Brevet FR2009983A1 — publié le 19700213

La présente invention concerne un procédé pour produire tin jet de liquide à grande vitesse. Elle concerne plus spécialement un procédé pour produire un jet de liquide à grande vitesse ayant une cohésion améliorée, ce qui a plus particulièrement comme ré-5 sultat une efficyacité de pénétration accrue. L'utilisation de jets de liquide à grande vitesse pour assurer une pénétration dans diverses surfaces de travail est "bien connue. On peut citer, dans ce domaine, les "brevets des Etats-Unis d'Amérique ÏT° 2 985 050 et 3 212 378, qui décrivent ce pro-10 cédé et un appareil en détail. D'une façon générale, ce procédé et cet appareil assurent la mise en pression d'un liquide de travail qui est éjecté à travers un ajutage de sortie, sous la forme d'un jet de liquide à grande vitesse en utilisant les tech niques décrites dans ces "brevets antérieurs. 15 Le problème qui se pose avec des procédés et d'autres en core selon la technique antérieure réside dans le fait que le jet à grande vitesse produit tend à subir une dispersion lors de son éjection à partit cfce l'ajutage et que plus la pression du liquide de travail est élevée, plus la dispersion est importante. 20 Cette dispersion du jet de liquide à grande vitesse a pour consé quence une mauvaise efficacité de pénétration de ce jet, tend à produire une pénétration irrégulière selon le trajet prescrit et a souvent pour conséquence un mouillage indésirable de la surface de travail. Pour ces raisons, les jets de liquide à grande 25 vitesse n'ont pas été utilisés de façon courante lorsque la profondeur de pénétration, la régularité de coupe ou l'absence de mouillage constituent des facteurs importants. Un but de l'invention est en conséquence de conférer au liquide de travail, en particulier à l'eau, des propriétés amé-30 liorant la cohésion ou la densité d'énergie du jet de liquide à grande vitesse et réduisant au minimum la dispersion, la désintégration ou la dissociation du jet de liquide quittant l'ajutage. Un autre but de l'invention est de réduire au minimum la température de ces jets pour une pression de fluide de travail 35 donnée. L'invention a encore pour but de permettre une obtention aisée et économique de la cohésion désirée d'un jet de liquide à grande vitesse sans modifier le débit ou la vitesse du jet et tout en permettant l'utilisation de sections droites d'ajutage plus petites et (ou) de pressions plus faibles pour le liquide 40 de travail que cela n'était possible jusqu'ici dans cette tedhzngœ 69 17708 2 2009983 Lsinvention concerna un procédé permettant d'augmenter la cohésion d'un jet fin de liquide à grande vitesse produit par mise en pression d'un liquide de travail qui est éjecté à travers un ajutage de sortie sous la forme d'un jet de liquide à grande 5 vitesse, ce procédé consistant : (a) à utiliser un polymère à longue chaîne dissous dans le liquide de travail selon une quantité telle que la combinaison obtenue présente une viscosité plus élevée (habituellement nettement plus élevée) aux faibles taux de cisaillement que le liqui- 10 de de travail seul, et (b) à assurer la mise en pression et l'éjection de cette combinaison à travers l'ajutage sous la forme d'un jet de liquide à grande vitesse relativement plus cohérent que celui obtenu avec le liquide de travail seul. L'utilisation du polymère à 15 longue chaîne augmente en particulier l'efficacité de pénétration du jet de liquide dans une surface de travail, bien que ce jet de liquide puisse être utilisé pour d'autres applications, par exemple pour l'injection de carburant, pour le nettoyage de surfaces, etc. 20 La caractéristique inattendue de l'invention réside dans le fait que le polymère à longue chaîne dissous dans le liquide de travail présente une faible viscosité apparente aux taux de cisaillement très élevés qui interviennent quand la combinaison est refoulée à travers l'ajutage. Aux faibles taux de cisaillement, 25 qui sont rencontrés dans le cas des viscosimètres classiques, la combinaison a une viscosité nettement plus élevée que le liquide de travail seul. On pourrait s'attendre à ce que la viscosité nettement plus élevée du liquide de travail contenant le polymère à longue chaîne dissous réduise nettement ou annule le débit et 30 la vitesse du jet de liquide, étant donné que la viscosité ne diminue pas normalement de façon importante lorsque la pression exercée sur un fluide augmente, mais ceci n'est pas le cas. