Bienvenue sur

---

Écluse rotative (Airlock Rotary Valve)

Alimenteur rotatif

Vanne en étoile

Avez-vous une question ou une remarque ? Veuillez contacter l’auteur à l’adresse : admin@powderprocess.net

---

Résumé de la section
1. Introduction
2. Écluse rotative à passage direct (« Drop Through ») et écluse rotative à soufflage (« Blow Through »)
3. Jeu fonctionnel et détection de contact des vannes en étoile
4. Protection contre les explosions
5. Dégazage des écluses rotatives
6. Dimensionnement des écluses rotatives
7. Résolution des problèmes

---

Une écluse rotative, également appelée alimenteur rotatif ou vanne en étoile, est un dispositif mécanique de convoyage permettant de contrôler l’écoulement de solides en vrac (poudres, granulés, pastilles, etc.). Ces écluses sont utilisées dans les systèmes de transport pneumatique pour servir de transition entre des zones de pressions différentes. Elles sont souvent installées en amont d’un système de transport pneumatique afin d’introduire les solides dans la ligne de convoyage (phase diluée) ou au niveau du récepteur, où l’air est séparé des solides transportés.

1. Introduction

Les écluses rotatives sont utilisées aux interfaces des procédés de manutention des solides, typiquement lorsqu’il est nécessaire de séparer 2 zones soumises à des conditions différentes (généralement des différences de pression) tout en permettant au solide de passer d’une condition à une autre.

Les vannes rotatives, également appelées couramment vannes en étoile, sont donc utilisées dans les transports pneumatiques. Elles permettent d’amener le solide d’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 alimenteurs rotatifs présentent les avantages suivants :

Tableau 1 : Vanne en étoile vs autres équipements de dosage

Avantages	Inconvénients
Fonctionnement continu Réglage simple (mais approximatif) du débit si moteur sur variateur de fréquence (VFD) Faibles exigences d’espace Certains modèles avec accès facile pour le nettoyage	Pulsation d’alimentation (décharge discrète des poches) Fuite d’air Broyage des grosses particules / granulés Peut être endommagée par des produits abrasifs Pression opérationnelle limitée Sensible aux variations de température Maintenance délicate – nécessite un personnel bien formé Peut entraîner des incidents de corps étrangers si mal assemblée

Deux types d’écluses rotatives sont disponibles : un modèle à passage direct (« Drop Through ») et un modèle à soufflage (« Blow Through »). Les deux types donnent globalement les mêmes résultats, mais leur mode de fonctionnement et leurs caractéristiques diffèrent légèrement.

2. Écluse rotative à passage direct (« Drop Through ») et écluse rotative à soufflage (« Blow Through »)

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 en étoile à passage direct

Écluse rotative à soufflage

Les vannes en étoile à soufflage sont directement raccordées à une ligne de transport pneumatique. L’air utilisé dans la ligne de transport traverse donc directement les alvéoles de la vanne, entraînant le produit.

Généralement, les vannes à soufflage 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 plutôt privilégié.

Le fait d’avoir le rotor directement dans le flux de la conduite peut entraîner une fragmentation plus importante du produit transporté, notamment si plusieurs vannes à passage direct sont installées en série dans une même tuyauterie. Dans ce cas précis, des vannes à passage direct peuvent être envisagées afin de préserver le produit.

Figure 2 : Vue de face et vue de côté d’une vanne en étoile à soufflage

3. Jeu fonctionnel des vannes en étoile et détection de contact

Les vannes en étoile 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 soumises à des pressions différentes.

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

Tableau 2 : Résolution des problèmes – Principales causes de rayures pour les vannes en étoile

Principales causes de rayures pour les vannes rotatives	Comment les éviter
Démontage / remontage incorrect	Formation des opérateurs / 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	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 effet 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 ont une extrémité réglable fixée par boulons. Si l’extrémité est en matériau souple comme le Nylon, elle permet de toucher le stator sans dommage. Elle est cependant sujette à l’usure et a un champ d’application limité.

4. Protection contre les explosions

Une écluse rotative peut être utilisée comme élément d’isolation pour empêcher la propagation d’une explosion de poussière dans une installation. Pour cela, l’écluse rotative doit être certifiée résistante aux chocs d’explosion et anti-flamme.

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 logement doit être inférieur à 0,2 mm

• Au moins 2 pales de chaque côté de la vanne doivent être en contact avec le logement (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 anti-flamme de la vanne.

