La présente invention a pour objet une vanne et notamment
une vanne qui peut être commandée pour délivrer à sa sortie un débit
pulsé de gaz.
Par débit pulsé, il faut entendre que ce débit est alternativement
à un niveau élevé et à un niveau bas pendant des périodes
prédéterminées et résultant de l'application d'un signal de commande en
général en créneaux.
Des vannes susceptibles d'être commandées pour fournir à
leur sortie un débit pulsé peuvent trouver de nombreuses applications et
notamment dans des installations d'alimentation pulsée de brûleurs du
type oxycombustible. Une telle installation est notamment décrite dans le
document EP 524 880.
Comme cela est indiqué dans ce document, il a en effet été mis
en évidence que, si on alimentait un brûleur à l'aide d'un débit pulsé au
moins soit en carburant, soit en comburant, on pouvait obtenir une
réduction très significative de la teneur en oxyde d'azote dans les fumées
résiduelles du brûleur. Selon les installations, une vanne peut être placée
sur l'alimentation en carburant, notamment en gaz naturel ou sur la
conduite d'alimentation en comburant, typiquement de l'oxygène, ou sur
ces deux conduites. Comme cela est également décrit dans le document
mentionné ci-dessus, la fréquence de pulsation est de préférence
inférieure à 1 Hz. En outre, pour obtenir un effet significatif de la
diminution des oxydes d'azote produits, il est nécessaire que le débit ou
la pression de gaz pulsé présente une forme aussi proche que possible
de créneaux correspondant aux signaux de commande de la vanne ou
des vannes utilisées.
De telles vannes peuvent également être utilisées pour
l'alimentation de brûleurs avec de l'air comme comburant.
Sur les figures annexées 1a et 1b, on a représenté un exemple
de signal de commande S de l'électrovanne en fonction du temps et la
courbe de pression P du gaz délivré à la sortie de la vanne recevant ce
signal de commande. Sur la figure 1a, on a représenté le signal de
commande S qui présente un premier niveau haut pendant des périodes
T1, dit niveau ouvert, et un niveau bas pendant des périodes T2, dit niveau
fermé. Le plus souvent, les périodes T1 et T2 sont égales. Sur la figure 1b,
on a représenté la pression du gaz à la sortie de la vanne en relation
temporelle avec le signal de commande S. On a appelé C le niveau de
pression correspondant au signal de commande fermé et Q la différence
de pression entre les signaux d'ouverture et de fermeture. On voit sur
cette figure que, durant les périodes correspondant à l'application du
signal d'ouverture, la pression n'a pas rigoureusement la forme d'un
créneau mais présente un front de montée incliné F1, un front de
descente F2 également incliné et, durant l'application du signal
d'ouverture, la pression n'est pas constante. Comme on l'a indiqué, il est
souhaitable que la forme des créneaux de pression soit aussi
rectangulaire que possible.
Un autre problème pour la fourniture de débit pulsé réside dans
le fait que ces vannes sont utilisées et commandées un très grand
nombre de fois durant la période de fonctionnement du brûleur. Il est donc
nécessaire que non seulement la vanne permette de se rapprocher de la
forme d'un créneau parfait, mais il est également nécessaire que celle-ci
présente une très bonne répétitivité de la pression d'ouverture et de la
pression de fermeture du fluide délivré dans le temps.
On a déjà proposé pour résoudre ce problème une vanne
notamment décrite dans le brevet américain US 5 222 713. L'élément de
commande du débit de cette vanne est constitué par une pièce dont la
périphérie est déformable permettant ainsi, selon la contrainte qui lui est
appliquée, de permettre le passage du fluide ou d'interrompre celui-ci.
L'actionneur permettant la déformation pulsée de ce composant est, par
exemple, un élément piézorésistif commandé électriquement en fonction
de la fréquence de pulsation souhaitée. Cependant, il apparaít que la
déformation de l'élément constituant l'obturateur de la vanne s'altère au
fur et à mesure de l'utilisation et qu'il est relativement peu répétitif d'une
vanne à une autre, notamment en ce qui concerne les débits correspondant
respectivement à l'ouverture et à la fermeture.
