Vannes de contrôle à deux voies

La soupape de commande est peut-être la composante la plus importante d'un système de distribution de fluide car elle régule l'écoulement de fluide vers le processus sous contrôle. Dans les systèmes CVC, les vannes de contrôle sont principalement utilisées pour contrôler l'écoulement de l'eau réfrigérée, de l'eau chaude et de l'eau du condenseur, le sujet de cette section. Le contrôle d'autres liquides, notamment la vapeur, les réfrigérants, les gaz et l'huile, sont similaires à de nombreux aspects, mais ne sont pas spécifiquement traités ici car ils ont des exigences spécifiques pour la conception, y compris les problèmes de sécurité et la compatibilité des matériaux.

Styles et principes de fonctionnement

Chiffre 1. Circuits à deux voies à deux voies et à trois voies

Avec la configuration bidirectionnelle, le flux de circulation est variable. Dans les configurations à trois, l'écoulement reste relativement constant à travers la boucle qui comprend la pompe et varie dans la boucle contenant la bobine. Cela fonctionne bien pour les systèmes dans lesquels la fourniture de chaleur, généralement une chaudière, ou l'alimentation de refroidissement, généralement un refroidisseur, nécessite un débit constant. Dans d'autres systèmes, il se peut que l'écoulement constant dans la bobine soit important, peut-être pour empêcher la congélation. Dans ce cas, la pompe peut être dans la boucle de bobine.

Les vannes de commande sont généralement disponibles en trois styles de vanne: globe, papillon et balle. La valve de type globe est la plus courante depuis de nombreuses années, mais les vannes à billes caractérisées deviennent très populaires et commencent à devenir une partie importante du marché de travail. En dessous de 2 pouces, ils ont généralement transpiré (soudé) ou des connexions vissées, tandis que plus de 2 pouces, ils sont généralement brillants.

Figure 2montre une valve de commande à deux places à deux voies de type globe. Il se compose d'un corps, d'un seul siège et d'un bouchon. Le bouchon est connecté à une tige, qui, à son tour, est connectée à l'actionneur, également appelé actionneur ou moteur. Le déplacement de la tige de haut en bas contrôle l'écoulement. L'arrêt complet est réalisé lorsque le bouchon est fermement en panne contre le siège.

Figure 2. Soupape à deux places à deux planes (l'écoulement de fluide est de gauche à droite)

Le corps est connecté au système de tuyauterie de toute manière appropriée (vissé, bride, soudé, soudé, etc.), mais il est important que des syndicats ou quelque chose de similaire soient fournis afin que la vanne puisse facilement être retirée pour la réparation ouremplacement. Assurez-vous que la direction d'écoulement est correcte avec la flèche sur le corps de soupape. Des vannes de service (manuelle) doivent être fournies pour isoler les vannes de commande individuelles ou les sous-systèmes de tuyauterie.

Un actionneur qui est poussé pour soulever la tige de soupape sur une perte de puissance combinée avec la valve globe indiquée enFigure 2produirait un assemblage de valve normalement ouvert. La valve est ouverte lorsque la puissance est retirée de l'actionneur.

Les chiffres indiquent que le flux à travers la valve doit se produire dans la direction indiquée par la flèche. Toutes les soupapes de commande auront une flèche jetée dans leen dehors du corps pour indiquer la direction de l'écoulement. La raison en est la suivante: dans tout lien entre le moteur et la tige de soupape, il y aura un peu de mou, un peu de libre circulation de la tige de la valve. Lorsque le débit se produit dans la bonne direction, la pression de vitesse du fluide et la pression différentielle du fluide à travers la valve auront tendance à ouvrir la valve. Par conséquent, le moteur doit appuyer étroitement pour le fermer, en prenant toute libre circulation. Si le débit se déroule dans la mauvaise direction, la pression de vitesse a tendance à fermer la valve (poussant vers le bas sur le bouchon de la valve dansFigure 2). Lorsque la soupape s'affronte vers sa position fermée, la pression peut être suffisante pour pousser le bouchon en position fermée, profitant de la libre circulation ou du mou dans la tige de la valve. Lorsque cela se produit, le flux cesse, puis le composant de pression de vitesse disparaît et la libre circulation permet à la valve de s'ouvrir. Le débit commence, la composante de vitesse réapparaît et le cycle est répété indéfiniment. Chaque fois que l'écoulement s'arrête et commence, la force inertielle du fluide dans le tuyau provoque un choc appelémarteau à eau. En plus d'être bruyant et ennuyeux, cela peut provoquer une défaillance du système de tuyauterie. Par conséquent, il est important de ne jamais installer une soupape de commande vers l'arrière.

