Brevet FR2280886A1 — publié le 19760227

La présente invention concerne un doseur volumétrique de proportion pour deux fluides, procurant un mélange ou un pseudomélange de ces fluides dans des proportions prédéterminées et réglables. Elle concerne également l'application de ce produit industriel nouveau à la préparation d'une émulsion de deux liquides non miscibles en proportion prédéterminée et une installation mettant en oeuvre le doseur volumétrique précité pour cette application. On contact de nombreux dispositifs pour doser deux fluides dans un rapport déterminé. Les plus simples comprennent, sur chaque arrivée de fluide, un robinet gradué à ouverture progressive et à commande manuelle. Leur inconvénient est que la proportion qu'ils procurent varie avec l'encrassement éventuel des ouvertures et avec les variations de la pression d'alimentation. On peut aussi utiliser deux débitmètres à organe déprimogène dont l'un au moins comprend un régulateur asservi à l'autre débit mettre et commande une vanne de réglage. Mais un tel dispositif ne peut pratiquement s'appliquer qu'à des débits relativement importants et ne donnent pas une excellente précision, surtout si l'on éloigne quelque peu du maximum de l'échelle des débitmètres. Les pompes doseuses volumétriques, en fournissant un volume ajustable, reproductible, donnent une excellente précision, à condition de ne pas se contenter d'une seule pompe asservie au débit de l'autre fluide, mais d'employer deux pompes, ou bien, si l'on adopte la solution de l'asservissement, de mesurer le débit de l'autre fluide par des moyens procurant une grande précision. De toute façon, on est ici en présence d'un matériel complexe et onéreux, d'un entretien délicat. La préparation d'une émulsion de deux liquides non miscibles dans une proportion prédéterminée, par exemple une émulsion eaufuel pour l'alimentation d'un brûleur, nécessite, dans une étape préalable à l'émulsion proprement dite, un mélange de deux liquides dans la proportion précitée. Il est indispensable que cette propor . - - - - tion solt/respectee avec une Donne precision, le rendement de combustion y étant très sensible, et l'installation doit, par ailleurs, bigre d'un prix de revient relativement bas, s'agissant, dans l'exemple, de préparer un produit d'assez faible valeur. La présente invention vise la réalisation d'un doseur volumétrique de proportion pour deux fluides qui présente les mimes caractéristiques de précision que les dispositifs à pompe doseuse, tout en étant d'une construction beaucoup plus simple et économique. Elle vise également l'application de ce produit industriel nouveau à la préparation d'une émulsion de deux liquides non miscibles dans des proportions précises, et une installation pour sa mise en oeuvre. Suivant l'invention, le doseur volumétrique de proportion pour deux fluides comprend un cylindre, un piston principal pourvu d'une tige de manoeuvre et qui délimite un espace de volume réglable qui communique avec l'extérieur par un orifice, et il est caractérisé en ce qu'il comprend un piston secondaire qui divise l'espace précité en deux chambres, des moyens pour mettre respectivement chacune de ces deux chambres en communication avec la source d'alimentation de chacun des fluides et des moyens pour commuter alternativement cette communication avec un pot de mélange fermé étanche, en ce que les deux pistons sont montés à course libre dans le cylindre, en ce que des moyens sensibles aux déplacements du piston principal sont prévus pour commander la commutation précitée en des points prédéterminés de la course de ce piston principal, et en ce que ces points sont réglables en position. Ainsi, les deux chambres précitées sont tour à tour remplies à partir des réseaux d'alimentation, puis vidées dans le pot de mélange, l'ensemble des deux chambres étant logé dans le m8me cylindre, ce qui constitue une simplification importante vis-à-vis des pompes doseuses connues. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, un ressort s'appuie sur la face arrière du piston principal, la force maximale développée par ce ressort étant inférieure à la foroe de pression règnant dans les réseaux d'alimentation, et sa force minimale étant supérieure à la force résultant de la pression règnant dans le pot de mélange. De la sorte, le doseur ne nécessite aucune force motrice particulière et ne constitue en aucune façon une pompe. Le fonctionnement est entièrement assuré par la pression d'alimentation des fluides à doser. