Électrovanne à séparation de milieu - Fonctionnement

Dans une électrovanne à séparation de fluide, le fluide n'est pas en contact avec les pièces mécaniques internes, telles que le plongeur et le ressort. Ces vannes sont particulièrement adaptées aux fluides contaminés ou corrosifs. Avant d'aborder la conception et l'application de ces vannes, nous allons d'abord expliquer les principes de base de la conception d'une électrovanne.

Une électrovanne est actionnée de manière électromagnétique. L'actionneur est un solénoïde, qui est une bobine électrique avec un noyau ferromagnétique mobile en son centre. Ce noyau est souvent appelé "piston". Un courant électrique traversant la bobine crée un champ magnétique qui exerce une force sur le plongeur. En conséquence, le plongeur est tiré vers le centre de la bobine. Si le courant passe, le noyau reste attiré vers le centre. Dès que le courant s'arrête, le champ magnétique disparaît et le noyau est (généralement) poussé vers le bas par un ressort jusqu'à sa position initiale. Le déplacement du plongeur par un courant électrique crée un système électromécanique qui est le composant de base de toutes les électrovannes.

Risque de corrosion et de contamination

Dans la plupart des électrovannes, le plongeur ferromagnétique et le ressort de rappel sont en contact avec le fluide. Les vannes peuvent être choisies dans de nombreux matériaux différents pour être chimiquement compatibles avec le fluide, mais le plongeur doit toujours être ferromagnétique. Le matériau le plus courant pour les plongeurs est l'acier inoxydable 430F, qui présente une résistance chimique moindre par rapport aux matériaux courants des boîtiers, tels que l'acier inoxydable 304 ou 316.

En outre, en raison du mécanisme de l'actionneur des électrovannes, celles-ci sont très sensibles à la saleté et ne fonctionnent qu'avec des liquides ou des gaz propres. Les vannes peuvent laisser passer des fluides dans les espaces morts où l'accumulation de petites particules peut interférer avec le mouvement de la vanne, entraîner un risque de contamination croisée pour le lot suivant et provoquer l'usure des pièces d'actionnement. Les contaminations dans le fluide sont responsables de la plus grande partie des problèmes liés aux électrovannes. Il faut veiller à ce que les vannes soient installées avec leur solénoïde en position verticale, la bobine tournée vers le haut, afin d'éviter l'accumulation de débris et de matières étrangères autour du plongeur. Si l'électrovanne est montée en angle, il est recommandé de s'écarter au maximum de 90° de la position verticale.

Avant l'installation, il est toujours recommandé de rincer brièvement les tuyaux afin de les débarrasser de toute particule. En cas de risque de contamination, un filtre peut être installé en amont de l'entrée de la vanne. Un entretien régulier peut prévenir ces problèmes.

Cependant, si le fluide dans le système est par nature contaminé, chargé de particules fines, agressif, corrosif, sensible à la température ou ultra-pur, il est recommandé d'utiliser des électrovannes à séparation de fluide. Veuillez noter que les électrovannes à séparation de fluide ne peuvent traiter que des fluides légèrement contaminés et ne conviennent pas à tous les fluides chargés de particules. Pour les fluides fortement contaminés ou les boues, d'autres types de vannes sont mieux adaptés. Nous reviendrons plus tard sur les alternatives.

Électrovannes à séparation de milieu

Les vannes à séparation de fluide sont conçues pour traiter des fluides critiques tels que des liquides ou des gaz agressifs, chargés de particules ou d'une grande pureté. Il est donc essentiel de séparer les parties hydrauliques et électriques de la vanne de la voie d'écoulement. Ces types de vannes sont conçus de manière à ce que le fluide n'entre en contact qu'avec le corps de la vanne, le joint et la membrane d'isolation. L'actionneur est situé à l'extérieur de l'espace fluide, ce qui le protège de la corrosion ou de l'accumulation de corps étrangers. Par conséquent, le média est protégé de la contamination et des fluctuations de température excessives. La membrane d'isolation et le corps de la vanne sont fabriqués en matériaux résistants et la vanne peut être rincée facilement grâce à la réduction des espaces morts.

Les types

Les électrovannes à séparation de milieu existent dans de nombreuses configurations différentes. En général, le mécanisme d'actionnement principal se divise en deux catégories : l'actionnement direct et l'actionnement indirect. Le critère le plus important à garder à l'esprit lors du choix du type de vanne est que les vannes à commande directe fonctionnent à partir d'une différence de pression de zéro bar à l'entrée et à la sortie, tandis que les électrovannes à commande indirecte nécessitent une différence de pression minimale d'environ 0,5 bar entre les orifices. Les électrovannes à commande indirecte sont conçues pour contrôler des débits plus importants à l'aide d'un solénoïde relativement petit. Les sections suivantes présentent le principe de fonctionnement des électrovannes à séparation de fluide les plus courantes.

