Conception des Vannes de Régulation de Pression

Conception des Vannes de Régulation de Pression
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Instructions
La conception et la sélection des vannes de régulation de pression ne
représentent pas une science secrète maîtrisée uniquement par quelques
experts. La procédure présentée ici permet de choisir la vanne adaptée à
une application déterminée avec un investissement minime. Les procédés
de calcul reposant sur la méthode des valeurs Kv sont très simplifiés si on
les compare avec ceux, très précis, de la norme DIN IEC 534. Ils
fournissent néanmoins des résultats suffisamment précis pour nos
besoins.
La valeur Kv est un coefficient de débit qui correspond à un débit d’eau
en m³/h pour une différence de pression de 1 bar et une température
d’eau entre 5 et 30 °C.
Le système anglo-saxon utilise le coefficient de débit Cv, qui correspond
à un débit d’eau en USgal/min par une différence de pression de 1 psi et
une température de 60 °F. Les coefficients Kv et Cv se situent dans un
rapport Kv = 0,86 x Cv.
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La valeur Kvs indiquée dans les documentations techniques est la valeur
Kv prévue pour les vannes d’une série pour caractériser la course
nominale. Grâce à la valeur Kvs, le débit maximal d’une vanne peut être
déterminé.
Les procédés de détermination de la valeur Kv sont fortement simplifiés
ici, ainsi qu’il a été exposé au début. Un grand nombre de facteurs
d’influence ne sont pas pris en compte. Le fait que nous traitions la
vapeur d’eau comme un gaz idéal et que nous ne calculions pas avec le
volume spécifique, un écart maximal de 5 % peut en résulter, mais qui
reste acceptable en considération de nos éléments supplétifs.
Les opérations de calcul sont simples, la maîtrise des opérations
arithmétiques de base et de l'extraction de racines suffit. Les tableaux et
les diagrammes ne sont pas absolument nécessaires, mais sont
susceptibles de faciliter le travail s’ils sont disponibles.
Les pressions de service et plages de réglage citées dans nos exemples
de conception sont indiquées généralement en surpression comme il est
d’usage. En revanche, les calculs sont effectués avec les pressions
absolues. Ainsi, par exemple, une pression secondaire de 7 bars indiquée
dans la tâche est calculée avec une pression absolue de 7 + 1, donc
8 bars.
Le débit volumique et la densité sont indiqués dans le statut de
fonctionnement pour les liquides et dans le statut normal pour les gaz
(0 °C, 1 013 mbars).
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Vannes de régulation de pression pour liquides
Détermination de la valeur Kv
Choix d’une vanne appropriée
Pour la conception ou avant le choix d’une soupape, on calcule tout
d’abord la valeur Kv à partir des données d’exploitation selon lesquelles
la soupape doit fonctionner.
Nos tableaux de sélection et nos documents d’identification vous
emmèneront vers les caractéristiques techniques des vannes
MANKENBERG.
La valeur Kvs de la vanne choisie doit correspondre à la valeur Kv calculée
et équipée des ajouts nécessaires. La plupart des vannes fonctionnent au
mieux dans la plage de 10 à 70 % de leur valeur Kvs, les petites vannes
non déchargées (comme les réducteurs de pression DM 502, 505, 506,
510, 762 et 765) fonctionnent encore de manière satisfaisante même
aux débits les plus réduits.
Kv
Q
p1
p2
Δp
Coefficient de débit
Débit volumique
Densité
Pression d’entrée (abs.)
Pression de sortie (abs.)
Différence de pression (p1 - p2)
m³/h
m³
kg/m³
bar
bar
bar
Exemple :
On cherche une soupape de réduction de pression pour 2-7 m³/h de
méthanol, d’une densité de 790 kg/m³, d’une pression d’alimentation de
9 – 12 bars, d’une pression secondaire à régler de 4 bars. Nous calculons
avec le débit maximal et la différence de pression minimale.
