Stefan VON KAAN
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Utilisée pour réguler un débit, une vanne de régulation fait varier la taille du passage de débit en fonction d’un signal provenant d’un régulateur, comme par exemple une fonction PID embarquée dans un débitmètre. C’est l’un des outils les plus utilisés dans la régulation de débit.

Un outil pour les régulateurs de débit massique

Les vannes de régulation peuvent être fournies comme partie intégrante des régulateurs de débit massique et des régulateurs de pression, ou comme composant séparé utilisé avec un débitmètre ou un capteur de pression. Via la boucle de régulation du régulateur de débit massique ou du capteur de pression, la vanne contrôle le débit afin d’atteindre la valeur de consigne de débit ou de pression imposée.

En fonction de l’application, il est généralement possible de déterminer si votre régulateur de débit massique a besoin d’une vanne d’arrêt (ouverture/fermeture) ou d’une vanne de régulation, ou alors si une vanne normalement ouverte ou normalement fermée est nécessaire. Parmi les vannes de régulation, il existe un certain nombre de vannes différentes, chacune ayant ses propres caractéristiques, avantages et inconvénients.

Dans cet article de blog, je parlerais de quelques vannes et détaillerai les manières de gérer des pressions absolues et différentielles (∆P), plus élevées, et comment obtenir des débits plus élevés à de faibles pressions différentielles (∆P).

Les vannes de régulation directe

Une vanne de régulation directe se compose d’un orifice de surface connue qui détermine la taille de l’ouverture, ce qui permet de connaître la valeur du débit traversant la vanne.

  • L’avantage : C’est une vanne plutôt rapide, bon marché et qui ne nécessite que peu de puissance pour réguler le débit.
  • L’inconvénient : elle ne peut travailler qu’avec des pressions et des débits limités.

Prenons l’exemple d’une vanne électromagnétique (électrovanne):

Pour une vanne, la force (F) à fournir pour obtenir l’ouverture de la vanne est déterminée par le diamètre de l’orifice (d) et la différence de pression (Δp) sur la vanne (F ~ Δp * ¼ d2). Lorsque la pression différentielle (∆P), ou le diamètre de l’orifice augmente, cela empêche la vanne de régulation directe de s’ouvrir correctement en raison de la force de la pression, qui peut être > 15 N pour une pression différentielle de 200 bar sur un orifice de 1 mm, forçant ainsi la fermeture de la vanne.

Une vanne électromagnétique ne peut exercer qu’une force d’environ 5 N sur son clapet. Il pourrait être possible d’utiliser une bobine plus forte, délivrant une force magnétique plus importante. Cependant, les régulateurs de débit massique ont souvent une alimentation électrique limitée et la quantité de chaleur produite par effet Joule peut également devenir un problème. Leur débit maximal est donc limité, proportionnellement à la pression et à la surface de l’orifice.

En résumé, la plupart des vannes de régulation directe ne sont pas adaptées aux débits élevés, aux pressions différentielles élevées (∆P) ou aux pressions absolues découlant de ces restrictions. Les vannes de régulation directe peuvent être utilisées pour des débits faibles de 0.014 mln/min jusqu’à environ 70 ln/min.

Quelles alternatives avons-nous ?

  1. Concevoir une vanne directe pour l’adapter à des pressions plus élevées
  2. Utiliser une vanne avec 2 étages de régulation, une vanne de régulation pilotée
  3. Utiliser une vanne à compensation de pression, afin d’atteindre des débits élevés à basse pression

1. La vanne de régulation directe haute pression

Pour gérer des pressions plus élevées, la solution la plus simple est souvent de concevoir une vanne de régulation directe. Comme la taille de l’orifice est limitée, elle peut être utilisée pour des débits relativement faibles (jusqu’à 20 ln/min). Pour faire face aux différences de pression plus importantes, jusqu’à 200 bar de pression différentielle (bard) (∆P), le corps de la vanne et du régulateur de débit massique doivent être plus robustes. La plupart des vannes ne peuvent pas supporter une poussée de 200 bard, soit le matériau d’étanchéité se rompt, soit les pièces mécaniques ne supportent pas les impulsions de force soudaines qui peuvent survenir à 200 bard.

