Quelle réduction du bruit pour les vannes de régulation ?

Lorsqu’il s’agit de limiter l’émission sonore due à une décharge, une réduction du bruit des vannes de régulation peut être obtenue au moyen d’un silencieux approprié, installé en bout de ligne.

De tels silencieux sont généralement constitués d’un diffuseur (en amont) et d’un étage dissipatif (en aval). 

Le diffuseur est un élément perforé, au niveau duquel se produit une variation (dont il est souhaitable qu’elle soit à la baisse) du bruit de turbulence et du bruit de choc, la présence de perforations de petit diamètre occasionnant un pic de la génération de bruit en haute fréquence. En outre, la présence du diffuseur occasionne une perte de pression totale à laquelle il doit être prêté attention (*).

L’étage dissipatif quant à lui est constitué d’un revêtement (de préférence : à haute absorption acoustique), souvent utilisé en tant que garnissage de séparateurs, parfois concentriques (sinon : transverses), permettant une atténuation du bruit dans une bande de fréquence plus ou moins étendue notamment selon les caractéristiques acoustiques du medium poreux et de ses surfaçages éventuels, selon la géométrie de l’étage dissipatif et selon la nature et la vitesse de passage du fluide.

En outre, la présence de l’étage dissipatif occasionne une perte de pression totale (en général moindre comparée à celle du diffuseur) à laquelle il doit être prêté attention (*) et génère un bruit propre dont il est important de s’assurer qu’il est compatible avec l’objectif de réduction du bruit à considérer dans le cadre d’un projet pour lequel la mise en œuvre d’un silencieux est envisagée.

*notamment vis-à-vis des conditions de fonctionnement de la vanne sur la pression aval de laquelle il influe (à la hausse)

Lien pour en savoir plus sur la réduction du bruit des vannes de régulation

Quels sont les principaux paramètres influant sur le bruit des vannes de régulation ?

Les vannes de régulation (a fortiori, lors de l'utilisation dans des conditions de forte chute de pression) peuvent contribuer de manière significative au bruit des installations industrielles et de process, notamment en raison de la génération de bruit aérodynamique en fonction des données de la vanne et des données de process, les principaux paramètres étant les suivants:

  • Pression absolue à l’entrée de la vanne
  • Pression absolue à la sortie de la vanne
  • Facteur de récupération de pression du liquide dans une vanne avec ou sans raccords adjacents
  • Facteur de rapport de pression différentielle d'une vanne de régulation avec sans raccords adjacents, à débit engorgé
  • Coefficient de correction générique de vanne
  • Coefficient de débit (requis)
  • Rapport de puissance acoustique ou Coefficient de correction de vanne pour rendement acoustique
  • Masse moléculaire du fluide véhiculé
  • Température absolue à l’entrée
  • Masse volumique du fluide à l’entrée
  • Rapport des chaleurs spécifiques
  • Débit massique
  • Température absolue à la sortie
  • Masse volumique du fluide à la sortie
  • Nombre de Strouhal
  • Vitesse du son dans les conditions en aval
  • Diamètre de sortie de la vanne
  • Diamètre intérieur de la tuyauterie aval
  • Coefficient de contraction pour la sortie de la vanne ou l'entrée du divergent

Lorsque le coefficient de correction générique de vanne n’est pas une donnée d’entrée explicitement disponible, des paramètres additionnels doivent être pris en compte :

  • Surface d’un chemin d’écoulement unique
  • Périmètre mouillé d’un chemin d’écoulement unique
  • Nombre de chemins d’écoulement indépendants et identiques à travers l’équipement interne

Lorsque les paramètres de l’écoulement ne sont pas des données d’entrée explicitement disponibles, des paramètres additionnels doivent être pris en compte :

  • Facteur de récupération de pression du liquide dans une vanne sans raccords adjacents
  • Diamètre d’entrée de la vanne

Liens pour en savoir plus sur le calcul du bruit des vannes de régulation

Quels sont les principaux fluides dont le débit peut être modifié par une vanne de régulation bruyante?