Un objet de la présente invention est de fournir une vanne
commandable, notamment pour délivrer un débit pulsé, qui présente une
courbe de sortie en débit ou en pression sensiblement en forme de
créneaux rectangulaires et qui, par ailleurs, présente des caractères
suffisants de répétitivité notamment en ce qui concerne le débit ou la
pression fourni dans l'état ouvert et dans l'état fermé.
Pour atteindre ce but selon l'invention, la vanne commandable,
notamment pour délivrer un débit pulsé de fluide, comprend :
- un corps de vanne ;
- un siège de clapet séparant l'intérieur du corps de vanne en
une chambre d'entrée de fluide et chambre de sortie ;
- un obturateur de clapet mobile selon une direction de
déplacement pour coopérer avec le siège de clapet ;
- un actionneur comportant une partie fixe de commande pour
recevoir des signaux de commande et une partie mobile, ladite partie fixe
appliquant à la partie mobile une force correspondant au signal de
commande ;
- des premiers moyens rigides de liaison s'étendant selon la
direction de déplacement pour relier ladite partie mobile de l'actionneur
audit obturateur de clapet ;
- une butée mécanique ;
- un organe compressible sous l'effet d'une force qui lui est
appliquée comprenant une première extrémité solidaire de ladite butée
mécanique ; et
- des deuxièmes moyens rigides pour relier cinématiquement
une des faces dudit obturateur de clapet à la deuxième extrémité dudit
organe compressible.
On comprend que, d'une part, les débits respectivement
d'ouverture et de fermeture étant définis par un siège rigide et par un
obturateur de clapet rigide, ces débits sont intrinsèquement parfaitement
stables dans le temps. On comprend également que, lorsqu'on n'applique
plus de signal de commande à la partie fixe de l'actionneur, l'obturateur
se déplace dans un sens ou dans l'autre selon le mode de réalisation
considéré non seulement sous l'effet de la suppression de la force
correspondante, mais également sous l'effet de la libération de l'organe
compressible qui était précédemment comprimé. On comprend que, en
utilisant un organe compressible présentant des propriétés très stables
dans le temps, on pourra obtenir une grande régularité du fonctionnement
de la vanne. En outre, on comprend que les fronts de montée ou de
descente seront améliorés par rapport aux solutions connues du fait de
l'action de l'organe compressible.
Selon un premier mode de réalisation, les deuxièmes moyens
rigides de liaison relient la face de l'obturateur de clapet tournée vers le
siège de clapet à la deuxième extrémité de l'organe compressible.
Selon un deuxième mode de réalisation, les deuxièmes
moyens rigides de liaison relient la face de l'obturateur de clapet non
tournée vers le siège de clapet à la deuxième extrémité de l'organe
compressible, lesdits deuxièmes moyens rigides incluant lesdits premiers
moyens rigides de liaison.
On comprend que, selon le premier mode de réalisation, en
l'absence de signal de commande, l'obturateur de clapet revient
spontanément à sa position d'ouverture sous l'effet de l'organe
compressible. En revanche, dans le deuxième mode de réalisation,
l'obturateur de clapet revient en position fermée sous l'effet de la
libération de l'organe compressible. Comme on l'indiquera ultérieurement,
par position de fermeture, il ne faut pas entendre nécessairement que
l'obturateur est appliqué avec pression sur son siège de telle manière que
le débit soit effectivement nul mais une position de l'obturateur telle que le
débit fourni soit faible par rapport au débit fourni en position d'ouverture.
De préférence, l'élément compressible est constitué par une
pièce en matériau élastomérique choisi pour la constance de ses
caractéristiques de compressibilité, cette pièce présentant deux faces
parallèles qui sont interposées directement ou indirectement entre la
butée mécanique et l'obturateur.
L'invention concerne également un procédé de combustion
dans lequel on injecte dans un four un débit d'oxydant et un débit de
combustible, dans lequel l'oxydant et le combustible réagissent l'un avec
l'autre pour réaliser une flamme susceptible de chauffer une charge.
Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce que l'injection du débit
d'oxydant et/ou du débit de combustible est réalisée de façon pulsée à
l'aide d'une vanne pulsante telle que décrite dans le texte de la présente
spécification.