Les dimensions de la vanne ne sont que légèrement supérieures à celles d’une vanne standard et donc de l’ensemble du régulateur de débit massique. En revanche, les faibles débits sont souvent limités en raison des fuites à travers la vanne en cas de fortes différences de pression.

2. La vanne de régulation pilotée, une vanne à 2 étages de régulation

Pour gérer des pressions et des débits encore plus élevés, jusqu’à 200 ln/min, nous devons innover encore un peu plus et changer notre régulateur de débit massique. Une vanne de régulation pilotée (illustration 1) permet d’atteindre des débits ainsi que des pressions absolues et différentielles (∆P), plus élevées.

Vanne de régulation pilotée

Illustration 1 – Vanne de régulation pilotée

Une vanne de régulation indirecte (ou vanne de régulation à 2 étages) se compose de :

  • une vanne pilote de régulation directe (A), se comportant comme décrit précédemment, et cela sans nécessiter de puissance supplémentaire.
  • une vanne supplémentaire dans le corps de vanne, un élément de compensation de pression (B) qui permet de maintenir une différence de pression constante (P1 -P2) de seulement quelques bars dans la vanne pilote (A). Ce faisant, les pressions d’entrée et de sortie peuvent changer sans que cela n’ait d’impact sur le fonctionnement de la vanne. La force de pression exercée sur la pièce compensée en pression maintient la vanne fermée. Ce n’est que lorsque la vanne supérieure s’ouvre que la force de pression est ramenée à une valeur suffisamment faible pour ouvrir la vanne et contrôler le débit.

Ainsi, la vanne de régulation pilotée se compose de deux vannes en série (A+B), où la chute de pression et la taille de l’orifice déterminent ensemble le débit résultant.

Cette vanne possède cependant des inconvénients, à savoir une taille et des coûts relativement importants. En outre, une différence de pression minimale est nécessaire pour fermer l’élément de compensation de pression de la vanne. La taille des orifices est également encore limitée, par conséquent, pour atteindre 200 ln/min une pression d’entrée minimale de > 150 bara est nécessaire. Pour obtenir de tels débits à des pressions plus basses, il faut utiliser un tout autre type de vanne, comme une vanne à compensation de pression, c’est-à-dire une vanne à soufflet.

3. La vanne à compensation de pression

Il est possible d’utiliser des orifices plus grands et d’atteindre des débits plus élevés avec une vanne de régulation directe, mais pour cela, la force de pression dans la vanne doit être réduite. On peut utiliser dans ce cas une vanne à compensation de pression à soufflet dont l’orifice efficace contre la force de pression a été considérablement réduit (illustration 2). Avec une vanne à soufflet, des débits de plusieurs centaines de litres par minute peuvent être atteints avec une différence de pression minimale. Cependant, la pression absolue reste limitée en raison de sa conception et la vanne est beaucoup plus grande et plus chère qu’une vanne de régulation directe standard.

Vanne à compensation de pression

Illustration 2 - Vanne à compensation de pression

Conclusion : en fonction de la pression que vous voulez exercer sur votre régulateur de débit massique ainsi que du débit de sortie nécessaire, vous pouvez utiliser :

  • soit une vanne haute pression à régulation directe (jusqu’à 200 bara et 20 ln/min)
  • soit une vanne à compensation de pression pilotée (jusqu’à 700 bara ou 400 bard et 200 ln/min)

Pour atteindre des débits élevés à basse pression, une vanne à compensation de pression représente la meilleure solution.

Vue d'ensemble des vannes

Illustration 3 - Vue d’ensemble des vannes

Jetez un coup d'œil aux vannes de régulation que nous associons souvent à nos débitmètres ou capteurs de pression.