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Écluse Rotative : Guide Technique

Qu'est-ce qu'une vanne rotative, un doseur rotatif ou une vanne étoilée ?

Conception, fonctionnement et dépannage des écluses rotatives

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Passage direct / Soufflage traversant
3. Jeu mécanique et détection de contact des vannes étoilées
4. Écluses résistantes aux explosions et antidéflagrantes
5. Dégazage des vannes étoilées
6. Conseils de dimensionnement
7. Dépannage
8. Guide d'achat des écluses rotatives - Comment sélectionner une écluse rotative

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Une écluse rotative est un dispositif mécanique de convoyage qui permet de contrôler le débit de produits en vrac (poudres, granulés, pastilles, etc.).. Ces doseurs rotatifs (également appelés vannes rotatives ou vannes étoilées) sont souvent utilisés en amont d'un système de transport pneumatique. Découvrez tous les détails sur les vannes rotatives dans cette page.

Autres pages d'intérêt : Transports pneumatiques ; Dosage et doseurs ; Mélange et mélangeurs ; Convoyeurs à vis

1. Qu'est-ce qu'une écluse rotative ?

Les écluses rotatives sont utilisées aux interfaces des procédés de manutention des solides, généralement lorsqu'il est nécessaire de séparer deux zones soumises à des conditions différentes (souvent des différences de pression), tout en permettant le passage du solide d'une zone à l'autre.

Les vannes rotatives, également appelées vannes étoilées, sont donc utilisées au début et à la fin des transports pneumatiques. Elles permettent d'introduire le solide depuis une zone de basse pression vers une zone de haute pression au début de la ligne, tout en aidant à séparer le solide du flux d'air à la fin de la ligne.

Ces vannes peuvent assurer un dosage approximatif ; elles peuvent donc également être installées comme équipements de dosage, bien que ce ne soit pas une bonne pratique.

Comparées à d'autres équipements de dosage, les écluses rotatives présentent les avantages suivants :

Tableau 1 : Écluses rotatives vs autres équipements de dosage

Avantages	Inconvénients
Fonctionnement continu Réglage simple (mais approximatif) du débit si moteur sur variateur de fréquence Faibles exigences d'espace Certains modèles avec accès facile pour le nettoyage	Pulsation d'alimentation (décharge discrète des poches) Fuite d'air Cisaillement des particules/granulés de grande taille Peut être endommagé par des produits abrasifs Pression opérationnelle limitée Maintenance délicate - nécessite un personnel bien formé Peut entraîner des incidents de corps étrangers si mal assemblé

Il existe 2 types d'écluses rotatives : à passage direct et à soufflage traversant. Les deux types donnent globalement les mêmes résultats, mais leurs modes de fonctionnement et leurs caractéristiques diffèrent légèrement.

Les écluses rotatives sont largement utilisées dans l'industrie avec des applications dans les domaines suivants :

• Industries agroalimentaires (boulangerie, produits laitiers, café, céréales)
• Construction (ciments, asphalte)
• Pharmacie
• Exploitation minière
• Énergie (centrales électriques)
• Chimie / Pétrochimie / Polymères

Les principes de fonctionnement et les spécifications principales des écluses rotatives sont présentés ci-dessous.

2. Comment fonctionne une écluse rotative ? Vanne à passage direct et vanne à soufflage traversant

Écluse rotative à passage direct

Les écluses rotatives à passage direct "laissent tomber" le produit dans la conduite ou l'équipement situé en dessous. Elles comportent une bride d'entrée et une bride de sortie.

Figure 1 : Vue de face d'une vanne étoilée à passage direct

Écluse rotative à soufflage traversant

Les vannes étoilées à soufflage traversant sont directement connectées à une ligne de transport. L'air utilisé dans la ligne de transport traverse donc directement les alvéoles de la vanne, emportant le produit.