De préférence, au moins une vanne pulsante est utilisée pour
l'injection de combustible et au moins une vanne pulsante est utilisée
pour l'injection de comburant, les pulsations étant identiques (ou
différentes) en durée mais en opposition de phase. Selon une autre
variante de l'invention, les pulsations sont de même durée (ou de durées
différentes) mais en phase.
Selon une autre variante de l'invention dans laquelle il existe
au moins deux injections séparées de comburant, avec des comburants
identiques ou différents choisis parmi l'oxygène, l'oxygène
substantiellement pur (et notamment l'oxygène délivré par un appareil de
séparation des gaz de l'air fonctionnant par adsorption encore appelé
VSA ou « vacuum swing adsorption » en anglais, contenant notamment
au moins 88% d'oxygène environ 2 à 5% d'argon le complément éventuel
étant de 0 à 10% d azote) l'air enrichi en oxygène, l'air ou l'air appauvri
en oxygène, l'une au moins des deux injections étant réalisée à l'aide
d'une vanne pulsante. D'une manière générale, l'invention concerne
également l'utilisation d'une vanne pulsante telle que définie dans la
présente spécification pour la pulsation d'un gaz oxydant et/ou
combustible.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs
modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif.
La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles :
- les figures 1a et 1b déjà décrites montrent respectivement le
signal de commande S et la pression du fluide délivré par la vanne ;
- les figures 2a et 2b montrent, sous forme schématique, un
premier mode de réalisation de la vanne respectivement en position
fermée et ouverte ;
- les figures 3a et 3b montrent un schéma de principe d'un
deuxième mode de réalisation de la vanne représentée respectivement en
position fermée et en position ouverte ;
- les figures 4a et 4b montrent plus en détail un mode préféré
de réalisation de la vanne respectivement en position ouverte et en
position fermée correspondant au principe de vannes montrées sur les
figures 3a et 3b ; et
- les figures 5a et 5b montrent des courbes donnant la pression
du fluide en sortie de la vanne représentée sur les figures 4a et 4b.
En se référant tout d'abord aux figures 2a et 2b, on va décrire
un premier mode de réalisation de la vanne. Celle-ci est constituée par un
corps de vanne 10 comportant un siège 12 qui sépare l'intérieur du corps
de vanne en une chambre d'entrée 14 et une chambre de sortie 16 du
fluide. Les chambres 14 et 16 sont respectivement équipées de conduites
d'entrée 18 et de sortie 20 qui débouchent dans la paroi latérale 10a du
corps de vanne. La vanne comporte également un obturateur de clapet 22
mobile selon l'axe X-X' du corps de vanne. Cet obturateur est bien sûr
destiné à coopérer avec le siège 12 pour définir le débit de passage de la
vanne en fonction de la position de l'obturateur. L'obturateur 22 est relié
par sa face 22a opposée au siège 12 à un actionneur 24. L'actionneur 24
est constitué par une partie fixe de commande 26 consistant par exemple
en une bobine d'induction alimentée par une tension de commande et par
une partie mobile 28 qui est, par exemple, un noyau électromagnétique.
La face 22a de l'obturateur est reliée au noyau 28 par une tige rigide 30
qui traverse la paroi d'extrémité 32 du corps de vanne. De préférence,
cette traversée est équipée d'un soufflet d'étanchéité 34. Le noyau 28 est
prolongé par une deuxième tige rigide 36 dont l'extrémité 36a coopère
avec la première extrémité 38a d'un élément compressible 38. La
deuxième extrémité 38b de l'élément compressible 38 est appliquée
contre une butée mécanique 40.
On comprend que la position de l'obturateur de clapet 22 par
rapport au siège 12 et donc le débit de passage résultent de la
composition de la force axiale produite par la bobine 26 appliquée au
noyau 28, et référencée F et de la force de compression F' de l'élément
compressible.
On comprend également que la force F appliquée au noyau 28
dépend, bien sûr, de la tension de commande V appliquée à la bobine 26.
Pour la position de l'obturateur correspondant au débit minimal qui,
comme on l'a déjà expliqué, n'est pas nécessairement nul, on applique
une tension Vm telle que la composition des forces F et F' produise la
position de l'obturateur souhaitée. De préférence, la tension de
commande VM est nulle. En revanche, comme le montre la figure 2b,
lorsqu'on applique la tension de commande VM correspondant à la
position d'ouverture, la résultante des forces F et F' est telle que
l'obturateur 22 est écarté de son siège pour produire le débit maximal.
