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Valves: Les problèmes potentiels 1. Problèmes potentiels Plusieurs phénomènes physiques peuvent venir affecter le fonctionnement dune valve. Liquides:

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1 Valves: Les problèmes potentiels 1

2 Problèmes potentiels Plusieurs phénomènes physiques peuvent venir affecter le fonctionnement dune valve. Liquides: – Cavitation Gaz: – Autoréfrigération 2

3 LA CAVITATION Quand le vacuum est trop poussé… 3

4 Pression de vapeur Lorsque la pression de vapeur dun liquide (à une température donnée) est au dessus de la pression atmosphérique, ce liquide est dit en état débullition. – A une pression de 1 atmosphère (101.3 kPa ou 14.7 psia) leau bout à 100°C ou 212°F. – A une pression de 0.24 atmosphère (24.1 kPa ou 3.5 psia) leau bout à environ 65.55°C ou 150°F. 4

5 5 Pression de vapeur

6 La cavitation En traversant une valve, la pression statique descend. 6

7 La cavitation Tant que la pression reste au dessus de la pression de vapeur, aucune vaporisation ne se produit. Mais, si la pression chute sous la pression de vapeur, il y a vaporisation et cela se traduit par la formation de bulles de gaz (liquide vaporisé). 7

8 La cavitation Le problème survient lorsque la pression repasse au dessus de la pression de vapeur du liquide. La bulle de gaz étant constituée de liquide vaporisée se condense. Le volume de liquide étant beaucoup plus petit que le volume de gaz, cela entraine une implosion de la bulle. 8

9 La cavitation 9

10 10 user/jerome_ferrari/1

11 Effets de limplosion des bulles de gaz Aucun matériaux ne résiste à limplosion des bulles de gaz. Dégâts importants dans la valve et dans les sections de conduites qui suivent en aval de la valve. 11

12 Effets sur la capacité de la valve 12 Phénomène semblable à celui observé avec un gaz

13 Définition de la cavitation par un accéléromètre 13 Cavitation naissante Cavitation critique « choking flow »

14 Prévenir la cavitation Utilisation de valves anti-cavitation – plus coûteuses Introduction de bulles dun gaz non- condensable. Localiser la valve ailleurs – plus bas pression statique + élevée 14

15 Les formules de calcul de la cavitation Si le manufacturier nous donne les valeurs de test de K C sur létendue douverture de la valve, on peut utiliser léquation suivante: 15 Pression amont Pression de vapeur

16 Les formules de calcul de la cavitation Pour les valves à bille et les valves papillon, on utilise la série déquations suivante: – La vitesse (en pi/sec) dans la conduite à l entrée de la valve qui créée un début de cavitation est: 16

17 Les formules de calcul de la cavitation – La vitesse (en pi/sec) dans la conduite à l entrée de la valve qui créée une cavitation critique est: 17

18 Les formules de calcul de la cavitation Ou d = diamètre interne de la valve – Utiliser le diamètre interne dune conduite « schedule 40 » de même diamètre nominal. 18

19 Les formules de calcul de la cavitation Ou C d = valeur C v /d 2 requise pour le débit spécifié (pas de la table doit être calculé). 19

20 Les formules de calcul de la cavitation Ou p 1 est la pression dentrée en psia, et p v la pression de la tension de vapeur en psia. 20

21 Les formules de calcul de la cavitation 21

22 Les formules de calcul de la cavitation 22

23 Les formules de calcul de la cavitation La chute de pression risquant dentraîner la cavitation est: 23 Densité relative Vitesse en pi/s Calculé précédemment

24 Exemple #1 de calcul de la cavitation Liquide: eau Débit maximal: 1275 GPM Valve à bille caractérisée de 6 po. Température: 90°F (p v = 0.70) Pression en amont : 35 psia Pression en aval : 15 psia 24

25 Solution: Calcul du delta P seuil au delà duquel il y a cavitation Le catalogue du manufacturier indique un K C = 0.42 pour cette ouverture de valve: 25 Donc la valve va être en forte cavitation.

