V LA COMPENSATION DES DÉTENDEURS

 

Table des matières détaillée

Livre d'or

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Nous avons vu précédemment que les performances des détendeurs variaient avec la haute pression pour le premier étage ainsi qu'avec la moyenne pression pour le deuxième étage. Il est possible d'éviter cet inconvénient aussi bien sur l'un que sur l'autre.

 

Réglage manuel

Une solution consiste à rendre les réglages accessibles pour que les plongeurs puissent à tout moment ajuster au mieux les performances de leur détendeur. On peut considérer qu'il s'agit alors d'une compensation manuelle des différentes variations de pression.

Le réglage de la moyenne pression au niveau du premier étage permet de régler le seuil du deuxième étage. Malheureusement il conditionne aussi le débit maximum de l'ensemble. Il est donc risqué de le laisser à la disposition du plongeur, même hors de l'eau. Heureusement il est en général difficilement accessible (Voir figure 51a).

Fig. 23 Réglage manuel

Par contre le seuil du deuxième étage peut être ajusté grâce à une vis modifiant la force du ressort de rappel R (voir figure 23). Cependant la manoeuvre fréquente du bouton de réglage peut s'avérer contraignante surtout en eau froide. En outre, un tel réglage est très subjectif.

Il est indispensable que ce réglage ne puisse pas aller jusqu'au blocage complet du clapet.

 

Compensation automatique

La méthode de compensation la plus simple consiste à opposer à la force variable qui s'exerce sur un clapet, une force égale mais opposée. De cette façon, en théorie, aucune force n'est nécessaire pour l'ouvrir ou le fermer.

Nous avons vu que la pression avait tendance à fermer un clapet amont et à ouvrir un clapet aval. Il suffit donc, théoriquement, d'utiliser simultanément ces deux types de clapets, réunis entre eux, pour obtenir la compensation désirée.

Si les surfaces utiles des clapets sont égales, les forces dues à la pression seront égales et opposées et un effort très faible suffira pour ouvrir les clapets quelle que soit la pression en amont. On obtient ainsi un clapet amont et un clapet aval se compensant réciproquement. On remarque que les surfaces vues par la H.P. ou par la M.P; sont égales. Il y a donc bien compensation. (Voir Fig. 24a)

Ce montage n'est guère utilisé car il nécessite un usinage très précis des sièges et des clapets pour éviter les fuites.

Du schéma de la fig. 24 a, on a dérivé ceux des fig. 24b et 24c ou l'un des clapets est remplacé par un piston. Suivant le cas on obtient un "Clapet amont compensé par piston" (fig. 24b) ou un "Clapet aval compensé par piston" (fig. 24c - d).

Ne pas confondre ce piston "de compensation" avec celui des fig. 18c et d où le rôle du piston est de remplacer la membrane.

Ce type de compensation est surtout utilisé dans le premier étage des détendeurs. Exemple : Le déjà ancien "Aquilon" de Spirotechnique auquel correspond la fig. 24b.

Fig.24 Compensation par clapet ou par piston

On le rencontre toutefois dans le deuxième étage de détendeurs plus récent "Air One", D400 ou X650 de Scubapro, avec un clapet aval compensé par piston (Voir la fig. 25).

Il faut noter que lors de l'ouverture, une dépression se produit au niveau du clapet mais pas au niveau du piston. La compensation n'est donc pas parfaite en fonctionnement dynamique.

Une autre version du même principe consiste à introduire la pression, à travers l'axe du clapet, dans une chambre dite de compensation où, grâce à un piston solidaire du clapet, elle exerce une force égale et opposée à celle reçue de l'autre coté. (voir fig. 26 et 27)

Dans cette version, on doit remarquer que le clapet est compensé aussi bien en position fermée qu'en position ouverte, car la pression de compensation est prélevée à l'endroit précis où l'on veut obtenir la compensation.

 

Fig. 26 Premier étage à chambre de compensation

 

Fig. 27 Deuxième étage à chambre de compensation

(La figure 27c correspond à l'ancien détendeur Atmos de chez BEUCHAT)

On constate souvent que l'utilisation d'un tel principe créé une chambre où l'air est confiné. Il arrive que de l'eau s'y introduise lors du rinçage du matériel. Cette eau plus ou moins chargée peut alors y laisser des dépôts qui nuisent au bon fonctionnement.

Dans les détendeurs que nous avons vus précédemment, l'air arrive à travers le siège. Celui-ci est fermé ou ouvert par le clapet qui assure l'étanchéité.

Ici par contre, comme on peut le voir (figure 28) le clapet à la forme d'une buse mobile (tuyau cylindrique de petite longueur) qui, lorsqu'elle s'écarte du siège, permet à l'air de la traverser.