On comprend également que, dans ce mode de réalisation, la
fermeture de la vanne ou plus précisément l'arrivée de l'obturateur dans
sa position de débit minimale résulte non seulement de la modification de
la tension de commande correspondant au signal de commande S, mais
également de l'action de l'élément compressible 38. On obtient ainsi une
fermeture très rapide de la vanne. En revanche, son ouverture résulte de
la seule action de la force F appliquée au noyau pour comprimer l'organe
compressible 38.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3a et
3b, on retrouve le corps de vanne 10 avec ses chambres supérieure 14 et
inférieure 16, son siège de clapet 12 et son obturateur mobile 22. La face
22a de l'obturateur opposée au siège 12 est encore reliée par une tige
rigide 30 au noyau mobile 28 de l'actionneur 24. L'autre face 22b de
l'obturateur est reliée à la première extrémité 38a de l'élément
compressible 38 par une tige rigide 36', l'autre extrémité 38b de l'élément
compressible 38 étant appliquée contre la butée mécanique 40'.
On comprend que, dans ce deuxième mode de réalisation,
lorsque la tension de commande est égale à VM, l'obturateur 22 est
rapproché de son siège 12 et l'organe compressible 38 est comprimé. Au
contraire, lorsqu'on applique la tension de commande Vm, la force
appliquée au noyau 28 est réduite et l'obturateur 22 s'écarte du siège 12
en permettant l'expansion de l'organe compressible 38. On comprend
que, dans ce mode de réalisation, la fermeture est obtenue par la seule
application de la force électromagnétique de l'actionneur qui comprime
également l'organe compressible 38. En revanche, l'ouverture de la
vanne est liée à la fois à la modification de la tension de commande et au
retour à son état de repos de l'organe compressible 38.
Les positions dites d'ouverture et de fermeture résultent
toujours de l'effet antagoniste de la force appliquée au noyau de
l'actionneur et de la force développée par l'organe compressible. En
réglant convenablement la force appliquée au noyau, c'est-à-dire en
réglant convenablement la tension de commande appliquée à la bobine
26, on peut définir ainsi différentes positions d'ouverture et de fermeture
qui seront parfaitement répétitives. Comme on l'expliquera ultérieurement,
il est également possible de prévoir que la butée mécanique 40 ou 40'
soit réglable.
Sur les figures 2 et 3, l'organe compressible 38 est constitué
par un ressort spirale dont l'axe de compression est confondu avec l'axe
de déplacement de l'obturateur. On peut également utiliser, comme on
l'expliquera plus en détail ultérieurement, une pièce en matériau
compressible présentant une courbe de compression en fonction de la
force qui lui est appliquée ayant une grande stabilité et une grande
répétitivité. On comprend également que le choix entre les deux modes
de réalisation décrits précédemment se fera selon qu'il est plus approprié
d'avoir une vitesse de fermeture ou une vitesse d'ouverture de la vanne
très rapide.
Il faut également ajouter que l'actionneur peut être à double
effet, c'est-à-dire que les deux tensions de commande provoquent des
déplacements du noyau 28 dans des sens opposés par rapport à la
position de repos correspondant à une tension de commande nulle.
En se référant maintenant aux figures 4a et 4b, on va décrire
plus en détail un mode préféré de réalisation du deuxième type de vanne
représenté sur les figures 3a et 3b. Sur cette figure, on retrouve la
chambre d'entrée 14, la chambre de sortie 16 et les conduites
respectivement d'entrée 18 et de sortie 20 occupant des positions
latérales par rapport à l'axe longitudinale X-X' du corps de vanne. Le
siège de clapet est constitué par une plaque 50 percée d'un orifice 52
dont la paroi latérale 54 a la forme d'un tronc de cône d'axe X-X'. De
préférence, le demi-angle au sommet a de ce tronc de cône dont le
sommet est tourné vers la chambre de sortie 16 est au moins égal à
45 degrés. De même, sur la figure 4a, on a représenté un mode préféré
de réalisation de l'obturateur de clapet et qui porte la référence 56. La
face 56a de l'obturateur, tournée vers le siège, est sensiblement plane
alors que son autre face 56b a également la forme générale d'un tronc de
cône dont le sommet est dans la chambre d'entrée 14. Le demi-angle au
sommet b du tronc de cône formant la face 56b de l'obturateur est de
l'ordre de 60 degrés.
