CH702359A2 - Vanne tubulaire de régulation. - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une vanne tubulaire de régulation caractérisée en ce que la régulation, hydraulique d’ouverture/fermeture des lumières en mode injection de la vanne HPV se fait par modification de la Pression de Régulation (Preg) dans la Chambre de Régulation. Cette dernière est construite dans l’enveloppe de la vanne HPV permettant ainsi un écoulement intégral en mode pompage au travers de la vanne. En particulier, aucun élément de type clapet ou obturateur quelconque n’obstrue l’écoulement réduisant ainsi la capacité d’écoulement de la vanne. L’invention est destinée aux applications CleanTech ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) consistant en un stockage de calories dans les aquifères.
Description
1. Description générale de fonctionnement (a.1, a.2)
[0001] La vanne tubulaire de régulation HPV est spécifiquement conçue dans les applications CleanTech ATES («Aquifer Thermal Energy Storage» ou stockage de calories dans les nappes et aquifères (a.1, fig. 1), le principe général étant un modèle d’installation avec 2 forages comprenant chacun une pompe et une vanne HPV. Durant les périodes d’été, nécessitant une climatisation du bâtiment, l’eau pompée dans la nappe, dans le premier forage, circule à travers un échangeur de chaleur et les calories excédentaires (chaleur) sont redirigées dans la nappe par le deuxième forage (a.1, fig. 2). Le système s’inverse durant l’hiver lorsque le bâtiment nécessite une source de chaleur, dabs ce cas les calories stockées durant l’été, dans la nappe par le deuxième forage, sont redirigées vers Péchangeur de chaleur et l’eau froide produite est injectée, cette fois, dans le premier forage (a.1, fig. 2).
[0002] Afin d’optimiser les coûts d’installation le système de tuyauterie a un écoulement bidirectionnel, soit dans un sens durant l’été (climatisation) et dans un autre sens durant l’hiver (chauffage). De plus, le diamètre extérieur des tubes doit tendre à être le plus petit possible, afin de diminuer au maximum les coûts du forage requis pour l’installation de la pompe et de sa vanne de régulation HPV. Par conséquent, cette dernière doit offrir une compactibilité extérieure maximale ainsi qu’un circuit-pilote le plus simple possible, pour supprimer tout risque d’avarie lors de la mise en place de la pompe et de la vanne de régulation respective dans chaque forage. Ces conditions ne doivent cependant pas diminuer la performance hydraulique de la vanne de régulation HPV et en particulier restreindre son facteur d’écoulement bidirectionnel, responsable de garantir des frais d’exploitation les plus bas possibles en générant une perte de charge minimale pour les débits de transit considérés.
[0003] La vanne tubulaire de régulation HPV doit pouvoir fonctionner dans les deux sens possibles d’écoulement (a.2, fig. 1 & 2), en agissant comme un tube monté directement en sortie de la pompe immergée, elle-même étant équipée de son propre clapet de retenue. Cependant, si la pompe n’est pas requise dans l’application, l’extrémité de la vanne tubulaire de régulation HPV est alors obturée et cette dernière ne va travailler que dans un seul sens d’écoulement.
[0004] En écoulement bidirectionnel, la vanne tubulaire de régulation HPV, associée obligatoirement à une pompe immergée, assure selon le sens d’écoulement prescrit, les fonctions suivantes:
<tb>(a)<sep>Ecoulement de pompage → pompe en service → mode pompage (a.2, fig. 1):
La vanne tubulaire de régulation HPV est fermée de manière étanche et permet au débit pompé de la traverser sans aucune restriction pour s’écouler ensuite dans le tube de refoulement de la pompe, en générant une perte de charge singulière minimale.
<tb>(b)<sep>Ecoulement en injection → pompe hors service → mode injection (a.2, fig. 2):
La vanne tubulaire de régulation HPV, placée sous le contrôle d’un asservissement hydro-électrique, ouvre de manière partielle ses lumières latérales d’écoulement pour permettre l’injection d’un débit dans la nappe, tout en assurant le maintien d’une pression en amont des lumières à une valeur prescrite. Le clapet de la pompe empêche d’autre part tout reflux du fluide d’injection à travers la pompe.
[0005] En mode injection la vanne tubulaire de régulation HPV régule, en ouvrant/fermant progressivement les lumières, la pression amont pour la maintenir à une valeur de consigne donnée. En mode pompage \a vanne HPV est totalement ouverte, dans le sens de l’écoulement, tout en maintenant les lumières d’injection vers la nappe totalement fermées de manière étanche.
2. Description de la vanne tubulaire de régulation HPV (a.3)
[0006] La vanne tubulaire de régulation HPV, de conception très simple, est constituée des éléments principaux suivants: un corps tubulaire (pos. 1), deux guides-butées (pos. 2), un mécanisme interne (piston monobloc) mobile (pos.3), un raccord vulcanisé pour garantir l’étanchéité lors de la fermeture des lumières (pos.4), un ressort de rappel (pos.5).
[0007] Pour la régulation la vanne HPV comprend une chambre supérieure appelée Chambre de Compensation et une chambre inférieure appelée Chambre de Régulation.
