l’énergie requise de la pompe serait réduite, avec peu de chute de pression à travers la valve en position complètement ouverte. Cependant, la course initiale de la valve de la position complètement ouverte vers la position fermée aurait peu d’effet sur le débit vers le processus. Lorsque le point où la commande est atteint, le grand orifice de la valve signifierait que de très petits incrément de course de la valve auraient un grand effet sur le débit. Cela pourrait résulter en une commande erratique avec une mauvaise stabilité et précision.

Un compromis est nécessaire, qui équilibre la bonne commande obtenue avec une petite valve contre la perte d’énergie réduite d’une grande valve. Le choix de la valve influencera la taille de la pompe, ainsi que les coûts d’investissement et de fonctionnement. Il est bonne pratique de considérer ces paramètres, car ils auront une incidence sur le coût global du cycle de vie du système.

Ces équilibres peuvent être réalisés en calculant l’« autorité de valve » par rapport au système dans lequel elle est installée. Autorité de valve ****L’autorité de valve peut être déterminée en utilisant l’Équation 6.3.4. La valeur de N doit être proche de 0,5 (mais pas supérieure), et certainement pas inférieure à 0,2.

Cela garantira que chaque incrément de mouvement de la valve aura un effet sur le débit sans augmenter excessivement le coût de la puissance de pompage. Exemple 6.3.3Un circuit a une chute de pression totale ΔP1 + ΔP2 de 125 kPa, incluant la control valve.

a) Si la control valve doit avoir une autorité de valve (N) de 0,4, quelle chute de pression est utilisée pour dimensionner la valve ?

b) Si le débit du circuit/système v̇ est de 3,61 l/s, quel est le Kv de valve requis ? Partie a) Déterminer le ΔP Par conséquent, un Δ P de 50 kPa est utilisé pour dimensionner la valve, laissant 75 kPa (125 kPa - 50 kPa) pour le reste du circuit. Partie b) Déterminer le Kv Alternativement, l’abaque Kv pour eau (Figure 6.3.2) peut être utilisé. Control valves à trois voies et autorité de valve Les control valves à trois voies sont utilisées dans des applications de mélange ou de déviation, comme expliqué précédemment dans ce module. Lors de la sélection d’une valve pour une application de déviation :

• Une control valve à trois voies largement sous-dimensionnée entraînera des coûts de pompage élevés, et de petits incrément de mouvement auront un effet sur la quantité de liquide dirigée à travers chacun des ports de sortie.
• Une valve largement surdimensionnée réduira les coûts de pompage, mais le mouvement de la valve au début et à la fin de la course aura un effet minimal sur la distribution du liquide. Cela pourrait résulter en une commande imprécise avec des changements de charge brusques et importants. Une valve inutilement surdimensionnée sera également plus coûteuse qu’une valve correctement dimensionnée. La même logique peut être appliquée aux applications de mélange.

Encore une fois, l’autorité de valve fournira un compromis entre ces deux extrêmes.

Avec les valves à trois voies, l’autorité de valve est toujours calculée en utilisant P2 en relation avec le circuit à débit variable. La Figure 6.3.10 le montre schématiquement.