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Rapprocher la courbe de débit d’un détendeur de l’horizontale pour atténuer la baisse graduelle de la pression de sortie

Rapprocher la courbe de débit d’un détendeur de l’horizontale pour atténuer la baisse graduelle de la pression de sortie

16 septembre 2019 | Jon Kestner

Un contrôle constant de la pression est essentiel pour exploiter un système fluide en toute sécurité. Maintenir une pression aval fiable au moyen d’un détendeur peut aider à limiter les variations de débit, en particulier dans un système à débit élevé. Toutefois, pour maintenir une pression régulée et limiter le phénomène de baisse graduelle, il peut s’avérer nécessaire d’ajouter certains composants à un système fluide.

Qu'entend-on par baisse graduelle de la pression de sortie ?

flow curve chart demonstrating droop
Figure 1 : Ce graphique représente des courbes de débit correspondant à différentes configurations pour réguler la pression : détendeur à ressort simple (Option A – « Performances de base ») ; détendeur à dôme et régulateur pilote (Option B – « Bonnes performances ») ; détendeur à dôme et régulateur pilote avec ligne de rétroalimentation du détendeur à dôme (Option C – « Performances améliorées ») ; détendeur à dôme et régulateur pilote avec ligne de rétroalimentation du régulateur pilote (Option D – « Performances supérieures »).

Le phénomène de baisse graduelle se caractérise par une diminution de la pression de sortie lorsque le débit augmente en aval. Le graphique ci-dessus (Figure 1) donne des exemples de courbes de débit. Une courbe de débit est un outil pratique utilisé pour établir la plage des pressions de sortie qu'un détendeur sera capable de maintenir en fonction des variations du débit dans le système. Les courbes de débit sont établies en testant les produits et représentent les performances réelles d'un détendeur pour un ensemble donné de paramètres du système. 

Elles représentent les variations de la pression de sortie (axe vertical) en fonction du débit en aval (axe horizontal) du détendeur. La partie la plus horizontale de la courbe correspond à la pression que le détendeur sera capable de maintenir même en cas de fortes variations du débit. La partie la plus à droite de la courbe indique le moment où le détendeur sera complètement ouvert et incapable de maintenir une pression constante. Dans cette zone de la courbe – à partir du point où la pression commence à chuter rapidement pour se rapprocher de zéro –, le clapet atteint la limite de sa course, ce qui ne lui permet plus de réguler la pression. À ce stade, le détendeur se comporte davantage comme un orifice d’étranglement que comme un dispositif de régulation de la pression. 

Bien que le phénomène de baisse graduelle de la pression de sortie se manifeste dans tous les détendeurs, des mesures peuvent toutefois être prises pour l’atténuer. Il est possible d’obtenir des courbes de débit plus proches de l’horizontale en choisissant une configuration adaptée à votre système. Quatre différentes options visant à limiter le phénomène de baisse graduelle sont détaillées ci-dessous.

Option A : détendeur à ressort simple   

Le type de détendeur le plus courant est le détendeur à ressort. Dans ce modèle, un ressort exerce une force sur un élément détecteur – une membrane ou un piston – qui rapproche ou éloigne le clapet de l’orifice, ce qui permet de réguler la pression en aval. Le détendeur à ressort sera notre configuration de base. 

Un détendeur à ressort offre des performances acceptables dans des applications générales lorsqu’il s’agit de limiter le phénomène de baisse graduelle. Dans cette configuration, lorsque le débit demandé augmente, le clapet du détendeur s’éloigne du siège pour laisser passer davantage de fluide, ce qui a pour effet de détendre le ressort et de diminuer la force exercée ainsi que la pression de réglage du détendeur. Lorsque le débit demandé varie, l’ampleur de la baisse graduelle dépend de la charge du ressort et peut, dans certains cas, nécessiter de fréquents ajustements manuels pour retrouver la pression de réglage souhaitée si un degré élevé de précision est nécessaire.

Une option plus efficace pour atténuer le phénomène de baisse graduelle et rapprocher les courbes de débit de l’horizontale consiste à utiliser un détendeur à dôme. Dans ce type de détendeur, la force n’est pas contrôlée par un ressort, mais par un gaz sous pression contenu dans la chambre d’un dôme. Le gaz incurve une membrane qui éloigne le clapet de l'orifice et régule la pression en aval. Les autres options présentées ci-dessous montrent comment limiter la baisse graduelle pour améliorer les performances au moyen d’un détendeur à dôme, en lui associant divers composants et en procédant à des modifications de la conception.

Option B : détendeur à dôme associé à un régulateur pilote 

L’option B associe un détendeur à dôme avec un régulateur pilote. Dans cette configuration, le détendeur à dôme réagit aux variations de pression en maintenant une pression constante dans la chambre du dôme. Le régulateur pilote sert à contrôler l’alimentation en gaz de la chambre du dôme. Comme le montre le schéma de la figure 2 ci-dessus, tout excès de pression dans le dôme est évacué par une boucle de sortie. 

