Brevet FR2009464A1 — publié le 19700206

La présente invention concerne un aérateur de surface destiné à brasser et à aérer des liquides dans un bassin, en particulier pour les installations d'épuration des eaux usées, comprenant un- rotor plongeant partiellement dans 5 le liquide, monté rotatif autour d'un axe vertical et portant une.série de pales pratiquement radiales et une paroi de guidage supérieure et interne délimitant des canaux de guidage pour convoyer et brasser le liquide dans le bassin, lesdits canaux de guidage étant incurvés dans un plan vertical de ma-10 nière que le liquide pénétrant verticalement à l'extrémité inférieure du rotor soit dévié vers l'extérieur dans les canaux de guidage d'environ 90° et sorte à la périphérie du rotor en direction radiale par-les ouvertures desdits canaux,qui sont réparties sur la périphérie du rotor selon un cercle de plus/ , 15 grand diamètre que celui des entrées de guidagfe disposées cir-culairement autour de l'arbre du rotor. Pour être à même d'utiliser de tels aérateurs d'une manière rationnelle, il faut qu'ils aient un poids relativement faible, afin que les ponts et les pièces de support 20 disposés au-dessus du bassin puissent être construits plus légèrement pour que les paliers et les mécanismes d'entraînement soient soumis à une plus faible sollicitation verticale. D'autre part, il fHut que la consommation d'énergie électrique pour entraîner le rotor soit faible, ce qui requiert de bons rapports 25 d'écoulement du liquide propulsé par le rotor pour maintenir, une circulation adéquate dans le- bassin et une rotation du rotor dans le liquide qui évite les pertes par frottement. Pour satisfaire à ces conditions, l'aérateur conforme à l'invention est caractérisé par ,1e. fait que la paroi 30 périphérique extérieure de la partie du rotor plongeant dans le liquide est constituée par la surface d'un cône circulaire droit disposée entre les bords périphériques supérieur et inférieur de la paroi de guidage en forme d'anneau et délimitant les canaux de guidage vers le bas, ces deux parois formant en-35 tre elles une cavité annulaire étanche au liquide. Cette cavité produit une sustentation du rotor plongeant dans le liquide, de sorte que soii poids est partielle 69 16889 - 3 - 2009464 ment ou totalement compensé. De préférence, la cavité est remplie de mousse synthétique de faible densité, de sorte, que la sustention peut encore être augmentée pour compenser complètement le poids propre du rotor et le poids additionnel provenant 5 de la dépression causée par 1'aspiration du liquide à l'extrémité inférieure du rotor. Grâce â cette disposition de la cavité, la sustentation obtenue constitue une force continuellement opposée au poids propre du rotor et, à la force de succion agissant con-10 stamment vers le bas, force qui réduit, d'une, part* les forces agissant sur les paliers et, d'autre part,,, le frottement dans lesdits paliers et accroît de. ce fait le .rendement mécanique de . . l'installation. - - Enfin, la forme donnée à la paroi périphérique 15 de la partie du rotor plongeant ;dans le liquide et constituant ladite surface de cône circulaire droit .empêche la formation de remous le long de cette paroi périphérique et par rapport au liquide qui s'écoule vers .elle, de sorte que les pertes dues au frottement sur la paroi du rotor, sont extrêmement faibles.-; 20 Les dessins annexés illustrent, à titre"d'exem ples non limitatifs-, quelques formes, de. réalisation d'aferateurs de surface conformes à l'invention. ' ; -:-■■■ r -•.* » La fig. 1 est une coupe verticale' d'un bassin d'activation dans lequel le rotor d'aération est en position de 25 travail et plonge dans le.liquide à aérer; • la fig. 2 est une coupe axiale, à plus grande échelle, du rotor d'aération; • . la fig. 3 est une coupe axiale d'une deuxième forme de réalisation du rotor, d'aération; ;. 