Brevet FR2299581A1 — publié le 19760827

La présente invention conceme une vanne permettant de contrôler l'é coulement diun fluide. Plus particulièrement, elle concerne une structure de vanne permettant de diminuer de façon considérable les pertes de charge qui s'y produisent. Le type de vanne selon l'invention est particulièrement intéressant dans les cas où l'on doit disposer en aval de la vanne, pour un débit de fluide donné, dune pression aussi voisine que possible de la pression du fluide tel qu'if est dé livré par la source d'atimentation. En effet, dans de très nombreuses applications, on dispose d'une source de fluide à une pression déterminée, ce qui est notamment le cas des installations de chauffage dans lesquelles la source de combustible est un gaz, soit comprimé contenu dans une bouteille, soit distrtbué par canalisation. On sait, en effet, que les normes imposent en particutier une valeur limite de la pression du gaz pour laquelle les appareils à gaz doivent avoir encore une combustion correcte. Or, le rendement thermique d'une installation de chauffage est fonction, entre autres, de la pression du combustible injecte dans le bru leur C'est le cas en particulier des brûleurs dits Uatmosphériques", c'est-à dire fonctionnant sans apport d'air secondaire, qui constituent une classe impor tante des équipements de combustion du gaz tant dans le domaine des appareils d'utilisation domestique que dans celui des installations industrielles.En effet, la caractéristique principale de ce type de brûleur est l'utilisation de l'énergie cinétique disponible du fluide inducteur, c'ést-à-dire le gaz, pour entraîner une certaine quantité de fluide induit, par exemple de l'air, et pour acheminer le mélange ainsi formé, lors de son passage à travers un venturi, jusqu ray niveau de la section de sortie du brûleur Cette énergie potentielle du gaz qui, en général1 est très faible en rai son des pressions d'alimentation peu élevées imposées par les normes, ne permet pas dans tes installations classiques d'entraver la quantité d'air théorique néces saire à la combustion complète du gaz avec une pression du mélange air + gaz suffisante à son écoulement à travers la tête du bru leur, compte tenu de son coef ficient de perte de charge et de son élévation de température. On comprend que si les pertes de charge subies par le fluide entre la source d'alimentation et le brûleur sont trop importantes, on ne pourra obtenir un fonctionnement optimal de l'appareil ce qui risque d'entrainer une combustion in complète du combustible et, par suite, l'émission de fumées toxiques rendant l'u tilisation de l'appareil incompatible avec les normes hygiéniques en vigueur. On conçoit que pour obtenir, au niveau du brûleur, une pression de fluide déterminée on soit alors amené - soit, à accroitre la pression nominale du fluide, ce qui peut être impossible dans certains cas et alors on se trouve en présence d'une mauvaise utilisation de l'installation ; - soit, en conservant une pression nominale déterminée, de réduire la section des canalisations alimentant le brûleur et notamment de l'injecteur, ce qui peut entraîner un affaiblissement du rendement de l'appareil de chauffage qui ne sera pas utilisé au mieux de ses possibilités. Comme on l'a indiqué précédemment, la difficulté d'obtenir dans les systèmes classiques une pression optimale d'iniection du fluide au niveau du bru- leur provient des pertes de charge que subit le fluide lors de son transport de la source d'alimentation au brûleur, et tout particulièrement de la perte de charge que lui fait subir la vanne de contrôle du débit qui est obligatoirement interposée sur la canalisation d'alimentation. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a pour objet, à cet égard, une vanne de contrôle pour l'écoulement du fluide qui est interposé sur une canalisation d'alimentation entre la source de fluide et l'orifice de sortie de celui-ci et qui permet, par sa constitution, de réduire notablement les pertes de charge. Grâce au type de vanne proposé par l'invention, on obtient avantageuse- ment une réduction du volume de la vanne par rapport aux vannes classiques fonctionnant dans des conditions similaires ainsi qu'une diminution des forces nécessaires à la manoeuvre de cette vanne La vanne selon l'invention est constituée classiquement - d'un corps de vanne dont l'espace intérieur fait communiquer la canalisation d'alimentation avec l'orifice de sortie ;; - d'un clapet logé dans le corps de vanne et coopérant avec un siège de clapet ménagé également dans le corps de vanne, l'appui du clapet sur son siège interrompant la communication entre la canalisation reliée à la source et l'orifice de sortie, tandis que son éloignement du siège permet l'écoulement du fluide de la source vers l'orifice de sortie - et de moyens de commande du clapet assurant sélectivement son rapprochement ou son éloignement du siège cette vanne étant caractérisée, selon l'invention, en ce que le siège du clapet est coaxial à l'orifice de sortie du fluide. