Débit étranglé dans les vannes de régulation

Le débit étranglé est un phénomène mal compris qui peut affecter le dimensionnement de la vanne de régulation, ainsi que les spécifications des garnitures et des matériaux. Cet article a été initialement publié dans le numéro de juillet/août d'InTech.

Le débit étranglé dans les vannes de régulation est un sujet de grave préoccupation pour les utilisateurs industriels. Le terme est généralement associé à des conditions de processus destructrices qui peuvent endommager les composants internes des vannes ou exposer les opérateurs à des niveaux de bruit bien supérieurs aux limites de l'OSHA. Bien que l'écoulement étouffé ne soit pas toujours la cause de ces conditions, il peut indiquer quand elles se produisent. Cet article décrit le phénomène d'écoulement étouffé et montre pourquoi il se produit et comment il peut être prédit. Il explique également quand les conditions d'écoulement étranglé sont dommageables et comment ces dommages peuvent être réduits ou évités.

Si la pression d'entrée (P1) et la zone d'écoulement de la vanne sont fixes, le débit à travers une vanne augmentera normalement lorsque la pression en aval (P2) est réduite. La ligne "Idéale" de la figure 1 illustre ce point, montrant comment le débit de liquide augmente linéairement lorsqu'il est représenté par rapport à la racine carrée de la pression différentielle à travers la vanne divisée par la gravité spécifique.

Dans les applications liquides, l'étouffement est le résultat de la réduction de pression à travers les éléments de commande. La figure 2 montre la pression instantanée lorsque le liquide se déplace à travers une vanne de régulation. Les sections transversales d'entrée et de sortie d'une vanne sont beaucoup plus grandes que la zone de contrôle, comme la cage ou la zone autour du clapet et du siège. Étant donné que le débit total à n'importe quel endroit de la vanne est le même, la vitesse du liquide dans la zone réduite (vena contracta) doit être beaucoup plus élevée pour laisser passer le même débit.

Un écoulement étranglé en lui-même n'endommage généralement pas une vanne, mais il existe des conditions d'écoulement couramment associées à un écoulement étranglé qui peuvent créer des problèmes, notamment :Niveaux sonores : Un écoulement étranglé ne crée pas directement de bruit, mais un bruit élevé peut résulter de phénomènes de processus normalement associés à un écoulement étranglé. Dans les systèmes liquides, la cavitation peut être présente lors d'un écoulement étranglé, ce qui crée du bruit et peut finalement endommager la vanne. Lorsque la pression en aval est réduite, la cavitation se transforme en flashing. Alors que la cavitation peut avoir un niveau de pression acoustique élevé en raison de l'implosion des bulles de vapeur qui s'effondrent à partir des micro-jets et des ondes de choc, le clignotement aura un bruit réduit en raison du flux biphasé résultant. Dans le flux de vapeur, le bruit augmentera considérablement à mesure que la vitesse devient sonique. Lorsque la pression en aval est réduite, l'énergie supplémentaire est convertie en énergie sonore. Les vannes avec une chute de pression excessive peuvent générer des niveaux sonores supérieurs à 100 dB. Avec des écoulements de liquide ou de vapeur, le niveau global de bruit est généralement lié à la pression différentielle à travers la vanne. Lorsque l'étouffement apparaît pour la première fois, le bruit sera présent mais peut ne pas être excessif. À mesure que la pression en aval chute, le bruit augmente considérablement et peut endommager les composants internes des vannes et soumettre les opérateurs à des niveaux sonores dangereux.Clignotement et cavitation : Une idée fausse courante est que les conditions d'écoulement étranglé nécessitent des conditions de flash, mais un écoulement étranglé peut également se produire dans des conditions de cavitation. Comme le montre la figure 2, la cavitation se produit lorsque la pression P2 dépasse la pression de vapeur du liquide. Lorsque cela se produit, les bulles s'effondrent et redeviennent liquides. Si la pression P2 reste inférieure à la pression de vapeur, le liquide bouillira et se transformera en vapeur lors de son passage à travers la vanne et restera sous forme de vapeur à sa sortie (Figure 3).

De nombreux fournisseurs de vannes ont des programmes de dimensionnement des vannes de contrôle qui peuvent prédire les conditions de débit étranglé et aider les utilisateurs à dimensionner correctement la vanne. Cependant, ces programmes sont seulement aussi précis que les données d'entrée, de sorte que les informations correctes sur le procédé et la vanne doivent être saisies. La présence et l'étendue de l'étranglement du débit dépendent de nombreuses conditions de procédé, y compris les propriétés physiques du fluide impliqué, les débits, les pressions en amont et en aval, la température du procédé et les configurations de tuyauterie d'entrée et de sortie, ainsi qu'un certain nombre de détails associés à la vanne de régulation elle-même. Des paramètres spéciaux, tels que le taux de chute de pression, le facteur de récupération de pression et l'indice de cavitation, aident à prédire exactement quand la cavitation ou l'étouffement se produira, et le débit qu'une vanne passera. Étant donné que les paramètres de chaque style de corps et de garniture sont différents, chaque option doit être évaluée individuellement pour déterminer le débit réel qui peut être transmis en toute sécurité dans un ensemble spécifique de conditions de processus. De tels calculs de dimensionnement peuvent devenir compliqués, en particulier lorsque plusieurs options de garniture sont disponibles, il est donc sage de consulter votre fournisseur de vannes pour évaluer les options et déterminer la meilleure solution pour votre application.

Le flux étouffé, en soi, n'est pas une cause de préoccupation. La confusion provient de l'association d'un débit étranglé avec de nombreux phénomènes négatifs qui peuvent affecter et endommager les vannes de régulation. Si vous êtes confronté à la possibilité d'un débit étranglé, ou s'il y a des préoccupations ou des questions sur la façon de procéder au dimensionnement ou à la sélection de la vanne, contactez les fournisseurs de vannes pour obtenir une assistance technique. Ils peuvent généralement fournir des programmes de dimensionnement des vannes qui prédisent le moment où l'étouffement se produira et son impact sur le dimensionnement et la sélection des vannes. Ils peuvent également aider les utilisateurs à choisir la meilleure combinaison de matériaux et de conceptions de garnitures pour atténuer les conditions dommageables. Cet article a été initialement publié dans le numéro de juillet/août d'InTech.

Katherine Bartels est ingénieure de conception chez Emerson Automation Solutions, spécialisée dans les vannes anticavitation personnalisées. Elle est diplômée d'un BS en génie mécanique de l'Iowa State University et travaille chez Emerson depuis six ans. Adam Harmon est ingénieur de conception senior chez Emerson Automation Solutions, spécialisé dans les vannes dans les applications de conditionnement de vapeur. Il est titulaire d'un BS en génie mécanique de l'Iowa State University et travaille chez Emerson depuis 11 ans.

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