Vanne à trois voies

Qu’est-ce qu’une vanne à trois voies ?

Une vanne à trois voies est une vanne qui possède trois orifices. Ces vannes sont couramment utilisées dans différentes applications pour mélanger ou dévier des fluides. Lorsqu’elles sont utilisées pour mélanger des fluides, deux flux de fluide se combinent pour former un flux de sortie. Lorsqu’elle est utilisée pour dévier un fluide, un flux de fluide est séparé en deux flux de sortie. Une valve à trois voies est commandée en fonction de la forme du tiroir. Ces vannes sont principalement utilisées pour changer la direction du flux de fluide. Les vannes à trois voies sont de deux types : l’orifice en T et l’orifice en L. L’orifice en L permet d’améliorer le débit. Le distributeur à orifice en L peut augmenter le débit dans un sens ou dans l’autre, ou encore l’arrêter complètement. D’autre part, un orifice en T peut effectuer la même tâche que l’orifice en L, mais il ne l’arrête pas. Les vannes à trois voies sont très courantes sur le marché car elles permettent de contrôler facilement les voies d’écoulement et la fermeture du fluide dans un seul corps de vanne. En outre, ces vannes sont rentables pour diriger l’écoulement et la fermeture des fluides. Les vannes à trois voies sont généralement utilisées pour restreindre complètement le débit, mélanger le débit et dévier le débit. Les vannes à trois voies sont principalement utilisées dans les applications à haute pression telles que l’eau d’alimentation des chaudières dans les centrales à vapeur, la transformation des aliments et la séparation du pétrole et du gaz, entre autres.

Figure : Vanne à trois voies.

Comment fonctionne une vanne à trois voies ?

Les deux types courants de vannes à trois voies sont le type L et le type T. La vanne à trois voies de type L est également connue sous le nom de vanne à trois voies de déviation. Cette vanne dévie le flux d’un port vers un autre port en tournant la poignée (pour la vanne manuelle) ou en utilisant un actionneur rotatif à 90^o . Si l’orifice gauche et l’orifice inférieur sont ouverts en premier, un quart de tour de la vanne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre fait dévier le flux de fluide vers l’orifice de sortie. Lorsque la poignée ou l’actionneur est tourné à nouveau pour faire un tour de 180^o , il bloque l’écoulement du fluide. De même, s’il est tourné à 270^o , il bloque toujours l’écoulement du fluide. Lorsque la vanne a effectué 360^o tours, elle revient à sa position initiale. Ainsi, la vanne à trois voies de type L dispose de deux orifices disponibles en même temps, ainsi que de trois choix de débit et de deux positions de fermeture. Le type T de la vanne à trois voies est le type de mélange. Cette vanne fonctionne pour mélanger deux flux provenant de l’entrée. Le type T peut avoir ses trois orifices ouverts en même temps. Cela permet à la vanne de séparer le fluide en deux directions opposées. La conception d’une vanne à trois voies de type T divise le flux ou fait passer le fluide en ligne droite.

Figure : Configurations des vannes à trois voies de type T et L.

Types de vannes à trois voies

Vanne à trois voies de type L

Il s’agit d’une vanne à trois voies principalement utilisée pour améliorer le flux de fluide d’un seul port d’entrée vers l’un des deux ports de sortie. Ce type de vanne à trois voies permet de dévier le flux de fluide, ce qui fait qu’on les appelle des vannes à trois voies de déviation.

Figure : Configurations des vannes à trois voies de type L.  

Vanne à trois voies de type T

Le type T d’une vanne à trois voies est généralement utilisé pour mélanger deux flux de fluide provenant de l’entrée en un seul flux vers l’orifice de sortie. Ces vannes sont également conçues de manière à permettre la déviation du fluide, tout comme la vanne à trois voies de type L. Les vannes à trois voies de type T peuvent également avoir un débit de mélange, un débit de déviation et un débit direct, en fonction du mouvement autorisé de la poignée.

Figure : Configuration des vannes à trois voies de type T.

Vanne flottante à trois voies

Il s’agit d’un type de vanne à trois voies qui utilise une bille flottante. La bille est maintenue en position par la compression de deux sièges. La bille est libre de tourner à l’intérieur du corps de la vanne. Une vanne à trois voies flottante est capable de permettre une fermeture bidirectionnelle. Cependant, lorsqu’il y a une pression élevée en amont, il est difficile de faire fonctionner la vanne.