Sélectionnez la plage de réglage de telle sorte que la valeur de consigne
désirée se situe le plus possible à la limite supérieure. Par exemple, pour
une pression à régler sur 2,3 bars, sélectionnez la plage de réglage 0,8 –
2,5 et non la plage 2 – 5 bars pour laquelle les écarts de réglage dus au
fonctionnement seraient nettement supérieurs. Si, dans des cas
particuliers, la plage de réglage standard n’est pas suffisamment
étendue, alors la plage de réglage peut être restreinte en cas de charge
réduite sur la vanne et d’exigences de précision moins nettes. Alors, un
réducteur de pression avec une plage de réglage de 0,8–2,5
fonctionnera encore de manière satisfaisante à 0,5 bar.
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Choisissez les matériaux conformément aux exigences d’exploitation et à
l’aide du tableau des stabilités.
La valeur Kv déterminée à partir des données d’exploitation est
augmentée de 30 % pour obtenir la valeur Kvs que la vanne choisie devra
présenter au minimum.
Valeur Kvs ≥ 1,3 x valeur Kv = 1,3 x 2,78 = 3,61 m³/h
Détermination de la section nominale
Pour maintenir les pertes de pression et les bruits de fonctionnement au
plus bas, certaines vitesses de flux dans les conduites ne doivent pas
être dépassées, par exemple :
»
»
»
»
»
»
sur le côté aspiration des pompes centrifuges
sur le côté aspiration des pompes à piston
sur le côté de la pression de la pompe
dans les réseaux locaux d’eau potable
dans les conduites à grande distance de carburant et d’eau
pour les liquides à forte viscosité
2 m/s
1 m/s
5 m/s
1 m/s
3 m/s
1 m/s
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Le diamètre de la conduite peut être calculé comme suit :
d
Q
w
Diamètre de la conduite
Débit volumique
Vitesse du flux
mm
m³/h
m/s
Si, dans notre exemple, une vitesse maximale de 2m/s est admissible,
alors le diamètre nécessaire de la conduite sera de :
Dans cet exemple, nous choisirions alors la conduite en DN 40.
Lorsque la section nominale est donnée, la vitesse de flux peut être
calculée comme suit :
Revenons à notre exemple :
Eu égard aux caractéristiques d’exploitation, nous avions déterminé que
la valeur Kvs devait être au minimum de 3,61 m³/h. Selon notre tableau
de sélection, nous disposons pour cela de plusieurs séries de vannes. En
raison des propriétés du fluide, nous nous décidons pour un réducteur
de pression DM 652 DN 25, Kvs de 6 m³/h, plage de réglage 2-5 bars,
capot suspendu et branchement pour conduite de purge. Cette vanne se
compose en mode standard de matériaux parfaitement adaptés au
méthanol. De plus, elle se distingue par une qualité de réglage élevée,
un poids réduit, une bonne qualité de surface et un prix très avantageux
pour une vanne en acier inoxydable.
Un autre exemple :
On cherche une soupape de décharge qui évacue 250 m³/h d’eau
potable sous 10 bars dans un bassin ouvert. Nous déterminons tout
d’abord la valeur Kvs correspondant aux caractéristiques d’exploitation.
Bien que la différence de pression (p1 - p2) soit de 10 bars, nous
intégrons dans le calcul une différence de pression de seulement 0,6 x p1
[bars], c’est-à-dire 6,6 bars en raison de l’évaporation survenant dans le
siège de soupape.
La valeur Kvs de la raccorderie devrait alors se situer au minimum à :
1,3 x valeur Kv= 1,3 x 97,3 = 126,5 m³/h
Nous nous décidons pour la soupape de purge UV 824 DN 200, valeur
Kvs 180 m³/h, plage de réglage 4-12 bars, une vanne en acier inoxydable
relativement avantageuse en termes de prix, légère et à réglage très
précis.