La forme particulière donnée au siège 52 et à l'obturateur 56
permet, d'une part, de stabiliser l'écoulement dans l'environnement de
l'obturateur et, d'autre part, d'avoir une modification plus rapide de la
section de passage du fluide entre les deux chambres lorsque l'obturateur
56 est écarté de ce siège. Ces dispositions favorisent l'obtention de flancs
des créneaux de pression pulsée plus verticaux et rectilignes.
Comme le montrent les figures 4a et 4b, de préférence le corps
de vanne 10 est réalisé en deux parties, une partie supérieure 60 qui
correspond à la chambre d'entrée 14 et une partie inférieure 62
correspondant à la chambre de sortie 16. Le siège 12 est usiné dans une
plaque 64 dont la périphérie 64a est pincée entre les parties
supérieures 60 et inférieure 62 du corps de vanne, ces deux parties étant
assemblées par tout moyen convenable. Il est ainsi possible de
désolidariser les deux parties formant le corps de vanne pour extraire la
plaque 64 et la remplacer par une autre dans laquelle est usiné un siège
de dimensions différentes. De plus, on prévoit que l'obturateur 22 soit
désolidarisé de façon démontable avec la tige 30. Il est alors possible de
monter dans la vanne des ensembles sièges-obturateurs différents
correspondant à des débits différents.
Dans ce mode de réalisation, la position de la butée mécanique
40' supportant l'élément compressible 38 est réglable par rapport à
l'extrémité 42 du corps de vanne. De préférence, la vanne comporte une
deuxième butée mécanique axiale 44 également réglable qui peut
coopérer avec un ergot 46 prolongeant le noyau 28. Cette deuxième
butée mécanique définit une position maximale d'ouverture de la vanne.
En jouant sur la valeur de la tension d'ouverture Vm, on peut définir
d'autres positions d'ouverture de la vanne, qui sont bien sûr inférieures à
cette valeur maximale.
Pour réaliser l'organe compressible, on peut utiliser des
ressorts élastomères du type EFFBE produit par la société CEF à base de
chloroprène ou de polyuréthane. Ces "ressorts" peuvent présenter un
taux de compression de 30 à 40 %. Ils sont constitués par une couronne
unique ou par deux couronnes superposées. Comme ils présentent une
déformation résiduelle, il est souhaitable de prévoir un montage
autorisant une précontrainte adaptée à cette déformation résiduelle.
Les figures 5a et 5b montrent les débits pulsés obtenus avec
l'électrovanne décrite en liaison avec les figures 4a et 4b. Sur ces figures,
on trouve le temps en abscisses, et en ordonnées une grandeur P
représentative de la pression en sortie de vanne mesurée avec un
capteur de pression. Dans l'exemple considéré, la fréquence est de
0,5 Hertz. La figure 5a montre un signal de pression avec des fronts de
montée et de descente presque verticaux. Dans le cas de la figure 5b, les
créneaux ont des fronts de montée et de descente moins verticaux, tout
en restant acceptables, mais ils présentent une très bonne constance des
niveaux "haut" et "bas". La différence entre ces courbes résulte de taux
de précontrainte différents appliqués à la pièce en élastomère. Dans les
solutions connues, le signal de commande est du type "créneaux" comme
cela est représenté sur la figure 1a.
Selon une variante de mise en oeuvre de l'invention, il est
possible de modifier la forme du signal électrique de commande afin
d'améliorer encore les fronts de montée et de descente de pression à la
sortie de la vanne. En particulier, on peut prévoir lors de l'ouverture de la
vanne que la tension atteigne, pendant une brève période, une valeur
supérieure à la valeur de commande de l'état "ouvert", ce qui "accélère"
encore l'ouverture de la vanne. De même, lors de la fermeture de la
vanne, on peut prévoir que la tension de commande atteigne, pendant
une brève période, une valeur inférieure à la valeur de tension de
commande de l'état "fermé", ce qui accélère la fermeture de la vanne.