5. Dégazage des écluses rotatives

Un faible jeu permet une bonne étanchéité et réduit les fuites de l’écluse rotative. Cependant, même réduites, des fuites se produisent. De plus, l’air piégé dans chaque poche est également libéré lorsque celle-ci s’ouvre vers la zone de basse pression, ce qui 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 de la vanne, en particulier avec les poudres légères, car l’air libéré va en réalité fluidiser la poudre et l’empêcher de remplir les poches.

Ce phénomène peut être observé dans les courbes de performance des écluses rotatives : la capacité atteint un niveau asymptotique et peut même diminuer à haute vitesse, car les poches ne peuvent plus être remplies par le produit, trop fluidisé pour tomber dans les poches à temps.

Pour maîtriser ce phénomène et améliorer les performances de la vanne, un dégazage adéquat de l’écluse rotative doit être mis en œuvre. Un canal de dégazage est monté sur le côté où les poches remontent afin de les vider de l’air avant qu’elles ne reprennent du produit. Le canal envoie l’air vers un filtre pour qu’il soit évacué.

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

6. Dimensionnement des écluses rotatives

Le calcul de capacité d'une vanne étoilée pour atteindre un débit donné est fonction du diamètre de la vanne, de sa vitesse de rotation cible et de la nature du produit,

• Plus la vanne étoilée est grande, plus sa capacité sera élevée.

• Une vitesse de rotation plus élevée signifie généralement un débit plus important, mais le débit 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 : Graphique typique de capacité d'une écluse rotative

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

Équation 1 : Calcul de capacité d'une écluse rotative

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. Dépannage des écluses rotatives

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

• Performances inférieures à la conception (débit inférieur à celui attendu)

• Dommages par contact métal/métal

• Usure

Pour chacun de ces problèmes, les causes possibles et les solutions sont détaillées ci-dessous.

Tableau 3 : Dépannage – Principaux problèmes opérationnels des écluses rotatives

Observation	Cause probable	Action possible
Performances inférieures à la conception	Les alvéoles ne sont pas complètement remplies Le produit a une mauvaise coulabilité et la trémie au-dessus de la vanne étoilée n'est pas conçue correctement. Le produit est bloqué avant d'atteindre la vanne.	Cela peut être résolu en utilisant des aides à la vidange dans la trémie.
Performances inférieures à la conception	Les alvéoles ne sont pas complètement remplies Dans le cas d'une vanne utilisée pour alimenter une ligne de transport pneumatique sous pression, la fuite d'air fluidise le produit à l'entrée de la vanne étoilée, l'empêchant de remplir ses alvéoles. Cela peut être dû à une vanne mal spécifiée avec des jeux trop importants, un nombre insuffisant de pales ou une vanne usée dont les jeux dépassent les spécifications. Une autre cause possible est un dégazage inadéquat des alvéoles 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 : s'il est réglé à une pression trop élevée, l'air, fuyant via 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 supérieure (si existante) Vérifier la pression de l'air comprimé d'étanchéité Note : 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 alvéoles.
Performances inférieures à la conception	Les alvéoles ne peuvent pas être vidangées correctement Une mauvaise vidange des alvéoles est liée à la coulabilité de la poudre. Si la poudre est très cohésive, elle peut rester dans les alvéoles de l'écluse rotative, réduisant ainsi le volume disponible pour le nouveau produit à chaque rotation.	Certains designs de rotor existent avec un fond d'alvéole plat. La poudre ne peut pas s'y accumuler et tombe plus facilement hors de l'alvéole.
Dommages par contact métal/métal	« Rayure » d'une vanne étoilée correspond à un contact ponctuel métal/métal qui endommagera le rotor et le stator. Après un tel incident, la vanne peut être bloquée, ce qui empêche son utilisation. Pendant 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) - S'assurer que la vanne est correctement spécifiée, en particulier la température de fonctionnement, car une température élevée peut provoquer une dilatation du métal et entraîner un contact entre les pièces - Former le personnel à la maintenance de la vanne, car la majorité des dommages aux équipements sont liés à des rotors mal remontés après maintenance - Utiliser un système de détection de contact rotor/stator En cas de dommage, il est nécessaire de rectifier la vanne, ou de la remplacer entièrement si les jeux sont trop importants après usinage.
Usure [IAC]	L'usure des écluses rotatives correspond à des dommages à moyen/long terme. Deux phénomènes principaux peuvent entraîner l'abrasion de la vanne : - Le produit est coincé entre l'extrémité d'une pale et le carter pendant la rotation - Les fuites d'air transportant 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 (alvéoles pleines de produit), le 1er phénomène peut en être la cause ; si le carter est endommagé de l'autre côté (alvéoles 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 extrémités de pales 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)