Un autre exemple encore :
On cherche une vanne de réduction de pression pour CIP grâce à
laquelle 1-3 l/min d’eau complètement dessalée peut être réduite de 2-4
bars à 0,7 bar. La conduite est fabriquée en DN 25 avec connexions de
serrage selon DIN 32 676. Nous calculons la valeur Kv en regard des
caractéristiques d'exploitation :
Dans notre exemple, nous aurions alors dans la conduite DN 40 une
vitesse de flux, pour un débit de 7m³/h, de :
La vanne doit alors avoir une valeur Kvs d’un minimum de :
1,3 x valeur Kv= 1,3 x 0,16 = 0,21 m³/h
La section nominale de la vanne de régulation peut, sous des conditions
d’exploitation déterminées, se situer à un ou deux niveaux en dessous
de la section nominale de la conduite, ce qui vaut en particulier pour les
vannes fonctionnant avec conduite de commande.
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Conception des Vannes de Régulation de Pression
Nous nous décidons pour un réducteur de pression DM 152 DN 25, Kvs
de 3,5 m³/h, plage de réglage 0,8-2,5 bars, une vanne en acier
inoxydable polissable en équerre. Nous nous sommes décidés pour ce
réducteur bien que la valeur Kvs de la vanne soit relativement élevée et
que la pression secondaire nécessaire se situe en dehors de la plage de
réglage donnée. Nous savons notamment, à partir de nombreux tests sur
banc d'essai, que cette vanne est très bien adaptée aux conditions
d'exploitation ci-dessus.
Cet exemple devait démontrer que, en connaissant bien le
comportement d’exploitation, on pouvait également mettre en œuvre
les raccorderies dans des domaines se situant hors de ceux indiqués dans
le catalogue.
Vannes de régulation pour gaz
Détermination de la valeur Kv
Détermination de la section nominale
Pour la conception ou avant le choix d’une vanne, on calcule tout
d’abord la valeur Kv à partir des données d’exploitation selon lesquelles
la vanne doit fonctionner.
En cas de chute de pression sous-critique, c’est-à-dire si :
Pour maintenir les pertes de pression et les bruits de fonctionnement au
plus bas, certaines vitesses de flux dans les conduites ne doivent pas
être dépassées, par exemple :
En l’absence d’indications de la conception, nous recommandons :
selon la formule :
»
»
»
»
»
selon la formule :
N
∆p
p1
p2
t1
t2
w1
w2
d1
d2
Coefficient de débit
Débit volumique dans le statut normal
Débit volumique en amont de la vanne
Débit volumique en aval de la vanne
Densité dans le statut normal
Différence de pression (p1 - p2)
Pression d’entrée (abs.)
Pression de sortie (abs.)
Température d’entrée
Température de sortie
Vitesse dans la conduite en amont de la vanne
Vitesse dans la conduite en aval de la vanne
Diamètre de conduite en amont de la vanne
Diamètre de conduite en aval de la vanne
2 m/s
4 m/s
10 m/s
20 m/s
40 m/s
Ces valeurs de consigne grossières valent pour des diamètres de
conduite à partir de DN 80. Pour les sections nominales inférieures, des
valeurs de vitesse de flux réduites devraient être posées.
Pour déterminer la vitesse du flux, il est nécessaire de disposer du débit
volumique sous conditions d’exploitation. Il peut être calculé comme
suit :
En cas de chute de pression transcritique, c’est-à-dire si :
Kv
QN
Q1
Q2
jusqu’à 10 mbar
jusqu’à 100 mbar
jusqu’à 1 bar
jusqu’à 10 bar
au-delà de 10 bar
m³/h
m³/h
m³/h
m³/h
kg/m³
bar
bar
bar
°C
°C
m/s
m/s
mm
mm
Exemple :
On cherche une vanne de réduction de pression en inox pour QN max.
1200 m³/h de CO2, température d’exploitation 20 °C, densité de 2
kg/m³, pression d’alimentation de 10 – 12 bars de surpression, pression
secondaire à régler sur 7 bars de surpression. La chute de pression est
sous-critique car :
Dans notre exemple, les débits volumiques en amont et en aval de la
vanne seront :
Le diamètre de la conduite peut être calculé comme suit :
Si, dans notre exemple, les vitesses maximales de flux autorisées par le
concepteur de l’installation sont de 20m/s en amont et de 15 m/s en
aval de la vanne, les diamètres de conduite nécessaires sont :
En conséquence, nous conseillerons la conduite DN en amont de la
vanne et DN 65 en aval de la vanne.
