L'importance de minimiser les fuites d'air dans les vannes rotatives

Matt Burt, directeur des ventes – composants, et Ron Van Ostenbridge, directeur junior du développement commercial – composants, Coperion K-Tron | 22 novembre 2021

Une vanne rotative est un dispositif permettant de doser le produit ou d'agir comme un dispositif de séparation des matériaux dans les trémies, de séparer la pression différentielle ou de dispositif d'isolement pour NFPA 69 (la norme actuelle sur les systèmes de prévention des explosions). Les vannes rotatives sont connues sous une variété de noms tels que sas, vannes en étoile, alimentateurs rotatifs et sas rotatifs. La figure 1 montre une coupe transversale d'une vanne rotative.

Toutes les vannes rotatives fuient de l'air, et cette fuite d'air doit être gérée. Trois types de fuites doivent être pris en compte. La fuite radiale est l'air qui fuit entre les pointes des pales du rotor et le carter. La fuite axiale est la fuite entre les bords des pales du rotor et les plaques d'extrémité. La fuite de transfert est le gaz qui est transféré via la poche de rotor vide vers l'entrée de la vanne. Une fuite de gaz à l'entrée de la vanne peut avoir un impact sur l'écoulement du matériau dans la vanne.

Comprendre les caractéristiques du matériau en vrac alimenté est important pour configurer la bonne vanne rotative pour une application donnée.

Si le matériau est collant ou adhésif, il peut se tasser sous pression et ne pas s'écouler librement dans la valve. La taille et la forme des particules affecteront la qualité de l'écoulement du matériau dans les poches de valve et donc l'efficacité de la valve. Il existe des matériaux qui s'emboîtent ou s'agglomèrent, ce qui diminue l'efficacité de remplissage de la poche ; ceci doit être pris en compte lors du dimensionnement de votre vanne.

Dans quelle mesure le matériau en vrac est-il abrasif sur les pièces internes de la vanne rotative ? Les matériaux abrasifs useront le rotor, le boîtier et les plaques d'extrémité. Les espaces qui en résultent rendront possible une fuite d'air supplémentaire à travers la vanne. La conception de votre vanne pour lutter contre l'usure peut nécessiter des revêtements spéciaux tels que le chrome, le carbure de tungstène et la céramique.

Si le matériau alimenté est corrosif, vous devrez tenir compte du matériau de construction de la vanne. Généralement, les vannes sont en aluminium, en acier au carbone ou en acier inoxydable. Le choix du bon matériau de construction est essentiel avec des matériaux en vrac corrosifs. Une autre considération est la possibilité que les vapeurs du procédé provoquent de la corrosion. Cela aura probablement plus d'impact sur les joints que sur la vanne elle-même.

La température de l'environnement et la température du matériau doivent être prises en compte lors de la configuration d'une vanne rotative. Si le matériau est chaud, faites très attention aux dégagements pour éviter tout contact entre le rotor et le boîtier en raison de la dilatation thermique. La température peut également avoir un impact sur le type de joints.

Les matériaux de construction de la vanne rotative ou des joints pourraient-ils réagir avec le matériau ? Par exemple, certains composés de PVC peuvent se décolorer si de l'aluminium est utilisé dans les équipements de traitement tels que les tubes ou les boîtiers/rotors de vannes rotatives. Le gaz de transport est typiquement de l'air ambiant ou un gaz inerte, par exemple du N2. Il est important que les joints soient alimentés avec de l'air propre et sec de l'usine. Sinon, la possibilité d'introduire de l'humidité, de la saleté ou de l'huile dans les joints de soupape peut endommager ou réduire leur efficacité.

Si le matériau se dégrade facilement, l'usure exercée sur celui-ci par la vanne rotative peut rendre le produit hors spécifications pour le producteur ou l'utilisateur final. Typiquement, cette dégradation est causée par le cisaillement ou le maculage du matériau.

Si le matériau est dur et difficile à cisailler, cela peut entraîner des charges importantes sur l'arbre du rotor ou l'ensemble d'entraînement. En règle générale, cela peut être résolu en utilisant un lecteur plus résistant. Cependant, des précautions doivent être prises car l'ajout d'un entraînement plus lourd au rotor peut entraîner le risque de torsion de l'arbre du rotor. Il est important de sélectionner une vanne avec un arbre de rotor capable de supporter la charge de couple. De plus, la dureté Mohs est le premier critère de sélection de la protection contre l'usure, avec le différentiel de pression.

La densité apparente du matériau et la manière dont il est impacté par le différentiel de pression à travers la vanne doivent être prises en compte. Par exemple, les matériaux qui sont facilement fluidisés - généralement des poudres - peuvent nécessiter une vanne surdimensionnée pour compenser la perte d'efficacité de remplissage de la poche lors de l'alimentation dans un système sous pression.

Figure 2 : configurations de rotor à 6 pales, 8 pales et 10 pales

Toutes les vannes ont des jeux définis entre les pales du rotor et le boîtier et/ou les plaques d'extrémité. Le jeu varie en fonction de facteurs tels que la taille, la température, le matériau et le service. En règle générale, plus la vanne est grande, plus le jeu est important, ce qui équivaut à un plus grand volume de gaz de fuite.