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux com-35 prendre l'invention. La fig. 1 est une vue schématique montrant en section droite un ajutage présentant un trou cylindrique et le système de mise en pression associé, dèstiné au liquide de travail. La fig. 2 est une vue à plus grande échelle de l'ajutage 40 visible sur la fig. 1, montrant l'écoulement très turbulent 69 17708 3 2009983 obtenu dans un liquide de travail suivant la technique sintérieure au droit du trou de l'ajutage et la dispersion du jet lorsqu'il quitte cet ajutage. La fig. 3 est une vue schématique à plus grande échelle de 5 l'ajutage représenté sur la fig. 1, montrant l'écoulement non turbulent ou plus étroitement laminaire du liquide de travail combiné au polymère à longue chaîne à l'intérieur de l'ajutage et la cohésion du jet de liquide quittant cet ajutage„ La fig. 4 est une vue en coupe transversale du jet de li-10 quide visible sur la fig. 3» montrant le jet de liquide cohérente La fig. 5 est une vue en section droite schématique du jet de liquide dispersé indiqué sur la fig. 2, mettant cette dispersion en évidence. Les fig. 6, 8 et 9 sont des graphiques indiquant la profon-15 deur de coupe en fonction de la concentration en polymère à longue chaîne dans le fluide de travail ou de la viscosité de la combinaison, et la fig. 7 est un graphique montrant la concentration en fonction de la viscosité pour un polymère particulier, aux faibles taux de cisaillement d'un viscosimètre. 20 Si l'on se reporte aux fig* 1 à 5» on voit qu'on a représen té un jet à grande vitesse. L'appareil classique pour la production de ce jet est représenté sur la fig. \ sur laquelle un ajutage 10 comportant un petit trou 11 habituellement tubulaire (ayant environ 0,075 à 12,7 b™ de longueur, cette longueur repré-25 sentant de 3 à 30 diamètres) et présentant une. section droite circulaire (ayant un diamètre compris entre 0,025 et 2,5 mm environ) est ménagé dans tin corps 12 muni d'un orifice d'entrée arrondi 14. Le fluide de travail pénètre dans le trou 11 pour produire le jet 18. Un filetage 13 ou tin autre moyen de rac-30 cordement ou de fixation est prévu dans le corps 12 de l'ajutage 10, au voisinage de l'orifice d'entrée 14-, pour relier celui ci à un conduit haute pression 15 qui est lui-même en communication avec un système de mise en pression 16 destiné au fluide de travail 17* On a montré sur la fig. 2 l'écoulement turbulent 35 du fluide de travqil 19 dans le trou de l'ajutage 10 quand aucun polymère à longue chaîne n'est présent dans le fluide de travail 17, et sur les fig. 2 et 5 la dispersion du jet 20 produit. La fig. 3 montre l'écoulement non turbulent du fluide de travail 21 dans le trou 11 de l'ajutage 10, et les fig. 3 et 40 4 montrent le jet cohérent 22 produit à la sortie de l'ajutage 69 17708 4 2009983 10» Les forces de cisaillement élevées crées dans -le liquide de travail en mouvement, sur l'interface de ce liquide .de travail 21, agissent de façon inattendue sur le polymère linéaire présent au niveau de cet interface, afin de réduire nettement le 5 coefficient de friction sur ledit interface, de sorte que le polymère réduit ainsi la dispersion du jet 22 produit. Un jet cohérent 22 est obtenu sans abaisser nettement la vitesse. Les polymères à longue chaîne (naturels ou synthétiques) sont bien connus dans la technique et conviennent à une utilisa-10 tion suivant l'invention à condition qu'ils puissent être dissous dans le liquide de travail, par exemple par dissolution directe dans ce liquide, avec ou sans application de chaleur, ou par l'utilisation de solvants destinés au polymère linéaire et miscibles avec le liquide de travail. Les polymères à longue 15 chaîne qui conviennent actuellement sont ceux dans lesquels