Lorsque la section nominale est donnée, la vitesse de flux peut être
calculée comme suit :
ce qui implique
Dans notre exemple, nous aurions alors les vitesses de flux :
La valeur Kv déterminée à partir des données d’exploitation est
augmentée de 30 % pour obtenir la valeur Kvs que la vanne choisie devra
présenter au minimum.
La section nominale de la vanne de régulation peut, sous des conditions
d’exploitation déterminées, se situer à un ou deux niveaux en dessous
de la section nominale de la conduite en amont de la vanne. En aval de
la vanne, il est possible que la conduite, conformément à la vitesse de
flux, doive être étendue de plusieurs niveaux, ce qui vaut
particulièrement pour les vannes fonctionnant avec conduite de
commande.
Valeur Kvs ≥ 1,3 x valeur Kv = 1,3 x 11,54 = 15 m³/h
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Choix d’une vanne appropriée
Nos tableaux de sélection et nos feuilles de données vous emmèneront
vers les caractéristiques techniques des vannes MANKENBERG.
La valeur Kvs de la vanne choisie doit correspondre à v calculée et
équipée des ajouts nécessaires. La plupart des vannes fonctionnent au
mieux dans la plage de 10 à 70 % de leur valeur Kvs, les petites vannes
non déchargées (comme les réducteurs de pression DM 502, 505, 506,
510, 762 et 765) fonctionnent encore de manière satisfaisante même
aux débits les plus réduits.
Sélectionnez la plage de réglage de telle sorte que la valeur de consigne
désirée se situe le plus possible à la limite supérieure. Par exemple, pour
une pression à régler sur 2,3 bars, sélectionnez la plage de réglage 0,8 –
2,5 et non la plage 2 – 5 bars pour laquelle les écarts de réglage dus au
fonctionnement seraient nettement supérieurs. Si,dans des cas
particuliers, la plage de réglage standard n’est pas suffisamment
étendue, alors la plage de réglage peut être restreinte en cas de charge
réduite sur la vanne et d’exigences de précision moins nettes. Alors, un
réducteur de pression avec une plage de réglage de 0,8–2,5
fonctionnera encore de manière satisfaisante à 0,5 bar.
Un autre exemple :
On cherche une soupape de décharge capable de souffler 2 000 m³/h
d’air chaud à 60 °C sous 4 bars dans l’atmosphère.
La chute de pression est sous-critique car :
ce qui implique
La valeur Kv déterminée à partir des données d’exploitation est
augmentée de 30 % pour obtenir la valeur Kvs que la soupape choisie
devra présenter au minimum.
Valeur Kvs ≥ 1,3 x valeur Kv = 1,3 x 32,3 = 42 m³/h
Le débit volumique sous conditions d’exploitation est :
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Choisissez les matériaux conformément aux exigences d’exploitation et
à l’aide du tableau des stabilités.
Pour les fluides toxiques ou inflammables, il faut éventuellement utiliser
un capot suspendu fermé (peut-être avec joint par vis de réglage) et un
branchement de conduite de purge (manchon sur le capot suspendu)
doit être prévu pour que le fluide qui s'échappe puisse être évacué en
cas de défaillance sur le mécanisme de commande.