Figure 4montre une valve à double siège, également appelée valve équilibrée. Comme son nom l'indique, il a deux bouchons et sièges disposés de sorte que la pression différentielle du fluide est équilibrée et que l'actionneur n'a pas à lutter contre la pression différentielle pour fermer la valve, comme il le fait dans les vannes monochées indiquées dans leFigure 2. Cela réduit la taille de l'actionneur. Mais la valve ne peut pas fournir une fermeture serrée. Cela réduit son applicabilité aux systèmes de CVC, où une fermeture serrée est généralement souhaitée, pour minimiser les coûts énergétiques (pour éviter les fuites et le chauffage et le refroidissement simultanés).

Figure 4. Valve de globe bidirectionnelle à double siège

Les vannes de commande de type globe de globe sont fabriquées avec deux types de bouchons de base: la fiche linéaire (V-Port) (voirFigure 5) et un plug à pourcentage égal (voirFigure 6). De nombreux fabricants ont des variations sur ces deux conceptions (appelés pourcentage égal linéaire ou modifié modifié), dont les caractéristiques sont généralement similaires à celles décrites ici.

Figure 5. Bouche de soupape linéaire (V-Port)

Figure 6. Pilde de vanne à pourcentage égal

Une bougie de plaque plate (voirFigure 7) est parfois utilisé pour le droit d'ouverture rapide à deux positions.

Figure 7. Bouche de soupape d'ouverture rapide (plaque plate)

Le graphique dansFigure 8montre la relation entre le pourcentage de débit à pourcentage de levage de fiche pour chaque type de fiche, en supposant une chute de pression constante à travers la vanne. Le lifting du bouchon est défini comme zéro avec la valve fermée et jusqu'à 100% lorsque la soupape est ouverte au point au-delà de laquelle aucune augmentation de l'écoulement ne se produit. Le bouchon de plaque plat fournit environ 60% du débit complet lorsqu'il est ouvert à 20%. Ainsi, il convient uniquement au contrôle à deux positions.

Figure 8. Caractéristiques de la vanne de contrôle

Les caractéristiques des soupapes de contrôle sont une étude complexe des caractéristiques quelles sont nécessaires du système CVC et de sa bobine, et comment la valve est conçue pour fonctionner et fonctionner. Le choix correct de ces problèmes de caractéristiques peut produire une vanne de contrôle correctement combinée pour son application. Un exemple très simple de ceci est représenté dansFigure 9.

Figure 9. Combinaison de caractéristiques de la bobine et de la vanne de contrôle

Comme indiqué dansFigure 10, le bouchon linéaire a une caractéristique essentiellement linéaire tandis que le bouchon de pourcentage égal est façonné de sorte que l'incrément de débit est une fonction exponentielle de l'incrément de levage. Cela signifie que lorsque la valve est presque fermée, un grand pourcentage de levage est nécessaire pour un petit changement de débit.

Figure 10. Caractéristiques de valve typiques à une chute de pression constante

Alors que le bouchon atteint son dernier petit incrément de fermeture jusqu'à ce qu'il s'arrête complètement, l'écoulement tombe très rapidement. Ce débit minimum juste avant la fermeture est fonction de la construction physique de la vanne, du bouchon et du siège. Le rapport du taux minimum à la vitesse maximale à la même baisse de pression à travers la valve est appelé la capacité de plage ou le rapport de remin-down. Pour une soupape de commande HVAC typique, ce rapport sera d'environ 20: 1, ce qui équivaut à un débit de 5% lorsque la valve est à peine ouverte. Ceci est généralement adéquat pour les travaux de contrôle HVAC. Des vannes avec des ratios plus importantes sont disponibles mais ils sont plus chers.

Figure 11montre une valve papillon, qui est essentiellement un disque rond qui tourne dans le corps de la vanne pour moduler l'écoulement. Bien qu'il ne soit pas toujours adapté à la modulation du devoir (comme discuté dans la section suivante), les vannes de papillon peuvent être utilisées pour l'arrêt, l'équilibrage et les fonctions à deux positions et à trois voies. La valve papillon a une caractéristique qui se situe entre le pourcentage égal et les caractéristiques de la bougie linéaire, voirFigure 10, tandis que la valve à billes a une caractéristique presque linéaire. Différentes caractéristiques d'écoulement sont souhaitées dans différentes applications.