30 la fig., ,4 est une vue en plan du rotor d'aération de la fig. 3, la paroi supérieure de la partie droite dé cette figure étant supprimée; . la fig. 5 est une vue partielle de l'extérieur des ouvertures de sortie des canaux de guidage du rotor, en direc-35 tion de la flèche a de la fig.. ,4; la fig. 6 est une coupe axiale d'une troisième 69 16889 - 4 - 2009464 forme de réalisation du rotor d'aération; la fig. 7 est une vue en plan du rotor d'aération de la fig. 6, après avoir enlevé la paroi supérieure dudit rotor; et 5 la fig. 8 est une vue partielle de l'extérieur des ouvertures de sortie du rotor, en direction de la flèche b de la fig. 7. Dans la fig. 1, on a représenté un bassin d'acti-vation 1 pouvant avoir une forme quelconque, par exemple circuit) laire, carrée ou rectangulaire, d'une installation d'épuration des eaux usées. Une passerelle 2 est disposée au-dessus du bassin 1 et porte le rotor d'aération 3. Ce dernier est fixé sur un arbre vertical 4 qui est entraîne, dans un sens ou dans lrautre, par un moteur 5, avec interposition d'un mécanisme dé commande 6. 15 Dans la fig. 2, on a représenté, à plus grande échelle, le rotor d'aération 3 qui est constitué par un corps symétrique de rotation fait, de préférence, en matière synthétique, par exemple en polyester renforcé de fibres de verre. Ce corps présente un moyeu cylindrique 7 permettant de fixer le ro-20 tor 3 sur l'arbre d'entraînement 4 du moteur 5. Une plaque circulaire supérieure de recouvrement 8 est fixée à la partie supérieure du moyeu 7. Des pales 11 sont disposées, d'une part, entre une paroi supérieure interne 9 qui est, en coupe, incurvée pratiquement en forme de cercle et qui, sur sa partie périphé-25 rique externe, est reliée à la plaque de recouvrement 8 et, au centre, au moyeu 7 et, d'autre part, entre une paroi annulaire externe 10 qui est incurvée, en coupe, également sous forme d'un cercle ou d'une ellipse. Les pales 11 remplissent l'espace annulaire formé entre les parois 9 et 10 et divisent cet espace en 30 un nombre déterminé de canaux de guidage 12. Les pales 11 présentent une légère co'utbure en direction radiale à partir du bord d'entrée de la partie inférieure du rotor vers le bord de sortie situé à la périphérie externe du rotor. La paroi externe du ro-.tor qui, lorsque l'installation fonctionne et comme représenté 35 dans la fig. 1, plonge dans le liquide lorsque le rotor tourne, présente, au-dessous des ouvertures d'admission périphériques 16 2009464 des canaux de guidage 12, une surface en forme de cône circulaire droit 13 qui constitue, avec la surface de guidage circulaire 10 délimitant les canaux de guidage 12, une cavité étanche en forme d'anneau 14. Cette cavité 14 est remplie de mousse syn-5 thétique de faible densité, mousse qui peut être déposée dans la cavité 14 en introduisant, par une ouverture adéquate prévue, par exemple, dans la paroi 13, les composants de la mousse synthétique qu'on fait réagir. Une fois la réaction terminée, on referme l'ouverture. 10 Le fonctionnement de l'aérateur représenté dans la fig. 1 est le suivant: le rotor d'aération 3 est suspendu à l'arbre 4 à une hauteur telle que le bord inférieur des ouvertures de sortie 16 des canaux de guidage 12 soit situé pratiquement au niveau du liquide 15. Les canaux de guidage 12 sont donc 15 remplis de liquide d'après le niveau normal 15. Dès que le moteur 5 est mis en marche et que le rotor 3 tourne, le liquide contenu dans les canaux de guidage 12 est soumis à l'effet de la force centrifuge., est aspiré dans lesdits canaux et expulsé radialement sur le bord externe du rotor par les sorties 16 20 des canaux de guidage 12. Il se produit alors une dépression dans la partie inférieure dîadmission 