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Robinets de régulation
19 juin 2013 © Guy Gauthier ing. Ph.D.
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Un survol de la mécanique des fluides
Équation/Loi de Bernoulli Un survol de la mécanique des fluides Cours #1 - GPA668
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Équation de Bernoulli (1738)
Aspect énergétique dans une ligne de fluide L’énergie dans une ligne de fluide reste constante. Chaque terme est une hauteur manométrique Cours #1 - GPA668
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Équation de Bernoulli Hypothèses: La viscosité est nulle;
Les pertes de charge sont nulles; Le fluide est incompressible. Cours #1 - GPA668
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Exemple d’application de l’équation de Bernoulli
Réservoir qui se vide par gravité: L’énergie en 1 est égale à celle en 2 Cours #1 - GPA668
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Exemple Selon Bernoulli: p1 = 1 atm. p2 = 1 atm. v1 = 0 m/s
Cours #1 - GPA668
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Formule de Torricelli (1644)
Exemple Ce qui mène à: Donc: Et: Formule de Torricelli (1644) Cours #1 - GPA668
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Exemple Dans le réservoir: Ce qui mène à: Ressemble à:
Car le réservoir se vide Cours #1 - GPA668
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Exemple Dans le réservoir: Ce qui mène à: Ressemble à:
Car le réservoir se vide Cours #1 - GPA668
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La viscosité n’est pas nulle
Un fluide réel possède une certaine viscosité. En Centipoises ou en milli-Pascal secondes Source: Celle de l’eau (à 20°C): cPo Cours #1 - GPA668
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Les pertes de charges ne sont pas nulles
Il y a une perte d’énergie due au frottement du fluide sur la conduite. Cette perte dépend du débit du fluide; Du matériau utilisé pour la conduite; De la taille de la conduite; De la viscosité du liquide. Source: Image: hickerphoto.com Source de l’image: Cours #1 - GPA668
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Pertes de charges Il existe des tableaux: Cours #1 - GPA668 Tiré de:
Glover, Thomas J., POCKET REF, Sequoia Publishing, 1997 Cours #1 - GPA668
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Pertes de charges Il existe des tableaux: Cours #1 - GPA668
Tiré de: engineeringtoolbox.com Cours #1 - GPA668
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Pertes de charges Il existe des tableaux: Cours #1 - GPA668
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Pertes de charges Il existe de nombreuses équations:
Exemple, l’équation de Hazen-William: C : constante de rugosité de Hazen-Williams; Q : débit volumique en GPM; d : diamètre intérieur de la conduite en pouces; Hfriction : hauteur manométrique correspondant à la perte de charge d’une conduite ayant une longueur de 100 pieds. Cours #1 - GPA668
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Terme de la perte de charge
Pertes de charges Effet sur l’équation de Bernoulli: Terme de la perte de charge Énergie au point 1 Énergie au point 2 Pertes Cours #1 - GPA668
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Cas des fluides compressibles
Transport de gaz Cas des fluides compressibles Cours #1 - GPA668
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Certains fluides sont compressibles
Les gaz sont des fluides compressibles. Avec γ le rapport des capacités calorifiques du fluide donné par: 1.67 pour gaz monoatomique 1.40 pour gaz diatomique Cours #1 - GPA668
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Tableau de Cp et Cv pour divers gaz
Cp J/kg/k Cv J/kg/k Air 1005 718 O2 917 653 N2 1038 741 Vapeur d’eau 1867 1406 He 5234 3140 Ne 1030 618 Propane (C3H8) 1692 1507 Cp/Cv : Chaleur massique – quantité d’énergie pour élever 1 kg de matière de 1 kelvin. À pression constante À volume constant Cours #1 - GPA668
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Ajout d’énergie pompe
Cours #1 - GPA668
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Ajout d’énergie pompe
Énergie au point 1 Pompe Énergie au point 2 Pertes Cours #1 - GPA668
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Relation débit-pression (hauteur manométrique)
Une pompe possède une relation débit pression: Cours #1 - GPA668
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Exemple #1 2 1 Pompe Cours #1 - GPA668
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Conduites de 3 pouces « Schedule 40 »
Exemple #2 Valve Pompe Conduites de 3 pouces « Schedule 40 » (10.85 pi/s à 250 GPM) La pression de 47 psig doit être maintenue quelque soit le débit entre 50 et 250 GPM Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe 47 (p2-Dp) Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe Cours #1 - GPA668