Lorsque le débit demandé par le système augmente, le clapet s’écarte du siège pour laisser passer davantage de gaz. Cependant, contrairement au détendeur à ressort, le détendeur à dôme ne comporte aucun ressort susceptible de se détendre. Au lieu de cela, la membrane s’incurve vers le bas, ce qui augmente le volume de la chambre et abaisse légèrement la pression dans le dôme. Le régulateur pilote détecte la chute de pression dans le dôme et réagit en s’ouvrant pour laisser entrer plus de gaz dans le dôme et maintenir la pression au niveau fixé. Si le débit demandé en aval diminue, le clapet remonte pour se rapprocher du siège, poussant la membrane vers le haut, ce qui a pour effet d’augmenter légèrement la pression dans le dôme. Cette surpression est évacuée en aval du détendeur par la boucle de sortie. 

dome loaded regulator configuration with a pilot regulator

Figure 2 : La configuration de l’option B comporte un détendeur à dôme associé à un régulateur pilote et une boucle de sortie pour le contrôle dynamique de la pression dans le dôme. 

Si l'on se reporte à la figure 1, cette configuration correspond à la courbe de débit intitulée « Option B ». Par rapport à l'option A (détendeur à ressort seul), l’option B (détendeur à dôme plus régulateur pilote) permet un contrôle plus dynamique de la pression. Même si le phénomène de baisse graduelle subsiste, la courbe de débit se rapproche un peu plus de l’horizontale, ce qui correspond à un détendeur capable de maintenir la pression fixée sur une plage de débits plus étendue. Des détendeurs à dôme standard peuvent être utilisés dans de nombreux systèmes sans avoir à se préoccuper de chutes importantes de la pression de sortie. Il est toutefois possible de limiter encore plus le phénomène de baisse graduelle en recourant aux configurations décrites ci-après.

Option C :  ligne de rétroalimentation externe raccordée à un détendeur à dôme 

configuration with an external feedback line connected to dome loaded regulator
Figure 3 : La configuration de l’option C comporte une ligne de rétroalimentation externe raccordée à un détendeur à dôme afin de mieux compenser les chutes de pression en aval. 

Une précision accrue peut être obtenue en ajoutant une ligne de rétroalimentation externe raccordée à un détendeur à dôme. La rétroalimentation externe se fait en raccordant un tube entre la ligne de process en aval et le mécanisme de détection du détendeur à dôme. 

La ligne de rétroalimentation externe dirige la pression d’un point du système situé en aval du détendeur vers le mécanisme de détection de celui-ci. Cela permet au détendeur de réagir aux variations de la pression en ce point du système et non aux seules variations de la pression à l’intérieur du détendeur, comme dans le cas de la configuration avec détendeur à dôme standard. 

Si l'on se reporte à la figure 1, l'option C est représentée par la troisième courbe de débit. La zone de fonctionnement normal – c'est à dire avant que le débit n'atteigne sa valeur critique – s’est agrandie. Même si cette courbe de débit est plus proche de l’horizontale que les deux précédentes, le phénomène de baisse graduelle est toujours présent.

Option D :  ligne de rétroalimentation externe raccordée à un régulateur pilote

Configuration with an external feedback line connected to pilot regulator
Figure 4 : La configuration de l’option D comporte une ligne de rétroalimentation externe raccordée à un régulateur pilote qui va réagir aux variations de la pression en aval.

Notre dernière option est la meilleure configuration pour obtenir une courbe de débit horizontale. Comme le montre le schéma de la figure 4 ci-dessus, la ligne de rétroalimentation externe est raccordée directement au régulateur pilote et non au détendeur à dôme. Cela permet au régulateur pilote d’ajuster très précisément la pression dans la chambre du détendeur à dôme en fonction de la pression réelle en aval, permettant ainsi au détendeur de compenser en modifiant sa pression de sortie. 

Lorsque le débit demandé par le système augmente, la baisse de pression est détectée par le régulateur pilote via la ligne de rétroalimentation. Le régulateur réagit à cette variation de la pression en augmentant la pression dans le détendeur à dôme, d’où une pression en aval égale à la pression de réglage fixée. Dans cette configuration, la boucle de rétroalimentation permet d’optimiser les performances du système grâce à des ajustements continus et automatiques. Ceci est illustré sur la figure 1 par la dernière courbe de débit quasi horizontale sur une plage de débits étendue.

Tous les détendeurs sont plus ou moins sujets au phénomène de baisse graduelle de la pression de sortie. Dans certains systèmes, ce phénomène peut être toléré. En revanche, s’il est indispensable de maintenir une pression de sortie constante lorsque le débit varie, une configuration adaptée pour vous aider à parvenir. Pour plus d'informations sur la manière de choisir le bon détendeur pour votre système fluide, prenez contact avec les spécialistes de Swagelok dans votre point de vente et centre de services agréé.

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