IV - DÉTENDEURS À DEUX ÉTAGES -

 

Table des matières détaillée

 

 

 

 

 

 

Livre d'or

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Ces détendeurs, les plus répandus, sont caractérisés par le fait que l'air est détendu en 2 étapes.

Un premier étage, fixé sur la robinetterie de la bouteille détend l'air à une pression toujours supérieure de plusieurs bars, à la pression ambiante. (D'après la norme, on les appelle réducteurs de pression)

Un deuxième étage relié au premier par un tuyau souple détend ensuite l'air à la pression ambiante.

Il faut remarquer que le CG45, le premier détendeur conçu par Cousteau et Gagnan, bien que contenu dans un seul boîtier, était un détendeur à deux étages.

 

Le premier étage

(Voir Fig. 18 et 19)

C'est un détendeur dont le schéma est voisin de celui du détendeur de base défini à la page "Principe de fonctionnement". Toutefois pour obtenir, dans la chambre sèche, une pression supérieure de quelques bars à la pression ambiante, un ressort taré r2 a été ajouté dans la chambre humide ou il vient appuyer sur la membrane. La chambre sèche est maintenant appelée chambre Moyenne Pression. (Nous utiliserons à partir de maintenant l'abréviation M.P.)

Une cloison a été ajoutée devant la membrane pour éviter qu'elle ne reçoive directement le flux d'air venant du clapet ce qui provoquerait des instabilités.

Fonctionnement

Au repos, bouteille fermée, le ressort (r2) appuyant sur la membrane maintient le clapet ouvert.

Mettons un manomètre à la sortie M.P. Dès que nous ouvrons la bouteille, l'air passe dans la chambre M.P., où la pression monte jusqu'à ce qu'elle soit suffisante pour comprimer le ressort (r2) à travers la membrane. Le ressort de rappel (r1) aidé par la H.P. ferme alors le clapet (Voir Fig.16 a et b)

Laissons maintenant l'air fuir légèrement par la sortie M.P., la pression va avoir tendance à diminuer, le ressort (r2) va repousser la membrane, le pointeau et le clapet. L'air Haute Pression va pénétrer à nouveau dans la chambre M.P. jusqu'à obtenir l'équilibre des forces en présence.

Il y a donc régulation automatique de la moyenne pression autour d'une valeur qui est fonction des différents éléments du détendeur. (Voir le calcul au paragraphe suivant)

Fig. 18 Différents types de premier étage

Sur ce même principe, des appareils de conceptions très différentes ont été réalisés :

Le clapet peut être amont ou aval. La membrane est souvent remplacée par un piston plastique ou métallique, c'est le cas de la plupart des détendeurs à piston actuel.

Le corps des premiers étages comporte généralement une sortie Haute Pression permettant de raccorder un systéme de mesure de la H.P. immergeable et une ou plusieurs sorties Moyenne Pression permettant de raccorder : un second étage supplémentaire, un "direct system" pour gonfler la bouée de sécurité, un vêtement sec, ou un outillage pneumatique. (Voir page sur les accessoires)

Éléments de calcul

(Voir figure 18a - b et 19)

Ce calcul se fera de la même façon que pour le détendeur de base vu à la page précédente (Formule A).

Cette formule doit cependant être modifiée pour remplacer Pm par M.P.(Moyenne Pression) et y introduire la force Fr2 due au ressort (r2), qui s'oppose à la force Fr1 due au ressort (r1). On considérera que la force exercée par la M.P. sur le clapet est négligeable.

Comme D Pm dans la formule (A) paragraphe II-3, M.P. représente ici la différence de pression de part et d'autre de la membrane.

Les forces tendant à fermer le clapet sont :

Fr1 ; (HP x Sc) et (MP + Pa) x Sm

Les forces tendant à ouvrir le clapet sont :

Fr2 ; (Pa x Sm) et (MP + Pa) x Sc

A l'équilibre on peut écrire :

Fr1 + (HP x Sc) + (MP+Pa) x Sm = Fr2 + (Pa x Sm) + (MP+Pa) x Sc

D'où l'on déduit : MP(Sm - Sc) = (Fr2 - Fr1)-(HP - Pa) Sc

En général Sc est négligeable devant Sm, Fr1 devant Fr2 et Pa devant HP.

