Conception des Vannes de Régulation de Pression www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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. Page No. DM/12.2.113.1 - Standing 28.06.2011 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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). Conception des Vannes de Régulation de Pression www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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. MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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 Page No. DM/12.2.113.2 - Standing 28.06.2011 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. Page No. DM/12.2.113.3 - Standing 28.06.2011 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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 Conception des Vannes de Régulation de Pression www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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 : Page No. DM/12.2.113.4 - Standing 28.06.2011 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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 : Conception des Vannes de Régulation de Pression www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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.