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif: les figures 1A, 1B, 1C, 1D représentent en coupe longitudinale détaillée, le doseur en diverses positions de son cycle de fonctionnement. La figure 2 est une représentation partiellement schématique d'une installation de préparation d'une émulsion eau-fuel comprenant un doseur conforme à l'invention. La figure 3 est un schéma électrique du dispositif de commande. En reférence à la figure lA, le doseur t comprend un cylindre 2 dont le fond 3 présente un orifice 4. Dans ce cylindre est monté un piston principal 5 pourvu d'une tige de manoeuvre 6. Un piston secondaire 7 coulisse dans le cylindre 2 entre le piston principal 5 et le fond 3, de manière à former, suivant la position desdits pistons, des chambres 8, 9. Les deux pistons 5 et 7 sont munis de joints d'étanchéité circulaires 11 à lèves d'un type connu. Ces deux pistons sont montés à course libre dans le cylindre 2, c'est-à-dire qu'ils ne sont reliés mécaniquement à aucun organe. Seul un ressort 12 exerce sur la face arrière du piston principal 5 une poussée tendant à faire déplacer ce piston vers le fond 3. Les caractéristiques mécaniques du ressort 12 seront préeisées plus loin. La chambre 9 est en communication avec l'extérieur par l'intermédiaire d'un canal 13 foré sensiblement suivant l'axe de la tige 6. Cette tige 6 porte une came-butée 14, qui peut être circulaire, et qui est prévue pour actionner,au cours du déplacement du piston principal 5,des poussoirs 15, 16, 17 de commande électrique qui sont figurés comme oscillants, mais qui peuvent aussi bien dtre translatifs. On va maintenant décrire le fonctionnement du distributeur 1. Dans une première phase Pl (figure li), l'orifice 4 est misen communication avec le réseau d'alimentation d'un fluide A. Ce fluide emplit la chambre 8 suivant la flèche MA, en repoussant l'ensemble des demi-pistons 5 et 7 jusqu'à ce que la camebutée 14 vienne actionner le poussoir 17. la raideur du ressort 12 doit être prévue de telle manière que la force maximale qu'il exerce sur la face arrière du piston 5 soit inférieure à la force exercée par le fluide À sur ledit piston, force due à la pression dans le réseau d'alimentation du fluide A. L'actionnement du poussoir 17 provoque, par l'intermédiaire d'une commande dont on décrira plus loin un exemple, l'isolement de l'orifice 4 d'avec le réseau d'alimentation en fluide À et la mise en communication dudit orifice 4 avec un pot de mélange (non représenté surles fig.IA'aîD).le ressort 12, dont la raideur est prévue pour vaincre la pression règnant dans ledit pot de mélange, provoque alors le refoulement du fluide À dans ce dernier suivant la flèche SA jusqu a ce que la came--butée 14 vienne actionner le poussoir 15. Dans cette phase P2 (figure-1B), des dispositions décrites plus loin sont prises pour que l'actionnement intermédiaire du poussoir 16 soit ans effet. l'actionnement du poussoir 15 colncide pratiquement avec la venue du piston 7 en butée sur le fond 3, ou la précède très légèrement. Cet actionnement du poussoir 15 provoque, dans la phase P3 (figure 1C), la mise en communication du canal 13 avec le réseau d'alimentation d'un fluide B. le fluide B emplit la -chambre 9 suivant la flèche BB en repoussant le piston principal 5, la pression dans le réseau précité étant suffisante pour vaincre la poussée du ressort 12. En mdme temps, le piston secondaire 7 est poussé en butée contre le fond 3 s'il ne l'était pas déji. La phase P3 dure jusqu'au moment où la came-butée 14 vient actionner le poussoir 16. Dans cette phase Pg, cet actionnement provoque l'isolement du canal 13 d'avec le réseau d'alimentation du fluide B et la mise en communication dudit canal avec le pot de mélange. En même temps, l'orifice 4 est isolé d'avec le pot de mélange et mis en communication avec le réseau d'alimentation du fluide A. On entre alors dans une phase P4 où le fluide A emplit la chambre 8 suivant la flèche BA en repoussant le piston secondaire 7 qui refoule le fluide B suivant la flèche SB (figure ID). osque le piston 7 vient au contact du piston 5, il continue de pousser ledit'piston 5 sous l'effet de la pression du fluide A et l'on se retrouve dans la position de la phase Sl. On comprend que le doseur ainsi décrit permet un dosage volumétrique précis et fidèle des deux fluides A et B dans un rapport qui est celui des volumes maximaux formés par les chambres 8 et 9, ces volumes étant fonction des positions respectives des poussoirs 15, 16 et 17 sue non peut ré-ler facilement. Les espaces morts provenait notamment des joints 11 et du canal 13 se reproduisent à chaque cycle et sont sans