Fig. 19 Éléments de calcul d'un premier étage

Remarques :

1) En changeant la force Fr2 du ressort (r2) on peut modifier volontairement la valeur de la moyenne pression. Nous verrons que certains premiers étages de détendeur ont un réglage à cette fin.

2) Avec un clapet amont, comme ici, lorsque la Haute Pression diminue la Moyenne Pression augmente. Ceci se voit par la formule mais on peut aussi l'expliquer de la façon suivante : la H.P. aide à la fermeture du clapet ; donc si elle est élevée il y aura besoin de moins de M.P. pour le refermer que si elle est basse.

Par contre avec un clapet aval, le calcul ou le raisonnement montre à l'inverse que la Moyenne Pression diminue avec la Haute Pression. Dans les deux cas, la valeur de la haute pression influe sur la moyenne pression, entraînant des perturbations du fonctionnement du 2e étage.

3) La moyenne pression dépend des modèles de détendeur, elle est généralement de l'ordre de 9 bar, mais peut varier couramment de 6 à 12 bar voire plus suivant le cas.

4) Contrairement à la valeur D Pm de la formule (A) de la page sur le principe de fonctionnement, où l'on a affaire à une dépression ; ici, en raison de la présence du ressort (r2), la Moyenne Pression M.P. est positive, elle vient donc s'ajouter à la Pression Ambiante PA.

5) En stockage le clapet reste ouvert ce qui évite le marquage du siège.

6) On fera bien attention de ne pas confondre la Moyenne Pression absolue "MPA" dans la chambre sèche qui varie avec la Pression relative ambiante "Pa" et la moyenne pression "MP" qui est une pression indépendante de la pression ambiante donc de la profondeur.

MP = MPA - Pa

MPA est parfois appelée Pi (Pression intermédiaire) On a alors : M.P. = (M.P.A. - Pi).

 

Le deuxième étage

(Voir figures 20 - 21)

Description

Le schéma d'un tel étage pourrait être le même que celui du détendeur de base du chapitre iii, mais l'utilisation d'un clapet amont peut s'avérer dangereuse.

En effet, en cas de fuite du premier étage, rien ne vient limiter la pression dans le tuyau qui risque donc d'exploser.

Il est certes possible d'utiliser une soupape de sûreté, ceci se fait chez Poseidon. Mais la solution généralement retenue consiste plutôt à utiliser un clapet aval qui joue automatiquement ce rôle. (Si la M.P. augmente, il a tendance à s'ouvrir)

Le tuyau de liaison doit, selon la norme, supporter une pression 4 fois plus élevée que celle de la M.P. ce qui suffit à assurer une bonne sécurité.

La buse est souvent remplacée par un déflecteur d'air, la compensation de l'effet de trompe se fait par un ou plusieurs orifices judicieusement placés après le clapet ou par un déflecteur souvent réglable.

On trouve certains modèles où le levier est inversé (Voir figure 21a.) ou d'autres dont le boîtier se trouve déporté sur le côté de façon à pouvoir faire tourner le détendeur ce qui permet de l'utiliser aussi bien à droite qu'à gauche et surtout de donner facilement de l'air à un équipier se trouvant en face (Voir figure 21b)

Le système d'expiration est généralement celui de la membrane circulaire (voir figure 8b ou 8c. Ces détendeurs sont toujours équipés d'un bouton de surpression qui permet d'appuyer directement sur la membrane et de provoquer un débit continu. Ceci permet de purger le détendeur pour le démonter, avant de donner de l'air ou de gonfler un parachute etc.

