Actuateurs des valves

1. Actuateurs des valves Juillet 2011

2. 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.

3. Quelles sont les forces en présences ? Les forces que l’actuateur doit combattre

4. Les forces en présence • Forces statiques: • Force de déséquilibre; • Force sur la tige; • Force de frottement. • Forces dynamiques: • Résultent de l’écoulement du liquide.

5. Force de déséquilibre • Forces sur le clapet:

6. Force de déséquilibre • Force de déséquilibre: • Paramètres: • Ap = aire du piston; • As = aire de la tige; • dP = P1-P2; • Kh = Coefficient de force.

7. 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.

8. 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).

9. 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).

10. 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.

11. 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).

12. 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.

13. Force dynamique valve à ouverture rapide • Débit du liquide ouvre la valve (flow to open). Le débit aide à l’ouverture !

14. 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 !

15. Force dynamique valve à ouverture rapide (double port) • Débit du liquide à moins d’effet.

16. Force dynamique valve papillon • Notez la chute du couple après un sommet entre 60 et 90 degrés.

17. 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 !!!

18. Exemple

19. 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).

20. 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;

21. 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.

22. 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.

23. Analysons maintenant les forces en jeu dans cette combinaison valve/actuateur…

24. 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.

25. Force de déséquilibre • Surface du siège: 4.20 po2; • Surface de la tige: 0.20 po2; • Pour l’ouverture:

26. Force de déséquilibre • Surface du siège: 4.20 po2; • Surface de la tige: 0.20 po2; • Pour la fermeture:

27. 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.

28. Bilan: Ouverture Ressort de 275 lbs/po. x doit être égal à 242 livres (ajustement du ressort)

29. Bilan: Fermeture Ressort de 275 lbs/po. z doit être égal à 917 livres  13.28 psig

30. Bilan: Ouverture Ressort de 370 lbs/po. x doit être égal à 242 livres (ajustement du ressort)

31. Bilan: Fermeture Ressort de 370 lbs/po. z doit être égal à 1024 livres  14.84 psig

32. Bilan: Ouverture Ressort de 460 lbs/po. x doit être égal à 242 livres (ajustement du ressort)

33. Bilan: Fermeture Ressort de 460 lbs/po. z doit être égal à 1125 livres  16.3 psig > 15 psig !

34. 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…

35. Bilan au début du mouvement de fermeture • Pression requise pour entamer le mouvement de fermeture: 4.45 psig. /69 po2

36. Bilan au contact avec le siège • Pression requise lors du contact avec le siège en fermeture: 12.74 psig. /69 po2

37. Bilan au début du mouvement d’ouverture • Pression requise pour entamer le mouvement d’ouverture: 11.29 psig. /69 po2

38. Bilan pression en fonction de l’ouverture de la valve

39. Annexes

40. Force à appliquer vs classe d’étanchéité