Revenons à notre exemple :
Eu égard aux caractéristiques d’exploitation, nous avions déterminé que
la valeur Kvs devait être au minimum de 15 m³/h. Selon notre tableau de
sélection, nous disposons pour cela de plusieurs séries de vannes. Nous
nous décidons pour un réducteur de pression de type 652 DN 50, Kvs de
18 m³/h, plage de réglage 4-8 bars. Cette vanne se compose en mode
standard de matériaux parfaitement adaptés à l’utilisation prévue. De
plus, elle se distingue par une qualité de réglage élevée, un poids réduit,
une bonne qualité de surface et un prix très avantageux pour une vanne
en acier inoxydable.
ensuite, pour une vitesse de flux admissible maximale de 20 m/s, le
diamètre de la conduite est au minimum de :
Eu égard aux données calculées et en considération des propriétés du
fluide, nous nous décidons pour la vanne de décharge MANKENBERG
UV 4.1 DN 100, valeur Kvs 100 m³/h, plage de réglage 2-5 bars, une
vanne relativement avantageuse et précise au réglage et qui est
parfaitement adaptée à l'utilisation prévue.
Vannes de régulation pour vapeur
Détermination de la valeur Kv
Pour la conception ou avant le choix d’une vanne, on calcule tout
d’abord la valeur Kv à partir des données d’exploitation selon lesquelles
la vanne doit fonctionner. Comme dans la plupart des cas, ni tableau ni
diagramme ne sont disponibles pour le volume spécifique de la vapeur
d’eau, on peut obtenir un résultat suffisamment précis en calculant les
formules suivantes dans lesquelles la vapeur d’eau est traitée comme gaz
idéal.
En cas de chute de pression sous-critique, c’est-à-dire si :
selon la formule :
Kv
G
Q1
Q2
∆p
p1
p2
t1
t2
w1
w2
d1
d2
Coefficient de débit
Débit massique
Débit volumique en amont de la vanne
Débit volumique en aval de la vanne
Différence de pression (p1 - p2)
Pression d’entrée (abs.)
Pression de sortie (abs.)
Température d’entrée
Température de sortie
Vitesse dans la conduite en amont de la vanne
Vitesse dans la conduite en aval de la vanne
Diamètre de conduite en amont de la vanne
Diamètre de conduite en aval de la vanne
m³/h
kg/h
m³/h
m³/h
bar
bar
bar
°C
°C
m/s
m/s
mm
mm
Exemple :
On recherche une vanne de réduction de pression en inox qui soit
capable de réduire 1 100 kg/h de vapeur saturée de 7 à 4 bars.
La chute de pression est sous-critique car :
En cas de chute de pression transcritique, c’est-à-dire si :
selon la formule :
La température de la vapeur d’eau en état de saturation (vapeur
saturée) peut être calculée approximativement à l’aide de la formule :
Comme le volume et la température spécifiques ne sont pas connus,
nous appliquons la formule :
Après détermination de la température :
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nous calculons :
La valeur Kv déterminée à partir des données d’exploitation est
augmentée de 30 % pour obtenir la valeur Kvs que la soupape choisie
devra présenter au minimum.
Valeur Kvs ≥ 1,3 x valeur Kv = 1,3 x 12,9 = 16,8 m³/h
Détermination de la section nominale
Pour maintenir les pertes de pression et les bruits de fonctionnement au
plus bas, certaines vitesses de flux dans les conduites ne doivent pas
être dépassées, par exemple :
En l’absence d’indications de la conception, nous recommandons :
» Vapeur de décharge
» Vapeur saturée
» Vapeur chaude
25 m/s
40 m/s
60 m/s
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Ces valeurs de consigne grossières valent pour des diamètres de
conduite à partir de DN 80. Pour les sections nominales inférieures, des
valeurs de vitesse de flux réduites devraient être posées. Pour
déterminer la vitesse du flux, il est nécessaire de disposer du débit
volumique sous conditions d’exploitation. Il peut être calculé comme
suit :
Dans notre exemple, les débits volumiques en amont et en aval de la
vanne seront :
Le diamètre de la conduite peut être calculé comme suit :
Si, dans notre exemple, les vitesses maximales de flux autorisées par le
concepteur sont seulement de 25 m/s, les diamètres de conduite
nécessaires sont :
Sélectionnez la plage de réglage de telle sorte que la valeur de consigne
désirée se situe le plus possible à la limite supérieure. Par exemple pour
une pression à régler sur 2,3 bars, sélectionnez la plage de réglage 0,8 –
2,5 et non la plage 2 – 5 bars pour laquelle les écarts de réglage dus au
fonctionnement seraient nettement supérieurs. Si, dans des cas
particuliers, la plage de réglage standard n’est pas suffisamment
étendue, alors la plage de réglage peut être restreinte en cas de charge
réduite sur la vanne et d’exigences de précision moins nettes. Alors, un
réducteur de pression avec une plage de réglage de 0,8–2,5
fonctionnera encore de manière satisfaisante à 0,5 bar.