Vanne à trois voies forgée

Il s’agit d’une vanne à trois voies fabriquée selon le processus de fabrication par forgeage. Les fabricants de vannes à trois voies forgées utilisent des matériaux tels que des alliages d’acier pour fabriquer ces vannes. Le processus de forgeage rend la structure du grain du matériau plus raffinée, ce qui contribue à augmenter la résistance du matériau de la vanne. Ces vannes ont une résistance très élevée, ce qui les rend adaptées aux applications à haute température et à haute pression. De plus, en utilisant la méthode de forgeage, ces vannes ont une meilleure résistance aux problèmes courants tels que le retrait, la porosité et les fissures.

Vanne à trois voies en fonte

Il s’agit de vannes à trois voies fabriquées par la méthode du moulage. Cette méthode utilise du métal fondu pour fabriquer les vannes. Le métal en fusion est versé dans un moule de différentes tailles et formes. Le moule a le temps de refroidir et de se solidifier et, après refroidissement, la vanne est produite. Cette méthode de production de vannes à trois voies moulées présente l’avantage de fabriquer des vannes de conception, de forme et de taille complexes. Cette méthode permet de fabriquer des vannes comportant des pièces critiques telles que les vannes à trois voies.

Vannes manuelles à trois voies

Ce sont des vannes qui fonctionnent manuellement à l’aide d’un volant ou d’un levier à main. Le levier mécanique ou le volant permet de transmettre le couple de l’opérateur de la vanne à la tige et enfin au mécanisme d’ouverture et de fermeture de la vanne.

Vannes à trois voies actionnées

Ce sont des vannes à trois voies qui fonctionnent grâce à un système mécanique fournissant un couple pour fermer/ouvrir la vanne. La source d’énergie de ces vannes peut être pneumatique, hydraulique ou électrique.

Composants des vannes à trois voies

Corps de la valve

Il s’agit du composant d’une vanne à trois voies utilisé pour loger les pièces internes de la vanne, comme le siège, la bille et le disque, selon le type de vanne. Le corps de la vanne contribue à renforcer la résistance de la vanne. Le débit du fluide est contrôlé par le corps de la vanne. Les tuyaux d’une vanne à trois voies sont reliés à la vanne par le corps de vanne. Le corps de la vanne doit être très résistant afin de contenir la pression et la température élevées associées à l’écoulement du fluide ou du média. La résistance du corps de la vanne dépend du matériau utilisé. Les matériaux métalliques tels que l’acier sont connus pour être très résistants par rapport à d’autres matériaux tels que le PFTE. Le corps de la vanne est fabriqué à l’aide de méthodes de production telles que le moulage ou le forgeage, avec des matériaux tels que l’acier inoxydable, l’acier moulé et l’acier allié, entre autres.

Bonnet

Le chapeau est un autre composant d’une vanne à trois voies utilisé pour retenir la pression. Le chapeau est relié au corps afin d’améliorer la fermeture étanche de la vanne et d’éviter les fuites de fluide. Le chapeau est monté sur le corps de la vanne à l’aide de boulons ou de vis. Le chapeau boulonné est surtout utilisé lorsque la vanne à trois voies fonctionne à très haute pression, tandis que le chapeau vissé est utilisé pour assurer une fermeture étanche afin d’empêcher les fuites de fluide.

Tige

La tige est le composant d’une vanne à trois voies qui est utilisé pour transmettre la puissance au clapet, au disque ou à la bille afin d’ouvrir ou de fermer la vanne pour le contrôle du fluide. La tige est alimentée par l’actionneur de la vanne, le volant ou le levier. Dans certaines vannes à trois voies telles que les robinets à soupape ou les robinets-vannes, la tige utilise un mouvement linéaire pour fermer/ouvrir la vanne. Dans d’autres vannes à trois voies, la tige utilise un mouvement rotatif, comme dans les vannes à bille et les vannes à clapet, pour ouvrir/fermer la vanne.

Siège de soupape

Le siège de la vanne est la partie qui permet de sceller l’espace entre le clapet/boule et la tige selon le type de vanne à trois voies.

Trim

La garniture est un terme qui désigne les composants internes d’une vanne à trois voies qui entrent en contact avec le fluide. Ces composants de la vanne à trois voies comprennent le siège, les presse-étoupes, le disque, la bague, les entretoises et la bille. Ces composants sont importants en fonction du type de vanne à trois voies, car sans eux, la vanne ne fonctionnerait pas.

