II PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

 

Table des matières

Livre d'or

********************************************

Le détendeur de base est un détendeur très simplifié imaginé uniquement dans un but pédagogique.

 

Généralités

Description du détendeur de base

Un détendeur est essentiellement constitué d'un boîtier dans lequel se trouvent les éléments suivants (voir figure 2a).

Fig. 2 Le détendeur de base

A ceci nous devons ajouter les chambres suivantes.

Nous verrons que ces éléments se retrouveront, sous différentes formes, dans tous les détendeurs que nous étudierons par la suite.

Pour faciliter l'étude des différents modèles, nous donnons des schémas dépouillés permettant de comprendre les principes de fonctionnement du matériel mais parfois assez éloignés des réalisations pratiques. C'est pourquoi pour compléter votre information il vous sera nécessaire de consulter les documents "Constructeur", parfois éclatés, beaucoup plus proche de la réalité.

Fonctionnement

Au repos l'air ne passe pas car le clapet est plaqué sur son siège à la fois par le ressort et par la pression (Figure 2a).

A l'inspiration par l'embout buccal la dépression provoquée sous la membrane produit une force qui, par l'intermédiaire du pointeau, repousse le clapet, libérant l'arrivée de l'air dans la chambre sèche. Le système d'expiration est disposé de façon à empêcher l'eau d'être aspirée pendant l'inspiration (Figure 2b).

A l'expiration, la membrane d'inspiration est repoussée, le clapet se referme sous l'action du ressort. La pression dans la chambre sèche repousse la membrane du système d'expiration. Celle-ci laisse échapper l'air chargé de CO2 vers l'extérieur (Fig. 2c).


 

Exemple de calcul d'un détendeur

(Voir figure 13)

Tentons d'établir l'équation de fonctionnement statique d'un détendeur, c'est à dire de calculer la variation de pression (D Pm) nécessaire de part et d'autre de la membrane pour décoller le clapet de son siège.

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 : Pa x Sm.

Force due à l'action de la pression sur la surface aval du clapet : (Pa - ΔPm) 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 face amont du clapet : HP x Sc

Force due à l'action de la pression sur la surface interne de la membrane : (Pa -ΔPm) x Sm

A l'équilibre on peut écrire:

L'équation devient alors :

(ΔPm x Sm)-(ΔPm x Sc) = Fr+(HP x Sc)-(Pa x Sc).

Ou bien :

ΔPm(Sm-Sc) = Fr+(HP-Pa) Sc

En fait Sc est négligeable devant Sm et, Pa devant HP.

On en déduit :

(A)

En tenant compte de la démultiplication K des leviers :

(B)

ΔPm est appelée seuil de sensibilité du détendeur

 

Fig. 13 Exemple de calcul d'un détendeur

Remarques :

1) La dépression nécessaire pour ouvrir le clapet diminue avec la Haute Pression (H.P). Ce qui oblige à régler le détendeur suffisamment dur lorsque la pression est élevée pour qu'il ne passe pas en débit continu lorsqu'elle est faible.

2) La dépression est inversement proportionnelle à la surface de la membrane, ce qui conduit à des détendeurs de dimensions importantes.

Exemple pratique :

Sc = 0,04 cm² ; Fr = 2 décaN ; K = 40, Sm = 65 cm².

1) HP = 210 bar

ΔPm = [2 + (210 x 0,04)] / 65 x 1 /40 d'ou ΔPm = 4 millibars (4 cm d’Eau de mer)

2) HP = 15 bar

ΔPm = [2 + (15 x 0,04)] / 65 x 1/40 d'ou ΔPm = 1 millibar (1cm d'eau)

Note : Si la H.P. diminue l'effort inspiratoire diminue. Pratiquement ces chiffres sont affectés par la forme et la nature du matériau qui constitue la membrane ainsi que par les frottements secs du mécanisme.

 

Fonctionnement dynamique

Nous venons d'étudier le fonctionnement statique d'un détendeur en considérant que l'air ne circulait pas. Dans la réalité dès qu'un clapet s'ouvre l'air se met en mouvement ce qui modifie profondément les pressions et les forces qui entrent en jeu.

Ce sont les études récentes de ces phénomènes qui ont permis les améliorations les plus spectaculaires des performances des détendeurs.

Sans entrer dans la technique fort complexe de la mécanique des fluides, nous allons évoquer certains des phénomènes qui interviennent le plus dans le fonctionnement et influencent fortement la morphologie des détendeurs.

Remarques :

Dans un tuyau la vitesse de l'air ne peut excéder la vitesse du son. En conséquence, en simplifiant, le débit maximum dans un tuyau de section donnée est égal au produit de sa section par la vitesse du son.

Exemple : Dans un tuyau de 1 cm2 le débit ne peut dépasser 1960 litres/minute.

Pertes de charges

Lorsque l'air circule à l'intérieur d'un mécanisme, il rencontre des obstacles qui provoquent des turbulences qui freinent le passage de l'air entraînant des chutes de pression que l'on appelle "Pertes de charges".

Une perte de charge est une Différence De Pression (DDP). Elle est égale au produit de la résistance dynamique (R) par le débit (D) en mètres cube par seconde.

DDP = R xD

Les pertes sont d'autant plus fortes que les obstacles sont importants mais aussi que la vitesse de l'air est grande. Un simple tuyau, par frottement sur ses parois, un filtre, un clapet même ouvert, un rétrécissement entre deux chambres, peuvent provoquer des chutes de pression non négligeables.

Pour éviter ces inconvénients les sections de passage de l'air doivent être augmentées, les surfaces à l'intérieur des tuyaux et des détendeurs doivent être polies les angles vifs arrondis, les formes étudiées de façon à éviter les turbulences.

Cependant dans un détendeur la principale perte de charge reste celle causée par le filtre d'entrée. On s'en aperçoit aisément en essayant d'inspirer sur un détendeur qui n'est pas relié à une source d'air haute pression.

Effet de trompe

(Voir fig.14)

Lorsqu'un gaz s'échappe à l'extrémité d'un tuyau, qu'on appelle dans ce cas une "Buse", il entraîne avec lui, par frottement, les molécules de l'air environnant provoquant ainsi une dépression en arrière de la buse. C'est ce qu'on appelle "L'effet de trompe" (Appelé aussi effet Venturi).

Cet effet est d'autant plus important que la vitesse de l'air à la sortie de la buse est importante.

Fig. 14 Effet de trompe

Dans un détendeur, à la première inspiration, dès que la buse commence à débiter, la dépression aspire la membrane et a tendance à maintenir le détendeur en débit continu.

Pour éviter cet inconvénient, un ou plusieurs orifices calibrés sont percés latéralement dans la buse de façon à laisser échapper la quantité d'air juste nécessaire pour éviter la dépression sous la membrane.

Ces orifices calibrés sont souvent remplacés par des déflecteurs fixes ou mobiles qui dirigent l'air de façon à stabiliser le fonctionnement.

Refroidissement

Lorsqu'un gaz se détend, il se refroidit. La température peut ainsi descendre bien en dessous de zéro degré. La vapeur d’eau contenue dans l'air peut se condenser puis geler de même que l'eau contenue dans la chambre humide et provoquer le blocage du mécanisme. A la page sur le froid, nous trouverons un développement détaillé de l'influence du froid sur le fonctionnement des détendeurs et les remèdes possibles.

************************************************

Livre d'or

Chapitre précédent < CHOISIR VOTRE DÉTENDEUR > Chapitre suivant < DÉTENDEUR A UN ÉTAGE >