Une vanne de régulation peut modifier la valeur du débit de nombreux fluides utilisés dans des processus industriels variés:

  • Acétylène
  • Air
  • Ammoniac
  • Argon
  • Benzène
  • Isobutane
  • Butane n
  • Isobutylène
  • Gaz carbonique
  • Monoxyde de carbone
  • Chlore
  • Ethane
  • Ethylène
  • Fluor
  • Fréon 11 (trichloromonofluorométhane)
  • Fréon 12 (dichlorodifluorométhane)
  • Fréon 13 (chlorotrifluorométhane)
  • Fréon 22 (chlorodifluorométhane)
  • Hélium
  • Heptane n
  • Hydrogène
  • Chlorure d’hydrogène
  • Fluorure d’hydrogène
  • Méthane
  • Chlorure de méthyle
  • Gaz naturel
  • Néon
  • Oxyde nitrique
  • Azote
  • Octane
  • Oxygène
  • Pentane
  • Propane
  • Propylène
  • Vapeur saturée
  • Anhydride sulfureux
  • Vapeur surchauffée

Quelle est la définition et quels sont les principaux types de vannes de régulation bruyantes?

Une vanne de régulation est un dispositif actionné mécaniquement qui modifie la valeur du débit de fluide dans un système de commande de processus. Il est constitué d’une vanne (i.e. d’un ensemble constitué d’une enveloppe contenant la pression et renfermant des organes internes) reliée à un actionneur capable de faire varier la position d’un organe de fermeture dans la vanne en réponse à un signal du système de commande.

Les principaux types de vannes de régulation sont les suivants :

  • A soupape, simple siège
    • V-port à 3 V
    • V-port à 4 V
    • V-port à 6 V
    • Clapet profilé (linéaire et à pourcentage égal)
    • A soupape, à cage percée, de 60 trous de même diamètre
    • A soupape, à cage percée, de 120 trous de même diamètre
    • Cage à 4 luminaires
  • A soupape, double siège
    • Clapet V-port
    • Clapet profilé
  • A soupape d’angle
    • Clapet profilé (linéaire et à pourcentage égal)
    • Cage à 4 luminaires
    • Venturi
  • Equipement interne à petit débit
    • Encoche en V
    • Siège plat (course courte)
  • Rotative
    • Obturateur sphérique excentré
    • Obturateur conique excentré
  • Papillon (arbre traversant)
    • Non excentré (70°)
    • Non excentré (60°)
    • Disque dentelé (70°)
  • Papillon (arbre non traversant)
    • A siège décalé (70°)
  • A tournant sphérique
    • A passage intégral (70°)
    • A secteur sphérique

Quelle performance acoustique et aéraulique pour des silencieux ?

La performance acoustique et aéraulique de silencieux est une double problématique vis-à-vis de laquelle des compromis technologiques (parfois: sophistiqués) doivent souvent être trouvés dans la perspective de la définition d'un matériel d'insonorisation permettant le fonctionnement normal d'un réseau de fluide, a fortiori lorsque des vitesses importantes sont en jeu.

Performance acoustique des silencieux

La performance acoustique d'un silencieux peut être exprimée en terme de différence (avec et sans le silencieux) de niveaux globaux de pression acoustique pondérés A ou de niveaux de pression acoustique par bandes d'octave à des emplacements spécifiés (tels que valeur maximale à 1 m du plan de sortie du silencieux, valeur moyenne sur une surface enveloppante) - également appelée différence de niveau de pression acoustique d'insertion - ou bien en terme de différence de niveaux globaux de puissance acoustique pondérés A ou de niveaux de puissance acoustique par bandes d'octave de la sortie du silencieux (ou de la bouche, ou de la source sonore insonorisée) - également appelée perte d'insertion du silencieux - .

