Vannes de contrôle à trois voies

Les vannes à trois voies assurent un débit variable à travers le serpentin tout en maintenant un débit quelque peu constant dans le système.

Les vannes à trois voies de mélange et de dérivation sont illustrées dansChiffres 1. Dans une vanne mélangeuse, deux flux entrants sont combinés en un seul flux sortant. Dans une vanne de dérivation, c'est l'inverse qui se produit. L'orifice de sortie de la vanne mélangeuse et l'orifice d'entrée de la vanne de dérivation sont appelés orifice commun, généralement étiqueté C (pour commun), ou parfois AB.

Figure 1. Configurations des vannes de mélange (à gauche) et de dérivation (à droite)

DansFigure 2, le port inférieur de la vanne mélangeuse est affiché comme normalement ouvert au port commun, COM. (ouvert au commun lorsque la tige est relevée).

Figure 2. Vanne mélangeuse à trois voies

Ce port est généralement étiqueté NO (pour normalement ouvert), bien qu'il soit parfois étiqueté B (port inférieur). L'autre port est normalement fermé au commun et est généralement étiqueté NC (normalement fermé), bien qu'il soit parfois étiqueté A ou U (port supérieur). La prise commune est généralement étiquetée COM ou OUT. La vanne de dérivation porte une étiquette similaire.

Dansfigure 3, le port commun de la vanne de dérivation est représenté au même endroit que celui de la vanne mélangeuse, sur le côté.

figure 3. Vanne de dérivation à trois voies

Chez certains fabricants, la vanne peut être conçue de manière à ce que l'orifice commun soit l'orifice inférieur, l'eau sortant à gauche et à droite. Notez que, comme pour les vannes à deux voies, les bouchons des vannes de mélange et de dérivation sont disposés de manière à éviter les coups de bélier (c'est-à-dire que le débit se fait sous le siège de la vanne). Par conséquent, il est important que la vanne soit correctement raccordée et étiquetée en ce qui concerne la direction du débit, et une vanne mélangeuse ne doit pas être utilisée pour un service de dérivation, ou vice versa.

Les vannes mélangeuses sont moins chères que les vannes de dérivation et sont donc plus courantes. Dans la plupart des cas, lorsque des vannes à trois voies sont souhaitées, elles sont disposées dans la configuration de mélange, mais une vanne de dérivation est parfois nécessaire.

L'utilisation plus courante des vannes mélangeuses plutôt que des vannes de dérivation est apparemment la raison pour laquelle les vannes à deux voies sont traditionnellement placées du côté retour des serpentins (là où une vanne mélangeuse doit aller) plutôt que du côté alimentation (où se trouverait une vanne de dérivation) . D'un point de vue fonctionnel, cela faitaucune différencede quel côté de la batterie se trouve la vanne à deux voies. Les vannes à deux voies situées du côté retour de la tuyauterie du serpentin maintiendront la pression de refoulement de la pompe sur les serpentins hydroniques pour permettre une ventilation positive de l'air du collecteur de retour du serpentin. De plus, le fluide traversant la vanne côté retour est tempéré par la perte/le gain de chaleur à travers le serpentin.

Figure 4montre deux schémas typiques de vannes mélangeuses à trois voies.

Figure 4. Dispositions typiques des vannes mélangeuses à trois voies

Remarquez comment les ports de vanne sont étiquetés ; il est important que les schémas de contrôle soient étiquetés de cette manière pour être sûr que la vanne est raccordée dans la configuration souhaitée afin qu'elle ne se retrouve pas dans la bonne position et réponde correctement à l'action de contrôle du contrôleur. Le port commun est orienté de manière à ce que le flux retourne toujours vers le retour de distribution. Dans l'exemple en haut deFigure 4, la vanne est normalementfermé pour circuler à travers le serpentin. Si la disposition normalement ouverte était souhaitée, les étiquettes des ports sur le schéma pourraient simplement être inversées (l'étiquette NON serait affichée au retour de la vanne). Cependant, comme l'orifice normalement ouvert d'une véritable vanne mélangeuse à trois voies se trouve en bas, le simple fait de réétiqueter le schéma encourage les erreurs sur le terrain. Il est préférable de réorganiser le schéma, comme indiqué en bas deFigure 4, de sorte que le port NO soit affiché dans la bonne position.

Remarquez la vanne d'équilibrage indiquée sur la ligne de dérivation de la bobine deFigure 4. Bien qu'elle ne fasse généralement pas partie du système de contrôle (et, à ce titre, elle n'est généralement pas représentée sur les schémas de contrôle), cette vanne est néanmoins essentielle au bon fonctionnement du système de distribution d'eau, à moins que la chute de pression du serpentin ne soit très faible. La vanne doit être équilibrée pour correspondre à la chute de pression du serpentin, de sorte que lorsque la vanne est en position de dérivation, la chute de pression soit similaire au trajet à travers le serpentin. Sans la vanne, un court-circuit de fluide se produit et la pression différentielle entre l'alimentation et le retour dans le système chutera, affamant éventuellement d'autres serpentins du système qui nécessitent une pression différentielle plus élevée.

Les bouchons des vannes à trois voies sont disponibles dans les mêmes styles que les vannes à deux voies, généralement linéaires et à pourcentage égal. Cependant, tous les fabricants ne proposent pas les deux styles dans toutes les tailles, de sorte que le concepteur n'a pas toujours la flexibilité de choisir au sein de la gamme d'un fabricant. Dans de rares cas, les vannes sont construites avec deux styles de clapet différents, permettant à la vanne de se comporter de manière linéaire pour un port et d'un pourcentage égal pour l'autre. Les vannes de dérivation semblent être disponibles principalement avec des bouchons à pourcentage égal. La sélection du style de fiche est abordée dans la section suivante.