Actionneur

Un actionneur est le composant d’une vanne à trois voies qui fournit un mécanisme et une puissance pour faire fonctionner la vanne. L’actionneur est relié à la tige et au disque de la vanne. L’actionneur peut être manuel avec un volant, un engrenage, un levier, une chaîne ou être alimenté par un moteur électrique, un fluide pneumatique ou hydraulique.

Fonctions/caractéristiques des vannes à trois voies

• Les vannes à trois voies peuvent se fermer ou s’ouvrir sans frottement.
• Les vannes à trois voies utilisent une conception à entrée par le haut pour faciliter l’inspection et la maintenance.
• Ces vannes nécessitent un faible couple pour fonctionner avec une petite poignée.
• Les vannes à trois voies sont autonettoyantes.
• Les vannes à trois voies sont dotées d’une conception d’étanchéité en forme de coin.
• Les vannes à trois voies peuvent détourner le flux de fluide.
• Les vannes à trois voies permettent de mélanger des fluides à différentes températures et pressions en un seul flux.
• Les vannes à trois voies ont une assiette équilibrée capable de favoriser un débit élevé de fluide.
• Les vannes à trois voies peuvent couper l’écoulement du fluide.

Sélection/achat et dimensionnement des vannes à trois voies

Le choix d’une vanne à trois voies dépend de certains paramètres/facteurs présentés ci-dessous.

Fluide contrôlé

Différents fluides ont des propriétés chimiques différentes, par exemple, ils peuvent être corrosifs comme les acides. Ces fluides doivent fonctionner avec une vanne trois voies résistante à la corrosion. Si la vanne utilisée ne résiste pas à la corrosion, ses composants internes entrant en contact avec le fluide peuvent facilement se corroder et, par conséquent, détruire la vanne.

Pression maximale

Il s’agit de la pression la plus élevée que la vanne à trois voies est censée subir. La pression est une considération très importante car la pression est l’un des paramètres qui peuvent facilement endommager une vanne et provoquer des fuites. Si la vanne utilisée ne peut pas résister à la pression maximale, le corps de la vanne peut être endommagé. En outre, une pression excessive peut provoquer une fuite de fluide. Certains fluides sont très destructeurs et la fuite de ces fluides dans l’environnement peut entraîner des poursuites judiciaires contre l’organisation qui utilise cette valve.

Température maximale

La température de fonctionnement doit être connue avant d’acheter/sélectionner la vanne à trois voies. Une vanne à trois voies fonctionne mieux si elle est fabriquée dans des matériaux qui peuvent résister à la température de fonctionnement. Les matériaux tels que le PFTE ont des températures basses par rapport aux matériaux métalliques tels que la fonte et l’acier inoxydable. Ainsi, une vanne dont les pièces internes sont faites de matériaux à basse température comme le PFTE et d’autres plastiques ou caoutchoucs ne doit être utilisée que lorsque la température maximale ne fera pas fondre ou n’endommagera pas les matériaux. Si la température est élevée, elle provoquera une distorsion thermique du matériau et endommagera donc la vanne.

Actionneur

Le type d’actionneur affecte la vanne à trois voies dans différentes dimensions. Certains actionneurs sont bon marché, comme l’actionneur pneumatique qui utilise de l’air comprimé. D’autres actionneurs, comme le volant manuel, sont les moins chers car ils n’ont pas de frais de fonctionnement comme les actionneurs électriques. L’actionneur électrique est bon marché à installer mais ses coûts de fonctionnement sont élevés. Certains actionneurs comme les actionneurs pneumatiques, hydrauliques et électriques peuvent être automatisés ou semi-automatisés afin de réduire le travail manuel.

Applications des vannes à trois voies

• Les vannes à trois voies sont utilisées dans le traitement de l’eau.
• Les vannes à trois voies sont utilisées dans le traitement des aliments et des boissons.
• Les vannes à trois voies sont utilisées dans les industries pharmaceutiques.
• Les vannes à trois voies sont utilisées dans le traitement du gaz naturel.
• Ils sont utilisés dans la séparation de l’air.
• Ces vannes sont utilisées dans le traitement de l’eau.
• Les vannes à trois voies sont utilisées dans le domaine du chauffage, de la ventilation et de la climatisation.
• Ils sont utilisés dans la transformation du bois.