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Poids spécifique de l’eau : 62.4 lb/pi3
Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe Poids spécifique de l’eau : 62.4 lb/pi3 Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve Pompe À 50 GPM À 250 GPM 2 3 4 1
Il y a 225 pieds de conduite et hfriction est la perte de charge par 100 pieds de conduite. À 50 GPM À 250 GPM Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe À 50 GPM Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe À 50 GPM Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe À 250 GPM Cours #1 - GPA668
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Exemple #2 Valve 2 3 4 1 Pompe À 250 GPM Cours #1 - GPA668
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Bilan À 50 GPM La valve doit faire chuter la pression de psi. À 250 GPM La valve doit faire chuter la pression de psi. Cours #1 - GPA668
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Robinets de régulation
Quelques définitions… Robinets de régulation Cours #1 - GPA668
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Définitions Commençons avec une conduite sur laquelle nous insérons une valve… Cours #1 - GPA668
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Définitions Le corps de valve comporte deux cavités…
Source image : Cours #1 - GPA668
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Définitions La forme de la soupape définit la caractéristique de la valve. Cours #1 - GPA668
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Définitions La tige de manœuvre commande la position de la soupape.
Cours #1 - GPA668
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Définitions Source de l’image: www.sauter-controls.com
Cours #1 - GPA668
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Cours #1 - GPA668
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Caractéristique commande/ouverture
Actionneur à effet direct / à effet inverse Soupape à effet direct / à effet inverse Cours #1 - GPA668
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Actionneur à effet direct / à effet inverse
Direct acting actuator (spring-to-retract) Reverse acting (spring-to-extend) Cours #1 - GPA668
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Actionneur à effet direct / à effet inverse
Cours #1 - GPA668
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Soupape à effet direct / à effet inverse et l’effet du débit
Cours #1 - GPA668
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Bilan Cours #1 - GPA668
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Actionneur électrique
Cours #1 - GPA668
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Les équipements auxiliaires
Volant de commande manuelle Cours #1 - GPA668
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Caractéristiques d’une valve
Relation position/débit Forme de la soupape Débit Position Cours #1 - GPA668
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ANSI/ISA (IEC ) Dimensionnement d’une valve - d’où viennent les équations ? - Comment les utiliser ? Cours #1 - GPA668
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Conduite rectiligne – fluide parfait
Pression statique Accélération de la pesanteur Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide parfait
Loi de Bernoulli: Mène à: Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide parfait
Conservation de masse: Mène à: Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide parfait
Puisque: Donc: Et: Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide parfait
Le débit est: Ce débit idéal est théorique: Hypothèses de la loi de Bernoulli… Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide réel
Il faut prendre en compte la perte de charge. Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide réel
Il faut prendre en compte la perte de charge. Ajout du coefficient de décharge C1. Cours #1 - GPA668
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Restriction idéale – fluide réel
Posant: On écrit finalement: Cours #1 - GPA668
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Restriction réelle – fluide réel
La restriction n’est plus idéale. Cours #1 - GPA668
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Restriction réelle – fluide réel
La restriction n’est plus idéale. vc La veine de fluide atteint sa surface minimale au vena contracta. Cours #1 - GPA668
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Restriction réelle – fluide réel
Ainsi: Définissons: Et le coefficient de contraction: vc Cours #1 - GPA668
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Restriction réelle – fluide réel
Donc: Définissons le facteur de récupération de pression: vc Cours #1 - GPA668