effet. Cn comprend également que le fonctionnement du doseur n'exige aucune force motrice particulière, ledit fonctionnement étant assuré par la différence de pression existant entre les réseaux d'alimentation d'une part at le Dot de mélange d'autre part, le ressort 12 n'intervenant activement que dans la phase P2 où les deux faces du piston 7 sont soumises à la pression dans le pot de mélange. On va .aintenant décrire une application du produit indus- triel nouveau constitué par le doseur volumétrique qui vient d'être décrit. Cette application est une installation pour préna- rer une évulsion eau-fuel destinée a un brûleur de four ou de chaudière, pEr exemple En révérence à la figure 2, cette installation comprend un doseur l tel que précédemment décrit, muni des trois poussoirs 15, 16, 17 qui sont ici, pour la simplicit- de l'expose, figurés comme des poussoirs translatifs.L'orifice 4 est relié soit i un roseau 18 d'alimeLtation en fuel, soit à un pot de mélange 19 par l'intermédiaire d'une électrovanne à trois voies 21 figurée en position de repos (enroulement non excité). De même, le canal 13 est relié soit à un réseau 22 d'alimentation en eau, soit au pot de mélange 19 par l'intermédiaire d'une électrovanne à trois voies 23 figurée en position de repos. Etant donné que le piston 5 est mobile, la liaison entre le canal 13 et I'électro-vanne 23 est réalisée en tuyauterie souple. Des 1groupes filtre-manomètre-détendeur 24 et 25 sont interposées respectivement sur les réseaux 18 et 22 en amont des électro-vannes 21 et 23. En amont de ces groupes sont disposés des robinets d'arrêt non représentés. une pompe 26 aspire le pseudo-mélange dans le pot de mélange 19 par une tuyauterie 27 descendant assez profondément dans ledit pot et refoule dans un émulsionneur 28 à deux étages d'un type connu présentant une prise 29 entre les deux étages; cet éLaUlsionneur peut être par exemple celui décrit dans le brevet français nb 1 507 219. La pompe 26 refoule également dans le pot de mélange l9, par une tuyauterie de retour 31, une partie du débit aspiré. Une partie du débit entrant dans l'émulsionneur 28 est prélevée sur la prise intermédiaire 29 et recyclée dans le pot de mélange 19 par 1 'intermédiaire d'un ajutage 33 calculé pour que la pression en amont du brûleur conserve une valeur convenable, par exemple 10 à 20 bars. Enfin, le pot de mélange comprend un évent 34 maintenu fermé par un ressort et par effet d'autoclave, manoeuvrable par boutonpoussoir, pour évacuer des poches d'air éventuelles. En dehors des liaisons par tuyauteries, le pot de mélange 19 est donc sensiblement étanche. En fonctionnement, le doseur 1 agit comme expliqué plus haut pour injecter alternativement dans le pot de mélange 19 des volumes précis d'eau et de fuel, la commutation de l'orifice 4 et du canal 13 sur leurs réseaux d'alimentation respectifs d'une part et sur le pot de mélange d'autre part étant assurée par les électro-vannes 21 et 23. la pompe 26, par la recirculation qu'elle provoque par la tuyauterie de retour 31, prépare une pré-émulsion; ce phénomène est encore accentué par la réinjection dans l'ajutage 33 du prélèvement à la prise 29 de l'émulsionneur 28, l'effet de vitesse procuré par l'ajutage 33 provoquant un brassage intense dans le pot de mélange. Cwest pour utiliser au mieux cet effet de brassage que la tuyauterie 27 s'ouvre dans la partie inférieure du pot de mélange. Le dosage étant purement volumétrique, la proportion obtenue est indépendante des pressions d'alimentation, et les groupes filtre-manomètre-détendeur 24 et 25 peuvent être de qualité moyenne, pour assurer une égalité approximative des pressions d'alimentation. À la mise en service, la pression dans le mot de mélange 19 est sensiblement égale à la pression atmosphérique, et il suffit d'ouvrir les robinets d'arrêt pour que, sous l'effet des pressions d'alimentation, le doseur se mette en route. L'air contenu initialement dans l'installation est divisé en fines bulles par la recirculation opérée par la pompe 26 et par l'érnulsionneur 28 et s'évacue sans inconvénient par le brûleur 32. On peut accélérer et parfaire cette évacuation en manoeuvrant 1 1évent 34. En cas d'obstruction accidentelle de l'émulsionneur 28 ou de la tuyauterie d'alimentation du brûleur 32, la pression s'élève dans le pot de mélange 19 et le doser 1 starrete de fonctionnar dès que ladite pression devient égale à la plus faible des pressions d'alimentation. Du fait des électro-vannes 21 et 23, les deux tuyauteries d'alimentation 18 et 22 ne sont jamais en communication entre