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adrienne-clement
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Actuateurs des valves
Mars 2010
Dimensionnement
Un des problèmes auquel fait face celui ou celle qui fait la sélection des valves, c’est le choix de l’actuateur qui déplace la tige de manœuvre.
LES FORCES QUE L’ACTUATEUR DOIT COMBATTRE
Quelles sont les forces en présences ?
Les forces en présence
Forces statiques:Force de déséquilibre;Force sur la tige;Force de frottement.
Forces dynamiques:Résultent de l’écoulement du liquide.
Force de déséquilibre
Forces sur le clapet:
P2
P1
AS
AP
Force de déséquilibre
Force de déséquilibre:
Paramètres:Ap = aire du piston;As = aire de la tige;dP = P1-P2;
Kh = Coefficient de force.
F K pA P Ah p s 2
Force sur la tige
Pour assurer l’étanchéité de la valve, il faut que l’actuateur pousse le clapet contre le siège avec une certaine force.
Force sur la tige
Pour une étanchéité de classe II (valve en métal):20 livres par pouce linéaire (circonférence);
Pour une étanchéité de classe IV (valve en métal):80 livres par pouce linéaire (circonférence).
Force sur la tige
Pour TFE:30 livres par pouce linéaire plus 22 livres
par pouce linéaire par 100 psi de différence de pression (maximum de 400 psi).
Force de frottement
Force de frottement de la tige de manœuvre sur les garnitures.
Dans les valves à billes, frottement de la bille sur les parois du siège.
Force de frottement
Pour les garnitures en V en TFE, le frottement est égal à 100 x le diamètre de la tige (en pouces).
Pour les garnitures en graphite, le frottement est égal à 350 x le diamètre de la tige (en pouces).
Forces dynamiques
Les forces dynamiques sont causées par les mouvements du liquide.
Le comportement est très variable d’une valve à l’autre et difficile à décrire.
Force dynamique valve à ouverture rapide
Débit du liquide ouvre la valve (flow to open).
Le débit aide à l’ouverture !
Force dynamique valve à ouverture rapide
Débit du liquide ferme la valve (flow to close).
Le débit rend l’ouverture plus difficile que l’exemple précédent !
Force dynamique valve à ouverture rapide (double port)
Débit du liquide à moins d’effet.
Force dynamique valve papillon
Notez la chute du couple après un sommet entre 60 et 90 degrés.
La stabilité est importante
Il faut s’assurer que l’ensemble des forces au sein de la valve et de son actuateur résulte en un système stable. Compense la somme des
forces “spring+fluid”
Deux ouvertures de valve possibles pour une pression dans le diaphragme = DANGER !!!
EXEMPLE
Exemple d’un choix d’actuateur
La valve à commander possède les caractéristiques suivantes:Diamètre de 2 pouces;Robinet à soupape (globe valve) à cage
guidée;Siège en métal;Orifice simple;Non balancée;Écoulement ouvre la valve (flow to open).
Exemple d’un choix d’actuateur
La valve à commander possède les caractéristiques suivantes:Garniture: anneau en V en TFE;Course de la tige de manoeuvre de 1 1/8
pouce;Diamètre de la tige de manoeuvre de ½ po;Diamètre du siège de 2 5/16 pouces;
Exemple d’un choix d’actuateur
La valve à commander possède les caractéristiques suivantes:Coefficients de force Kh:
Ouverture = -0.16;Fermeture = -1.00;
Pressions (P1,P2):Ouvert = 40 psig, 25 psig;Fermé = 50 psig, 10 psig.
Choix préliminaire
Pour une valve de 2 pouces, on recommande un actuateur pneumatique ayant un diaphragme d’une surface de 69 pouces carrés.
Et on a accès à 3 ressorts:275 lbs/po, 370 lbs/po
et 460 lbs/po.
Analysons maintenant les forces en jeu dans cette combinaison
valve/actuateur…
Effet du frottement
Amplitude de la force de frottement est 100 fois le diamètre de la tige de manoeuvre.
Ainsi, cette force est 100x½ = 50 livres.