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Restriction réelle – fluide réel
Ce qui mène à cette équation: Mais, le débit Q est en pouces cubes par seconde. vc Cours #1 - GPA668
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Restriction réelle – fluide réel
Si le débit est en gallons US par minute (GPM): vc Coefficient de valve Densité relative Pression en psia Cours #1 - GPA668
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Définitions Masse volumique: Masse par unité de volume
Ex.: kilogramme/mètre cube; Poids spécifique: Poids par unité de volume Ex.: Newton/mètre cube; Ex.: livre/pied cube; Cours #1 - GPA668
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Définitions Densité (relative):
Rapport de la masse volumique du fluide à celle de l’eau à 4°C (ou 39°F). 1000 kg/m3 ou 62.4 lb/pi3. Pour les gaz: par rapport à l’air à TPN. Volume spécifique: Volume par unité de masse Inverse de la masse volumique. Ex.: mètre cube/kilogramme. Cours #1 - GPA668
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Revenons aux robinets de réglage
Équation (applicable au régime turbulent): Le coefficient de valve CV dépend (entre autres) de la taille de l’orifice de la valve. Cours #1 - GPA668
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Introduction d’un coefficient adimensionnel
Pour simplifier l’analyse, un terme adimensionnel est introduit. Il est identifié Cd et est défini comme suit: Grosseur de la valve Cours #1 - GPA668
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Cd Cours #1 - GPA668
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Exemple de design (1er essai)
Supposons que l’on nous demande de choisir la dimension d’une valve qui sera soumise à la situation suivante: Liquide: eau de rivière (G=1) Débit maximal: 1600 GPM Conduite: 8 po. « schedule 30 » Pression en amont : 27.9 psig (ou 42.6 psia) Pression en aval : 20 psig (ou 34.7 psia) Cours #1 - GPA668
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Exemple de design (1er essai)
Il faut sélectionner une valve. Le CV requis est donc: La valve choisie devra avoir au moins ce CV à son ouverture maximale Cours #1 - GPA668
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Exemple de design (1er essai)
Si le choix du type de valve se porte sur une valve papillon ayant un CD de 17, cela implique que: La dimension valable est de 6 pouces. Il semble donc que la valve de 6 pouces fasse l’affaire. Cours #1 - GPA668
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Cours #1 - GPA668
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Conduites schedule 40 (acier)
Cours #1 - GPA668
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Mais… … la conduite est de 8 pouces.
Cela implique l’ajout de raccords pour adapter la valve de 6 pouces au conduit de 8 pouces. L’ajout de ces raccords doit être pris en compte dans le calcul. Cours #1 - GPA668
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Raccord amont Deux pertes doivent être calculées. Cours #1 - GPA668
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Raccord amont Une perte et un gain doivent être calculées.
Cours #1 - GPA668
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Facteur géométrique FP
Pour prendre en compte les raccords et leurs pertes, on doit calculer le facteur géométrique FP qui est définit comme suit: Bilan: on ne cherche pas le CV requis, mais le FPCV requis… Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple On avait obtenu un CV requis de (ce qui donnait une valve de 6 pouces). En fait, c’était le FPCV requis qui est de Puisque la valve est d’un diamètre inférieure à la conduite alors FP est inférieur à 1. Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple Calculons le FPCV de la valve de 6 pouces:
1) pertes Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple Calculons le FPCV de la valve de 6 pouces: 2) FP
3) CV d’une valve de 6 pouces Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple Calculons le FPCV de la valve de 6 pouces:
4) FPCV d’une valve de 6 pouces 5) Comparez avec Cours #1 - GPA668
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Bilan Si FPCV valve choisie < FPCV requis
Choisir une valve plus grosse et revérifier… Si FPCV valve choisie > FPCV requis La valve choisie fait l’affaire. Donc, la valve de 6 pouces semble un bon choix. Cours #1 - GPA668
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Plage d’opération vs plage totale
Essayer de faire en sorte que le CV soit entre 10 et 75 à 85 % du CV maximum de la valve. Ici, le FPCV à 1600 GPM est de ce qui correspond à environ 97 % du FPCV maximum. Cours #1 - GPA668
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Solution Choisir la valve de la taille au dessus.