la chaîne moléculaire est essentiellement linéaire et n'est pas sensiblement réticulée avec des chaînes moléculaires voisines, bien qu'il puisse exister une ramification à l'intérieur des chaînes individuelles. En général, les polymères à longue chaîne préférés 20 ont un poids moléculaire moyen compris entre 10.000 et 7*000.000 environ. A titre d'exemples particuliers, on peut citer les oxydes de poly-alcoylène, en particulier l'oxyde de polyéthylène, qui est habituellement dispersé dans un alcanol inférieur ayant de 1 à 6 atomes de carbone, tel que 1'isopropanol, et introduit 25 dans le liquide de travail, qui est habituellement de l'eau; les alcoyl-celluloses, comme les méthyl-celluloses, qui sont introduites dans le liquide de travail chauffé, formé habituellement par de l'eau, le mélange^étant ensuite refroidi pour assurer la dissolution des méthyl-cellulose; et la gélatine, qui est dissou-30 te dans le liquide de travail, lequel est habituellement de l'eau Comme on le comprendra, le polymère à longue chaîne particulier choisi doit pouvoir être dissous dans le liquide de. travail afin d'agir de façon appropriée suivant l'invention, de telle sorte que les caractéristiques*de ce liquide de travail déterminent en 35 partie la sélection du polymère à longue chaîne. - * De nombreux liquides de travail sont connus., suivant la technique antérieure, mais le plus économique pour assurer une pénétration est constitué par de"l'eau, et ce liquide; est-utilisé également de préférence suivant l'invention*- D'autres fluides 40 suggérés sont formés par diverses huiles non chlorées à faible;. 69 17708 5 2009983 viscosité, des alcools, de la glycérine et divers mélanges d'alcool et de glycérine avec l'eau. Tous sont caractérisés par de faibles viscosités, voisines de la viscosité de l'eau. Dans chaque mélange, le polymère linéaire accroît la cohésion du jet de 5 liquide. En général, les jets à grande vitesse ont une vitesse comprise de préférence dans une gamme allant de 150 à 1200 m/sec ou. plus à la sortie de l'ajutage, et ils se déplacent habituellement à une vitesse égale ou supérieure à la vitesse du son dans l'air 10 (330 m/sec). Afin de produire ces vitesses, le liquide de travail est mis en pression jusqu'à des pressions d'environ 700 à 7000 kg/cm2 ou plus, et l'ajutage a habituellement une section droite circulaire et un diamètre compris entre 0,025 et 2,5 mm, selon la combinaison particulière de fluide de travail et de polymère li-15 néaire. Les ajutages peuvent avoir d'autres formes en section droite, avec une section allant de 0,000635 et 6,35 am2, bien que ceci ne soit pas la solution préférée. Il est préférable de disposer d'un orifice d'entrée arrondi et d'un orifice de sortie à bord carré dans le trou de l'ajutage, comme montré sur la fig. 1. 20 Des recherches ont* montré qu'il est préférable d'utiliser entre 500 et 30.000 parties environ (en particulier entre 1.000 et 10.000 parties) du polymère à longue chaîne par million de parties du liquide de travail. Il est également préférable que la viscosité de la combinaison à de faibles taux de cisaillement 25 soit de 10 à 1.000 fois environ supérieure à la viscosité du liquide de travail seul. Ces variables conviennent particulièrement bien dans le cas de l'eau. Les exemples donnés ci-après à titre non limitatif permettront de mieux comprendre encore comment le procédé faisant l'ob-30 jet de l'invention peut être appliqué, lesdits exemples se rappor tant à la mise en oeuvre de ce procédé lorsque de l'eau est utilisée comme fluide de travail. EXEMPLE 1 On utilise l'équipement décrit ci-avant, ainsi qu'un trou 35 d'ajutage ayant 0,190 mm de diamètre et 1,9 mm de longueur et une pression d'eau (servant de fluide de travail) égale à 2800 kg/cm^ et on emploie cet équipement pour découper du pin avec une vites se d* avance perpendiculairement au jet égale à 21,5 « par secon de» La profondeur de coupe, exprimée en millimètres, est mesurée 40 en fonction de la concentration en polymère d'oxyde de pafcéthylàae 69 17708 6 2009983 (Polyox WSR-301, Union Carbide) exprimée en parties par million dans l'eau (dispersé à 25-35 % environ en poids dans l'isopropa-nol et ajouté à l'eau) à des distances de l'ajutage égales à 3,2 mm et à 28,6 mm, afin de déterminer l'efficacité de coupe. Les 5 résultats obtenus' sont indiqués dans le graphique qui forme la fig. 6. Sur ce graphique, on a porté en abscisses les concentrations en ppm et en ordonnées les profondeurs en millimètre. La courbe A correspond à une distance à l'ajutage égale à 3*2 mm et la courbe B à une distance égale à 28,6 mm. Comme on peut le voir 10 à l'examen de la fig. 6, l'addition de 500 à 10.000 parties environ par million de polymère d'oxyde de polyéthylène augmente nettement l'efficacité du fluide de travail en ce qui concerne sa profondeur de coupe. Dans cette gamme, la viscosité du fluide de travail (faibles taux de cisaillement) mesurée en utilisant xm 15 viscosimètre du type Brookfield Syncro-Lectric, est comme on peut le constater comprise dans une gamme allant d'une Valeur juste supérieure à 1 à 1600 centipoises, comme montré sur la fig» 7t sur laquelle les concentrations en ppm ont été portées en abscisses et les viscosités exprimées en centipoises ont été portées en 20 ordonnées, cette viscosité étant mesurée à la température ambiante, On constate que les viscosités plus élevées des combinaisons de fluide de travail et de polymère sont nettement réduites (60 à 90 %) quand le fluide provenant du jet est essayé avec le viscosimètre, à cause des taux de cisaillement élevés obtenus à l'in 25 térieur de l'ajutage (environ 10 ' sec ). Ce polymère linéaire a pour caractéristique physique de diminuer de viscosité aux taux de cisaillement de faible valeur rencontrés dans un viscosimètre. Des recherches ont montré que le coefficient de friction, calculé pour Isau associée au polymère, est inférieur à celui de 30 l'eau seule à des vitesses du jet dépassant environ 136 m/sec, a-vec un ajutage ayant un diamètre de 0,190 mm, et que la vitesse critique est plus élevée pour des ajutages de plus grand diamètre et plus faible pour des ajutages de plus petit diamètre, sous des pressions équivalentes. A des vitesses inférieures à la vitesse 35 critique, les coefficients de friction sont supérieurs à celui de l'eau seule. L'exemple 2 ci-après montre les résultats obtenus quand on fait dissoudre un polymère naturel constitué par de la gélatine dans l'eau servant de fluide de travail» 69 17708 7 2009983 KXWPLE ¥° 2 On procède comme décrit dans l'exemple ÎT° 1, en utilisant de la gélatine comme polymère linéaire et en la faisant dissoudre dans l'eau. La pression exercée sur le fluide de travail est O 5 égale à 1400 et 1190 kg/cm , et on utilise un ajutage ayant un diamètre égal à 0,241 mt et une longueur égale à 6,35 mm. On utilise une vitesse d'avance égale à 20 mm/sec. et on attaque un "bloc en "bois dur placé à 3*2 mm de l'ajutage. Les résultats otite-nus sont indiqués dans le graphique qui forme la fig. 8, sur la-10 quelle les concentrations en ppm ont été portées en abscisses et les profondeurs de coupe exprimées en millimètres ont été portées en ordonnées, la courbe G correspondant à une pression de 1190 0 kg/cm et la courbe D a une pression de 1400 kg/cm2. On voit sur ces figures que la gélatine utilisée selon une concentration com-15 prise entre 1000 et 30.000 parties environ par million augmente nettement la profondeur de coupe dans le "bois dur» La viscosité du mélange gélatine-eau ne semble pas diminuer lors d'une augmentation du cisaillement aux faibles taux de cisaillement rencontrés dans le viscosimètre, comme cela est le 20 cas pour le polymère linéaire mentionné dans l'exemple ïï° 1« Toutefois, la viscosité apparente à des taux de cisaillement élevés à l'intérieur de l'ajutage est bien plus faible, et le coefficierb de friction est inférieur au coefficient obtenu pour l'eau seule quand la vitesse du jet dépasse 750 m/sec environ. 