Calcul et Sélection de Vanne Trois Voies
EXEMPLE
On pense souvent que la sélection d'une vanne trois voies ne nécessite pas de calculs préliminaires. Cette hypothèse est basée sur le fait que le débit total de l'eau passant par la conduite AB ne dépend pas de la position de la tige et reste toujours constant. En réalité, le débit à travers la conduite commune AB change en fonction de la position de la tige, et l'amplitude des changements dépend de l'autorité de la vanne trois voies et de ses caractéristiques de régulation.
Méthodologie de Calcul des Vannes Trois Voies
Le calcul d'une vanne trois voies se fait dans l'ordre suivant :
- 1. Sélection de la caractéristique de régulation optimale.
- 2. Détermination de la capacité de régulation (autorité de la vanne).
- 3. Détermination de la capacité de débit et du diamètre nominal.
- 4. Sélection de l'entraînement électrique de la vanne de régulation.
- 5. Vérification du bruit et de la cavitation.
Sélection de la Caractéristique de Régulation
La relation entre le débit d'eau à travers la vanne et la position de la tige est appelée caractéristique de régulation. Le type de caractéristique de régulation détermine la forme du clapet et du siège de la vanne. Comme une vanne trois voies a deux clapets et deux sièges, elle a également deux caractéristiques de régulation : la première est désignée par la caractéristique de passage direct - (A-AB) - et la seconde par la caractéristique de passage perpendiculaire - (B-AB).
Linéaire/linéaire. Le débit total d'eau à travers la conduite AB est constant uniquement lorsque l'autorité de la vanne est égale à 1, ce qui est pratiquement impossible à réaliser. Le fonctionnement d'une vanne trois voies avec une autorité de 0,1 entraînera des fluctuations du débit total lorsque la tige est déplacée, dans une plage de 100 % à 180 %. Par conséquent, les vannes avec une caractéristique linéaire/linéaire sont utilisées dans des systèmes insensibles aux fluctuations du débit d'eau ou dans des systèmes où l'autorité de la vanne est d'au moins 0,8.
Logarithmique/logarithmique. Les fluctuations minimales du débit total d'eau à travers la conduite AB dans les vannes trois voies avec une caractéristique de régulation logarithmique/logarithmique sont observées avec une autorité de vanne de 0,2. Diminuer l'autorité par rapport à cette valeur augmente le débit total à travers la conduite AB, tandis qu'une augmentation réduit le débit total. Les fluctuations de débit dans la plage d'autorité de 0,1 à 1 varient de +15 % à -55 %.
Logarithmique/linéaire. Les vannes trois voies avec une caractéristique logarithmique/linéaire sont utilisées lorsque des lois de régulation différentes sont requises dans les circuits de circulation passant par les conduites A-AB et B-AB. La stabilisation du débit pendant le mouvement de la vanne se produit avec une autorité de 0,4. Les fluctuations du débit total à travers la conduite AB dans la plage d'autorité de 0,1 à 1 varient de +50 % à -30 %. Les vannes de régulation avec une caractéristique logarithmique/linéaire sont largement utilisées dans les nœuds de contrôle des systèmes de chauffage et des échangeurs de chaleur.
Calcul de l'Autorité
L'autorité d'une vanne trois voies est le rapport entre la chute de pression à travers la vanne et la somme des pertes de pression à travers la vanne et la section régulée. La valeur de l'autorité pour les vannes trois voies détermine l'amplitude des fluctuations du débit total à travers la conduite AB.
Une déviation de 10 % du débit d'eau à travers la conduite AB pendant le mouvement de la tige est assurée avec les valeurs d'autorité suivantes :
- A+ = (0,8-1,0) - pour les vannes avec une caractéristique linéaire/linéaire.
- A+ = (0,3-0,5) - pour les vannes avec une caractéristique logarithmique/linéaire.
- A+ = (0,1-0,2) - pour les vannes avec une caractéristique logarithmique/logarithmique.
L'autorité des vannes trois voies est déterminée pour chacun des deux circuits de circulation passant par les conduites A-AB et B-AB.
Après avoir déterminé la plage optimale d'autorité et les caractéristiques de régulation, la plage admissible des pertes de pression à travers la vanne trois voies est déterminée, puis sa capacité de débit est déterminée.