On voit que la pression s'exerce radialement à la buse et qu'il n'existe pas de force axiale tendant à l'ouvrir ou à la refermer quelque soit la HP.

 

Fig. 28 Compensation par buse mobile

L'effort pour fermer ou ouvrir ce type de clapet est donc en principe nul.

Ceci suppose que l'épaisseur de la buse est infiniment fine. En effet : si l'étanchéité se fait par le bord intérieur de la buse, c'est la pression qui agissant sur la surface de la couronne constituée par sa section qui a tendance à l'ouvrir. Par contre, si l'étanchéité se fait par le bord extérieur, c'est le flux d'air qui, une fois établi, passant à l'intérieur de la buse à tendance à la maintenir ouverte.

Ce genre de compensation est utilisé aussi bien dans le premier (figure 28a) que dans le deuxième étage des détendeurs (figure 28b).

Dans le premier étage la buse constitue avec le piston, une pièce unique qui assure la compensation en même temps que l'asservissement de la moyenne pression.

Le piston compensé de "Scubapro"

On appelle fréquemment cette disposition "Piston compensé". Cette expression nous semble impropre car elle laisse entendre que c'est le piston qui est compensé. Nous préférons quant à nous parler de "détendeur compensé, à piston" ou encore "détendeur à buse mobile actionnée par piston".

La photo ci-dessus montre la pièce principale de ces détendeurs de chez Scubapro. C'est une pièce très élaborée pour lutter contre le givrage, le piston de gros diamètre est en "Poly acétal" qui est un isolant très léger. La buse elle même est garnie d'un fourreau en silicone. Un double joint torique retient une certaine quantité de graisse au silicone de façon à maintenir en permanence une bonne lubrification.

Pour éviter les turbulences, la sortie du coté piston a la forme de trompette ; le siège quant à lui a celle d'un cône en creux. Ces dispositions permettent un meilleur écoulement de l'air. Le premier étage "MK25" permet ainsi des débits de 10.000 litres par minutes.

Sur cette image, on distingue, à l'extrémité de la buse, un léger épaulement qui est l'une caractéristique de cette pièce et dont nous parlerons plus loin dans la page sur les innovations. C'est une pièce de grande précision ce qui en fait le prix.

Dans le deuxième étage, de "Star France", un ressort de rappel applique la buse contre le siège. Ce dernier est constitué par un joint torique qui par "extrusion", c'est à dire par déformation, sert de soupape de sûreté (Voir figure 3c).

Calcul de la Moyenne Pression

Dans le schéma de principe ci-dessus appelons :

Pa : Pression ambiante absolue.

MPa : Moyenne pression absolue dans, à la sortie de la buse et jusqu'au second étage.

Fr : Force du ressort.

Sp : Surface utile du piston. (C'est sa surface dans la chambre humide)

Écrivons l'équation d'équilibre des forces.

(MPaxSp) Vers la fermeture = Fr + (Pa x Sp) D'ou: MPa = [(Pa x Sp)+Fr] / Sp Vers l'ouverture

On en tire : MPa = Pa + (Fr/Sp)

On voit que cette pression se décompose en 2 parties :

Pa qui varie avec la profondeur et Fr/Sp qui est constante et qu'on a l'habitude d'appeler MP.

(Il faut noter que ce calcul s'applique au premier étage au repos. En fonctionnement les pertes de charge modifient les valeurs)

Compensation par siège mobile

Ce type de compensation a été utilisé par Sherwood. Aujourd'hui il est repris par Poséidon dans le premier étage du fameux détendeur "Xstream".

Le principe consiste à déplacer le siège du détendeur en fonction de la H.P.

La H.P., dans un clapet amont, a tendance à fermer le clapet. Inversement son action sur le siège a tendance à l'ouvrir. Le choix de la dimension du siège mobile et de son ressort de compensation permet de faire en sorte que la M.P. ne varie pas en fonction de la H.P.

Ce type de compensation n'est, pour l'instant, utilisé qu'au premier étage.

1) Principe :

Quand sans un premier étage, on utilise un clapet amont, la Moyenne Pression varie en sens inverse de la HP.

Pour conserver une M.P. stable on a eu l'idée de soumettre le siège et le clapet à la HP. Comme la HP à des effets inverses sur ces deux éléments, il en résulte une compensation.

2) Calcul de la Moyenne Pression

Les appareils mécaniques usuels, indiquent des pressions relatives. Pour travailler en pressions absolues, il faut donc leur ajouter la pression atmosphérique.

A priori, avant d'établir l'équation d'un détendeur. Il est préférable de poser les équations en pression absolues. Si seule la pression relative intervient, il sera toujours temps de simplifier.

