Brevet FR2306729A1 — publié le 19761105

La présente invention est relative à un dispositif destiné à accélérer les échanges entre liquide (pur ou mélange) et gaz (pur ou mélange) dans un but de réaction chimique, d'épuration, de dissolution, ou de tout autre traitement. Il existe déjà de multiples méthodes ou dispositifs couramment utilisés pour favoriser les échanges entre liquide et gaz et agissant, soit par agitation d'un récipient contenant le liquide et le gaz, soit par insufflation du gaz, soit par pulvérisation du liquide dans le milieu gazeux. En particulier on connait déjà un appareil de traitement des eaux basé sur ltémulsionnage par l'air de l'eau à traiter, appareil dans lequel le dispositif émulsionnant est constitué par au moins une aube mobile se déplaçant transversalement à la direction d'écoulement des eaux, cette aube se terminant par une pale allongée de forme triangulaire à la base de laquelle arrive l'air aspiré par un conduit orienté sensiblement orthogonalement à la direction d'coulement des eaux et solidaire de l'aube mobile; c'est ainsi qu'une telle aube mobile peut être fixée, avec d'autres aubes identiques, le long de l'épaisseur périphérique d'un disque ou anneau tournant sur lui-mEme autour d'un axe colncidant avec celui de la canalisation de refoulement dans la cuve de traitement, 1'ar- rivée d'air se faisant radialement dans la masse du disque ou de l'anneau. Un tel dispositif permet de renforcer notablement la turbulence et d'accroftse ainsi l'efficacité du traitement d'épuration, La présente invention vise à multiplier encore plus la vitesse des échanges, à créer un dispositif susceptible de convenir à des applications rOaetionnelles très diverses entre liquide et gaz, et celà en partant de considérations dont ne tenaient pas compte les différents dispositifs et méthodes antérieurement connus.De meme que dans l'appareil ci-dessus rappelé, on utilisera un disque porteur d'aubes périphériques, mais dont la conception s'inspirera des données et observations ci-apres On entend par surface d'échange une nappe de séparation entre un liquide et un gaz sur laquelle se déroule le processus chimique ou physique recherché : soit une réaction chimique entre tout ou partie du gaz et tout ou partie du liquide, soit une évaporation de tout ou partie du liquide dans le gaz, soit une dissolution ou condensation de tout ou partie du gaz dans le liquide, soit tout autre processus entre le liquide et le gaz. A titre d'exemple, on peut citer l'aération de l'eau consistant particulièrement à produire la dissolution de l'oxygène de l'air dans l'eau. Or lorsqu'un échange est possible entre un gaz et un liquide, cet échange, qui peut être très limité en quantité, se fait presque toujours instantanément dès que la surface d'échange apparait; par conséquent pour favoriser au maximum les échanges réactionnels, il convient de créer de grandes surfaces d'échange même si le temps pendant lequel elles apparaissent est réduit. na présente invention se propose donc de mettre en application ces observations. Elle a pour objet un dispositif pour l'accélération des échanges entre liquide et gaz caractérisé en ce qu'il comporte une turbine mise en rotation dans la masse liquide pour lui communiquer un mouvement relativement lent, la turbine étant équipée à sa périphérie d'aubages à profil hydrodynamique tronqué afin de créer un volume de cavitation à l'arrière de chaque aubage tronqué, des canaux de circulation du gaz étant aménagés pour déboucher dans les volumes de cavitation. Les détails de réalisation d'un tel dispositif seront bien compris au cours de l'exposé ci-après se référant au dessin ci-annexé. Sur ce dessin La figure 1 est une vue du profil hydrodynamique d'un aubage après trongage, conformément à l'invention. La figure 2 est un schéma du montage d'un aubage tronqué sur la périphérie du disque de la turbine avec les canaux d'alimentation en gaz depuis la partie centrale de la turbine. La figure 3 est une vue en coupe diamétrale d'une réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 4 est une variante de la figure 3. On a tracé sur la figure 1 un profil classique d'aubage de forme hydrodynamique et on a représenté notamment en trait plein le profil tronqué 10 selon l'invention, tandis que la queue 11 de ce profil ou bord de fuite apparat en trait discontinu. Le profil adopté pour le dispositif à aubages tronqués est donc constitué par la partie curviligne 10 fermée à l'arrière par la ligne 12. Sur la figure 2, on voit un tel aubage 13 façonné selon ce profil et présentant ainsi à l'arrière une surface ou culot 14 engendré par la ligne 12 dans une direction sensiblement radiale par rapport à la turbine, la ligne 12 pouvant etre un segment de droite ou une courbe le plus souvent concave. L'aubage est calé sur l'épaisseur périphérique 15 du disque de la turbine qui est supposée en rotation dans le sens de la flèche F, pour créer un volume de cavitation à l'arrière de l'aubage devant le culot 14. C'est pour une vitesse suffisante de la turbine que se forme ce volume de cavitation, par suite de l'absence du bord de fuite résultant de la suppression de la queue de profil. C'est dans ce volume de cavitation que l'on-fait déboucher le ou les canaux de