Valves: Les problèmes potentiels

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1 Valves: Les problèmes potentiels
Guy Gauthier ing. Ph.D.

2 Problèmes potentiels Plusieurs phénomènes physiques peuvent venir affecter le fonctionnement d’une valve. Liquides: Cavitation Gaz: Autoréfrigération

3 Quand le vacuum est trop poussé…
La cavitation

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

5 Pression de vapeur

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

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).

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.

9 La cavitation

10

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

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

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

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

15 Les formules de calcul de la cavitation (version 1)
Si le manufacturier nous donne les valeurs de test de KC sur l’étendue d’ouverture de la valve, on peut utiliser l’équation suivante: Pression de vapeur Pression amont

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

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

18 Les formules de calcul de la cavitation (version 2)
Pour les valves à bille et les valves papillon, on utilise la série d’équations suivante: La vitesse (en pi/sec) dans la conduite à l ’entrée de la valve qui créée un début de cavitation est:

19 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:

20 Les formules de calcul de la cavitation
Ou d = diamètre interne de la valve Utiliser le diamètre interne d’une conduite « schedule 40 » de même diamètre nominal.

21 Les formules de calcul de la cavitation
Ou Cd = valeur Cv/d2 requise pour le débit spécifié (pas de la table  doit être calculé).

22 Les formules de calcul de la cavitation
Ou p1 est la pression d’entrée en psia, et pv la pression de la tension de vapeur en psia.

23 Les formules de calcul de la cavitation

24 Les formules de calcul de la cavitation

25 Les formules de calcul de la cavitation
La chute de pression risquant d’entraîner la cavitation est: Vitesse en pi/s Densité relative Calculé précédemment

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

27 Étape #1: Calcul approximatif du CV requis

28 Étape #2: Calcul approximatif du CD correspondant

29 Étape #3: Calcul du coefficient Jk

30 Étape #3: Calcul du coefficient Jk

31 Étape #3: Calcul des coefficients Jk, Ji et Jc

32 Étape #4: Calcul du coefficient Jn

33 Étape #5: Calcul des vitesses vi et vc

34 Étape #6: Calcul des chutes de pression delta Pi et delta Pc

35 Conclusion de l’exemple #2
Comme la chute de pression est de 9 psi, la valve va faire de la cavitation (> pi) mais pas de façon critique (< pc).

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

37 Vaporisation du liquide (Flashing)
Si en aval de la valve la pression reste inférieure à pv, nous n’avons plus de cavitation mais de la vaporisation, car la condensation n’a plus lieu.

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 d’entrée, l’agressivité reste quelque chose de contrôlable, alors que la violence de la cavitation reste inacceptable. Toutefois, on fait en sorte que la sortie de la valve soit directement dans le réservoir de destination.

39 Vaporisation de l’eau Considérons l’équation d’une valve traversée par un liquide turbulent:

40 Vaporisation de l’eau Il faut faire apparaître la pression au vena-contracta :

41 Vaporisation de l’eau Comme la valeur de la pression au vena-contracta dépend de la pression de vapeur, posons : avec FF est le « facteur critique du rapport de pression du liquide ». Ce facteur permet d’estimer la pression qui sera présente au vena contracta lorsque la valve est dans les conditions du débit critique.

42 Vaporisation de l’eau Alors :
ou FF est l’approximation suivante pour l ’eau pure sans air dissous (en équilibre thermodynamique): pc = pression thermodynamique critique;

43 Paramètre FLP Si des réducteurs sont utilisés, on remplace FL par FLP et: Sinon on conserve FL.

44 Exemple de calcul de vaporisation instantanée (flashing)
Liquide: eau Débit maximal: lb/h Conduite de 2 po. « schedule 40 » Température t1: 325°F Pression en amont : 115 psia Pression en aval : 80 psia Choisir la valve.