Calcul de la Capacité de Débit
La relation entre les pertes de pression sur la vanne et le débit d'eau à travers elle est caractérisée par le coefficient de débit Kvs. La valeur Kvs est égale au débit d'eau en m³/h à travers une vanne entièrement ouverte, avec une chute de pression de 1 bar sur la vanne. En général, les valeurs de Kvs d'une vanne trois voies sont les mêmes pour les conduites A-AB et B-AB, mais il existe des vannes avec des valeurs de capacité de débit différentes pour chaque conduite.
En sachant que les pertes de pression sur la vanne changent d'un facteur n² lorsqu'un débit d'eau est multiplié par n, il est facile de déterminer le Kvs requis pour la vanne de régulation en insérant le débit calculé et les pertes de pression dans l'équation. Un vanne trois voies avec la valeur de coefficient de débit la plus proche de la valeur obtenue à partir du calcul est sélectionnée à partir du catalogue.
Sélection de l'Entraînement Électrique
L'entraînement électrique est sélectionné pour la vanne trois voies précédemment choisie. Il est recommandé de choisir des entraînements électriques parmi la liste des appareils compatibles spécifiés dans les caractéristiques de la vanne, en tenant compte des éléments suivants :
- Les points de connexion de l'entraînement et de la vanne doivent être compatibles.
- La course de la tige de l'entraînement électrique doit être au moins égale à celle de la vanne.
- En fonction de l'inertie du système régulé, il convient d'utiliser des entraînements avec différentes vitesses de réponse.
- La force de fermeture de l'entraînement détermine la différence de pression maximale sur la vanne à laquelle l'entraînement peut la fermer.
- Le même entraînement électrique permet de fermer une vanne trois voies qui fonctionne en mélange et en séparation de flux, sous différentes différences de pression.
- La tension d'alimentation et le signal de commande de l'entraînement doivent correspondre à la tension d'alimentation et au signal de commande du contrôleur.
- Les vannes trois voies rotatives doivent être associées à des actionneurs rotatifs, tandis que les vannes à siège doivent être associées à des actionneurs linéaires.
Calcul de la Probabilité de Cavitation
La cavitation est la formation de bulles de vapeur dans un flux d'eau, qui se produit lorsque la pression dans le flux descend en dessous de la pression de saturation de la vapeur d'eau. L'effet d'augmentation de la vitesse du flux et de diminution de la pression dans le flux, qui se produit lorsque la section de passage se rétrécit, est décrit par l'équation de Bernoulli. La section de passage entre le clapet et le siège de la vanne trois voies est un tel rétrécissement, où la pression peut descendre jusqu'à la pression de saturation, et c'est l'endroit le plus probable pour la formation de cavitation. Les bulles de vapeur sont instables, elles apparaissent soudainement et s'effondrent tout aussi soudainement, ce qui entraîne l'érosion des particules métalliques des composants de la vanne, ce qui conduit inévitablement à une usure prématurée. En plus de l'usure, la cavitation augmente le bruit pendant le fonctionnement de la vanne.
Les principaux facteurs influençant la cavitation :
- Température de l'eau - plus elle est élevée, plus la probabilité de cavitation est grande.
- Pression de l'eau - avant la vanne de régulation, plus elle est élevée, moins la cavitation est probable.
- Perte de pression admissible - plus elle est élevée, plus la probabilité de cavitation est grande.
- La caractéristique de cavitation de la vanne trois voies est déterminée par les particularités de l'élément de régulation de la vanne. Le coefficient de cavitation est différent pour chaque type de vanne de régulation et doit être spécifié dans leurs spécifications techniques. Cependant, étant donné que la plupart des fabricants ne spécifient pas cette valeur, l'algorithme de calcul inclut une plage des coefficients de cavitation les plus probables.
À la suite de la vérification de la cavitation, les résultats suivants peuvent être obtenus :
- 'Aucune' - la cavitation ne se produira certainement pas.
- 'Possible' - la cavitation peut se produire sur certaines conceptions de vannes, il est recommandé de modifier l'un des facteurs mentionnés précédemment.
- 'Oui' - la cavitation se produira certainement, changez l'un des facteurs influençant l'apparition de la cavitation.
Calcul du Bruit
La vitesse élevée du flux dans l'entrée d'une vanne trois voies peut entraîner un niveau de bruit élevé. Pour la plupart des locaux où sont installées les vannes de régulation, le niveau de bruit admissible est de 35-40 dB (A), ce qui correspond à une vitesse d'environ 3 m/s à l'entrée de la vanne. Par conséquent, lors du choix d'une vanne trois voies, il n'est pas recommandé de dépasser cette vitesse.
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