Avantages des vannes à trois voies

• Les vannes à trois voies ont une faible résistance aux fluides.
• Ces vannes sont légères, de conception simple et de faible volume.
• Les vannes à trois voies ont une étanchéité fiable.
• Les vannes à trois voies ont un fonctionnement pratique car elles peuvent se fermer ou s’ouvrir rapidement.
• Ils sont faciles à entretenir grâce à leur conception simple.
• Ces vannes ont une large gamme d’applications.
• Les vannes à trois voies sont résistantes à la corrosion.
• Les vannes à trois voies ont une large gamme de températures de fonctionnement.
• Ces vannes ont une large gamme de pression de fonctionnement.
• Ces vannes peuvent fonctionner avec des actionneurs manuels, pneumatiques, hydrauliques ou électriques.
• Les vannes à trois voies sont rentables par rapport au travail qu’elles peuvent accomplir.

Inconvénients des vannes à trois voies

• Les vannes à trois voies ont tendance à avoir un poids élevé par rapport aux autres vannes.
• Le coût de fabrication des vannes à trois voies a tendance à être plus élevé que celui des autres vannes en raison de leur mécanisme de fonctionnement complexe.
• Les vannes à trois voies ont une chute de pression élevée.

Dépannage des vannes à trois voies

Fuite de la vanne à trois voies

• Sièges endommagés. Remplacez les sièges.
• Surface de la bille endommagée. Remplacez la bille.
• Fermeture incomplète de la vanne. Vérifiez les réglages et les limites de fermeture/ouverture.
• Le capot est desserré. Serrez les écrous ou les vis du capot.

Mouvement irrégulier du ballon

• Saleté entre les sièges et la bille. Rincez l’intérieur de la vanne plusieurs fois pour éliminer la saleté.

Le couple des soupapes est très élevé

• Siège endommagé. Remplacez le siège.
• Température ou pression excessives. Assurez-vous que les conditions de travail sont conformes aux recommandations du fabricant de la vanne à trois voies.
• Saleté entre les sièges et la bille. Rincez l’intérieur de la vanne pour éliminer la saleté.

Fuite de la tige

• Écrous de tige desserrés. Serrez les écrous de la tige.
• Joints de tige endommagés. Remplacer les joints ou les étancher avec de la graisse d’étanchéité.
• Surfaces d’étanchéité endommagées. Remplacez la surface d’étanchéité.
• Dommages mécaniques sur la tige. Remplacez la tige.

Fuite dans le joint du corps

• Joint d’étanchéité endommagé. Remplacez les joints d’étanchéité.
• Charge excessive de la canalisation. Vérifiez que l’architecture de la tuyauterie est recommandée par le fabricant de la vanne à trois voies.
• Température ou pression excessive. Vérifiez que la température/pression de travail est conforme aux recommandations du fabricant de la vanne à trois voies en question.

Bruit excessif de la vanne à trois voies 

• Mauvais dimensionnement de la vanne. Assurez-vous que la taille de la vanne correspond à la tuyauterie et à la charge.
• Ouverture incomplète. Assurez ure les réglages et les limites d’ouverture/fermeture.

Résumé

Les vannes à trois voies sont des vannes qui possèdent trois orifices. Ces orifices permettent aux vannes à trois voies d’améliorer le débit variable dans le système de tuyauterie. Ces vannes sont utilisées pour ouvrir/fermer, dévier et mélanger les fluides dans les systèmes de tuyauterie. Lorsqu’elles sont utilisées comme vannes de mélange, ces vannes combinent deux flux de fluide pour en former un seul. Lorsqu’elles sont utilisées comme vannes de dérivation, elles séparent un flux de fluide en deux flux de fluide. Il existe plusieurs types de vannes à trois voies, mais les deux principaux types sont l’orifice de type L et l’orifice de type T. La vanne de type L est utilisée pour dévier le fluide. Une vanne de type T est utilisée pour mélanger et fermer le flux de fluide. Les vannes à trois voies sont utilisées dans de nombreuses applications telles que la déviation de l’eau dans l’eau d’alimentation des centrales à vapeur, la séparation pharmaceutique, pétrolière et gazière, le traitement de l’eau, la transformation des aliments, etc. Les caractéristiques communes des vannes à trois voies sont une conception simple et légère, l’autonettoyage et une large gamme de températures et de pressions. Lors de la sélection d’une vanne à trois voies, il est important de prendre en compte des critères tels que la température de fonctionnement, la nature du fluide, la pression nominale et le type d’actionneur.