[0008] Des lumières usinées dans la partie inférieure du corps tubulaire assurent l’écoulement du fluide, en mode injection, de l’intérieur vers l’extérieur (dans la nappe) d’une manière progressive, garantissant ainsi un contrôle de l’écoulement sur toute sa plage, en particulier à une faible valeur de débit d’injection. En mode pompage, le siège inférieur du piston mobile monobloc (pos.3) pressé sur le joint vulcanisé (pos.4) du guide-butée inférieur (pos.2) assure une fermeture totalement étanche de la vanne HPV dans le sens d’un écoulement d’injection vers la nappe.
[0009] Le mouvement du piston monobloc (pos.3), soumis en permanence à une force de fermeture mécanique engendrée par le ressort de rappel (pos.5), est effectué par la régulation hydraulique de la pression dans la Chambre de Régulation (a.3). La Chambre de Régulation comprend un volume étanche compris par le corps tubulaire (pos.1) et le piston monobloc (pos.3).
3. Principe de régulation (a.4)
[0010] Le système-pilote de la vanne tubulaire de régulation HPV comprend une électrovanne 3-voies (pos.3), une micro-pompe électrique d’asservissement (pos.4) et un capteur de pression (pos.6), monté dans le circuit d’injection / pompage. Ces composants sont gérées par un contrôleur électronique e-Smart/L2 (pos.5), qui assure la régulation spécifique dédiée au «mode pompage» ou «mode injection» choisi pour la vanne tubulaire de régulation HPV.
3.1. Mode pompage (a.4, a.5)
[0011] Le contrôleur électronique e-Smart/L2 (a.4, pos.5), sur la base de la régulation «Mode pompage» prescrite, génère la fermeture de la vanne tubulaire de régulation HPV, en mettant la micro-pompe électrique d’asservissement (a.4, pos.4) hors service mettant ainsi la Pression hydraulique de Régulation (Preg) de la Chambre de Régulation égale à la Pression hydraulique Statique (Psta) de la Chambre de Compensation. Les 2 chambres étant hydrauliquement équilibrées (a.5) la seule force qui subsiste est celle du ressort de rappel qui garantit alors la fermeture étanche en pressant le piston monobloc contre le joint du raccord vulcanisé.
3.2. Mode injection (a.4, a.6)
[0012] Le contrôleur électronique e-Smart/L2 (a.4, pos.5), sur la base de la régulation «Mode injection» prescrite et de la mesure permanente de la pression du réseau d’injection par l’intermédiaire du capteur de pression, régule l’ouverture contrôlée de la vanne tubulaire de régulation contre l’action du ressort de rappel qui à pour fonction la fermeture étanche. La régulation (réglage de l’ouverture de la vanne) des lumières est faite au moyen de la micro-pompe électrique d’asservissement (a.4, pos.4) qui va injecter une Pression hydraulique de Régulation (Preg) dans la Chambre de Régulation (a.6) de manière à compenser la force du ressort de rappel. L’ouverture des lumières est contrôlée par la pression (Preg) qui est directement fonction de la pression de consigne du système. Pour ouvrir les lumières la micro-pompe continue à injecter la pression Preg dans la Chambre de Régulation et inversement pour fermer les lumières.
Claims (4)
1. Vanne, caractérisée en ce que la régulation hydraulique d’ouverture/fermeture des lumières en mode injection se fait par modification de la Pression de Régulation (Preg) dans la Chambre de Régulation (a.7). La Chambre de Régulation est construite dans l’enveloppe de la vanne HPV permettant ainsi un écoulement intégral en mode pompage au travers de la vanne. En particulier, aucun élément de type clapet ou obturateur quelconque n’obstrue l’écoulement réduisant ainsi la capacité d’écoulement de la vanne.
2. Vanne selon l’une des revendication 1, caractérisée en ce que en mode injection l’ouverture des lumières, en fonction de la pression de consigne, est effectuée totalement hydrauliquement en ajustant la Pression de Régulation (Preg) dans la Chambre de Régulation (a.8). Le ressort de rappel n’a que pour fonction la fermeture étanche lorsque les pressions des deux Chambres sont égales mais ce ressort n’est pas l’élément de régulation.
3. Vanne selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la profondeur des installations de stockage de calories ATES peut varier de quelques mètres à plus d’une centaine de mètres. Pour éviter des variations de pression liées à la profondeur d’un site d’installation à un autre, la vanne HPV est hydrauliquement compensée. La Chambre de Compensation est reliée par un tube rempli d’eau à la surface. Comme le tube reliant la Chambre de Régulation est aussi rempli d’eau les deux pressions s’équilibrent (Preg = Psta). Les forces agissant sur le piston monobloc se compensent alors parfaitement du fait de l’égalité géométrique de surface entre les 2 chambres. La vanne HPV est ainsi conçue pour fonctionner en pression relative indépendamment de la profondeur (a.9).
4. Vanne selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les faibles débits nécessitent une faible ouverture des lumières. La vanne HPV est dotée d’une asymétrie dans le perçage des lumières d’échappement. Pour de très faibles débits seules deux lumières excentrées permettent l’injection d’eau dans la nappe. Ce n’est que pour les débits plus importants que l’ensemble des lumières ne s’ouvrent. La progressivité d’ouverture à très faibles débits permet une régulation sur une très grande plage de débits (a. 10).
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