25 On constate que la gélatine donne satisfaction comme poly mère linéaire. Toutefois, on doit veiller à ce qu'elle n'ait pas subi une biodégradation avant son utilisation» On constate également que des concentrations plus élevées en gélatine sont nécessaires pour la même profondeur de coupe que celle produite avec 30 l'oxyde de polyéthylène mentionné dans l'exemple ÎT° 1. L'exemple N° 3 ci-après indique les résultats de coupe obtenus avec une matière naturelle convertie, à savoir la méthyl-cellulose. EXEMPLE N° 3 35 On procède comme décrit dans l'exemple n° 1, en utilisant de la méthyl-cellulose Methocel 65-HG Dow, en solution dans l'eau comme fluide de travail. La pression du fluide de travail est égale à 2940 kg/cm . L'ajutage présente un trou ayant 0,213 mm de diamètre et 6,48 mm de longueur, la vitesse d'avance étant 40 égale à 20,3 mm/sec.; la surface de travail (sapin de Douglas) 69 17708 8 2009983 se trouve à 3,2 mm de l'ajutage. Les résultats obtenus sont indiqués dans le graphique qui forme la fig. 9, dans laquelle on a représenté la profondeur de coupe (exprimée en millimètres et portée en ordonnées) en fonction de la viscosité (exprimée en 5 centipoises et portée en abscisses) du fluide de travail, mesurée à l'aide du viscosimètre Brookfield, qui présente une relation directe avec la concentration en méthyl-cellulose dans l'eau. On constate que la profondeur de coupe est nettement augmentée (elle est doublée) avec une viscosité supérieure à 200 centipoises -10 et allant jusqu'à 4000 centipoises (2 % en poids de polymère dans l'eau). A des vitesses supérieures à 600 m/sec., le coefficient de friction est inférieur au coefficient de friction de l'eau, bien qu'il soit supérieur à celui obtenu pour le polymère mentionné dans 11 exemple ÏT° 1. 15 Des recherches ont montré que les polymères à longue chaî ne de méthyl-cellulose sont préférables, étant donné qu'ils peuvent être dissous directement dans l'eau. Ils sont également non toxiques et les viscosités ne sont pas nettement réduites par suite du passage à travers l'ajutage, à des taux de cisaillement 20 élevés, ce qui permet ainsi une réutilisation. Le processus décrit dans les exemples F 1 à 3 est répété avec des polymères à longue chaîne de polyacrylamide et de poly-éthylèneimine (séparant SA 1291.1, SA 1291, SA 1214.5 et AP 273 Dow et Montrek PEI-1000 Dow) ; on constate que ces matières peu-25 vent être utilisées. Toutefois, les viscosités et (ou) la dégrada tion les rendent moins judicieux que ceux mentionnées dans les exemples qui précèdent. Le coefficient de friction du PEI-1000 est supérieur à celui de l'eau à une viscosité de 60 centipoises, et ce coefficient de friction devient excessif pour des viscosi-30 tés plus élevées. Des polymères de polyacrylamide à longue chaîne (Polyhall 295 et 402, Stein Hall & Go.) donnent de bons résultats quand la dégradation du polymère due à son passage à travers l'ajutage n'est pas excessive» Des recherches ont montré que les polymères à longue chaîne 35 augmentent la durée de service des ajutages et des garnitures ou joints des pompes haute pression» On constate également que la température du jet est nettement réduite, à cause du frottement également réduit dans l'ajutage, et qu'en conséquence on peut u-tiliser des pressions plus élevées pour le fluide de travail, 40 sans vaporisation du jet quittant l'ajutage» En outre, étant 69 17708 2009983 dosnê aue les concentrations en polymère à longue chaîne sont faibles, le processus est économique « Un effet important de 13ad dition de polymères à longue chaîne semble être la réduction du. mouillage superficiel et interne de la pièce» 5 On constate également que, lorsqu'on ajoute des matières solides à l'état finement divisé au fluide de travail, pour faciliter la coupe de matériaux durs, le polymère à longue chaîne réduit l'érosion de l'ajutage par la matière solide. Des résultats particulièrement intéressants sont obtenus avec des billes 10 de verre. Dans tous les cas, les matières solides ont un diamètre inférieur à celui du trou de l'ajutage» Des modifications peuvent être apportées aux modes de mise en oeuvre décrits, dans le domaine des équivalences techniques» sans s'écarter de l'invention» ORIGINAL S9 17708 " -|0 S S V E H. 5 I G 1 ï' I 0 !