[PDF] Bulletin technique sur les courbes de débit des détendeurs (MS-06

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Courbes de débit des détendeurs

Bulletin technique

Cadre Choisir un détendeur pour une application nécessite en premier lieu d'examiner les capacités du détendeur et de s'assurer que celles-ci correspondent au cahier des charges de l'application. Le meilleur point de départ est la courbe de débit du détendeur fournie par le fabricant, car celle-ci donne un aperçu rapide de l'ensemble des capacités du détendeur. La courbe représente la plage des pressions qu'un détendeur est capable de maintenir en fonction de certains débits dans un système. Ce bulletin technique donne une vue d'ensemble de la manière de lire les courbes de débit des détendeurs. Il décrit certains aspects complexes tels que la baisse graduelle de la pression de

sortie, la perte de charge du siège ou blocage, le débit critique, le phénomène d'hystérésis et l'effet de la pression d'alimentation

(SPE), également appelé dépendance. Par ailleurs, les valeurs du SPE et les courbes de débit des détendeurs série KPR Swagelok sont données pour l'ensemble des plages de pressions d'entrée maximales et des coef?cients de débit disponibles.

Notions fondamentales

La fonction principale d'un régulateur est de maintenir une pression constante d'un côté du régulateur, même si la pression est différente ou variable de l'autre côté. Dans le cas d'un détendeur, c'est la pression aval qui est régulée. Une courbe de débit illustre les performances d'un détendeur en montrant les variations de la pression de sortie (axe des

ordonnées) en fonction du débit (axe des abscisses). Le débit n'est pas contrôlé par le détendeur. Il est contrôlé en aval par une vanne

ou un débitmètre. La courbe montre comment un détendeur réagit aux variations du débit dans le système. Examinons la manière de lire une courbe de débit. Regardez la courbe supérieure de la ?gure 1. La pression de départ est de

27,5 bar (400 psig), puis elle diminue légèrement au fur et à mesure

que le débit augmente. Lorsque vous lisez une courbe de débit, vous devez identi?er la plage des débits observés dans le système. Reportez ensuite cette plage sur le graphique, a?n de voir quelles seront les variations correspondantes de la pression de sortie. Cette plage de pressions est-elle acceptable ? Si ça n'est pas le cas, il faudra choisir un autre détendeur. Idéalement, un détendeur doit être utilisé dans la partie la plus

plate de la courbe, là où il fonctionne le mieux et où il maintiendra des pressions relativement constantes, malgré des variations

importantes du débit. Aux extrémités de la courbe, en revanche, la forte pente indique que la moindre variation du débit entraînera une chute de pression très importante. Le détendeur ne fonctionnera pas au mieux de ses capacités dans ces deux zones. Pour chaque pression de réglage, il y a une courbe différente. Sur la ?gure 1, on observe deux séries de courbes : pour la première, la pression de réglage est de 27,5 bar (400 psig) ; pour la deuxième, la pression de réglage est de 13,7 bar (200 psig). Si la pression de réglage souhaitée se situe entre les pressions correspondant aux courbes représentées, il est alors possible d'effectuer une interpolation. Remarquez que les deux courbes ont des formes similaires, mais se situent à différents endroits du graphique. Une variable supplémentaire a un effet sur la forme de la courbe : il s'agit de la pression d'entrée (c'est-à-dire, la pression en amont d'un détendeur). Remarquez que chacune des deux séries de courbes de la ?gure 1 comporte trois courbes correspondant à des pressions d'entrée différentes.

Fig. 1.

Pour un même régulateur, les fabricants fournissent souvent plusieurs courbes de débit pour différentes pressions d'entrée, a?n de présenter une vision complète de ses capacités de régulation.

Plages de régulation

0 à 17,2 bar

(0 à 250 psig)

0 à 34,4 bar

(0 à 500 psig)

10 100

200 300 400

20 30 50 40 60 70 0 800 400 1200 1600

0 5.0 10 20

25
15 0

KPR - 0.06

Cv USA -

10

100 200 300 400

20 30 50 40 60 70 0

800 400 1200 1600 0 5,0 10 20

25
15 0

800 400 1200 1600 0

800 400 1200 1600 0

KPR - 0.06

Cv EURO -

10 20 30 50 40 60 70 0

0 5.0 10 20

25
15

KPR - 0.06

Cv CHINA -

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.5 1.0

1.5 2.0 2.5 KPR - 0.06 C

v JAPAN -

34,4 bar

(500 psig)

68,9 bar

(1000 psig)

151 bar

(2200 psig)

68,9 bar

(1000 psig)

34,4 bar

(500 psig)

Pression d'entrée

151 bar (2200 psig)