A titre d'ordres de grandeur (et vis à vis d'un spectre de bruit de type "bruit rose"), une différence de niveau jusqu'à 10 dBA peut en général être obtenue sans exigence particulière, tandis qu'une différence de niveau de 10 à 20 dBA requière un silencieux type sans by-pass important, tandis qu'une différence de niveau de 20 à 30 dBA nécessite un silencieux type avec des dispositifs de cloisonnements transverses du revêtement absorbant et un montage élastique, et tandis qu'une différence de niveau de 30 à 50 dB met en jeu des silencieux à haute performance soigneusement conçus et montés (une différence de niveau encore supérieure doit souvent faire intervenir une construction spéciale ou 2 silencieux installés en série avec un espacement suffisant).

La performance acoustique de silencieux dissipatifs (à température ambiante: ventilation, climatisation, admissions d'air pour process industriels variés et pour moteurs, turbines à gaz ou en haute température: cheminées, échappements - pour ce qui concerne l'étage aval du dispositif d'insonorisation lorsqu'il s'agit de moteurs thermqiues - ...) est très dépendante de la fréquence. Les silencieux dissipatifs (ou encore: silencieux à dissipation) sont des dispositifs atténuant les sons à large bande; toutefois leur efficacité n'est bonne ni en basse fréquence, ni en hautre fréquence.

Elle est liée principalement d'une part au comportement du revêtement absorbant (e.g. sa résistance au passage de l'air aux conditions de services qui peuvent - notamment pour la température - différer beaucoup des conditions de laboratoire - quasi-atmosphériques - auxquelles les mesurages ont été effectués) compte tenu de l'écartement des voies d'air et de la longueur du silencieux (caractérisée par la perte par propagation) et aussi, dans de nombreux cas (pour des silencieux autres que ceux ayant un revêment absorbant les sons en périphérie - parfois partielle - du conduit) à la géométrie des séparateurs (caractérisée par la perte par réflexion) et d'autre part aux phénomènes de by-pass: transmission d'énergie acoustique au travers de l'enveloppe du silencieux ainsi le cas échéant (pour des silencieux autres qu'à dissipation simple) qu'au travers des séparateurs eux-mêmes, et enfin au bruit regénéré en relation avec la vitesse de passage du fluide.

  160 perte propagation silencieux influence resistivite garnissage absorbant
Performance acoustique d’un silencieux dissipatif - variation de la perte par propagation i.e. de l’atténuation longitudinale (dB/m) en fonction de la résistance au passage de l'air du garnissage (résulats d'évaluations avec le logiciel SILDIS®)
 

La performance acoustique de silencieux réactifs (e.g. pour compresseurs, pour échappements de moteurs thermiques) est liée aux singularités géométriques des parties internes (souvent: il s'agit de chambres - simples, doubles ou triples- reliées par des tubes perforés ou non avec éventuellement des changements de direction du flux gazeux; chaque dimension a son importance) qui conditionnent les réflexions des ondes acoustiques - basant l'efficacité -, et aussi au bruit propre (i.e. lié à l'écoulement, donc en relation avec la vitesse de passage du fluide).

  210 performance acoustique silencieux reactif perte par transmission chambre expansion triple
Performance acoustique d’un silencieux réactif - perte par transmission d'une chambre d'expansion triple (dB) en basse et moyenne fréquence (résulat d'une simulation avec le logiciel SILDIS®)
 

Performance aéraulique des silencieux

Qu'il s'agisse de silencieux dissipatifs ou de silencieux réactifs, la performance aéraulique est, comme pour d'autres composants de circuits aérodynamiques et d'ensembles de tuyauteries pour fluides sous pression, principalement liée aux changements de section brusques (élargissements, rétrécissements) et aux obstacles s'opposant au flux gazeux ; la perte de pression totale est, comme toujours, croissante avec la densité du fluide et avec le carré de sa vitesse. Les conditions thermodynamiques d'utilisation du silencieux ont donc, toutes choses égales par ailleurs, leur importance.

A titre d'ordres de grandeur, la perte de pression totale allouée pour des dispositifs de réduction du bruit d'aérocondenseurs ou de tours de refroisdissement  (même quand les ventilateurs sont de très grand diamètres e.g. au-dessus de 10 m et induisent des débit colossaux, spécialement quand il y en a 10 dans un mêem ensemble d'une installation) sont de l'ordre de grandeur d'un millimètre de colonne d'eau (i.e. 10 Pascals) quand la perte de charge allouée à un silencieux d'échappement de très gros moteurs (la puissance se compte en MW) ou de turbines à combustion de grande capacité (la puissance se compte en dizaines ou centaines de MW et le débit massique en centaines de kg/s) est en général de l'ordre de 10 mbar (i.e. 100 mm H20 ou 1000 Pa).