26 Exemple #2 de calcul de la cavitation Liquide: eau Valve papillon de 3 po. (d = po) Débit maximal: 330 GPM Pression de vapeur : 0.4 psia Pression en amont : 24 psia Pression en aval : 15 psia 26

27 Étape #1: Calcul approximatif du C V requis 27

28 Étape #2: Calcul approximatif du C D correspondant 28

29 Étape #3: Calcul du coefficient J k 29

30 Étape #3: Calcul du coefficient J k 30

31 Étape #3: Calcul des coefficients J k, J i et J c 31

32 Étape #4: Calcul du coefficient J n 32

33 Étape #5: Calcul des vitesses v i et v c 33

34 Étape #6: Calcul des chutes de pression delta P i et delta P c 34

35 Conclusion de lexemple #2 Comme la chute de pression est de 9 psi, la valve va faire de la cavitation (> p i ) mais pas de façon critique (< p c ). 35

36 Conclusion de lexemple #2 Ce peut être acceptable selon la configuration de la conduite en aval, mais un risque de dommage est possible pour certaines configurations. 36

37 Vaporisation du liquide (Flashing) Si en aval de la valve la pression reste inférieure à p v, nous navons plus de cavitation mais de la vaporisation, car la condensation na plus lieu. 37

38 Vaporisation du liquide (Flashing) À la sortie de la valve on retrouve un mélange liquide-gaz. (Choked flow) Bien que la vitesse de sortie soit supérieure à celle dentrée, lagressivité reste quelque chose de contrôlable, alors que la violence de la cavitation reste inacceptable. 38

39 Vaporisation de leau Considérons léquation dune valve traversée par un liquide turbulent: 39

40 Vaporisation de leau Il faut faire apparaître la pression au vena- contracta : 40

41 Vaporisation de leau Comme la valeur de la pression au vena- contracta dépend de la pression de vapeur, posons : – avec F F est le « facteur critique du rapport de pression du liquide ». 41

42 Vaporisation de leau Alors : – ou F F est lapproximation suivante pour l eau pure sans air dissous: – p c = pression thermodynamique critique; 42

43 Paramètre F LP Si des réducteurs sont utilisés: Sinon F LP = F L. 43

44 Vaporisation de leau Pour une tuyère (nozzle), Burnell à montré que: – Avec la tension de surface en dynes/cm. 44

45 Vaporisation de leau Pour leau, entre 32°F à 212°F : Pour leau, entre 212°F à 705°F – (température thermodynamique critique) 45

46 Exemple de calcul de vaporisation instantannéee (flashing) Liquide: eau Débit maximal: lb/h Conduite de 2 po. « schedule 40 » Température t 1 : 325°F Pression en amont : 115 psia Pression en aval : 80 psia Choisir la valve. 46

47 Exemple Des tables de vapeur p v = 96 psia, p c =3206 psia et 1 =1/v = 1/ : 47

48 Exemple Le débit massique en livre par heure est: 48

49 Exemple Donc: 49

50 Exemple Le catalogue du manufacturier nous indique quune valve de type « angle valve » de 2 pouces à un C V = 26 et F L = 0.80 (F LP = F L ): 50 Donc la valve est correcte dans cette application et fonctionnera à 72 % de sa capacité.

51 Effets thermodynamiques Autoréfrigération Condensation Formation dhydrates et gel 51

52 Effets thermodynamiques AUTORÉFRIGÉRATION Si un gaz ou de la vapeur passe dune haute à une basse pression au travers dune valve, une chute de température de produit. – CO 2 à 300 psia et 20°F tombe à -60°F si la pression chute à la pression atmosphérique. On peut voir cela sur le diagramme de Mollier. – Lenthalpie reste inchangée… 52

53 53

54 Effets thermodynamiques AUTORÉFRIGÉRATION Le danger: – les matériaux ne tolèrent pas cette température Les métaux deviennent cassants; Les plastiques ne fonctionnent plus. Les solutions: – choisir des matériaux tolérants cette température; – préchauffer le gaz avant la valve. 54

55 Effets thermodynamiques CONDENSATION Le gaz peut entrer en condensation si la pression et la température tombent sous le seuil de valeur saturée. – Conséquence du phénomène dautoréfrigération. 55

56 Effets thermodynamiques CONDENSATION Prévision de la chute de température par un diagramme de Mollier. Exemple: – CO 2 à 1500 psia et 100°F – Chute de pression à 200 psi condensation 56

57 57 Chute isentropique Trajet incertain, mais enthalpie reste la même Trajet incertain, mais enthalpie reste la même

58 Effets thermodynamiques CONDENSATION Conséquences: – La condensation du gaz résulte en lapparition de gouttelettes. – Ces gouttelettes sont accélérées à grandes vitesses et provoquent de lérosion. 58