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, entre le siège de clapet et l'orifice de sortie du fluide, la vanne présente une chambre de dé tente du fluide de section supérieure à celle du siège et coaxiale à ce dernier ainsi qu'à l'orifice de sortie. On a constaté que cette structure particulière de la vanne selon l'inven tion permet de réduire considérablement les pertes de charge, ce qui a pour ré sultat de ne nécessiter, pour la commande de la vanne, qu'une force relative ment faible et ce qui entrarne par voie de conséquence une diminution du vo lume général de la vanne et un prix de revient plus bas que celui des vannes classiques. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, I'orifice du siège de clapet est relié à la chambre de détente par une zone de raccordement chanfreinée dont l'angle total est avantageusement compris entre 70 et 900. De plus, la chambre de détente est de section supérieure à l'orifice de sortie et raccordée à celui-ci par un passage de forme sensiblement tronconique assurant un bon coefficient de dépense, c'est-à-dire très voisin de 1. On rappellera que le coefficient de dépense est une notion classique en mécanique des fluides et est obtenu par le rapport : débit réel débit théorique On a constaté que cette structure (ou disposition interne particulière de la vanne selon l'invention) provoquait une turbulence du jet inducteur qui se tra ~disait, comme avec un accroissement du nombre de REYNOLTS, par une augmen tation de la quantité d'air entra,ne. Des essais effectués par la demanderesse ont permis de déterminer des rap ports dimensionnels des diverses parties de la vanne permettant d'obtenir une ré duction de la perte de charge maximale. Ainsi, selon un aspect plus particulier de I'invention, la vanne présentera de préférence une configuration telle que O) le rapport du diamètre du siège au diamètre de l'orifice de sortie est com pris entre 1,8 et 2,2 ; 20) le diamètre de la chambre de détente est compris entre 3,8 et 4,2 fois le diamètre de l'orifice de sortie ; 3t) la distance entre ie débouché de l'orifice du siège de clapet dans la cham hre de détente et l'entrée de l'orifice de sortie est de 7,5 à 8,5 fois supérieure au diamètre de l'orifice de sortie. Naturellement, les moyens de commande du clapet de la vanne peuvent être quelconques mais, selon une forme de réalisation préférée de l'invention, ces moyens de commande sont constitués par un solénoïde monté sur la structure du corps de vanne dans laquelle est logé un piston plongeur formant clapet, celuici étant sollicité en position de fermeture de la vanne par un ressort de rappel. Selon une autre forme de réalisation, les moyens de commande du clapet pourront être constitués par un électro-aimant dont l'excitation détermine le déplacement du clapet de sa position de repos à sa position de travail. Enfin, une application particulièrement avantagevse de la vanne selon l'invention réside dans son emploi dans une installation d'alimentation en gaz d'un bruleur fonctionnant à partir d'une source délivrant le gaz à une pression et un débit déterminés et sans admission d'air secondaire au niveau du brûleur. En effet, dans ce type d'installation conçu spécialement pour fonctionner dans des locaux clos, la combustion des gaz doit être absolument parfaite au niveau du brûleur afin d'éviter toute pollution du milieu ambiant et son appauvrissement en oxygène.C'est la raison pour laquelle ce type de brûleur fonctionne sans admission d'air secondaire, I'air nécessaire à la combustion du gaz-étant injecté dans la chambre de mélange du brûleur simultanément avec le gaz, l'injection de ce dernier déterminant l'aspiration de la quantité d'air nécessaire à la combustion. Or, on soit que la combustion d'un gaz est d'autant plus complète que l'on améliore le rapport air-gaz, c'est-à-dire que l'on admet une quantité d'air supérieure à celle théoriquement nécessaire à la combustion du gaz. Comme la quantité d'air introduite dans la chambre de