45 Exemple Des tables de vapeur pv = 96 psia, pc=3206 psia et 1=1/v = 1/ :

46 Exemple Le débit massique en livre par heure est:

47 Exemple Donc:

48 Exemple Le catalogue d’un manufacturier nous indique qu’une valve de type « angle valve » de 2 pouces à un CV = 26 et FL = 0.80: Donc la valve est correcte dans cette application et fonctionnera à 72 % de sa capacité.

49 Effets thermodynamiques
Autoréfrigération Condensation Formation d’hydrates et gel

50 Effets thermodynamiques AUTORÉFRIGÉRATION
Si un gaz ou de la vapeur passe d’une haute à une basse pression au travers d’une valve, une chute de température de produit. CO2 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. L’enthalpie reste inchangée…

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52 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.

53 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 d’autoréfrigération.

54 Effets thermodynamiques CONDENSATION
Prévision de la chute de température par un diagramme de Mollier. Exemple: CO2 à 1500 psia et 100°F Chute de pression à 200 psi condensation

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

56 Effets thermodynamiques CONDENSATION
Conséquences: La condensation du gaz résulte en l’apparition de gouttelettes. Ces gouttelettes sont accélérées à grandes vitesses et provoquent de l’érosion.

57 Effets thermodynamiques Formation d’hydrates et gel
Certains gaz hydrocarbonés pressurisés mélangés avec de la vapeur d’eau forment des cristaux d’hydrates à des températures relativement élevées.

58 Effets thermodynamiques Formation d’hydrates et gel
C’est le cas du gaz naturel qui contient souvent de l’humidité. Cela se produit lors d’une chute de pression - autoréfrigération.

59 Effets thermodynamiques Formation d’hydrates et gel
On doit donc installer un système diminuant l’humidité 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.

60 Effets thermodynamiques Formation d’hydrates et gel
Équations de calcul de températures (en °F) de formation d’hydrates: Valides si 32°F  t  65°F Dépend de la densité relative

61 Effets thermodynamiques Formation d’hydrates et gel
Courbe de prédiction:

62 Effets thermodynamiques Formation d’hydrates et gel
La glace peut se former de la même façon que les hydrates. Dans les deux cas, cela peut entraîner l’obstruction de la conduite.

63 Le bruit des valves Les vibrations causées par l’écoulement d’un fluide dans une valve peut engendrer un bruit important. Plus le fluide s’écoule rapidement, plus les vibrations et le bruit est important. Exemple les gaz s’écoulant à plus de Mach 0,3.

64 Le bruit des valves Normes de bruit (U.S.A et Québec):
8 heures/jour 90 dBA maximum; 4 heures/jour 95 dBA maximum; 2 heures/jour 100 dBA maxi; 1 heure/jour 105 dBA maxi; 1/2 heure/jour 110 dBA maxi; 1/4 heure/jour 115 dBA maxi.

65 Le bruit des valves Normes de bruit (Canada – plupart des provinces):
8 heures/jour 85 dBA maximum; 4 heures/jour 88 dBA maximum; 2 heures/jour 91 dBA maxi; 1 heure/jour 94 dBA maxi; 1/2 heure/jour 97 dBA maxi; 1/4 heure/jour 100 dBA maxi.

66 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.

67 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). Chute de pression

68 Le bruit des valves Pour la majorité des valves :

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

70 La réduction du son - Les remèdes
Inverser le sens du débit; Changer l’actuateur; Remplacer la valve; Éviter la cavitation; Limiter la vitesse d’écoulement; Écran acoustique; Isolation acoustique;

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

72 La réduction du son - Les vitesses d’écoulement
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

73 La réduction du son - Les vitesses d’écoulement
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

74 Exemple de calcul de bruit
Calculer le niveau sonore : pression amont = psia pression aval = 54.5 psia Cv requis = 34 xT = 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.

75 Exemple de calcul de bruit
1) calcul de Lk :

76 Exemple de calcul de bruit
2) calcul de Lx :

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

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

79 Table de vapeur (1)

80 Table de vapeur (2)