Dans le cas spécifique des silencieux dissipatifs, une perte de charge additionnelle (souvent: moindre, mais ne devant pas tojours être négligée dans le cas de silencieux sans séparateurs i.e. avec seulement un revêtement absorbant les sons péréphérique) est à considérer du fait du frottement du fluide contre les surfaces rugueuses qui constituent le revêtement absorbant les sons (d'importance variable selon la nature de la couche superficielle, le diamètre hydraulique et la longueur du tronçon considéré pour une telel perte linéique).

Dans le cas spécifique des silencieux réactifs, le cas échéant, une perte de charge additionnelle est à considérer dans le cas où il est imposé au flux gazeux de passer à travers une tôle perforée (parfois: il s'agit de l'épaisseur d'un tube e.g. pour des silencieux d'échappement d'automobiles, de camions, ou même de petits engins - on retrouve aussi un tel étage d'atténuation du bruit dans des silencieux de dépressurisation, au niveau du détendeur).

coupe longitudinale - cartographie de la vitesse axiale pour l’atténuateur de bruit de la fig.1
Performance aéraulique d'un silencieux constitué d'un séparateur unique avec extrémités profilées - Mécanique des Fluides Numérique - cartographie de la vitesse axiale (coupe longitudinale d'un conduit rectangulaire, résultat d'une simulation par ITS)

Détermination de la performance acoustique et aéraulique de silencieux

Comme souvent dans le domaine de l'acoustique, la détermination de la performance de silencieux peut être effectuée au moyens de calculs ou de mesurages.

La prévision des performances acoustiques de silencieux dissipatifs ou réactifs peut être effectuée par ITS avec le logiciel de simulation SILDIS®:

  • avec les Modules 1 et 1A, pour ce qui concerne les silencieux dissipatifs
  • avec le Module 1B, pour ce qui concerne les silencieux réactifs

SILDIS®

end faq

Pour des géométries de silencieux (à absorption ou à réflexion) qui ne sont pas celles pré-programmées dans le logiciel SILDIS®, la ressource humaine d'ITS peut réaliser des calculs en utilisant d'autres moyens de simulation [1] [2] [3], pour déterminer la performance acoustique comme aéraulique.

Dans tous les contextes, la ressource humaine d'ITS, diplômée en physique du bâtiment, avec des connaissances étendues en acoustique, aéraulique-aérodynamique (mesures, calculs, conception et maîtrise d'oeuvre) est en mesure de déterminer, en tant qu'acousticien spécialisé dans ce domaine, la performance de silencieux pour des dimensionnements fiables et optimisés de tels matériels de réduction du bruit, pour des réalisations courantes (e.g dans le secteur du bâtiment) ou pour des projets de haute technicité (e.g. dans l'indsutrie), quel que soit le niveau d'expertise requis.

Les mesurages se rapportant à des silencieux peuvent être effectués (à température ambiante, et lorsqu'ils sont dissipatifs) selon la norme NF EN ISO 7235 Acoustique - Modes opératoires de mesure en laboratoire pour silencieux en conduit et unités terminales - Perte d'insertion, bruit d'écoulement et perte de pression totale; calculs avec le logiciels SILDIS® ou avec d'autres outils de simulation dont dispose ITS et résultats de mesurages de performance sont alors parfaitement comparables.

La performance acoustique de silencieux, quelsqu'ils soient et quelles que soint les conditions de service, peut aussi être évaluée sur site, selon la norme NF EN ISO 11820 Acoustique - Mesurages sur silencieux in situ.

[1] FEM : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Méthode des Eléments Finis (MEF) »
[2] BEM : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Méthode des Eléments Frontières »
[3] CFD : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Dynamique ou Mécanique des Fluides Numérique (MFN) »

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