mélange du brûleur est fonction de l'énergie cinétique du gaz, on perçoit immédiatement que la vanne selon l'invention qui permet de réduire les pertes de charge aura pour conséquence d'améliorer l'énergie cinetique de la veine gazeuse, ce qui aura pour conséquence une augmentation du volume d'air aspiré. Par suite, la pression à l'injecteur étant, lorsqu'on emploie une vanne selon l'inven tion, supérieure à celle que l'on obtient avec une vanne classique pour un débit nominal donné, on a donc la possibilité, si l'on veut conserver le même débit de gaz que dans les installations classiques, de réduire le diamètre de l'injecteur tout en conservant un diamètre de col de la chambre de mélange identique, ce qui déterminera I'entrarnement d'une quantité d'air primaire supérieure pour une même quantité de gaz. Si on désire ne pas modifier le diamètre de l'injecteur, on aura alors la possibilité d'accroitre la dimension du col, ce qui permettra une injection de volume de gaz supérieure à celle que permettent les installations classiques et, corrélativement, l'aspiration d'un volume d'air primaire proportionnel, ce qui entrainera une amélioration du rendement thermique du brûleur. On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente, en coupe axiale, une première forme de réalisation d'une vanne selon l'invention. - la figure 2 est une variante de réalisution dans laquelle on a modifié le système de commande de la vanne - la figure 3 est une troisième forme de réalisation de la vanne - la figure 4 est un graphique comparatif des pertes de charge d'une vanne selon l'invention et d'une vanne classique de caractère comparable. - la figure 5 montre une application de la vanne au cas d'une installation d'alimentation en gaz d'un brûleur. A ta figure 1, on a représenté en 1 l'extrémité d'une canalisation reliée à une source de fluide sous pression circulant dans le sens de la flèche F. A l'extrémité de la canalisation 1 est fixé un corps de vanne 2 présentant un espace intérieur 3 dans lequel débouche la canalisation i A la base de l'espace 3, le corps de vanne présente un siège 4 pour un clapet constitué par une membrane souple 5 dont les extrémités sont, de façon classique, fixées aux parois du corps de vanne et par une tige 6 logée à l'intérieur d'un manchon creux 7 du corps de vanne dans lequel ladite tige peut se déptacer axialement. Un ressort 8 prenant appui, d'une part sur le sommet du manchon 7 et d'autre part sur la tige 6, sollicite celle-ci en direction du siège 4 contre lequel la membrane 5 est pressée pour assurer une fermeture étanche de la vanne. Un solénolde 9 est monté sur le manchon 7 et à l'extérieur de celui-ci et est relié à une source de courant électrique de telle façon que lorsqu'il est excité il attire la tige 6 dans la position représentée en trait interrompu, ce qui amène un décollement de la membrane 5 de son siège 4 et l'ouverture consécutive de la vanne. La tige 6 joue donc, dans ce cas, le rôle d'un piston plongeur à mouvement alternatif axial. Le siège 4 est prolongé, en aval du clapet, par un alésage circulaire 10, puis par une partie chanfreinée tronconique 13 et enfin par un alésage cylindrique 14 constituant une chambre de détente. La chambre de détente 14 est taraudée intérieurement sur une partie de sa longueur en 16 afin de recevoir une douille 15 percée axialement selon un passage 17 de profil sensiblement tronconique dont la partie supérieure est arrondie, le passage tronconique 17 se termine par un orifice calibré 18 de section circulaire. Comme on l'a déià indiqué précédemment, de préférence - le rapport siège de clapet D sur diamètre de l'orifice de sortie "d" est compris entre 1,8 et 2,2 ; - la distance ''1'1 entre le débouché de l'orifice du siège et l'entrée de l'orifice calibré est 7,5 à 8,5 fois supérieure au diamètre de l'orifice de sortie "d" ; - le diamètre Dc de la chambre de détente est compris entre 3,8 à 4,2 fois le diamètre de l'orifice de sortie "d" - t'angle total oC de la zone chanfreinée 13 est compris entre 70 et 900. Comme on peut le constater sur la figure 1, le siège 4, la chambre de détente 14 et l'orifice de sortie 18 sont alignés sur un même axe XX'. On notera que la forme donnée au passage 17 entre la chambre de détente 14 et l'orifice de sortie 18 permet de guider la veine fluide de façon à obtenir un coefficient de dépense (débit réel ) sensiblement égal à 1. (débit théorique) Par ailleurs, le passage progressif du siège 4 à la chambre de détente 14 par l'intermédiaire de la