17 du rotor plongeant dans le liquide, de sorte qu'une quantité de liquide correspondant à celle qui est expulsée est constamment aspirée dans l'espace situé sous les admissions des canaux de guidage 12, en-25 traînée par la force centrifuge dans lesdits canaux et cljassée radialement par les sorties 16. Tant que le rotor tourne, il se produit une circulation ou un brassage du liquide remplissant le bassin 1. La rotation du rotor plongeant dans le liquide fait qu'en peu de temps tout le contenu du bassin 1 est mis en rota-3 0 tion dans le même sens que celui du rotor, mais à une vitesse de rotation inférieure. Il ressort de la fig. 2 que les parties extrêmes des canaux de guidage 12 sont droites sur une longueur c et quelque peu inclinées vers le haut par rapport à l'horizon-35 taie. Les parois de guidage 9 et 10 des canaux 12 sont incurvées en forme de cercle depuis leurs extrémités internes jusqu' 69 16889 - s - 69 16889 2009464 - 6 - aux parties ces dernières faisant un angle de 5 à proximité du bord et du fond du bassin est dévié vers le milieu:. de ce dernier. Au centre, le liquide est soumis à la force de succion du rotor qui tourne et monte sous forme d'une colonne hélicoïdale vers le haut en direction du rotor 3, dans sa zone 15 de succion. La partie centrale de liquide de cette colonne pénètre par l'entrée 17 dans les canaux de guidage 12, canaux qui soulèvent le liquide et l'expulsent radialement vers l'extérieur par les ouvertures de sortie 16. La partie du liquide qui morte au centre du bassin mais qui se trouve, à l'extérieur du diamè-20 tre d'admission de l'entrée 17 du rotor 3, s'écoule le long des surfaces en forme de cône circulaire droit:13 vers le haut et vers l'extérieur et est chassée, par le liquide expulsé radialement par les ouvertures de sortie 16, également radialement vers l'extérieur et s'incorpore au courant de brassage. De ce fait, 25 tout le contenu du bassin est en mouvement., La répartition du liquide mis en branle par le rotor en jets & liquide distincts par les canaux de guidage 12 et l'expulsion de ces jets â la hauteur du niveau 15 dans le bassin fait que le liquide vient en contact,intense avec l'air. 30 Lorsque le fotor tourne, il se produit sur chaque bord d'admis -sion au niveau du liquide dans le bassin une queue d'eau de peu de hauteur et ces queues d'eau se propagent jusqu'au bord du bassin. Du liquide est en outre projeté sur ces queues d'eau par les canaux de guidage légèrement inclinés vers le haut sur une 35 grande partie du niveau du liquide dans le bassin. La surface du liquide est, de ce fait, rendue rugueuse et la surface-entre 69 16889 - 7 - 2009464 l'eau et l'air est fortement augmentée, ce qui favorise la diffusion de l'air, respectivement de l'oxygène, dans le liquide. Dans les rotors d'aération connus de ce genre, par exemple ceux décrits dans les exposés d'invention suisses No. 5 443.165 et 439.139, la paroi extérieure du rotor est constituée par une paroi annulaire "qui, en coupé, est pratiquement circulaire. Dans la forme de réalisation décrite, le rotor présente une paroi incurvée vers l'intérieur, paroi qui est fermée par la paroi en forme de cône circulaire droit 13. Avec les rotors 10 des exposés d'invention précités, on a constaté que les couches de liquide qui s'écoulent à l'intérieur de cette paroi annulaire ont tendance à former des remous. Ces derniers augmentent le frottement du liquide le long de ladite paroi, ce qui se répercute défavorablement sur le rendement du rotor. Si, par contre, la 15 paroi extérieure forme, comme représenté dans les fig. 1 et 2, une surface en forme de cône circulaire 'droit 13 inclinée vers le haut et vers l'extérieur, .l'aire de la surface êxté^ieuxe du rotor en contact avec le liquide est la plus faible et il ne se -, produit pas