Débit d'azote, L std/min

Débit d'azote, ft

3 std/min

Pression de sortie, bar

Pression de sortie, psig

2 Courbes de débit des détendeurs

Baisse graduelle de la pression de sortie,

perte de charge du siège, effet de la pression d'alimentation et hystérésis Comme cela a été dit plus haut, il est préférable de faire fonctionner un détendeur dans la partie la plus plate - ou la plus horizontale - de la courbe de débit. De fait, la courbe de débit idéale serait une courbe parfaitement horizontale. Cependant, aucun détendeur ne peut produire une courbe parfaitement horizontale sur l'ensemble de la plage de pressions, à cause des limitations de ses composants internes. Une courbe de débit typique comporte trois parties (Fig. 2) : La plage d'utilisation idéale, qui correspond à la partie relativement plate au milieu Une forte pente à l'extrémité gauche, qui correspond au phénomène de perte de charge du siège ou blocage Une forte pente à l'extrémité droite, qui correspond à la zone de débit critique.

Baisse graduelle de la pression de sortie

La partie plate située au milieu n'est pas parfaitement horizontale. Elle a généralement une légère pente négative. Ceci correspond au phénomène de baisse graduelle. Lorsque le débit augmente, la pression de sortie diminue légèrement - parfois beaucoup selon la conception du détendeur. Cette baisse de la pression, relativement limitée dans la partie plate de la courbe, est très forte aux deux extrémités. Le fait d'alimenter un détendeur avec des pressions très inférieures à sa pression d'entrée nominale entraîne une courbe de débit caractérisée par une baisse graduelle plus importante que pour un détendeur dont la pression d'entrée nominale est proche de la pression du système (Fig. 3). Par ailleurs, le fait de choisir un détendeur correspondant au mieux aux spéci?cations en matière de pression d'entrée améliore la résolution de la poignée (faible variation de la pression par tour de la poignée) et la régulation, ce qui permet d'obtenir une plage d'utilisation idéale plus étendue.

Perte de charge du siège ou blocage

La perte de charge du siège correspond à l'extrémité gauche de la courbe de débit du détendeur (Fig. 2), où se produit une forte chute de pression. En lisant la courbe de gauche à droite, imaginez que le système est dans un état de débit nul. Le détendeur est réglé pour maintenir une certaine pression, mais aucun ?uide ne s'écoule. Ensuite, imaginez qu'un opérateur lance l'écoulement en ouvrant lentement une vanne située en aval. Une forte chute de pression se produit immédiatement, parce qu'il est dif?cile pour un détendeur de maintenir la pression dans cette zone. Un détendeur qui fonctionne dans cette partie de la courbe pourra produire des bruits correspondant à des vibrations ou à des pulsations, du fait qu'il oscille entre une situation de débit nul et une situation de débit non nul. Lisons maintenant la courbe de droite à gauche. Imaginez que le système fonctionne dans la partie plate de la courbe. Imaginez ensuite qu'un opérateur ferme lentement une vanne située en aval, ramenant ainsi le débit à une valeur proche de zéro. Nous remontons donc le long de la courbe. À l'approche d'une situation

Fig. 2. Cette courbe de débit typique d'un

détendeur illustre plusieurs phénomènes, notamment la plage d'utilisation idéale, la baisse graduelle de la pression de sortie, la zone de débit critique et la perte de charge du siège ou " blocage ».

Fig. 3.

Sur la courbe de débit d'un détendeur

dont la pression d'entrée nominale est proche de la pression du système, le phénomène de baisse graduelle est moindre et la plage d'utilisation idéale est plus importante, par rapport à la courbe d'un détendeur dont la pression d'entrée nominale est beaucoup plus élevée que la pression du système.

Débit d'azote, L std/min

Pression de sortie, bar

Pression de sortie, psig

Débit d'azote, ft

3 std/min

Débit

Plage d'utilisation idéale

Perte de charge du siège ou blocage

Baisse

graduelle de la pression de sortie

Débit

critique

Débit d'azote, L std/min

Pression de sortie, bar

Pression de sortie, psig

Débit d'azote, ft

3 std/min

Modèle 248 bar (3600 psig),

pression d'entrée de 248 bar (3600 psig)

Modèle 248 bar (3600 psig),

pression d'entrée de 6,8 bar (100 psig)

Modèle 6,8 bar (100 psig),

pression d'entrée de 6,8 bar (100 psig)

Courbes de débit des détendeurs 3

de débit nul, il devient dif?cile pour le détendeur de maintenir la pression de réglage. Là encore, le détendeur pourra produire un bruit de vibration. Finalement, le détendeur se ferme d'un coup et arrête l'écoulement. Ce phénomène s'appelle blocage. Les termes " perte de charge du siège » et " blocage » sont sensiblement interchangeables. Parfois, " blocage » est utilisé pour décrire ces deux situations. Il n'est pas conseillé de faire fonctionner un détendeur dans ces conditions.