Généralement, les vannes à soufflage traversant sont utilisées soit lorsqu'il y a une hauteur très limitée, soit lorsque le produit a tendance à adhérer à l'intérieur du rotor. Pour les autres applications, le modèle à passage direct est souvent préféré.

Avoir le rotor directement dans le flux de la conduite peut entraîner une fragmentation accrue du produit transporté, notamment si plusieurs vannes à passage direct sont installées en série dans une même tuyauterie. Dans ce cas précis, les vannes à passage direct peuvent être envisagées pour préserver le produit.

Figure 2 : Vue de face et vue de côté d'une vanne étoilée à soufflage traversant

3. Conception mécanique des écluses rotatives

3.1 Jeu mécanique des vannes étoilées et détection de contact

Les vannes étoilées ont généralement un jeu très faible entre les pales du rotor et le stator, ce qui est nécessaire pour assurer une étanchéité à l'air entre les zones amont et aval qui ne sont pas à la même pression.

Le jeu typique pour les écluses rotatives est de 0,1 mm et varie généralement de 0,05 mm à 0,25 mm selon l'usage prévu pour la vanne (différence de pression élevée entre chaque côté de la vanne ou non). Ce jeu très réduit explique pourquoi les écluses rotatives souffrent souvent de rayures dues au contact rotor/stator. Le tableau suivant résume les causes courantes de ces contacts.

Tableau 2 : Dépannage - Principales causes de rayures des vannes étoilées

Principales causes de rayures des vannes rotatives	Comment éviter
Démontage / remontage incorrect	Formation de l’opérateur / des mécaniciens Utilisation de conceptions avec barres d’extraction
Corps étranger coincé entre le rotor et le stator	Installer un tamis et un aimant en amont du procédé
Dilatation thermique réduisant le jeu fonctionnel	Spécification adéquate de la vanne et conception du procédé (refroidisseur final, capteur de température)

Les rayures peuvent avoir différentes conséquences : blocage de la vanne, réduction de l’étanchéité à l’air, génération de corps étrangers. Il peut être nécessaire de repolir la vanne après une rayure, ce qui a pour conséquence d’augmenter localement le jeu et de réduire la capacité d’étanchéité de la vanne.

À noter que certaines conceptions ont été développées où les pales possèdent une extrémité réglable boulonnée. Si l’extrémité est en matériau souple comme le Nylon, elle permet de toucher le stator sans dommage. Elle reste cependant sujette à l’usure et a un champ d’application limité.

3.2 Formes des pales

La conception des pales dans les vannes rotatives à sas joue un rôle crucial dans leur fonctionnalité et leur efficacité. Les formes des pales et les tolérances impactent directement l’écoulement du matériau, l’étanchéité et les performances globales.

Formes des pales : Adaptation aux caractéristiques des matériaux

La forme et la conception des pales d’une vanne rotative sont personnalisées pour correspondre aux caractéristiques spécifiques des matériaux manipulés. Différentes formes de pales offrent des avantages distincts pour divers matériaux :

• Pales standard : Ces pales sont généralement utilisées pour les granulés ou poudres à écoulement libre. Leur conception permet un transfert efficace du matériau tout en maintenant une étanchéité sécurisée.
• Pales en forme de godet : Les pales en forme de godet sont idéales pour manipuler des matériaux cohésifs ou collants. Leur conception aide à briser les agglomérats et assure un écoulement régulier du matériau.
• Pales biseautées : Les pales biseautées sont employées lorsque des dosages précis sont requis. Elles permettent une décharge contrôlée du matériau, les rendant adaptées aux applications de **lot** ou de **gâchée**.

