LES VANNES DE REGULATION J-M R. D-BTP 2006 1
Définitions Montages Actionneurs 2
Définitions Kv Autorité Pression différentielle Caractéristiques des vannes Astuce 3
Kv 1/6 Le Kv d une vanne est le débit en m 3 /h qui occasionnerait dans la vanne grande ouverte une perte de charge de 1 bar. Q = Kv m 3 /h DP 1 bar C est ce coefficient Kv qui déterminera le diamètre nominal de la vanne de régulation. 4
Kv 2/6 La perte de charge varie comme le carré du débit : DP1 DP2 = Q1 Q2 2 DP 1 bar = Q donc : Kv Q 2 DP ou : Kv = 1 bar DP. Q Kv = 10200 mmce DP. Q 5
Kv 3/6 Exemple 1 : Quel est le Kv d une vanne qui présente une perte de charge de 1 mce pour un débit de 3 m 3 /h? Q DP Kv = 10200 mmce DP = 10200 mmce 1000 mmce. 3 m 3 /h. Q 9,58 m 3 /h = 6
Kv 4/6 Exemple 2 : Quel est le débit qui occasionne dans une vanne de Kv 5 m 3 /h une perte de charge de 0,5 bar? Q Q Kv = DP 1 bar DP DP 0,5 bar Q. Kv. 5 = = 1 bar 1 bar = 3,53 m 3 /h 7
Kv 5/6 Exemple 3 : Quelle est la perte de charge d une vanne de Kv 4 m 3 /h lorsqu elle est traversée par un débit de 3 m 3 /h? Q DP 1 bar = Q Kv 2 DP DP = Q Kv 2. 1 bar = 3 m 3 /h 4 m 3 /h 2. 1 bar = 0,56 bar 8
Kv 6/6 Si le terme Kv est un terme général, on peut également parler de : Kvs Kvn ou Qn Kvo Cv Kv vanne grande ouverte Kv nominal des robinets thermostatiques (Kv à la levée nominale) Kv vanne fermée aussi appelé «débit de fuite» Le taux de fuite ( Kvo / Kvs ) doit être inférieur à 0,05 % pour une vanne neuve. Utilisé aux États-Unis, débit en USg/h occasionnant dans une vanne grande ouverte une perte de charge de 1 PSI Kv = 0,86 Cv Cv = 1,16 Kv 9
Autorité 1/5 Le rôle d une vanne de régulation est de modifier un débit. Une vanne aura une bonne autorité si elle peut modifier le débit sur toute sa levée. L autorité d une vanne de régulation ( a ) aussi appelée «perte de charge relative» est définie ainsi : a = DPv DPv + DPr DPv : perte de charge de la vanne de régulation DPr : perte de charge du réseau où le débit varie en fonction de la levée de la vanne 10
Autorité 2/5 Autorité d une vanne 2 voies : a = DPv DPv + DPr réseau DPv DPr 11
UTILISATION Autorité 3/5 Autorité d une vanne 3 voies : a = DPv DPv + DPr DPr DPv En montage «mélange» ou «répartition», le débit varie dans la chaudière! 12
UTILISATION Autorité 4/5 Autorité d une vanne 3 voies : a = DPv DPv + DPr DPv DPr En montage «décharge», le débit varie dans le circuit utilisation! 13
Autorité 5/5 a = DPv DPv + DPr L autorité se calcule en considérant les vannes deux ou trois voies grandes ouvertes. L autorité devra toujours être comprise entre 0,3 et 0,7 pour que la vanne fonctionne bien (fasse bien varier le débit sur toute sa levée). La plupart du temps on se fixe une autorité de 0,5, ce qui signifie que la vanne grande ouverte présentera la même perte de charge que le réseau dont elle fait varier le débit. Pour le calcul des pertes de charge en vue de déterminer le circulateur, il faudra donc d'abord calculer les pertes de charge des tronçons de réseau où le débit varie avant de déterminer la vanne de régulation afin d en connaître la perte de charge qui viendra s ajouter à celles de la boucle. 14
Pression différentielle 1/2 La pression différentielle est l écart des pressions s exerçant de part et d autre du clapet de la vanne lorsqu elle est grande ouverte. Cette pression créera une force qui tendra à ouvrir ou à fermer le clapet selon la position de la vanne dans le circuit. C est la différence entre la pression existant à la voie commune de la vanne et celle existant dans la voie de bipasse. Cette différence de pressions est égale à la somme de la perte de charge de la vanne et de celle du réseau où le débit varie. P différentielle = DPv + DPr 15
Pression différentielle 2/2 DPr DPv P P P différentielle DPv DPr P P différentielle P 16
Caractéristiques des vannes Vanne à caractéristique linéaire Vanne à caractéristique quadratique Vanne à caractéristique logarithmique Vanne à puissance calorifique linéaire 17
Caractéristiques des vannes Vanne à caractéristique linéaire La meilleure progressivité de la puissance thermique est obtenue avec une autorité a=1. Il est impensable de choisir cette valeur. Ce type de vanne ne peut pas être utilisé en régulation continue. Il peut être utilisé en régulation TOR. 18
Caractéristiques des vannes Vanne à caractéristique quadratique La meilleure progressivité de la puissance thermique est obtenue avec une autorité a=1. Il est impensable de choisir cette valeur, mais si la hauteur manométrique de la pompe le permet, une autorité de 0,6 à 0,7 donne une progressivité acceptable. 19
Caractéristiques des vannes Vanne à caractéristique logarithmique Dans ce type de vanne, le déplacement du clapet produit une variation de débit proportionnel au débit total précédent le changement. La meilleure progressivité de la puissance thermique est obtenue avec une autorité de 0,6 à 0,7. 20
Caractéristiques des vannes Vanne à puissance calorifique linéaire Dans ce type de vanne, le constructeur a conçu le clapet de façon à obtenir une puissance calorifique proportionnelle à la levée du clapet pour une autorité de 0,5. Une autorité trop grande aurait le même effet qu une autorité trop petite. 21