Premier étage "Xstream" de Poséidon

Dans le schéma de principe ci-dessus appelons :

MPa la moyenne pression absolue = MP + Pa

HPa la haute pression absolue = HP + Pa

PA la pression ambiante relative.

Pa la pression absolue.

Fr1 le ressort principal.

Fr2 le ressort de rappel du siège.

Fr3 le ressort de rappel du clapet. (Que l'on négligera)

Sm la surface de la membrane principale.

Sc la surface du clapet.

Ss la surface de la couronne du siège mobile.

Écrivons l'équation d'équilibre des forces exercées sur les parties mobiles.

(Vers la fermeture) Fr2 + MPa(Sm+Ss) + (HPa x Sc) = (Vers l'ouverture) Fr1 + (Pa x Sm) + (HPa x Ss) + (MPa x Sc)

On en tire :

MPa = [(Fr1 - Fr2) + (Pa x Sm) + HPa(Ss - Sc)] / (Sm + Ss - Sc)

On remarque que lorsque Ss = Sc, la HP n'a plus d'influence sur la MP. Elle est donc compensée.

MPa = [(Fr1 - Fr2) / Sm] + Pa

3) Calcul des ressorts

Il y a deux ressorts à calculer, avec deux inconnues, il nous faut donc deux équations.

- La première est celle de l'équilibre des forces que nous avons mis en équation ci-dessus.

Fr2 + Mpa (Sm+Ss) + (Hpa x Sc) = Fr1 + (Pa x Sm) + (Hpa x Ss) + (Mpa x Sc)

D'autre part, on voit que Fr2 est un ressort de rappel pour le siège. Sans Fr2, le siège ne pourrait être repoussé vers le clapet puisque d'un coté, il verrait la MP et de l'autre la HP.

- La deuxième équation d'équilibre est donc : (HPa x Ss) = (MPa x Ss) + Fr2

ou Fr2  = (HPa x Ss) - (MPa x Ss)

Fr2 = Ss (Hpa - MPa)

Introduisons Fr2 dans la première équation d'équilibre

Fr1 Ss (Hpa - MPa) + Mpa (Sm + Ss) + (Hpa x Sc) - (Pa x Sm) - (Hpa x Ss) - (Mpa x Sc)

Fr1 = MPa (Sm - Sc) + (HPa x Sc) - (Pa x Sm)

4) Exemple pratique :

HP = 200 ; MP = 10 ; Sm = 4 ; Sc = 0,1

En prenant les valeurs relatives en surface :

Fr2 = 0,1 (200 - 10)

Fr2 = 19 daN

Fr1 = 10 (4 - 0,1) + (200 x 0,1) - (1 x 4) = 39 + 20 - 0

Fr1 = 59 daN

En prenant les valeurs absolues à 30 m :

Fr2 = Ss (HP-MP) = 0,1(201-11)

Fr2 = 19 daN

Fr1 = 14(3,9) + 204(0,1) - 4(4) = 42,9 + 20,1 - 4 = 54,6 + 20,4 - 16 = 59

Fr1 = 59 daN

Le premier étage du "Xstream" présente aussi la particularité d'utiliser un clapet sphérique. Ce type de clapet permet un meilleur écoulement du gaz grâce à une portée à 45°. Il a aussi l'avantage de mieux résister à l'usure et de tolérer davantage de jeu car il se centre automatiquement. Il conserve une meilleure étanchéité dans le temps. Il a déjà été utilisé par Marès dans son détendeur "Rubis".

Xstream : Réalisation du premier étage

Remarques générales sur la compensation :

a) Il ne suffit pas qu'un détendeur soit bien compensé pour fonctionner correctement. Il faut aussi que la pression entre siège et clapet soit suffisante pour retenir cette pression. (Voir les clapets dans la page sur le principe des détendeurs)

Ceci peut être obtenu de 3 façons :

1) Par la Haute Pression

Dans un premier étage à clapet amont par exemple, il est préférable de sous compenser d'une façon suffisante pour que le clapet soit appuyé sur son siège par la Haute Pression elle-même (Voir figure 26).

Quelle que soit la valeur de la H.P. il y aura toujours ainsi une pression suffisante entre siège et clapet. On s'aperçoit de ceci en introduisant le piston de compensation dans l'orifice du siège et en constatant qu'il y a toujours un léger jeu.

2) Par la Moyenne Pression

Ceci s'applique surtout aux premiers étages à buse mobile. L'équilibre étant établi, si l'on augmente la H.P, de l'air passe au niveau du clapet provoquant une augmentation de la M.P. Celle-ci repousse le piston qui applique la buse mobile sur son siège jusqu'à ce que la fuite soit résorbée.