3.3 Équilibrage des formes de pales et des tolérances

Pour obtenir des performances optimales des vannes rotatives à sas, il est essentiel de trouver le bon équilibre entre les formes de pales et les tolérances. Considérez les éléments suivants lors de la sélection et du réglage de ces paramètres :

• Compatibilité avec le matériau : Adaptez les formes de pales et les tolérances aux caractéristiques d’écoulement et aux propriétés d’adhésion spécifiques du matériau manipulé.
• Type de vanne : Différents types de vannes (par exemple, à chute directe ou à soufflage) peuvent nécessiter des ajustements des formes de pales et des tolérances pour garantir un fonctionnement efficace.
• Exigences de maintenance : Une inspection et un ajustement réguliers des tolérances peuvent être nécessaires pour maintenir l’intégrité de l’étanchéité et prévenir l’usure au fil du temps.
• Consultation d’experts : Sollicitez les conseils des fabricants de vannes rotatives ou d’experts en manutention de matériaux pour déterminer les formes de pales et les tolérances les plus adaptées à votre application.

3.4 Options de matériaux : Acier inoxydable vs. Acier carbone

Lors de la sélection du matériau pour vos vannes rotatives à sas, le choix entre l’acier inoxydable et l’acier carbone peut avoir un impact significatif sur les performances et la longévité de votre système.

L’acier inoxydable est réputé pour sa durabilité et ses propriétés de résistance à la corrosion. Ce matériau est un excellent choix pour les vannes rotatives à sas dans les industries où l’hygiène et la pureté des matériaux sont primordiales, comme le traitement alimentaire et la pharmacie. Voici quelques avantages clés de l’acier inoxydable :

• Résistance à la corrosion : La résistance de l’acier inoxydable à la rouille et à la corrosion garantit une durée de vie plus longue, même dans des environnements exigeants.
• Propriétés hygiéniques : Il est facile à nettoyer et à entretenir, ce qui le rend idéal pour les applications nécessitant des normes de propreté strictes.
• Compatibilité avec le produit : L’acier inoxydable est compatible avec une large gamme de matériaux, évitant la contamination et garantissant l’intégrité du produit.

L’acier carbone, en revanche, offre une robustesse et une efficacité économique. Il est couramment utilisé dans les industries où la résistance à la corrosion n’est pas une préoccupation majeure. Voici quelques avantages de l’acier carbone :

• Résistance mécanique : La résistance et la ténacité de l’acier carbone le rendent adapté à la manipulation de matériaux lourds et à des conditions difficiles.
• Économique : Il s’agit souvent d’une option plus abordable par rapport à l’acier inoxydable, ce qui en fait un choix attractif pour diverses applications.
• Polyvalence : L’acier carbone peut manipuler un large éventail de matériaux, ce qui le rend adapté aux industries comme l’exploitation minière et la construction.

Le choix entre l’acier inoxydable et l’acier carbone doit être basé sur des facteurs tels que la compatibilité avec le matériau, les conditions environnementales, les exigences d’hygiène et les contraintes budgétaires. Une évaluation minutieuse de vos besoins spécifiques vous guidera vers le matériau le plus approprié pour vos vannes rotatives à sas.

3.5 Étanchéité mécanique et garnitures d’étanchéité

Les vannes rotatives à sas reposent sur des mécanismes d’étanchéité efficaces pour maintenir l’étanchéité à l’air et prévenir les fuites. Deux méthodes principales sont employées : les joints mécaniques et les garnitures d’étanchéité.

Les joints mécaniques offrent précision et fiabilité dans l’étanchéité des vannes rotatives à sas. Ces joints comportent des composants mécaniques conçus pour créer une barrière sécurisée entre différentes zones de pression. Voici leurs caractéristiques et avantages clés :

• Étanchéité à l’air : Les joints mécaniques offrent une excellente étanchéité, essentielle pour prévenir les fuites d’air et maintenir l’efficacité du système.
• Durabilité : Ils sont conçus pour résister à l’usure, assurant des performances durables.
• Maintenance réduite : Les joints mécaniques nécessitent généralement moins de maintenance que les garnitures d’étanchéité, contribuant à réduire les coûts opérationnels.