zone chanfreinée permet au fluide de s'épanouir à t'inté- rieur de la chambre de détente en créant ainsi une turbulence qui peut être considérée comme un élément favorisant la réduction de la perte de charge dans la vanne Les figures 2 et 3 sont des variantes de réalisation dans lesquelles la morphologie générale de la vanne telle qu'on vient de la décrire a été respectée, les seules modifications affectant le système de commande du clapet. Ainsi, à la figure 2 le clapet 20 est porté par une membrane 21 fixée à ses extrémités dans le corps de vanne en 22. Le clapet est constitué par un disque métallique 23 disposé au-dessus de la membrane 21, la partie inférieure du clapet étant formée par un joint d'étanchéité classique. Dans ce cas, on pourra utiliser pour commander le clapet un électro-aimant 24 dont l'enroulement est relié à une source de courant électrique. En position de repos, c'est-à-dire l'électro-aiment n'étant pos excité, le clapet repose sur le siège 4 qu'il obture; spi l'on excite l'électro-aiment 24, celui-ci attire le clapet et libère le siège de robinet en ouvront ainsi la vanne La figure 3 représente un clapet également commandé par électro-ai- mant mais, contrairement à ce qui est représenté aux figures 1 et 2 dans lesquelles la position de repos normale du clapet est la position de fermeture de la vanne, à la figure 3, par un montage approprié, la position de repos du clapet correspond à la position de vanne ouverte.Pour cela, te clapet 25 est monté en bout d'une tige 26 et est fixé à une membrane 27 fixée sur son pourtour au corps de vanne et isolant la partie supérieure 28 de la vanne de la zone 29 de circulation du fluide. Ladite tige 26 porte-clapet est équipée, à son extrémité supérieure, d'une tête 30 située en regard des pôles d'un électro-aimant 31 fixé à demeure dans le corps de vanne. Un ressort est disposé entre la tête 30 et une partie fixe du corps de vanne et sollicite constamment le clapet en position décollée de son siège 4. On comprend que lorsque i'électro-aimant 31 est excité celui-ci attire la tête mobile 30 et provoque l'abaissement du clapet 25 contre le siège 4 en réalisant la fermeture de la vanne (position représentée à la figure 3). A la figure 4, on a représenté un graphique montrant les différences de perte de charge intervenant dans une vanne classique et dans une vanne selon l'invention disposées dans les mêmes conditions d'utilisation. On a représenté en abscisse les débits, exprimés en m3 heure, dans la canalisation de l'alimentation des vannes et en ordonnée les pertes de charge exprimées en mm CE (millimètre de colonne d'eau). Les courbes A et B en trait plein représentent les pertes de charge respectivement - pour A, d'une vanne classique dont le rapport diamètre de siège sur diamètre de l'orifice de sortie est de 6 : 3,6 ; - pour B, d'une vanne classique dont le rapport diamètre de siège sur diamètre de l'orifice de sortie est égal à 6 : 3. Par ailleurs, les courbes en trait interrompu C et D représentent les pertes de charge respectives de vannes selon l'invention ayant respectivement - pour la courbe C, un rapport diamètre de siège sur diamètre d'orifice de sortie égal à 6 3,6 ; - pour la courbe D, un rapport diamètre de siège sur diamètre d'orifice de sortie égal à 6 : 3. On comprend, par conséquent, que l'on doive comparer sur ce graphique la courbe A à la courbe C et la courbe B à la courbe D et l'on constate immédiatement que dans tous les cas la perte de charge des vannes selon l'invention est bien inférieure à celle que l'on observe dans les vannes classiques. La figure 5 représente quant à elle un schéma montrant l'utilisation d'une vanne selon l'invention sur un circuit d'alimentation en gaz de la chambre de mélange d'un brûleur radiant et, plus particulièrement, d'un brûleur radiant n'utilisant pas d'appoint d'air secondaire pour la combustion du gaz, seul le volume d'air primaire introduit dans la chambre de mélange en même temps que la veine gazeuse devant être nécessaire à la combustion totale du gaz. A la figure 5, on a représenté en Vc en trait interrompu la forme que prend la veine gazeuse à la sortie de l'injecteur 18 lorsque l'on utilise une vanne classique. On constate immédiatement que pour obtenir une bonne aspiration d'air primaire, on doit utiliser un col 35 d'entrée de gaz ayant un diamètre D1 pour un diamètre d'injecteur "d". Avec une vanne selon l'invention, dans laquelle les pertes de charge sont réduites et par conséquent l'énergie cinétique de la veine de