elles ni avec le pot de mélange 19; quels que soient les incidents de marche, il est donc inutile de prévoir des clapets anti-retour. On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, le montage électrique qui permet de commander les électro-vannes 21 et 23 par les poussoirs 15, 16, 17. Ce montage comprend trois relais E, R, P dont les bobines peuvent être excitées en parallèle par le courant du réseau élec triaue représenté par les conducteurs 35, 36. Ces relais actionnent respectivement des contacts El, E2, E3, Ri, R2, P1, P2. Be contact El est en série avec le poussoir 17 et le contact P1 est en série avec le poussoir 16, ces deux circuits reliant en parallèle la bobine du relais s au conducteur 35. Le contact E2 est en série avec 12 bobine du relais R. Be contact R2 et le poussoir 15 sont en série avec la bobine du relais P. Les contacts P2 et Z3 sont en série avec le bobinage 23a de ltélectro-vanne 23, et le contact RI est en série avec le bobinage 21a de l'électrovanne 21. Enfin, un pontage d'auto-alimentation 37 relie la bobine du relais P au point commun au bobinage 29a et au contact E3. En position de repos, les contacts El, Pl, P2 sont ouverts, ainsi que les poussoirs 15 et 16. Au contraire, les contacts E2, E3 Rl sont fermés, ainsi que le poussoir 17. Cette position de repos est représentée sur la figure 3, les traits symbolisant les contacts étant situés à droite. En position de travail, les traits précités étant supposés déplacés vers la gauche, l'état des contacts est inversé. On v expliquer le fonctionnement de ce montage en se référant à la description du fonctionnement du doseur 1 donnée plus haut. Dans la phase P1 (repPl,ntée aussi sur la figure 2), la chambre 8 est pleine de fuel. L'actionnement du poussoir 17 fait que le relais E n'est pas excité. Seul le relais R est excité par le contact E2 fermé et il s'ensuit que le contact R1 est ouvert et le contact R2 fermé. 'les contacts P2 et RI étant ouverts, aucun des bobinages 23 et 21a n'est excité et les deux électrovannes 21 et 23 sont dans la position de la figure 2. Sous l'effet du ressort 12, les pistons 5 et 7 évacuent le fuel dans le pot de mélange, l'abandon du poussoir 17 par la came-butée 14 ne modifiant par 1 'état du circuit électrique. l'actionnement du poussoir 16 au passage ne modifie pas non plus l'état du circuit électrique, puisque le contact Pl est ou vert du fait de la non-excitation du relais P. 14 Quand la came-butée/vient actionner le poussoir 15, le relais P est excité par l'intermédiaire du contact R2 fermé. Le contact P2 se ferme, le bobinage 23a est excité et l'électro-vanne 23 met le canal 13 en communication avec la tuyauterie 22. L'eau sous pression est admise dans la chambre 9 qui se forme entre les pistons 5 et 7, le ressort 12 se comprimant sous l'effet de la pression de l'eau. Quand le poussoir 15 est abandonné, le relais P reste excité grâce au pont d'auto-alimentation 37. Quand la came-butée 14 actionne, dans ce sens, le poussoir 16, ledit poussoir provoque l'excitation du relais E puisque le contact P1 est alors fermé. Le relais E étant excité, le contact El se ferme, assurant l'auto-alimentation dudit relais, le contact E2 s'ouvre, désexcitant le relais R, et le contact E3 s'ouvre, désexcitant le bobinage 23a. Le relais R n'étant plus excité, le contact Ri se ferme, excitant le bobinage 21a. Les positions des électro-vannes 21 et 23 sont donc inversées. Le fuel est admis de la.tuyauterie 18 dans la chambre 8 par l'orifice 4, la pression du fuel repoussant le piston 7 qui chasse d'abord l'eau de la chambre 9 par le canal 13 vers le pot de mélange 19, puis repousse le piston 5 jusqu'à actionnement du poussoir 17. L'installation décrite permet un dosage précis et fidèle de la proportion eau-mazout, cette condition étant impérative pour obtenir un rendement amélioré de la combustion. D'autre part, elle met en oeuvre un appareillage extrêmement simple et présentant une grande sécurité de fonctionnement. De nombreuses applications d'un doseur conforme à l'invention peuvent se concevoir. On peut par exemple envisager de doser des fluides gazeux, à condition de tenir compte de la compressibilité de ces fluides et de régler convenablement les pressions en amont et en aval du doseur. On peut aussi, en prenant des précautions analogues, réaliser le dosage respectif d'un gaz et d'un liquide, en vue de réaliser une émulsion du gaz dans le liquide. Au prix de certains aménagements technologiques aisément concevables, on peut encore doser un liquide et un solide pulvérulent physiquement assimilable