Bien que les vannes à trois voies soient le plus souvent utilisées lorsqu'un débit de fluide constant est souhaité, en réalité, elles n'aboutiront pas à un débit constant, quel que soit le type de clapet sélectionné. Comme indiqué ci-dessus, la vanne d'équilibrage peut être utilisée pour garantir que le débit est le même lorsque le débit passe à 100 % par le serpentin ou la dérivation. Cependant, lorsque la vanne se situe entre ces deux extrêmes, le débit augmentera toujours avec un clapet linéaire et, dans une moindre mesure, avec un clapet à pourcentage égal. La raison en deviendra évidente lorsque nous examinerons la manière dont les vannes sont dimensionnées et sélectionnées dans la section suivante.

Avant de sélectionner et de dimensionner, nous devons prendre en compte une autre caractéristique comportementale des vannes modulantes. Les vannes de régulation modulantes ont une caractéristique de fonctionnement inhérente appelée « facteur de capacité de plage ». Le facteur de capacité de plage d'une vanne de régulation est le rapport entre le débit maximum et le débit minimum contrôlable. Cette caractéristique est mesurée dans des conditions de laboratoire avec un différentiel constant appliqué uniquement à la vanne. Un facteur de capacité de portée de 10:1 indique que le valve seulepeut contrôler un débit minimum de 10%.

La capacité installée de la même vanne à contrôler de faibles débits est le « taux de réduction ». Dans le système réel, la pression aux bornes de la vanne ne reste pas constante. En règle générale, lorsque la vanne se ferme, la pression différentielle à travers la vanne augmente. Le rapport entre la chute de pression différentielle lorsque la vanne est complètement ouverte et lorsqu'elle est presque fermée est appelé son « autorité ». Si la pression devait rester la même, l'autorité seraitP/P = 1. Cependant, si la pression quadruplait, l'autorité serait ¼ = 0,25. Le taux de régulation de la vanne est calculé en multipliant le facteur de capacité de portée inhérente par la racine carrée de l'autorité de la vanne. Par conséquent, une vanne qui a une capacité de plage décente (disons 20:1) mais une faible autorité (disons 0,2) n'aura pas une bonne capacité de contrôle jusqu'aux faibles débits (capacité de plage 20•√0,2 = 9:1), et ne peut être capable de fournir un contrôle « tout ou rien » sur une bonne partie de sa plage de débit.

De nombreuses vannes de régulation CVC de type globe n'ont pas de facteurs de capacité élevés ; un fabricant majeur répertorie des valeurs de 6,5:1 à 25:1 pour sa gamme de robinets à soupape de ½ pouce à 6 pouces. Les vannes de régulation à bille les plus caractérisées ont cependant un facteur de capacité de plage très élevé (généralement > 150:1).

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What are the main differences between mixing and diverting three-way valves?
Mixing three-way valves combine two incoming streams into one outgoing stream, while diverting three-way valves split one incoming stream into two outgoing streams. The common port of a mixing valve is the outgoing stream, whereas the common port of a diverting valve is the incoming stream. Understanding the differences between these two types of valves is crucial for selecting the right valve for a specific application.
How do three-way valves maintain constant flow in a system?

Three-way valves do not truly maintain constant flow in a system. While they can provide variable flow through the coil, the flow in the system will still vary depending on factors such as pressure drop, piping layout, and valve sizing. However, three-way valves can help to minimize flow variations by allowing for adjustments to be made to the flow rate through the coil.

What are the advantages of using three-way valves in HVAC systems?

Three-way valves offer several advantages in HVAC systems, including improved system efficiency, reduced energy consumption, and increased flexibility. They allow for variable flow through the coil, which can help to optimize system performance and reduce energy waste. Additionally, three-way valves can be used to create zone control systems, which can provide more precise temperature control and improve overall system efficiency.

How do I select the right three-way valve for my application?

Selecting the right three-way valve for an application involves considering several factors, including the valve’s flow rate, pressure drop, and valve sizing. The valve must be able to handle the maximum flow rate required by the system, and it must be sized correctly to ensure proper operation. Additionally, the valve’s materials of construction, such as the type of metal or plastic used, must be compatible with the fluid being controlled.

Can three-way valves be used in both heating and cooling systems?

Yes, three-way valves can be used in both heating and cooling systems. In heating systems, they can be used to control the flow of hot water or steam through a coil, while in cooling systems, they can be used to control the flow of chilled water through a coil. The valve’s design and construction may vary depending on the specific application, but the fundamental principle of operation remains the same.

How do I troubleshoot common issues with three-way valves?

Common issues with three-way valves include stuck or seized valves, incorrect valve sizing, and improper installation. To troubleshoot these issues, it’s essential to follow a systematic approach, including checking the valve’s operation, inspecting the valve and surrounding piping, and reviewing the system’s design and installation. Additionally, consulting the valve’s manufacturer instructions and seeking assistance from a qualified technician may be necessary.

Can three-way valves be used in conjunction with other control devices?

Yes, three-way valves can be used in conjunction with other control devices, such as sensors, actuators, and controllers, to create more complex control systems. For example, a three-way valve can be used in conjunction with a temperature sensor and a controller to create a zone control system that provides precise temperature control. The valve can be controlled by the controller, which receives input from the sensor, to adjust the flow rate through the coil and maintain the desired temperature.

What are the maintenance requirements for three-way valves?

Three-way valves require regular maintenance to ensure proper operation and extend their lifespan. This includes cleaning the valve and surrounding piping, lubricating moving parts, and checking the valve’s operation and performance. Additionally, the valve’s seals and gaskets may need to be replaced periodically to prevent leaks and ensure proper operation.