de remous dans 1'écoulement le long de cette partie 20 droite de la paroi. Les pertes dues au frottement du rotor tournant dans le liquide sont ainsi très minimes et des ëssàls pratiques ont démontré qu'avec un rotor construit d'après les données de la fig. 2, c'est-à-dire avec une paroi extérieure en forme de cône circulaire droit 13 et des sorties 16 des canaux 25 de guidage 12 légèrement inclinées vers le haut de 5 â 6° par rapport à l'horizontale, on obtient un bien'meilleur rendement qu'avec les rotors construits suivant les "données des exposés d'invention susmentionnés. Pour les mêmes conditions de service, on obtient, avec le rotor conforme à l'invention, des apports 30 d'oxygène d'environ 155 par kg O^/h et d'environ 151 par'kg/kWh d'énergie supérieurs à ceux des rotors desdits expoâés d'invention. . Un autre avantage important est obtenu avec le rotor décrit grâce au grand volume de la cavité formée entre 35 les parois.10 et 13. Etant donné que cette cavité est remplie de mousse synthétique de faible densité, le rotor plongeant dans 69 16889 2009464 le liquide "nage" sur ce dernier. De plus, il est soumis à une poussée vers le haut. Le fait que l'aérateur de surface présente un faible poids est un autre grand avantage. Les ponts, passerelles et traverses de support du rotor peuvent être construits 5 plus légèrement, ce qui représente une économie non négligeable. Par ailleurs, le montage et le démontage du rotor sont simplifiés, du fait qu'il nage à la surface du bassin. A titre de renseignement, un rotor de 3 mètres de diamètre pèse environ 450 kg. En service, du fait qu'il se produit une dépression due au passage 10 du liquide par les canaux de guidage, le poids agissant sur l'arbre du rotor est d'environ 500 kg, de sorte que le poids total du rotor, sans moteur et mécanisme de commande, est de 950 kg. Grâce au volume de la cavité prévue entre les parois 10 et 13 et remplie de mousse synthétique, on obtient une sustentation de 15 950 kg, de sorte qu'en fonctionnement le poids du rotor est totalement compensé par la sustentation et que les charges verticales sont supprimées. Les forces et les frottements dans les paliers sont diminués et le rendement mécanique est sensiblement augmenté par rapport aux rotors sans sustentation. La disposition 20 décrite favorise également la longévité du mécanisme de commande et des paliers. Dans la forme de réalisation représentée dans les fig. 3 à 5, le rotor d'aération présente une paroi de recouvrement 8, une série de canaux de guidage 12 du liquide qui pas-25 se par l'admission 17, verticalement vers le haut dans lesdits canaux, est soulevé par la force centrifuge et expulsé radialement sur le bord extrême du rotor. Les canaux de guidage 12 sont subdivisés par des pales 11 disposées radialement et délimités, vers le haut, par une paroi 9 incurvée en forme de cercle et, 30 vers le bas, par une paroi annulaire 10 incurvée en forme de cercle ou d'ellipse. A la sortie des canaux, de guidage, les bords extrêmes de ces deux parois sont parallèles entre eux et inclinés vers le haut sous un angle de 5° par rapport à l'horizontale. La paroi incurvée 10 est recouverte d'une surface en forme de cône 35 circulaire droit 13 et une cavité 14, prévue entre la paroi 10 et la surface en forme de cône circulaire droit 13, est remplie de mousse synthétique. 