gaz est supérieure, le profil de la veine de gaz à la sortie de l'injecteur aura la dimension représentée en trait plein en 36. On constate que la section de la vanne de gaz 36 est supérieure à la section de la veine en trait interrompu. Par suite, il est possible d'accroitre le diamètre du col 35' dans une proportion notable D2. On aura donc, pour la même quantité de gaz injectée dans le brûleur, un volume d'air aspiré F avec la vanne selon l'invention supérieur au volume d'air aspiré avec une vanne classique. On améliore ainsi le rapport air, ce qui permet d'être assuré à tout coup gaz d'une combustion complète des gaz puisque l'on pourra disposer d'un volume d'air supérieur à celui qu'imposent les normes L'invention ayant maintenant été exposée et son intérêt justifié sur des exemples détaillés, la demanderesse s'en réserve l'exclusivité pendant toute la durée du brevet, sans limitation autre que celle des termes des revendications ciaprès. REVENI)ICAT10 NS 1. Vanne de contrôle pour l'écoulement d'un fluide interposée sur une canalisation d'alimentation entre la source de fluide et un orifice de sortie du fluide1 ladite vanne étant constituée - d'un corps de vanne dont l'espace intérieur fait communiquer la cana lisation d'alimentation avec l'orifice de sortie ;; - un clapet logé dans le corps de vanne et coopérant avec un siège de clapet ménagé dans le corps de vanne, I'appui du clapet sur son siège interrompant la communication entre la canalisation et l'orifice de sortie, tandis que son éloignement du siège permet l'écoulement du fluide de la canalisation vers l'ori- fice de sortie - et des moyens de commande du clapet assurant sélectivement son rapprochement ou son éloignement du siège, caractérisée en ce que le siège de clapet est coaxial à l'orifice de sortie du fluide. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente, entre le siège de clapet et orifice de sortie du fluide, une chambre de détente du fluide de section supérieure à celle du siège et coaxiale au siège de clapet et à l'orifice de sortie. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'orifice du siège est relié à la chambre de détente par une zone de raccordement chanfreinée. 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que liangle totel de la zone de raccordement chanfreinée est compris entre 70 et 900. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que la chambre de détente est de section supérieure à l'orifice de sortie et est raccordée à celui-ci par un passage de forme sensiblement tronconique assurant un coefficient de dépense (débit réel ) voisin de 1. (débit théorique) 6. Vanne selon l'une quetconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que le rapport du diamètre du siège au diamètre de l'orifice de sortie est compris entre 1,8 et 2,2 7. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que le diamètre de la chambre de détente est compris entre 3,8 et 4,2 fois le diamètre de l'orifice de sortie. 8. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que la distance entre le débouché de l'orifice du siège de clapet dans la chambre de détente et l'entrée de t'orifice de sortie est de 7,5 à 8,5 fois supérieure au diamètre de orifice de sortie. 9. Vanne selon les revendications 1 et 5 prises ensemble, caractérisée en ce que ia chambre de détente et ménagée dans le corps de vanne et le passage tronconique ainsi que l'orifice de sortie sont pratiqués dans une pièce rapportée sur le corps de vanne et fixée à celui-ci. 10. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de vanne présente, à l'opposé de l'orifice de sortie du fluide, une structure de support des moyens de commande du clapet. 11. Vanne selon les revendications 1 et 9 prises ensemble, caractérisée en ce que les moyens de commande du clapet sont constitués par un solénolde monté sur la structure du corps de vanne dans laquelle est logé un piston plongeur formant clapet et sollicité en position de fermeture de la vanne par un ressort de rappel. 12. Vanne selon les revendications 1 et 9 prises ensemble, caractérisée en ce que les moyens de commande du clapet sont constitués par un électro-aimant dont l'excitation détermine le déplacement du clapet de sa position de repos à sa position de travail. 13. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle est montée dans l'installation d'alimentation en gaz d'un brûleur fonctionnant à partir d'une source délivrant le gaz à une pression et un débit déterminés et sans admission d'air secondaire au niveau du brûleur.