C’est 8 pouces, ce qui donne FP=1, car la valve à la même dimension que la conduite. Puis: Ce qui donne à 1600 GPM un CV de 52.3% du CV maximal de la valve. Si cela ne convient pas, changer le type de valve… Cours #1 - GPA668
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Quand le liquide est visqueux…
Écoulement laminaire Cours #1 - GPA668
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Quand l’écoulement n’est pas turbulent
Ce qui se produit quand: L’écoulement est lent. Le liquide est très visqueux. Dans ce cas, l’équation ne tient plus... Cours #1 - GPA668
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Pour déterminer le régime d’écoulement
Il faudrait évaluer une équation plutôt complexe: Pour simplifier la tâche, on peut simplement déterminer le coefficient de Reynolds FR. Ouf, on vient de se sauver du travail… Cours #1 - GPA668
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Coefficient de correction FR
Cours #1 - GPA668
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Calcul du coefficient FR
Selon la situation choisir l’une des équations suivantes: L’inconnue est le CV L’inconnue est la chute de pression L’inconnue est le débit Cours #1 - GPA668
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Si FR est supérieur ou égal à 1 Si FR est inférieur ou égal à 0.5
À quoi correspond le FR ? Selon la valeur de FR nous aurons différents régimes d’écoulement: Si FR est supérieur ou égal à 1 L’écoulement est turbulent Si FR est inférieur ou égal à 0.5 L’écoulement est laminaire Si FR est entre 0.5 et 1 L’écoulement est transitionnel Cours #1 - GPA668
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Équation applicable au cas laminaire
Elle s’écrit: Le coefficient FS dépend du type de valve et est tabulé… Viscosité statique Coefficient FS Cours #1 - GPA668
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FS Cd Cours #1 - GPA668
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Comment obtenir FR ? Il faut évaluer les deux équations suivantes:
Équation pour l’écoulement turbulent Équation pour l’écoulement laminaire Cours #1 - GPA668
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Puis calculer FR avec l’une des 3 équations suivantes
Selon l’inconnue à trouver: L’inconnue est le CV L’inconnue est la chute de pression L’inconnue est le débit Cours #1 - GPA668
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Exemple de dimensionnement d’une valve avec un liquide visqueux
Soit la situation suivante: Liquide très visqueux Viscosité : 106 cP Débit maximal : 90 GPM Conduite : 10 po. « schedule 40 » Pression en amont : 50 psia Pression en aval : 40 psia Densité relative : 1.10 Cours #1 - GPA668
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Exemple de dimensionnement
Nous devons dimensionner une « ball valve » avec un FS de 1.3 et un CD de 30. L’inconnue à trouver est CV qui est nécessaire pour obtenir le diamètre de la valve d. Cours #1 - GPA668
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Étape 1: Évaluer les CV en écoulement turbulent et laminaire
Calculons: Équation pour l’écoulement turbulent CVT = 29.85 Équation pour l’écoulement laminaire CVS = Cours #1 - GPA668
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Étape 2: Évaluer le coefficient FR et le régime d’écoulement
L’inconnue, c’est CV : On calcule FR comme suit: CVT = 29.85 CVS = FR = -4.23 Écoulement laminaire Cours #1 - GPA668
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Étape 3: Évaluer le diamètre de la valve
Puisque l’écoulement est laminaire, le CV requis est de 2389. Ce qui donne: On doit prendre une valve de 10 pouces. Cours #1 - GPA668
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Bilan Comme le diamètre de la valve est le même que le diamètre de la conduite, le calcul se termine ici. % d’ouverture à 90 GPM : 2389, c’est 79.6 % de 3000. Cours #1 - GPA668
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Exemple d’évaluation du débit dans une conduite avec une valve
Soit la situation suivante: « Ball valve » de 2 po. Cv = 100 ; FS = 1.25. Liquide visqueux Viscosité : 2000 cP Pression en amont : 74 psia Pression en aval : 62 psia Densité relative : 1.10 Cours #1 - GPA668
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Étape 1: Évaluer les débits en écoulement turbulent et laminaire
Calculons: Équation pour l’écoulement turbulent qT = GPM Équation pour l’écoulement laminaire qS = GPM Cours #1 - GPA668