ï S 1o Procédé pour augmenter la cohésion d'un g et fin à grande vitesse produit par mise en pression d'un liquide de travail qui est éjecté à travers un ajutage de sortie sous la forme d'un 5 jet de liquide à grande vitesse, caractérisé en ce qu'on utilise un polymère à longue chaîne en solution dans le liquide de travails selon une quantité telle que la combinaison présente une viscosité supérieure à celle du fluide de travail seul à de faibles taux de cisaillement, et on assure la mise en pression et 10 l'éjection de cette combinaison à travers 1* ajutage, sous la forme d'un jet de liquide à grande vitesse relativement plus cohérent que oslui obtenu avec le liquide de travail seul. 2o Procédé pour soumettre une surface de travail à une ac-•jicïi âs pénëtrations selon lequel un liquide de travail est mis 15 sn pression et éjecté à travers un ajutage de sortie sous la forme d'un jet fin à'grande vitesse, puis est dirigé contre la sur-» face de la pièce, caractérisé en ce qu'on utilise dans le liquide de travail une quantité de polymère à longue chaîne en solution suffisante pour augmenter la profondeur de pénétration du 20 jet à grande vitesse résultant dans la surface de la pièce, pour des pressions et des dimensions d1ajutage .équivalentes. Jo Procédé pour soumettre la surface d'une pièce à une action de pénétration, selon lequel un liquide de travail est mis en pression et éjecté à travers un ajutage de sortie sous la for-25 me d'un jet fin à grande vitesse, puis est dirigé contre la surface de travail, caractérisé en ce qu'on utilise un polymère à longue chaîne en solution dans le liquide de travail, selon une quantité telle que la combinaison obtenue présente une viscosité nettement plus élevée, aux faibles taux de cisaillement, que le 30 liquide de travail seulj et suffisante pour augmenter la profondeur de pénétration du jet à grande vitesse résultant dans la surface de la pièce pour des pressionset des dimensions d'ajutage équivalentes. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce 35 que le liquide de travail est formé par de l'eau en combinaison avec le polymère à longue chaîne. 5. Procédé suivant la revendication 3» caractérisé en ce que la viscosité de la combinaison aux faibles taux de cisaillement est entre dix et mille fois supérieure à celle du liquide 40 de travail seul. • 0f*IG!NAL 17708 2009983 6. Procédé suivant la revendication 3» caractérisé en ce qu'on utilise entre 500 et 30o000 parties de polymère à longue chaîne par million de parties de liquide de travail» 7. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce 5 que le liquide de travail est formé par de l'eau et en ce qu'on utilise entre 500 et 30.000 parties de polymère à longue chaîne par million de parties d'eau0 8. Procédé suivant la revendication 3j caractérisé en ce que le polymère à longue chaîne est dispersé dans un solvant mis- 10 cible avec le liquide de travail, puis est combiné avec ce liquide de travail. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le liquide de travail est formé par de l'eau et le solvant est un alcanol inférieur, le polymère à longue chaîne étant un 15 oxyde de polyalcoylène. 10. Procédé suivant la revendication 9» caractérisé en ce que l'oxyde de polyalcoylène est de l'oxyde de polyéthylène. 11. Procédé suivant la revendication 3» caractérisé en ce que le polymère à longue chaîne est mis en dispersion dans le li- 2D quide de travail par application de chaleur, puis refroidissemenb 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le polymère à longue chaîne est de la gélatine. 13. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le polymère à longue chaîne est de la méthyl-cellulose. 25 14. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le poids moléculaire moyen du polymère à longue chaîne est compris entre 10.000 et 7*000.000. 15. Procédé suivant la revendication 3> caractérisé en ce que la vitesse du jet à grande vitesse est comprise entre 150 et 30 1200 m/sec. 16. Procédé suivant la revendication 3} caractérisé en ce que le liquide de travail est mis sous une pression allant de 70Œ O à 7000 ig/cm , l'ajutage ayant une section droite circulaire et ayant un diamètre allant de 03025 à 2,5 m»