Électrovanne à bascule à commande directe

Pour expliquer cet exemple, le type 0131 de Bürkert est pris comme référence. Ce robinet à genouillère fonctionne selon la loi du levier. Un levier pivote sur une charnière fixe et peut être utilisé pour exercer une grande force sur une petite distance à une extrémité en n'exerçant qu'une petite force sur une plus grande distance à l'autre extrémité. Dans une vanne à genouillère à action directe, le plongeur est connecté perpendiculairement au levier à l'extrémité supérieure (figure 2) et le cylindre d'étanchéité est situé à l'extrémité inférieure du levier. La force d'entrée créée par le mouvement horizontal du plongeur est transmise par le levier au cylindre d'étanchéité sur les sièges de la soupape. Cette caractéristique permet donc de commuter directement les grands diamètres dans une vanne.

Comme le levier traverse une membrane isolante, l'actionneur est séparé du corps du fluide. La séparation des fluides rend cette vanne particulièrement adaptée à une utilisation dans des solutions acides et alcalines critiques ou dans des fluides contenant des particules. En raison de ses grands diamètres, cette vanne est souvent utilisée comme vanne de vidange et de mélange. Cette vanne peut fonctionner en 2/2 voies ou en 3/2 voies.

Électrovanne à armature pivotante à commande directe

Dans ce type de vanne, le plongeur est l'armature qui pivote en un point, traverse une membrane isolante souple et pénètre dans le corps de la vanne de l'autre côté de la membrane. Lorsque le solénoïde est alimenté, l'armature pivotante (le plongeur) est tirée dans le solénoïde et pivote contre la force d'un ressort de rappel. Comme pour le robinet à genouillère, le cylindre d'étanchéité est poussé contre le siège du robinet (dans les robinets normalement ouverts) pour arrêter l'écoulement. En l'absence de courant, l'armature pivotante revient en arrière sous l'effet de la force du ressort de rappel, ce qui a pour effet d'éloigner le cylindre d'étanchéité du siège de la soupape et de laisser le fluide s'écouler.

Une électrovanne 3/2 à action directe et à armature pivotante est illustrée à la figure 3. Au repos, le cylindre d'étanchéité est poussé contre le siège de la soupape 1 par la force du ressort. A l'état excité, le solénoïde fait pivoter l'armature du noyau contre la force du ressort et le cylindre d'étanchéité est poussé contre le siège de soupape 2.

L'utilisation d'une membrane de séparation, qui sépare la chambre de fluide du système électromagnétique, permet d'utiliser ces vannes pour le contrôle des fluides corrosifs, contaminés et agressifs, ainsi que pour le vide.

Électrovannes à commande indirecte (servocommande)

L'ouverture de grands orifices à l'aide de la méthode d'action directe nécessiterait des bobines énormes et coûteuses. Les vannes servo-assistées utilisent la pression différentielle du fluide sur les orifices de la vanne pour s'ouvrir et se fermer. Les principes de fonctionnement d'une électrovanne assistée sont décrits plus en détail ici.

Dans une vanne servo-assistée avec commande pilote à armature pivotante, la vanne pilote est une vanne à armature pivotante à action directe, tandis que le joint de la vanne principale est un diaphragme flexible plus grand ou un piston.

Le principal domaine d'application de cette vanne est la commutation fiable de gaz et de fluides légèrement contaminés et agressifs pour des diamètres plus importants. Avec ce type de vanne, le risque de colmatage est très faible, puisque l'actionneur et la chambre de fluide sont séparés par une membrane.

Autres types de vannes

Parmi les autres vannes à séparation de fluide, les vannes à pince, les vannes à bille et les vannes papillon sont également couramment utilisées pour le contrôle du débit des fluides contaminés ou agressifs :

Vannes à pincement Elles sont placées autour de la tuyauterie de traitement et forcent la tuyauterie à s'assembler (pincement) pour créer un joint qui bloque le flux. Les valves à pincement sont couramment utilisées dans les instruments médicaux, les analyseurs cliniques ou chimiques et une large gamme d'équipements de laboratoire. Les vannes à pincement sont des vannes à passage intégral (plein orifice) qui minimisent la perte de pression lorsqu'elles sont complètement ouvertes.

Les vannes à bille utilisent une bille creuse perforée et pivotante pour contrôler le fluide. Lorsque le trou de la bille est aligné avec le débit, la vanne est complètement ouverte, et lorsqu'elle est pivotée de 90 degrés, la vanne est complètement fermée. Les robinets à tournant sphérique sont durables, faciles à utiliser et peuvent fonctionner à des pressions et des températures élevées.

Les vannes papillon utilisent un disque qui tourne d'un quart de tour pour passer de l'état ouvert à l'état fermé. Les vannes papillon sont généralement moins coûteuses et moins lourdes que les vannes à bille. Cependant, comme le disque est toujours présent dans le flux, même lorsqu'il est complètement ouvert, ils induisent toujours une chute de pression dans le système.

Critères de sélection

Le principal critère de sélection des électrovannes à séparation de fluide, après avoir déterminé la pression différentielle minimale requise aux orifices, la valeur KV et l'orifice de la vanne, est le choix du matériau de construction, à savoir le corps et le matériau d'étanchéité. Tous les matériaux de construction ont des propriétés spécifiques qui les rendent adaptés à différentes applications. Il est essentiel de choisir le corps et le matériau d'étanchéité appropriés pour votre média.