Les garnitures d’étanchéité, également appelées presse-étoupe ou garnitures tressées, utilisent des matériaux compressibles, tels que le graphite ou le PTFE, pour créer une étanchéité. Bien que considérées comme plus traditionnelles, elles restent efficaces dans certaines applications. Voici quelques aspects clés des garnitures d’étanchéité :

• Adaptabilité : Les garnitures d’étanchéité peuvent s’adapter à des formes irrégulières et conviennent aux équipements anciens ou personnalisés.
• Économicité : Elles sont souvent plus économiques à l’achat, ce qui les rend attractives pour les projets soucieux du budget.
• Maintenance régulière : Les garnitures d’étanchéité peuvent nécessiter des ajustements et une maintenance plus fréquents pour conserver leur efficacité d’étanchéité.

Le choix entre joints mécaniques et garnitures d’étanchéité dépend de facteurs tels que les conditions de fonctionnement, les préférences de maintenance et les exigences d’étanchéité. Les joints mécaniques excellent dans les scénarios haute performance et faible maintenance, tandis que les garnitures d’étanchéité peuvent convenir à des applications et budgets spécifiques.

4. Protection contre les explosions

Une vanne rotative à sas peut être utilisée comme élément d’isolation pour empêcher la propagation d’une explosion de poussière dans une **usine**. Pour cela, la vanne doit être certifiée résistante aux chocs d’explosion et antidéflagrante.

Pour obtenir ces caractéristiques, la vanne doit être conçue de manière à ce que :

• Le corps et le rotor puissent résister à la pression d’une explosion - généralement 10 bar g

• Le jeu entre l’extrémité des pales et le carter doit être inférieur à 0,2 mm

• Au moins 2 pales de chaque côté de la vanne doivent être en contact avec le carter (ce qui signifie que le nombre total de pales doit être ≥ 8)

Il est très important de surveiller régulièrement le jeu, car l’usure de la vanne peut entraîner un dépassement de 0,2 mm, ce qui affectera les propriétés antidéflagrantes de la vanne.

5. Désaération des vannes rotatives

Un faible jeu permet une bonne étanchéité et réduit les fuites de la vanne rotative à sas. Cependant, même réduites, des fuites subsisteront. De plus, l’air piégé dans chaque alvéole sera également libéré lorsque celle-ci s’ouvre vers la zone de basse pression. Cela entraîne des fuites d’air.

Les fuites d’air augmentent avec la différence de pression et avec la vitesse de rotation de la vanne. Elles peuvent être très préjudiciables aux performances, notamment avec les poudres légères, car l’air libéré fluidisera la poudre et l’empêchera de remplir les alvéoles.

Ce phénomène peut être observé dans les courbes de performance des vannes rotatives : la capacité atteindra un palier, voire diminuera à haute vitesse, car les alvéoles ne peuvent plus être remplies par le produit, trop fluidisé pour tomber dans les alvéoles à temps.

Pour maîtriser ce phénomène et améliorer les performances de la vanne, une ventilation adéquate doit être mise en œuvre. Un canal de désaération est monté du côté où les alvéoles remontent afin de les vider de l’air avant qu’elles ne reprennent du produit. Le canal envoie l’air vers un filtre pour évacuation.

Figure 2 : Vanne en étoile équipée d’une trémie de désaération alimentant un transporteur pneumatique

6. Calculs de dimensionnement des vannes rotatives à sas

Le calcul de capacité d’une vanne en étoile pour atteindre un débit donné dépend du diamètre de la vanne, de sa vitesse de rotation cible et de la **nature du produit**

• Plus la vanne en étoile est grande, plus sa capacité sera élevée
• Une vitesse de rotation plus élevée augmente généralement le débit, mais celui-ci cessera d’augmenter au-delà d’une certaine vitesse
• Plus la poudre est fluide, plus le débit sera élevé ; cependant, les produits trop légers limiteront le débit à une certaine vitesse de rotation

Le débit peut être estimé à partir des abaques du fournisseur, mais la connaissance du produit sera une donnée clé.