Débit critique

Le phénomène de débit critique se produit à l'extrémité droite de la courbe. Observez la zone de débit critique sur la ?gure 2, où la pression commence à chuter fortement à partir de 3960 L std/ min (140 ft 3 std/min). À ce stade, le débit demandé a dépassé les capacités de régulation du détendeur. Ici, le détendeur est complètement ouvert et ne régule plus la pression. Ce n'est plus un dispositif de régulation de la pression, mais un simple passage ouvert. Augmenter le débit aval jusqu'à cette valeur, ou au-delà, rend le détendeur complètement inopérant. Il n'est pas conseillé de faire fonctionner un détendeur dans la zone de débit critique, en raison de la forte chute de pression qui s'y produit.

Notez que le C

v est mesuré avec le détendeur en position complètement ouverte. C'est pour cette raison que le coef?cient de débit ne permet pas de décrire l'ensemble des performances d'un détendeur. En fait, choisir un détendeur uniquement en fonction de son coef?cient de débit (C v ) peut aboutir à des performances tout à fait insatisfaisantes. Si le débit du système tombe dans la plage du C v , on pourrait croire que le régulateur est alors correctement dimensionné. Mais cela n'est pas nécessairement vrai. Le C v représente la capacité maximale de débit du régulateur. Avec un débit maximum, un régulateur ne parvient plus à réguler la pression.

Hystérésis

Observez la ?gure 4 ci-dessus. Lorsque vous lisez la courbe de gauche à droite, le débit augmente, et inversement lorsque vous lisez la courbe de droite à gauche. Selon que le débit augmente ou diminue, la courbe est légèrement différente. La pression de sortie ne suit pas la même variation et n'aboutit pas à la pression de réglage d'origine. Ce phénomène est appelé hystérésis. L'hystérésis est le résultat des forces de frottement dynamiques au sein du détendeur, mais n'est généralement pas un problème pour évaluer les performances d'un détendeur. Cependant, elle peut être source de confusion pendant le fonctionnement du système. Supposons qu'un opérateur règle un système de sorte

Fig. 4.

À cause du phénomène d'hystérésis,

à débit égal, les pressions de sortie seront plus élevées lorsque le débit diminue que lorsqu'il augmente. Pour plus de clarté, la zone correspondant à l'hystérésis a été grossie par rapport à la réalité. que la pression de sortie soit de 3,4 bar (50 psig) pour un débit de 3115 L/min (110 ft 3 std/min). Le jour suivant, la pression est maintenant de 3,48 bar (50,5 psig), mais que le débit est toujours de 3115 L/min (110 ft 3 std/min). Il est probable que le système a demandé temporairement un débit plus important en aval. Cette augmentation temporaire du débit a légèrement réduit la pression de sortie, ce qui correspond à un déplacement de gauche à droite sur la courbe. Ensuite, lorsque le débit est revenu à 3115 L/min (110 ft 3 std/min), la pression de sortie est revenue à une valeur légèrement supérieure à la valeur de réglage initiale, à cause du phénomène d'hystérésis. Il est recommandé d'atteindre la pression de réglage par des valeurs inférieures. Une autre recommandation est d'utiliser des manomètres dans un système, pour af?ner le réglage des détendeurs jusqu'à atteindre la pression de service souhaitée.

Effet de la pression d'alimentation

L'effet de la pression d'alimentation (SPE) ou dépendance correspond à la variation de la pression de sortie pour chaque variation de 6,8 bar (100 psi) de la pression d'entrée. Autrement dit, pour chaque diminution de la pression d'entrée de 6,8 bar (100 psi), la pression de sortie augmente de X psi. X est la valeur du SPE. Avec les détendeurs standard, la pression de sortie augmente lorsque la pression d'alimentation diminue. À l'inverse, elle diminue lorsque la pression d'alimentation augmente. Cet effet peut également se faire sentir lors du démarrage ou de l'arrêt du système. Le détendeur doit être mis en position " fermée » avant d'ouvrir ou de fermer la pression d'alimentation, a?n d'éviter toute surpression au niveau des membranes du détendeur, des manomètres de sortie ou d'autres équipements situés en aval. Lorsque vous choisissez un modèle protégé contre les manoeuvres intempestives, il est important de vous assurer que le SPE n'entraînera pas une surpression excessive lors de l'ouverture et de la fermeture de la pression alimentation.

Considérations supplémentaires

Dans les modèles à ressort, les poignées sont réglées à l'usine a?n d'éviter toute compression excessive du ressort, limitant ainsi la pression de sortie maximale. Ce réglage est effectué dans une situation de débit nul. Servez-vous de la courbe de débit pour effectuer une interpolation de la pression de sortie à débit nul, a?n de vous assurer que la plage de régulation choisie permettra d'atteindre la pression et le débit souhaités. Le réglage des soupapes situées en aval du détendeur doit également tenir compte de l'augmentation de pression causée par l'arrêt de l'écoulement.

Débit d'azote, L std/min

Pression de sortie, bar

Pression de sortie, psig

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