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Actuateurs des valves
Mars 2010
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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.
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LES FORCES QUE L’ACTUATEUR DOIT COMBATTRE
Quelles sont les forces en présences ?
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Les forces en présence
Forces statiques:Force de déséquilibre;Force sur la tige;Force de frottement.
Forces dynamiques:Résultent de l’écoulement du liquide.
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Force de déséquilibre
Forces sur le clapet:
P2
P1
AS
AP
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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
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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.
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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).
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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).
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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.
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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).
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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.
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Force dynamique valve à ouverture rapide
Débit du liquide ouvre la valve (flow to open).
Le débit aide à l’ouverture !
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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 !
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Force dynamique valve à ouverture rapide (double port)
Débit du liquide à moins d’effet.
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Force dynamique valve papillon
Notez la chute du couple après un sommet entre 60 et 90 degrés.
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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 !!!
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EXEMPLE
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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).
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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;
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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.
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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.
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Analysons maintenant les forces en jeu dans cette combinaison
valve/actuateur…
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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.
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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
. ( ) . ( . )
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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
. ( ) . ( . )
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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…
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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
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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
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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
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Bilan pression en fonction de l’ouverture de la valve
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Annexes
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Force à appliquer vs classe d’étanchéité
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