Figure 3 : Courbe de capacité typique d’une vanne rotative à sas

Avis important : le débit d’une vanne rotative à sas n’est pas linéaire. Il cesse d’augmenter, voire peut diminuer au-delà d’une certaine vitesse. Cela peut être dû à plusieurs causes, principalement au temps réduit pour le remplissage et la vidange des alvéoles. Avec les poudres légères, la désaération des alvéoles lors du retour vers le côté basse pression empêchera la poudre de s’écouler dans celles-ci. Ce phénomène sera amplifié par la chute de pression à travers la vanne et peut être atténué grâce à un système de ventilation adapté. Pour les matériaux cohésifs, l’écoulement dans et hors des alvéoles dans la zone de décharge sera difficile.

Calcul de conception des vannes rotatives à sas

Équation 1 : Calcul de la capacité d’une vanne rotative à sas

Avec :
m = capacité en kg/h
V_{_alvéole} = volume d’une alvéole en litres
n_{_alvéoles} = nombre d’alvéoles
N = vitesse de rotation en tr/min
ρ = masse volumique apparente de la poudre en kg/l
η = taux de remplissage – à déterminer à partir des abaques du fournisseur

7. Problèmes courants des vannes rotatives à sas

Différents problèmes peuvent affecter une vanne en étoile pendant son fonctionnement. Les problèmes courants incluent notamment :

• Performances inférieures aux attentes (débit plus faible que prévu)
• Endommagement par contact métal / métal
• Usure

Pour chacun de ces problèmes, les causes racines possibles et les solutions sont présentées ci-dessous

Tableau 3 : Résolution des problèmes – Principaux dysfonctionnements opérationnels des écluses rotatives

Observation	Cause racine possible	Action corrective possible
Performance inférieure à la conception	Les poches ne sont pas complètement remplies Le produit a une mauvaise coulabilité et la trémie au-dessus de l’écluse rotative n’est pas conçue correctement. Le produit est bloqué avant d’atteindre la vanne.	Ceci peut être résolu en utilisant des aides à la vidange dans la trémie.
Performance inférieure à la conception	Les poches ne sont pas complètement remplies Dans le cas d’une vanne utilisée pour alimenter une ligne de transport sous pression, la fuite d’air fluidise le produit à l’entrée de l’écluse rotative, l’empêchant de remplir ses poches. Cela peut être dû à une vanne mal spécifiée (jeu trop important, nombre de pales insuffisant) ou à une vanne usée dont les jeux dépassent les spécifications. Une autre cause possible est un dégazage insuffisant des poches vides avant qu’elles n’atteignent la trémie pour reprendre de la poudre. Enfin, une autre possibilité à vérifier est le balayage du joint d’étanchéité : si la pression est trop élevée, l’air s’échappant par le joint peut s’opposer à l’écoulement.	Vérifier la spécification de la vanne concernant la perte de charge qu’elle doit surmonter Revoir le dégazage de la vanne et de la trémie sus-jacente (si elle existe) Vérifier la pression de l’air comprimé d’étanchéité Remarque : Les écluses rotatives peuvent être conçues avec 6, 8 ou 10 pales. Plus le nombre de pales est élevé, plus la vanne sera étanche. Cependant, un nombre élevé de pales réduira également la capacité volumétrique de la vanne : un compromis doit être trouvé entre étanchéité et capacité des poches.
Performance inférieure à la conception	Les poches ne se vident pas correctement Une mauvaise vidange des poches est liée à la coulabilité de la poudre. Si la poudre est très cohésive, elle peut rester dans les poches de l’écluse rotative, réduisant ainsi le volume disponible pour le nouveau produit à chaque rotation.	Certains rotors sont conçus avec un fond de poche lisse. La poudre ne peut pas s’y accumuler et tombe plus facilement hors de la poche.
Endommagement par contact métal / métal	Le "rayage" d’une écluse rotative correspond à un contact ponctuel métal/métal qui entraînera un endommagement du rotor et du stator. Après un tel incident, la vanne peut se bloquer, ce qui empêche son utilisation. Lors de l’incident, des copeaux métalliques peuvent être libérés dans le flux de produit, ce qui peut poser problème pour certaines applications.	Pour éviter de tels dommages, il est nécessaire de : - S’assurer qu’aucun corps étranger ne peut atteindre la vanne (utiliser des tamis et des aimants en amont de la vanne) - Vérifier que la vanne est correctement spécifiée, notamment en ce qui concerne la température de fonctionnement, car une température plus élevée peut provoquer une dilatation métallique et entraîner un contact entre les pièces - Former le personnel à la maintenance de la vanne, car la plupart des endommagements de l’équipement sont liés à des rotors mal réinstallés après maintenance - Utiliser un système de détection de contact rotor/stator En cas d’endommagement, il est nécessaire de réusiner la vanne ou de la remplacer entièrement si les jeux deviennent trop importants après usinage.
Usure [IAC]	L’usure d’une écluse rotative correspond à un endommagement à moyen/long terme de la vanne. Deux phénomènes principaux peuvent entraîner l’abrasion : - Le produit est coincé entre l’extrémité d’une pale et le carter pendant la rotation - Les fuites d’air transportent à haute vitesse des particules de produit qui érodent la vanne Il est possible d’estimer quel phénomène endommage une vanne particulière : si le carter est endommagé du côté chargé (poches pleines de produit), le 1er phénomène peut en être la cause ; si le carter est endommagé de l’autre côté (poches vides), le 2e phénomène peut en être la cause.	Les actions suivantes peuvent être mises en œuvre pour prévenir l’usure des écluses rotatives : - Sélectionner le jeu adéquat pour réduire les risques de coincement du produit entre le rotor et le stator. Cela réduit également les fuites d’air responsables de l’érosion. - Utiliser des pales à extrémités chanfreinées pour réduire la surface de contact potentielle avec le produit coincé pendant la rotation - Utiliser un rotor fermé (les côtés du rotor sont fermés, ce qui limite les fuites et évite les frottements – mais toutes les applications ne peuvent pas l’accepter)