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Étape 2: Évaluer le coefficient FR et le régime d’écoulement
L’inconnue, c’est le débit: On calcule FR comme suit: qT = GPM qS = GPM FR = 0.67 Écoulement transitionnel Cours #1 - GPA668
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Étape 3: Évaluer le débit
Puisque l’écoulement est transitionnel, il faut évaluer le débit avec cette équation: Cours #1 - GPA668
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Cas ou le fluide est un gaz
Lorsque le fluide est compressible… Cas ou le fluide est un gaz terresacree.org/gaznaturelanglais.htm Cours #1 - GPA668
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Vapeur et gaz dans une valve
Les liquides sont incompressibles. Mais, les gaz et la vapeur sont compressibles. En conséquence, si la pression diminue, un gaz augmente de volume. Cela implique que la vitesse d’un gaz augmente plus que celle d’un liquide dans une obstruction. Loi des gaz parfaits… Cours #1 - GPA668
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Expansion du gaz dans une valve
Dans la conduite, en amont de la valve: À la pression P1, le gaz à un volume V1: Au vena contracta, en sortie de la valve: À la pression P2, inférieure à la pression P1, le gaz à un volume V2, supérieur au volume V1: Cours #1 - GPA668
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Expansion du gaz dans une valve
Le gaz occupe un volume plus grand au vena contracta. Il doit donc passer à une vitesse plus grande… La quantité de gaz qui pourra passer sera donc limitée. Cours #1 - GPA668
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Écoulement supersonique
Lorsque la chute de pression devient élevée, l’écoulement du gaz atteint le régime supersonique… Cours #1 - GPA668
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Écoulement supersonique
… le débit plafonne à une valeur maximale. Ce plafonnement est dû à l’élargissement du vena contracta qui ne peut être plus grand que le diamètre d de la valve. Cours #1 - GPA668
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Facteur d’expansion Y Pour prendre en compte l’expansion d’un gaz dans une valve, il faut insérer le facteur d’expansion Y dans l’équation du débit. Cours #1 - GPA668
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Facteur d’expansion Y Ce facteur d’expansion dépend du rapport entre la chute de pression dans la valve et la pression en amont: Cours #1 - GPA668
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Facteur d’expansion Y Il est calculé de la façon suivante:
Avec le facteur Fk de correction en fonction du ratio de la chaleur spécifique k (identifiée plus tôt dans cette présentation par g – page 27): Cours #1 - GPA668
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xT FS Cd Cours #1 - GPA668
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Écoulement non-obstrué
Facteur d’expansion Y Deux cas possibles: Y supérieur à 2/3 Écoulement non-obstrué Pour la suite du calcul utiliser le Y obtenu Y inférieur ou égal à 2/3 Écoulement obstrué Pour la suite du calcul poser Y = 2/3 Cours #1 - GPA668
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Équation du débit massique d’un gaz
Le débit massique d’un gaz est calculé comme suit: Débit massique en livres par heure Volume spécifique Cours #1 - GPA668
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Équation du débit volumique d’un gaz
Bien que moins précise que le débit massique, le débit volumique est souvent utilisé: Débit volumique en scfh Densité relative (air = 1) Facteur de compressibilité scfh : pieds cubes standards par heure (14.73 psia et 60°F) Température du gaz en amont en degrés Rankine Cours #1 - GPA668
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Exemple de dimensionnement d’une valve avec un gaz
Situation à analyser: Gaz: gaz naturel G = 0.6 ; k = 1.26 ; T = 40°F; Z=1.0 Débit volumique maximal: 1.2 million scfh Conduite: 10 po. « schedule 40 » Pression en amont : 15 psig Cela donne = 29.7 psia Pression en aval : 10 pouces H2O Cela donne 10/ = 15.1 psia 27.7 po H2O = 1 psia Cours #1 - GPA668
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Exemple de dimensionnement d’une valve avec un gaz
Valve à considérer: Valve papillon ayant ces paramètres : Cd = 17.5 ; xT = 0.38. Conversion de température: T1 = 40°F = 500°R Cours #1 - GPA668
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Étape 1: Évaluer les valeurs de x et Y