Astuce A B C Valeurs des pressions C > A > B C > B > A A > B > C B > A > C Circulation dans la vanne autorité A - B C - B B - A C - A A - B A - C B - A B - C 22
Montages Types de vannes trois voies Fonctionnement des vannes trois voies Montage mélange Montage répartition Montage décharge Montage décharge inversée Montage en injection 23
Types de vannes trois voies Les vannes trois voies peuvent être à tournant (disque, secteur ou boisseau), leur manœuvre nécessite un mouvement de rotation. Les vannes trois voies peuvent être à clapet, leur manœuvre nécessite un mouvement longitudinal. 24
Fonctionnement des vannes trois voies 1/2 Une vanne trois voies possédera : - une voie où le débit ne change pas, - deux voies où les débits varient en fonction de l ouverture de la vanne. débit variable débit constant débit variable Sur les schémas, la voie où le débit est constant doit être différenciée des deux autres. Ici, elle restera blanche alors que les autres voies seront noircies. (en musique, une blanche vaut deux noires) 25
Fonctionnement des vannes trois voies 2/2 en MELANGE ( deux entrées une sortie ) en REPARTITION ( une entrée deux sorties ) 26
Montage mélange UTILISATION débit variable débit constant température variable La vanne travaille en mélange, elle permet de faire varier la température de départ vers l utilisation. La pompe se situe du côté utilisation. 27
Montage répartition Point de mélange UTILISATION débit variable débit constant température variable La vanne travaille en répartition, elle permet de faire varier les débits arrivant au point de mélange et donc la température de départ vers l utilisation. La pompe se situe du côté utilisation. 28
Montage décharge UTILISATION débit constant débit variable température constante La vanne travaille en répartition, elle permet de faire varier le débit passant dans l utilisation. La pompe se situe du côté production. 29
Montage décharge inversée UTILISATION débit constant débit variable température constante La vanne travaille en mélange sur le retour, elle permet de faire varier le débit passant dans l utilisation. La pompe se situe du côté production. 30
Montage en injection injection UTILISATION débit constant débit constant température variable La vanne travaille en répartition, elle permet de maintenir les débits constants sur l utilisation et la production et, en s ouvrant,de modifier la température de départ en injectant de l eau chaude dans le circuit utilisation avec extraction de la même quantité d eau froide. Elle pourrait tout aussi bien être posée en mélange sur le retour 31
Actionneurs Moteur thermique Servo moteur «3 points» Moteur électro-hydraulique 32
Moteur thermique Molette «manuelle» Élément dilatable Tige de poussée Clapet de vanne Le «moteur» est constitué d un élément dilatable équipé d une résistance électrique. Lorsque la résistance est alimentée, l élément se dilate et pousse une tige qui vient ouvrir le clapet de vanne. Lorsque la résistance n est plus alimentée, l élément dilatable se refroidit doucement et un ressort situé dans la vanne ramène le clapet vers la fermeture. Une molette, placée sur le moteur, permet de comprimer le ressort hors tension et donc d ouvrir la vanne manuellement. 33
Servo moteur «3 points» 1/4 N Y1 Y2 ouverture L actionneur est un moteur électrique et équipe généralement une vanne tournante. Principe : Si l alimentation se fait par Y1, le moteur tourne et la vanne s ouvre lentement. 34
Servo moteur «3 points» 2/4 N Y1 Y2 fermeture L actionneur est un moteur électrique et équipe généralement une vanne tournante. Principe : Si l alimentation se fait par Y2, le moteur tourne dans l autre sens et la vanne se ferme lentement. 35
Servo moteur «3 points» 3/4 N Y1 Y2 arrêt L actionneur est un moteur électrique et équipe généralement une vanne tournante. Principe : Si l alimentation ne se fait plus, le moteur ne tourne plus et la vanne reste dans sa position précédente. 36
Servo moteur «3 points» 4/4 Marche «manuelle» Fins de course N Y1 Y2 Le moteur est équipé de fins de course qui couperont son alimentation avant d arriver en butée. Le réglage des cames de fin de course devra être contrôlé avant la mise en service du système! Ce type de servo moteur est équipé d un système permettant le positionnement de la vanne en «manuel». 37
Moteur électro-hydraulique Molette «manuelle» électrovanne ressorts pompe tige Le «moteur» est un vérin hydraulique équipé d une pompe et d une électrovanne. Lorsque le moteur est alimenté, l électrovanne est fermée et la pompe injecte l huile sur le dessus du vérin. Celui-ci descend doucement en poussant une tige qui vient ouvrir le clapet de vanne. Lorsque le moteur n est plus alimenté, la pompe s arrête et l électrovanne s ouvre. De puissants ressorts remontent le vérin doucement et la tige ramène le clapet de vanne vers la fermeture. Une molette permet d ouvrir la vanne hors tension en comprimant les ressorts. 38