8. Guide d’achat des écluses rotatives – Comment sélectionner une écluse rotative

Écluse rotative à vendre : Achat d’une nouvelle écluse rotative

Lors de la recherche d’une nouvelle écluse rotative pour votre usine, les questions suivantes doivent être posées afin d’acheter les bonnes spécifications :

• Le design de l’écluse rotative est-il plus adapté en configuration "traversée par soufflage" ou "chute par gravité" ?
• Avez-vous besoin d’un matériau spécial (par exemple, acier inoxydable) ou une exécution standard est-elle suffisante ?
• Quel est le débit nécessaire et quelle est la masse volumique apparente du matériau à traiter ? Cela déterminera le diamètre de la vanne.
• La vanne est-elle soumise à la chaleur ? Doit-elle avoir un jeu rotor/stator spécifique ?
• La vanne alimente-t-elle une ligne de transport pneumatique sous pression ? Un dégazage est-il nécessaire ?
• Un accès fréquent pour le nettoyage à l’intérieur de la vanne est-il nécessaire ?
• La poudre est-elle librement coulante ou des pales et un design de poches spécifiques sont-ils requis ?
• L’écluse rotative doit-elle être certifiée pour une utilisation en zone à risque d’explosion de poussières ? Si oui, quelle classification de zone doit être considérée autour de la vanne ?
• La vanne doit-elle être résistante à l’explosion (typiquement 10 bar) ?

Répondre à l’avance à ces questions permettra de spécifier rapidement la vanne dont vous avez besoin et d’engager une discussion constructive avec un fournisseur d’écluses rotatives.

Quelques références de fabricants d’écluses rotatives sont présentées ci-dessous :

• Sautelma Rotolok
• Young Massa
• Olocco

Notez que PowderProcess.net n’a aucun lien avec ces entreprises

Sources
[IAC] : Tout ce que vous devez savoir sur les écluses rotatives, Bob Mace, IAC