 

Fonctionnement

Lorsque le plongeur inspire dans la chambre sèche, la membrane (M) s'abaisse, appuie sur le levier (L) qui modifie la direction du mouvement et tire sur le clapet (C) en comprimant le ressort (R). L'air jaillit alors en partie par un orifice principal dirigé vers l'embout (A) et en partie par un ou plusieurs orifices de compensation de l'effet de trompe (Voir figure 20b).

Figure 20 Le deuxième étage

Lorsque le plongeur n'inspire plus, la membrane d'inspiration remonte, et le ressort de rappel referme le clapet. Lorsqu'il expire la soupape d'expiration (E) s'écarte pour laisser échapper l'air vers l'extérieur (Voir figure 20c).

La figure 21a montre un deuxième étage à levier inversé. La figure 21b montre un deuxième étage à membrane déportée sur le coté.

Fig. 21 Différents deuxièmes étage

Éléments de calcul

(Voir figure 22)

Les forces en présence sont :

Celles qui tendent à ouvrir le clapet :

Force due à l'action de la pression sur la surface externe de la membrane et au levier : (Pa x Sm x K)

Force due à l'action de la pression sur la surface amont du clapet : ((Mp+Pa) x Sc)

Celles qui tendent à fermer le clapet

Force du ressort de rappel du clapet : (Fr)

Force due à l'action de la pression sur la surface interne de la membrane et du levier : [(Pa - D Pm) x Sm x K]

Force due à l'action de la pression sur la surface aval du clapet : (Pa - D Pm) x Sc)

A l'équilibre on peut écrire :

(Pa x Sm x K) + ((MP+Pa) x Sc) = Fr + [(Pa -D Pm) x Sm x K] + [(Pa-D Pm) x Sc]

Ou en développant ;

(Pa x Sm)K+(MP x Sc)+(Pa x Sc) = Fr + (Pa x Sm)K-(D Pm x Sm)K+(Pa x Sc)-(D Pm x Sc)

Puis en simplifiant ;

D Pm[(K x Sm) + Sc] = Fr - (MP xSc)

Ce qui donne : D Pm = Fr - (MP xSc) / (K x Sm) + Sc

En fait généralement Sc est négligeable devant Sm et donc encore plus devant KSm.

On en déduit :

D Pm est le seuil de sensibilité du détendeur.

Fig. 22 - Éléments de calcul d'un deuxième étage

Remarques :

1) Cette formule est très voisine de celle du détendeur à un étage (voir formule B figure 12) ou H.P. est remplacé par M.P.

La différence essentielle, celle du signe négatif de (M.P. x  Sc) tient au fait que le clapet utilisé est du type aval. La moyenne pression a tendance à l'ouvrir et non à le fermer, comme c'est le cas pour la H.P. sur le clapet amont du détendeur à un seul étage.

2) De même que dans le détendeur à un étage la sensibilité varie avec la H.P., ici la sensibilité varie avec la M.P., mais en sens inverse parce que le clapet est du type aval.

3) Si l'on veut obtenir une sensibilité indépendante des pressions mises en jeu, il est possible soit de rendre la Moyenne Pression indépendante de la Haute Pression soit de rendre le deuxième étage insensible aux variations de la M.P. Nous allons voir dans le prochain chapitre que les deux méthodes peuvent être utilisées séparément ou simultanément.

4) Le tuyau entre les deux détendeurs contient une certaine quantité d'air qui constitue un réservoir tampon entre les deux étages. Si le tuyau a un diamètre de 0.5 cm et que la moyenne pression est de l'ordre de 8 bar il contient environ 1,2 litres d'air.

Ceci présente l'avantage de tolérer un certain retard dans l'ouverture du premier étage. Par contre lorsqu'on essaye le détendeur avant de s'immerger il est préférable d'effectuer plusieurs inspirations pour être sûr que la bouteille est bien ouverte.

La tendance actuelle est d'augmenter le diamètre du tuyau Moyenne Pression pour réduire les pertes de charges. Ceci a tout de même l'inconvénient d'en augmenter la rigidité, sous l'effet de la pression.

 

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