Figure 11. Vanne papillon

Une vanne à billes (fondamentalement une boule ennuyée qui tourne dans le corps de soupape) est indiquée dansChiffres 12 et 13. Les vannes à billes sont principalement utilisées comme vannes d'arrêt et d'équilibrage sur de petits systèmes de tuyauterie (taille nominale de 2 pouces et moins), mais récemment, ils ont été adaptés aux applications de contrôle automatique, principalement pour les petites bobines telles que les bobines de réchauffage. Les vannes à billes, sans bougie appropriée, ne doivent pas être utilisées à grands fins de contrôle de débit; En règle générale, la résistance, lorsqu'elle est ouverte, est trop faible et se prête à permettre une vanne de taille beaucoup plus petite par rapport au tuyau, et son contrôle est instable.

Figure 12. Disposition du robinet à tournant sphérique

Figure 13. Vanne à bille caractérisée

Les soupapes à billes avec un «bouchon caractérisé» peuvent être utilisées dans certaines applications de contrôle HVAC typiques telles que représentées dansFigure 13.

Les caractéristiques d'écoulement de ces bouchons standard et caractérisées de soupape sont indiquées dansFigure 14.

Figure 14. Vanne à bille

Les trois types de vannes considérés - globe, papillon et balle - tous ont besoin de conduire avec un actionneur. L'actionneur de soupape globe déplace la tige de soupape dans et l'extérieur comme indiqué dansFigure 15. Les actionneurs pour les soupapes à balle et à papillon doivent faire pivoter la tige de soupape avec un actionneur généralement comme indiqué dansFigure 16.

Figure 15. Actionneurs de valve - déplacer la tige de haut en bas

Figure 16. Actionneur de valve - Rotary (gracieuseté de Honeywell)

L'utilisation de vannes bidirectionnelles offre plusieurs avantages sur les vannes à trois voies, notamment:

La valve est moins coûteuse à acheter et à installer. Ceci est en partie compensé par les actionneurs qui coûtent généralement plus cher en raison de la pression différentielle plus élevée à travers la valve.

Les vannes bidirectionnelles entraînent un débit variable qui réduira l'énergie de pompage. Cela est particulièrement vrai lorsque des lecteurs variables sont utilisés sur les pompes.

Les pertes de chaleur de tuyauterie ainsi que l'énergie de la pompe peuvent être réduites en utilisant la soupape pour arrêter le débit vers des bobines inactives tout en servant des bobines actives; C'est un avantage lorsqu'une usine centrale dessert de nombreuses bobines opérant sur différents horaires.

La diversité de charge peut être prise en compte lors du dimensionnement des systèmes de pompage et de distribution, ce qui pourrait réduire leurs coûts.

Le besoin de flux d'équilibrage du système est réduit ou éliminé dans la plupart des applications. Étant donné que les vannes n'utiliseront autant d'eau réfrigérée ou chaude que nécessaire par la charge, le système de soupape bidirectionnel est auto-équilibré dans des conditions de fonctionnement normales. Avec des vannes à trois voies, le débit se produit à travers le circuit à tout moment (soit à travers la bobine, soit la contournement), donc le débit doit être équilibré pour garantir que l'écoulement requis est délivré à chaque bobine.

D'un autre côté, l'utilisation de vannes bidirectionnelles peut avoir des inconvénients:

Certains refroidisseurs et chaudières ne peuvent pas gérer des débits très variables. L'utilisation de vannes à trois voies à la place des vannes bidirectionnelles est une façon de résoudre ce problème. (Les vannes bidirectionnelles peuvent toujours être utilisées à des bobines, mais certains autres moyens pour maintenir le débit à travers l'équipement doivent être inclus, tels qu'un pontage actionné par pression, VSD ou un système de pompage primaire / secondaire. Le lecteur est référé auHandbook ASHRAE - Systèmes et équipements CVCet d'autres sources pour plus d'informations sur ces conceptions alternatives.)

Les vannes bidirectionnelles provoquent une augmentation des pressions différentielles à travers les vannes de contrôle, en particulier lorsque les pompes ne sont pas contrôlées. Cela réduit la contrôlabilité du système et peut même entraîner l'ouverture des vannes par la pression de l'eau. Les actionneurs sont généralement plus grands pour gérer les fermes de pression beaucoup plus importantes.

En raison des avantages qu'ils offrent, l'utilisation de vannes bidirectionnelles est généralement recommandée, utilisée avec la conception de contournement ou de VSD appropriée, en particulier pour les grands systèmes où leur énergie et leurs avantages de premier coût sont importants. Mais la conception du système et la sélection des soupapes (discutées dans la section suivante) doivent être capables d'atténuer ces deux inconvénients pour que le système fonctionne avec succès.