Choisissez les matériaux conformément aux exigences d’exploitation et
à l’aide du tableau des stabilités.
Revenons à notre exemple :
Eu égard aux caractéristiques d’exploitation, nous avions déterminé que
la valeur Kvs devait être au minimum de 16,8 m³/h. Selon notre tableau
de sélection, nous disposons pour cela de plusieurs séries de vannes.
Nous nous décidons pour un réducteur de pression de type 652 DN 50,
Kvs de 18 m³/h, plage de réglage 2-5 bars. Cette vanne se compose en
mode standard de matériaux parfaitement adaptés à l’utilisation prévue.
De plus, elle se distingue par une qualité de réglage élevée, un poids
réduit, une bonne qualité de surface et un prix très avantageux pour une
vanne en acier inoxydable.
Un autre exemple :
On recherche une vanne de réduction de pression avec laquelle, pour la
réinjection des suies d’une chaudière, 8 t/h de vapeur surchauffée à 460
°C peuvent être réduits de 100 bars à 20 bars.
La chute de pression est sous-critique car :
Comme le volume spécifique ne nous est momentanément pas connu,
nous calculons :
La valeur Kv déterminée à partir des données d’exploitation est
augmentée de 30 % pour obtenir la valeur Kvs que la soupape choisie
devra présenter au minimum.
Valeur Kvs ≥ 1,3 x valeur Kv = 1,3 x 9,33 = 12,1 m³/h
Page No. DM/12.2.113.5 - Standing 28.06.2011
En conséquence, nous conseillerons la conduite DN 65 en amont de la
vanne et DN 80 en aval de la vanne.
Lorsque la section nominale est donnée, la vitesse de flux peut être
calculée comme suit :
Dans notre exemple, nous aurions alors les vitesses de flux dans la
conduite :
La section nominale de la vanne de régulation peut, sous des conditions
d’exploitation déterminées, se situer à un ou deux niveaux en dessous
de la section nominale de la conduite en amont de la vanne. En aval de
la vanne, il est possible que la conduite, conformément à la vitesse de
flux, doive être étendue de plusieurs niveaux, ce qui vaut
particulièrement pour les vannes fonctionnant avec conduite de
commande.
Choix d’une vanne appropriée
Nos tableaux de sélection et nos feuilles de données vous emmèneront
vers les caractéristiques techniques des vannes MANKENBERG.
La valeur Kvs de la vanne choisie doit correspondre à v calculée et
équipée des ajouts nécessaires. La plupart des vannes fonctionnent au
mieux dans la plage de 10 à 70 % de leur valeur Kvs, les petites vannes
non déchargées (comme les réducteurs de pression DM 152, 505, et
701) fonctionnent encore de manière satisfaisante même aux débits les
plus réduits.
Le débit volumique sous conditions d’exploitation est :
Le diamètre de la conduite peut être calculé comme suit :
ensuite, pour une vitesse de flux admissible maximale de 50 m/s, le
diamètre de la conduite est au minimum de :
En conséquence, nous conseillerons la section nominale de conduite
DN 50 en amont de la vanne et DN 100 en aval de la vanne.
Eu égard aux données calculées et en considération des conditions
d’exploitation particulières, nous nous décidons pour la vanne de
réduction de pression à double siège DM 401 ZK DN 50/80, valeur
Kvs 16 m³/h, plage de réglage 15-25 bars, avec équipement
d’évaporation réglable et sièges et cônes plaqués, un modèle éprouvé
dans un grand nombre de systèmes de réinjection de suies.