Calculons le rapport de la chute de pression vs la pression amont: Calcul du facteur Fk de correction en fonction du ratio de chaleur spécifique Cours #1 - GPA668
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Étape 1: Évaluer les valeurs de x et Y
Calculons du facteur d’expansion Y: Y inférieur ou égal à 2/3 Écoulement obstrué Pour la suite du calcul poser Y = 2/3 Cours #1 - GPA668
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Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve
Écoulement obstrué Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve En utilisant l’équation du débit volumique: FPCV requis = Cours #1 - GPA668
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Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve
Écoulement obstrué Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve Ce qui même à: Donc, une valve de 8 pouces semble OK. Vérifions que c’est le cas… Cours #1 - GPA668
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Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve
Écoulement obstrué Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve Les pertes: Cours #1 - GPA668
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Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve
Écoulement obstrué Étape 2: Calcul du CV requis et du diamètre de la valve Calcul du FP : Et du CV d’une valve de 8 pouces: FPCV = FPCV requis = Cours #1 - GPA668
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Écoulement obstrué Bilan Il faudra donc choisir une valve de 10 pouces, soit la même taille que la conduite. représente 63 % de 1750. Cours #1 - GPA668
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Commentaire La valve de 10 pouces devrait faire l’affaire.
Et, le dimensionnement est terminé… … si l’écoulement n’est pas obstrué. Toutefois, dans l’exemple que nous venons d’analyser, l’écoulement est obstrué… Il faut donc pousser l’analyse plus loin, car en écoulement obstrué, la valve est très bruyante. Cours #1 - GPA668
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En cas d’écoulement obstrué (Choked flow)
Analyse supplémentaire… En cas d’écoulement obstrué (Choked flow) Cours #1 - GPA668
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Analyse supplémentaire en cas d’écoulement obstrué
Vitesse acoustique d’un gaz. La vitesse du son est calculée de la façon suivante: Vitesse acoustique en pieds par seconde Masse molaire (air = 29) Coefficient adiabatique Température (°R) Cours #1 - GPA668
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Analyse supplémentaire en cas d’écoulement obstrué
Vitesse d’un gaz dans une conduite. La vitesse du gaz est: Température (°R) Vitesse du gaz en pieds par seconde Diamètre interne Débit (en scfh) Pression absolue Cours #1 - GPA668
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Analyse supplémentaire en cas d’écoulement obstrué
Le nombre de Mach est: On vise un nombre de Mach inférieur à 0.3 sinon la valve est très bruyante (plus de 98 dBA). Si ce nombre est au dessus de 0.3, on peut augmenter la taille de la conduite aval de la valve pour diminuer la vitesse et le bruit. Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple Calcul de la vitesse acoustique:
Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple Vitesse du gaz en amont: …en aval:
Cours #1 - GPA668
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Retour sur l’exemple Vitesse du gaz en amont: …en aval:
Nombre de Mach = 0.22 Nombre de Mach = 0.43 Cours #1 - GPA668
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Le nombre de Mach en aval…
… dépasse 0.3 et cela fait que la valve sera très bruyante. Solution possible, mettre un tuyau de 12 pouces en aval. Cours #1 - GPA668
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Conséquence De mettre la conduite aval à 12 pouces aide à réduire le bruit, car le nombre de Mach est descendu à 0.3. Mais cela change le FP de la valve… Cours #1 - GPA668
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Calcul du nouveau FPCV du nouveau montage
Les pertes dues au réducteur en sortie : Cours #1 - GPA668
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Calcul du nouveau FPCV du nouveau montage
Valve ouverte à 58.2 %. Donc valve et réducteur : OK! (et un peu moins bruyant) Cours #1 - GPA668
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Variantes des équations pour la vapeur
Dry saturated (p = 20 à 1600 psia): Ecoulement obstrué (Choked flow): Cours #1 - GPA668
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