La bonne température de fonctionnement est l'un des paramètres les plus négligés. Si la vanne est conçue pour une température plus élevée et fonctionne à une température plus basse, les jeux seront alors beaucoup plus grands que nécessaire. Selon les propriétés du matériau, il est possible que le matériau lui-même bloque jusqu'à la moitié du jeu, ce qui réduirait les fuites de gaz.

Quelle que soit la taille de la vanne, le nombre de pales sur le rotor a un impact sur la fuite de gaz de la vanne. L'illustration de la figure 2 montre diverses configurations de rotor. À gauche se trouve un rotor à six pales. Avec le nombre minimum de lames, il y a au moins deux lames scellées avec le boîtier à un moment donné et le maximum serait de quatre. Cela signifie que l'air n'a qu'à franchir une ou deux haies de chaque côté pour s'échapper du bas vers le haut de la valve. L'illustration du milieu est un rotor à huit pales avec un minimum de quatre pales étanches. Le gaz a deux ou trois obstacles à sauter de chaque côté pour passer à travers la valve. L'illustration de droite est un rotor à 10 pales, et il y a un minimum de six pales qui scellent à tout moment, ce qui signifie qu'il y a trois ou quatre obstacles à sauter de chaque côté.

Insérer la Figure 3 : Graphiques des rotors à huit et dix pales

En regardant la figure 3, nous pouvons obtenir une appréciation de la fuite de gaz à travers la vanne à un différentiel de pression donné. À partir des tableaux, nous pouvons comparer différentes tailles de vannes et comparer un rotor à huit pales par rapport à un rotor à 10 pales. Il est facile de voir qu'à un différentiel de pression plus élevé, une vanne plus grande avec moins de lames entraîne une fuite de gaz accrue.

Par exemple:

* 10 pouces. rotor

o Rotor à 8 pales - 24 [email protected] psi ou 45 [email protected] psi

o Rotor à 10 pales - 17 cfm @5 psi ou 33 [email protected] psi

* Huit pouces. rotor

o Rotor à huit pales - 18 [email protected] psi ou 34 [email protected] psi

o Rotor à 10 pales - 14 [email protected] psi ou 26 [email protected] psi

Figure 4 : Vanne rotative sans évacuation des gaz de fuite

Dans un système de transport pneumatique - sous pression ou sous vide - cette fuite doit être prise en compte dans le calcul du dimensionnement approprié du système. S'il y a plus de deux vannes rotatives alimentant une ligne, une vanne d'arrêt au-dessus est recommandée pour arrêter la fuite lorsqu'elle ne fonctionne pas.

Insérer Figure 5 : Évent intégré pour évacuer les fuites de gaz

Insérer Figure 6 : Vanne rotative avec collecteur de gaz de fuite

Outre l'optimisation des matériaux et de la conception, il existe plusieurs façons d'atténuer les fuites de gaz dans la vanne rotative. La figure 4 montre une application de granulés typique où l'air s'échappe à travers les granulés et a peu d'effet sur le fonctionnement. La figure 5 montre un exemple d'évent intégré dans le boîtier de la vanne rotative pour les granulés et les matériaux granulaires. Cela réduit la hauteur d'empilement globale par rapport à un collecteur de gaz de fuite. La figure 6 montre un collecteur de gaz de fuite qui évacue le gaz et réduit son impact sur le débit de la vanne. Enfin, deux vannes pourraient être empilées l'une sur l'autre. Cela réduirait les fuites d'environ la moitié. C'est l'option la plus chère et elle a également le plus grand impact sur la hauteur d'empilage. La vanne rotative inférieure devrait fonctionner légèrement plus rapidement que la partie supérieure pour s'assurer que le matériau ne recule pas.

Les fuites d'air dans une vanne rotative sont inévitables. Les jeux de réglage sont inclus par conception, mais si les fuites d'air ne sont pas maintenues et dépassent les recommandations du fabricant, des problèmes de fonctionnement se produiront et, très probablement, la vanne finira par tomber en panne. Il est important que les transformateurs comprennent ce qui peut influencer le potentiel de fuite d'air, comme les propriétés des matériaux, la taille de la vanne, la qualité du gaz de l'usine, les facteurs environnementaux et même le matériau de construction de la vanne. Consultez le fabricant de votre vanne ou votre fournisseur de système pour déterminer les meilleures pratiques pour minimiser les fuites d'air de votre vanne rotative, que vous conceviez une nouvelle application ou amélioriez une application existante.

Matt Burt est directeur des ventes – composants, et Ron Van Ostenbridge est directeur junior du développement commercial – composants, Coperion K-Tron. Coperion est un leader international du marché et de la technologie dans les systèmes de compoundage et d'extrusion, la technologie d'alimentation et de pesage, les systèmes de manutention de matériaux en vrac et les services. Coperion conçoit, développe, fabrique et entretient des systèmes, des machines et des composants pour les industries du plastique, de la chimie, de la pharmacie, de l'alimentation et des minéraux. Pour plus d'informations, visitez www.coperion.com ou envoyez un e-mail à [email protected]

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