circulation du gaz : sur la figure 2, on a tracé un premier canal 16 d'alimentation en gaz qui partant de la zone centrale de la turbine débouche à la surface de l'épaisseur périphérique du disque au niveau du volume de cavitation; un second canal de gaz 17 relie la zone centrale de la turbine à ce même volume en traversant l'aubage pour aboutir à la surface du culot 14. La figure 3 est une vue en coupe diamétrale d'une réalisation du dispositif complet dans lequel la turbine 18 est équipée d'une série d'aubages 13 régulièrement répartis sur la périphérie du disque; la turbine est entrainée en rotation par un arbre moteur axial 19 traversant en son centre le fond 20 d'une cuve 21 fixe et étanche de forme cylindrique, le disque de la turbine tournant avec jeu devant le bord circulaire 22 de la cuve de faible profondeur. La cuve avec la turbine est immergée dans le liquide, tandis que le gaz pénètre dans cette cuve par une canalisation 23 traversant la paroi latérale de la dite cuve; on a dessiné également sur la figure 3, un canal 16 et un canal 17, chacun avec un des trajets prévus par la figure 2. Sous 1 l'action de la force centrifuge développée par la turbine en rotation, le liquide est chassé de l'intérieur de la cuve 21 et s'échappe entre le bord 22 de la paroi latérale de la cuve et la périphérie du disque de la turbine; le courant de gaz de la canalisation 23 pénètre donc sans difficulté dans la cuve pour passer ensuite dans les conduits 16 et 17 vers l'arrière des aubages. Des deux c8tés de chaque aubage 13, il est créé, sous l'action de la rotation de la turbine, une nappe liquide de forme hélicoi- dale, tandis que l'espace de cavitation délimité par ces deux nappes et le culot de 1'aubage est alimenté en gaz. On génère ainsi des surfaces d'échange qui sont très rapidement renouvelées par la vitesse de rotation de la turbine, on parvient donc, conformément à l'invention, à augmenter beaucoup les échanges réactionnels entre liquide et gaz. Par un choix convenable du calage des aubages, de la quantité de gaz débitée et de la vitesse Ce rotation de la turbine, la puissance exigée par la turbine pour la mise en mouvement du liquide et du gaz est faible et très comparable à celle qu'absor- berait une hélice classique pour assurer le mouvement de translation d'ensemble du liquide seul. A titre d'exemple voici un ordre de grandeur des caractéristiques de fonctionnement du dispositif Vitesse axiale de la masse liquide : 0,5 mjs Vitesse linéaire des aubages : 20 mys Incidence du profil d'aubage : 1 a 2 degrés. La figure 4 est une variante du dispositif de la figure 3 et qui fonctionne d'ailleurs dans les mêmes conditions : cette variante diffère du dispositif précédent - d'abord par l'arbre moteur axial 24 de la turbine qui vient porter sur la face extérieure de la turbine et est donc entière nent extérieur à la cuve 21. - ensuite par l'alimentation en gaz de l'intérieur de la cuve au moyen, soit d'une canalisation axiale 25 traversant le fond de la cuve, soit d'une canalisation 26 traversant la naissance de la paroi latérale de la cuve et dirigée vers la zone centrale de la turbine, soit par ces deux canalisations. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour l'accélération des échanges entre liquide et gaz caractérisé en ce qu'il comporte une turbine mise en rotation dans la masse liquide pour lui communiquer un mouvement relativement lent, la turbine comportant des aubages à profil hydrodynamique tronqué afin de créer un volume de cavitation à 1 'arriè- re de chacun d'eux, des canaux de circulation du gaz étant aménagés pour déboucher dans les volumes de cavitation. 2 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le disque de la turbine est mis en rotation avec un jeu sensible, devant le bord circulaire d'une cavité dans laquelle débouche le gaz qui y est aspiré par la dépression de cavitation. 3 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le conduit d'amenée de gaz dans chaque volume de cavitation relie la zone centrale de la turbine à l'épaisseur périphérique du disque de la turbine au voisinage arrière de la face de troncage intéressée. 4 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le conduit d'amené de gaz dans chaque volume de cavitation relie la zone centrale de la turbine à la face de troncage en traversant l'aubade intOressé. 5 - Dispositif suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le disque de la turbine est mis en rotation devant une cuve cylindrique de faible profondeur et dont le diamètre extérieur est égal à celui du disque, avec un jeu sensible entre le bord circulaire de la cuve et la périphérie du disque. 6 - Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'arbre moteur de la turbine traverse axialement le fond de la cuve immergée dans le liquide avec la turbine, une canalisation la latérale à la cuve amenant le gaz à l'intérieur de celle-ci. 7 - Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'arbre moteur axial de la turbine est entièrement extérieur à la cuve immergée dans le liquide avec la turbine, l'introduction du gaz dans la cuve se faisant par une canalisation axiale traversant le fond de la cuve ou/et une canalisation oblique traversant la naissance de la paroi latérale de la cuve.