69 16889 - 9 - 2009464 Une paroi annulaire 20, disposée perpendiculairement à l'axe du rotor et à une distance déterminée dé la paroi de recouvrement 8, est reliée, à l'intérieur, au moyeu 7 et, à l'extérieur, à la paroi 9. Cette paroi 20 forme, avec la paroi 5 8, le moyeu 7 et la partie extérieure de la paroi 9, une cavité annulaire 21 située sous la paroi de recouvrement 8. Cette dernière est percée de cinq trous 22 qui relient la cavité annulaire 21 à l'atmosphère. Par ailleurs, la paroi 9 des canaux de guidage 12, paroi qui ferme l'espace annulaire 21 vers l'extérieur, 10 présente des ouvertures allongées 23 qui débouchent dans la face concave des pales 11 incurvées radialement. Chaque canal de guidage 12 est donc relié, par une ouverture 23, la cavité annu-laire 21 et les ouvertures 22, à l'atmosphère. Lorsque le bassin d'activation est en service, 15 le rotor peut tourner dans un sens ou dans l'autre, comme indiqué par les flèches d et e dans la fig. 4. Lorsque le rotor tourne dans le sens de la flèche d, la courbure des pales 11 à la sortie des canaux de guidage est dirigée dans le sens opposé au sens de rotation. Ce sens de rotation est appelé "sens drageur". Si le ro-20 tor tourne dans le sens de la flèche £, les pales 11 à la sortie des canaux de guidage sont incurvées dans le sens de rotation. Ce sens de rotation est appelé "sens pousseur". Dans le sens drageur, c'est-à-dire lors de la rotation dans le sens de la flèche d, les bords d'extrémité des pales provoquent une légère turbu-25 lence du liquide quittant les canaux de guidage. Le liquide à 1' intérieur des canaux de guidage s'amoncèle contre le côté convexe des pales et est chassé le long de ce côté convexe "vrers les canaux, tandis que peu ou pas de liquide s'attache le long des côtés concaves des pales. Lorsque le rotor fonctionne dans le 30 sens drageur, l'admission de l'air, respectivement de l'oxygène dans le liquide, est réduite. Dans, le sens pousseur, c'est-à-dire dans le sens de la flèche eî, la turbulence à la sortie des canaux de guidage est plus forte, vu que le liquide qui sort est arraché par les 35 bords extrêmes des pales qui tournent dans le sens de leur courbure. L'admission d'oxygène dans le liquide est donc augmentée. De plus, lorsque le rotor tourne dans le sens de la flèche e, le liquide s'écoulant par les canaux de 69 16889 - 10 - 2009464 guidage est accumulé contre les parties concaves des pales 11 et s'écoule devant les ouvertures 23 prévues dans la paroi 9 et en communication avec l'atmosphère. Vue la grande vitesse à laquelle le liquide passe devant les ouvertures 23, il provoque un effet 5 de succion dans l'espace annulaire 21 et l'air est entraîné, comme dans un injecteur, par les ouvertures 23 de chaque canal de guidage par le liquide qui passe et est mélangé au liquide qui sort des canaux de guidage. Dans le sens pousseur du rotor, c'est-à-dire 10. dans le sens de la flèche e, l'admission d'oxygène dans le liquide par kg 0/h est de beaucoup supérieure à celle du sens drageur, sens indiqué par la flèche d, vu que les pales 11 qui poussent rendent rugueuse la surface du liquide contenu dans le bassin et . que de l'air additionnel arrivant par les ouvertures 23 est mé-langé au liquide. L'admission d'oxygène dans le sens pousseur peut atteindre le double de celle dans le sens drageur poux le même nombre de tours du rotor. Le sens de rotation du rotor peut donc être adapté aux conditions momentanées du liquide contenu dans le bassin. Il est clair que la demande en énergie électrique 20 dans le sens pousseur est plus forte que dans le sens drageur. Dans la forme de réalisation représentée dans les . fig, 6 à 8, le rotor correspond à celui représenté dans les fig. 3 a 5, sauf que la paroi de guidage 9 fait défaut dans la zone de l'espace annulaire 21, entre les parois horizontales 8 et 20. La 25 paroi incurvée 9 s'étend de l'admission 17 seulement jusqu'à la paroi 20, de sorte que l'espace annulaire 21 est-complètement ouvert vers l'extérieur et débouche sur les.bords internes des pales 11', dans la partie externe des canaux de guidage 12. Ce rotor peut également être utilisé dans les 30 deux sens indiqués par les flèches d et e, c'est-à-dire dans le sens drageur ou dans le- sens pousseur. Vu que l'espace annulaire 21 s'étend sur toute sa longueur périphérique dans les canaux de guidage 12, la rotation .dans uii' sens ou dans l'autre entraîne de l'air par l'espace annulaire 21 avec le liquide qui s'écoule à 35 grande vitesse dans les canaux de guidage 12 et le mélange au liquide, avant sa sortie du rotor. 