59 Effets thermodynamiques Formation dhydrates et gel Certains gaz hydrocarbonés pressurisés mélangés avec de la vapeur deau forment des cristaux dhydrates à des températures relativement élevées. 59

60 Effets thermodynamiques Formation dhydrates et gel Cest le cas du gaz naturel qui contient souvent de lhumidité. Cela se produit lors dune chute de pression - autoréfrigération. 60

61 Effets thermodynamiques Formation dhydrates et gel On doit donc installer un système diminuant lhumidité avant la valve. Exemple: – Des hydrates se forment à 60°F à 1000 psia et autour de 45°F à 330 psia. – Dans une valve, si la pression passe de 1000 psia (T=80°F) à 330 psia, la température tombe un peu sous les 45°F. 61

62 Effets thermodynamiques Formation dhydrates et gel Équations de calcul de températures (en °F) de formation dhydrates: – Valides si 32°F t 65°F 62 Dépend de la densité relative

63 Effets thermodynamiques Formation dhydrates et gel Courbe de prédiction: 63

64 Effets thermodynamiques Formation dhydrates et gel La glace peut se former de la même façon que les hydrates. Dans les deux cas, cela peut entraîner lobstruction de la conduite. 64

65 Exemple Si du CO 2 à 600 psi, 60°F passe au travers dune valve de contrôle à une pression de 40 psi, quelle sera la nouvelle température ? 65

66 66 Un peu sous -60°F

67 Le bruit des valves Les vibrations causées par lécoulement dun fluide dans une valve peut engendrer un bruit important. Plus le fluide sécoule rapidement, plus les vibrations et le bruit est important. – Exemple les gaz sécoulant à plus de Mach 0,3. 67

68 Le bruit des valves Normes de bruit (U.S.A): – 8 heures/jour90 dBA maximum; – 4 heures/jour95 dBA maximum; – 2 heures/jour100 dBA maxi; – 1 heure/jour105 dBA maxi; – 1/2 heure/jour110 dBA maxi; – 1/4 heure/jour115 dBA maxi. 68

69 Le bruit des valves Pour estimer le niveau de bruit il faut: – Style de la valve; – Diamètre et type de la conduite; – Pression en amont et chute de pression; – Capacité requise. 69

70 Le bruit des valves Équation de prédiction du bruit: – Niveau sonore en dBA à un point à 48 pouces en aval de la valve et à 3 pieds de la conduite (horizontalement). 70 Chute de pression

71 Le bruit des valves Pour la majorité des valves : 71

72 Le bruit des valves D=diamètre externe de la conduite; t = épaisseur de la parois; indice o = conduite standard. 72

73 La réduction du son - Les remèdes Inverser le sens du débit; Changer lactuateur; Remplacer la valve; Éviter la cavitation; Limiter la vitesse découlement; Écran acoustique; Isolation acoustique; 73

74 La réduction du son - Les remèdes Mettre la valve loin des gens; Utiliser des silencieux. 74 Distance standard (3) Distance réelle

75 La réduction du son - Les vitesses découlement Liquides: – Normales:de 5 à 10 pi/sec – Maximales:de 40 à 50 pi/sec Gaz: – Typiques:250 à 400 pi/sec Vapeur: – 0-25 psig:70 à 100 pi/sec 75

76 La réduction du son - Les vitesses découlement Vapeur: – Sèche et saturée:100 à 170 pi/sec > 25 psig < Mach 0.1 – Superchauffée:115 à 330 pi/sec >200 psig <0.15 Mach 76

77 Exemple de calcul de bruit Calculer le niveau sonore : – pression amont = psia – pression aval = 54.5 psia – C v requis = 34 – x T = 0.75 (table de la valve) – Conduite de 2 po. « schedule 40 » D=2.375 po, t=0.154 po – Aire ouverte, 3 pieds du sol, 35 pieds de l observateur. 77

78 Exemple de calcul de bruit 1) calcul de L k : 78

79 Exemple de calcul de bruit 2) calcul de L x : 79

80 Exemple de calcul de bruit 3) calcul du niveau sonore: 80

81 Exemple de calcul de bruit 4) calcul du niveau sonore à 35 pieds : 81

82 Table de vapeur (1) 82

83 Table de vapeur (2) 83


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