Cette force s’oppose toujours au mouvement.
Force de déséquilibre
Surface du siège: 4.20 po2;Surface de la tige: 0.20 po2;
Pour l’ouverture:
F K pA P A
lbs
h p s
2
0 16 40 25 4 20 25 0 20
15
. ( ) . ( . )
Force de déséquilibre
Surface du siège: 4.20 po2;Surface de la tige: 0.20 po2;
Pour la fermeture:
F K pA P A
lbs
h p s
2
1 00 50 10 4 20 10 0 20
170
. ( ) . ( . )
Force nécessaire pour l’étanchéité
Pour une étanchéité de classe II, il faut 20 lbs/po linéaire du siège.Circonférence du siège = 7.26 pouces;Force à l’ouverture = 0 lbs;
Logique car on ouvre la valve…Force à la fermeture = -145 lbs.
Bilan: Ouverture
Frottement + 50 lbs
Déséquilibre - 15 lbs
Étanchéité 0 lbs
Diaphragme (3psig) +207 lbs
Ressort (275 lb/po) - x lbs
Somme 242 – x lbs
x doit être égal à 242 livres (ajustement du ressort)
Ressort de 275 lbs/po.
Bilan: Fermeture
Frottement - 50 lbs
Déséquilibre - 170 lbs
Étanchéité - 145 lbs
Diaphragme (? psig) + z lbs
Ressort (275 lb/po) - 552 lbs
Somme - 917 + z lbs
z doit être égal à 917 livres 13.28 psig
Ressort de 275 lbs/po.
Bilan: Ouverture
Frottement + 50 lbs
Déséquilibre - 15 lbs
Étanchéité 0 lbs
Diaphragme (3psig) +207 lbs
Ressort (370 lb/po) - x lbs
Somme 242 – x lbs
x doit être égal à 242 livres (ajustement du ressort)
Ressort de 370 lbs/po.
Bilan: Fermeture
Frottement - 50 lbs
Déséquilibre - 170 lbs
Étanchéité - 145 lbs
Diaphragme (? psig) + z lbs
Ressort (370 lb/po) - 659 lbs
Somme - 1024 + z lbs
z doit être égal à 1024 livres 14.84 psig
Ressort de 370 lbs/po.
Bilan: Ouverture
Frottement + 50 lbs
Déséquilibre - 15 lbs
Étanchéité 0 lbs
Diaphragme (3psig) +207 lbs
Ressort (460 lb/po) - x lbs
Somme 242 – x lbs
x doit être égal à 242 livres (ajustement du ressort)
Ressort de 460 lbs/po.
Bilan: Fermeture
Frottement - 50 lbs
Déséquilibre - 170 lbs
Étanchéité - 145 lbs
Diaphragme (? psig) + z lbs
Ressort (460 lb/po) - 760 lbs
Somme - 1125 + z lbs
z doit être égal à 1125 livres 16.3 psig > 15 psig !
Ressort de 460 lbs/po.
Choix de l’actuateur de la valve
Choix préliminaire correct.
Choix du ressort de 370 livres/pouce donne une course de 3 à 14.84 psig.On vise 3 à 15 psig…
Bilan au début du mouvement de fermeture
Pression requise pour entamer le mouvement de fermeture: 4.45 psig.
Ressort = -242 lbs
Frottement = -50 lbs
Déséquilibre = -15 lbs
Fermeture
-307 lbs /69 po2
Bilan au contact avec le siège
Pression requise lors du contact avec le siège en fermeture: 12.74 psig.
Ressort = -659 lbs
Frottement = -50 lbs
Déséquilibre = -170 lbs
Fermeture
-879 lbs /69 po2
Bilan au début du mouvement d’ouverture
Pression requise pour entamer le mouvement d’ouverture: 11.29 psig.
Ressort = -659 lbs
Frottement = +50 lbs
Déséquilibre = -170 lbs
Ouverture
-779 lbs /69 po2
Bilan pression en fonction de l’ouverture de la valve
Annexes
Force à appliquer vs classe d’étanchéité