69 16889 - ii - 2009464 Revendications 1. Aérateur de surface destiné à brasser et à aérer des liquides dans un bassin, en particulier pour les installations d'épuration des eaux usées, comprenant un rotor plongeant partiellement dans le liquide, monté rotatif autour d'un axe vertical et portant une série de pales pratiquement radiales et une paroi de guidage supérieure et interne délimitant des canaux de guidage pour convoyer et brasser le liquide dans le bassin, lesdits Banaux de guidage étant incurvés dans un plan vertical de manière que lé liquide pénétrant verticalement à l'extrémité inférieure du rotor soit dévié vers l'extérieur dans les canaux de guidage d'environ 90° et sorte à la périphérie du rotor en direction radiale par les ouvertures desdits canaux qui sont réparties sur la périphérie du rotor selon un cercle de plus grand diamètre que celui des entrées de guidage disposées circulaire-ment autour de l'arbre du rotor, caractérisé par le fait que la paroi périphérique extérieure de la partie du rotor plongeant dans le liquide est constituée par la surface d'un cône circulaire droit disposée entre les bords périphériques supérieur et inférieur de la paroi de guidage en forme d'anneau et délimitant les canaux de guidage vers le bas, ces deux parois formant entre elles une cavité annulaire étanche au liquide. 2. Aérateur de surface suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie terminale des canaux de guidage incurvés d'environ 90° dans un plan vertical est d»ite et présente une inclinaison tournée vers le haut de 5 à 6° par rapport à l'horizontale. 3. Aérateur de surface suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la cavité située entre la surface périphérique extérieure en forme de cône circulaire droit et la paroi inférieure des canaux de guidage est remplie de mousse synthétique de faible densité. ^. Aérateur de surface suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor est fermé, à sa partie su 69 16889 - 12 - 2009464 périeure, par une plaque de recouvrement qui s'étend du moyeu du rotor jusqu'à l'arête supérieure des ouvertures de sortie des canaux de guidage, et par le fait qu'un espace annulaire est prévu sous la plaque de recouvrement, espace qui est en communication, d'une part, par des ouvertures prévues dans la plaque de recouvrement, avec l'atmosphère et, d'autre part, avec les canaux de guidage, afin que l'effet de succion engendré par le liquide qui s'écoule dans les canaux de guidage produise une dépression pour que de l'air soit aspiré par lesdites ouvertures et mélangé au liquide dans les canaux de guidage. 5. Aérateur de surface suivant la revendication M-, présentant des pales dont la courbure s'étend dans 4© sens radial, chaque canal de guidage étant limité, entre les pales', par une sur face convexe d'une des pales et par une surface concave d'une autre pale, caractérisé par le fait que l'espace prévu sous la plaque de recouvrement s'étend, à partir du moyeu du rotor, vers l'extérieur jusqu'à la paroi interne limitant les canaux de guidage, et par le fait que des ouvertures, prévues dans cette paroi, s'étendent le long de la surface concave des pales pour relier l'espace annulaire aux canaux de guidage, 6. Aérateur de surface suivant les revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que le rotor est monté rotatif sur un arbre vertical et est relié à des moyens de commande susceptibles d'entraîner le rotor dans un sens de rotation ou dans l'autre