à un fluide. De même, le domaine d'application du doseur conforme à l'invention ne se limite pas à l'application décrite, et on peut concevoir d'appliquer ce doseur à tout domaine, notamment, en- association avec un moteur à explosion, à la préparation d'un mélange carburant émulsionné. On peut encore concevoir de réaliser des dosages portant sur plus de deux éléments, en associant plusieurs doseurs en cascade. Il est évident que la réalisation décrite est seulement donnée à titre d'exemple et que les diverses variantes constructives qui peuvent être envisagées ne sortiraient pas du domaine de l'invention. On pourrait ainsi prévoir de remplacer la camebutée 14 par trois cames-butées réglables en position sur la tige 6 et actionnant un poussoir unique remplaçant les trois poussoirs 15, 16, 17, des moyens convenables de mémorisation assurant le fonctionnement décrit plus haut. REVEDICÂTIONs 1. Doseur volumétrique de proportion pour deux fluides comprenant un cylindre, un piston principal pourvu d'une tige de manoeuvre et qui délimite un espace de volume réglable qui communique avec l'extérieur par un orifice, caractérisé en ce que ledit distributeur comprend un piston secondaire qui divise l'espace précité en deux chambres, des moyens pour mettre respectivement chacune de ces deux chambres en communication avec la source d'alimentation de chacun des fluides, et des moyens pour commuter alternativement cette communication avec un pot de mélange fermé étanche, en ce que les deux pistons précités sont montés à course libre dans le cylindre, en ce que des moyens sensibles aux déplacementa du piston principal sont prévus pour commander la commuta- tion précitée en des points prédéterminés de la course de ce piston principal et en ce que ces points sont réglables en position. 2. Doseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ressort monté à la compression-contre la face arrière du piston principal, la force maximale développée par ce ressort étant inférieure à la force due à la pression d'alimentation des fluides à doser s'exerçant sur les faces des pistons et sa force minimale étant supérieure à la force due à la pression règnant dans le pot de mélange et s'exerçant sur lesdites faces. 3. Doseur conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour mettre en communication avec l'extérieur la chambre situéentre les deux pistons comprennent un canal foré sensiblement dans I'axe de la tige du piston principal. 4. Doseur conforme à l'une des revendications 1 à ), caractérisé en ce que les moyens pour commander la commutation précitée comprennent deux électro-vannes à trois voies, reliées chacune à l'un des orifices du distributeur et à l'une des sources d'alimentation en fluide, et reliées toutes les deux au pot de mélange, ces électro-vannes étant commandées par l'intermédiaire de contacts réglables en position actionnés par des moyens mécaniques portés par la tige du piston principal. 5. Application d'un doseur conforme à l'une des revendications 1 à 4 à la préparation d'un pseudo-mélange de deux fluides, l'un au moins de ces fluides étant un solide à l'état pulvérulent. 6. Application d'un doseur conforme à l'une des revendications 1 à 4 à la préparation d'une émulsion de deux liquides non miscibles dans une proportion prédéterminée, notamment dtun carburant émulsionné pour moteur à explosion. 7. Application d'un doseur conforme à l'une des revendications 1 à 4 à la préparation d'une émulsion de deux liquides non miscibles dans une proportion prédéterminée, notamment d'une émulsion eau-fuel destinée à un brûleur. 8. Installation pour préparer une émulsion de deux liquides non miscibles dans une proportion prédéterminée, notamment une émulsion eau-fuel destinée à un brûleur, comprenant un émulsionneur à deux étages, une pompe refoulant le pseudo-mélange des deux liquides précités dans l'émulsionneur et un circuit de recirculation, caractérisée en ce quelle comprend un pot de mélange fermé étanche et un doseur volumétrique de proportion conforme à l'une des revendications 1 à 4. 9. Installation conforme à la revendication 8, caractérisée en ce que la sortie du premier étage de l'émulsionneur est reliée au pot de mélange par l'intermédiaire d'un ajutage dont l'orifice est calculé pour laisser subsister dans l'émulsionneur une pression suffisante pour le fonctionnement correct du brûleur. 10. Installation conforme à la revendication 9, caractérisée en ce que le pot de mélange comprend un évent manoeuvrable à main normalement maintenu fermé par la pression règnant dans le pot de mélange.