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Vannes très hautes pressions et dispositif de régulation de gaz

Une nouvelle famille de vannes très haute pression, fonctionnant jusqu’à 1.5 GPa (15000 bars) a récemment été développée dans le cadre du Réseau des Hautes Pressions du CNRS (http://www.reseauhp.org). Ce travail a été valorisé sous la forme d’un dépôt de brevet [1].

Le principe de fonctionnement de ces vannes d’isolement, basé sur la déformation élastique des matériaux et caractérisé par l’absence de presse-étoupe (fig. 1), constitue une réelle innovation dans le domaine. En effet, la présence d’un presse-étoupe comme joint d’étanchéité entre le corps de vanne et le pointeau est source de nombreux problèmes : fuites, pollution, et surtout frottements entraînant des efforts de manœuvre importants et une forte hystérésis. Dans la version 1,5 GPa, les manœuvres d’ouverture et de fermeture sont réalisées par l’intermédiaire d’une pression hydraulique, ce qui permet des réglages de débit d’une grande finesse (bulle à bulle à 1 GPa). La version 0,2 GPa (2000 bars) de construction plus économique est, elle, manœuvrée par l’intermédiaire d’air comprimé (5 bars). Une licence est en cours de signature avec Autoclave Engineers France pour son industrialisation. Une troisième version 0,5 GPa est actuellement à l’étude. Basée sur le même principe que la vanne 0.2 GPa, elle permettra d’obtenir des débits plus élevés.
Principe de fonctionnement des vannes très hautes pressions.
Les caractéristiques innovantes de la vanne 0,2 GPa (fig. 2) ont permis de développer un dispositif de régulation de pression de gaz (0 à 2000 bars) appliqué à une enceinte de faible volume (5 cm3) pour travailler sur les fluides supercritiques. Il permet d’automatiser les changements de seuil de pression des autoclaves à chauffage interne utilisés à l’ESRF, lignes BM30 et 32. Le système se présente sous la forme d’un rack 19’’ facilement transportable contenant un régulateur programmateur bi-boucle contrôlant finement et à distance (par une liaison Série ou Ethernet) la pression à l’intérieur de l’enceinte expérimentale. Le générateur de pression est un compresseur à membranes métalliques qui peut être pneumatique ou électrique. La première boucle de régulation contrôle la pression dans un réservoir tampon de 50 cm3 permettant d’intégrer les variations brusques de pression présentes lors du démarrage du compresseur. Une vanne de décharge, manuelle ou automatisée, est placée sur le réservoir. La partie innovante du dispositif se situe au niveau de la deuxième boucle de régulation. Deux vannes 0,2 GPa (une pour augmenter la pression et l’autre pour la diminuer) sont actionnées grâce au flux d’air issu de vannes proportionnelles d’air comprimé (5 bars), elles-mêmes pilotées électriquement par le signal analogique proportionnel (0/10 V) du régulateur. L’optimisation des paramètres PID de cette seconde boucle et l’absence d’hystérésis des vannes autorise une finesse de régulation de l’ordre de 0,1 bars à 2000 bars. La sécurité du système est réalisée de façon électronique en utilisant les relais d’alarme du régulateur (seuil haut ou vitesse de variation) et de façon physique par un disque de rupture installé dans le circuit de pression. Le régulateur étant un programmateur, le système peut effectuer des cycles variés de pressions comprenant des rampes (vitesse typique 50 bars/min), des paliers et des sauts. Le transfert de technologie de ce dispositif vers l’industrie est actuellement en cours avec Autoclave Engineers France. Ces travaux ont également été présentés lors du 5ème forum de technologie des Hautes Pressions à Monthieux en Novembre 2006 [2].
Fig. 2 : Vanne très haute pression, version 0,2 GPa.
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