On démontre que l'augmentation nécessaire de la M.P. est égale à la variation de H.P. divisée par le rapport de la surface du piston à celle de la lèvre du siège. Ce rapport est de l'ordre de 200 pour la plupart des détendeurs, ce qui fait que la variation de M.P. est d'environ 1 bar pour une variation de H.P. de 200 bar.

Scubapro, dans ses premier étages, a ajouté un épaulement sur la buse mobile. Ceci a pour effet de modifier la compensation et permet ainsi un fonctionnement dans une plage plus grande de haute pression. (La MP augmente quand la HP diminue)

3) Par ressort

Lorsque le clapet n'est pas solidaire du piston ou de la membrane, il faut absolument utiliser un ressort de rappel. Celui-ci n'a pas besoin d'être très puissant mais il devra être suffisant pour éviter les fuites pour la plus Haute Pression admise par le détendeur. (Voir figure 26 et 27 )

b) Nous avons vu que dans un deuxième étage compensé, le ressort de clapet n'est qu'un ressort de rappel. Il est nécessaire pour ramener le clapet à sa position fermée, pour vaincre les frottements dûs au joint et assurer la pression nécessaire à l'étanchéité. Il développe toujours une force beaucoup plus faible que celle développée par celui d'un détendeur non compensé. En conséquence, il est facile de distinguer ces deux types de détendeurs par l'effort nécessaire pour inspirer. Le détendeur compensé, non connecté, nécessite un effort d'inspiratoire beaucoup plus faible, (Jean François CAVANA).

Avantages de la compensation

Elle stabilise la Moyenne Pression en dépit des variations de la Haute Pression. Ceci permet de régler l'étage suivant avec plus de précision et donc d'améliorer ses performances.

Elle permet de réduire la pression entre le siège et le clapet que le détendeur soit ou ne soit pas sous pression. Elle permet donc d'éviter la détérioration des sièges en réduisant au minimum la force du ressort de rappel. (Voir aussi le verrou de stockage et le siège flottant chapitre "Astuces et Gadgets")

Elle limite l'effet de la perte de charge (baisse de pression) qui se produit dans le tuyau M.P. et qui varie d'autant plus que le débit est élevé et que la pression ambiante est grande.

Elle permet de réduire le seuil de sensibilité à une valeur très basse, c'est à dire quelques centimètres d’eau, tout en conservant une bonne stabilité.

Inconvénients de la compensation

On ne peut améliorer ces performances qu'en prenant un certain nombre de précautions.

1) Dans les schémas précédents, on peut voir qu'il est inévitable d'introduire des frottements pour garantir, par un joint torique, l'étanchéité de la chambre de compensation.

Ceci oblige les fabricants à réaliser des pièces d'une très grande précision et finition, glaçage avec des traces d'usinage inférieures à 0,1 micron (0,0001 mm). Ces pièces reviennent beaucoup plus cher et sont plus fragiles que les pièces conventionnelles.

Malgré cela les frottements existent et peuvent être variables en fonction de la profondeur, de la température et du vieillissement des joints. D'où la nécessité d'un ressort de rappel dont la force, non nulle, devra toujours être vaincue.

De plus, lorsqu'un premier étage fuit et que le deuxième étage est parfaitement compensé, rien ne peut limiter la moyenne pression comme dans un détendeur à clapet aval, il y a donc un risque d'explosion du tuyau M.P.

Pour éviter ce défaut, on peut disposer une soupape de sécurité sur la moyenne pression, par exemple en utilisant un siège ou un clapet à joint torique qui s'extrude lorsque la pression devient trop forte. On peut aussi ne pas compenser parfaitement de façon à provoquer une fuite du deuxième étage avant que la M.P. n'atteigne une valeur égale à celle de l'éclatement du tuyau.

2) Un autre inconvénient de la compensation est qu'elle retarde le signal d'alarme fourni par le système de réserve de la robinetterie. En effet le détendeur est ainsi moins sensible à la perte de charge qui se produit dans le mécanisme de celle-ci. C'est une raison de plus d'utiliser un manomètre immergeable.

3) Les chambres de compensation constituent des espaces confinés dans lesquels peuvent s'accumuler des impuretés qui peuvent gêner le fonctionnement.

4) D'autre part la compensation ne limite pas les efforts nécessaires pour vaincre l'inertie des pièces mécaniques et de la masse d’eau en mouvement avec la membrane.

5) Lorsque la profondeur augmente, la masse spécifique de l'air augmente ce qui diminue les performances des détendeurs sans que la compensation y remédie.

6) La compensation ne peut toujours tenir compte des effets dynamique de l'air en mouvement.

 

Tout ceci marque la limite des possibilités des détendeurs compensés.

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