Brevet FR2336167A1 — publié le 19770722

La présente invention concerne un procédé perfectionné pour réaliser le mélange de fluides , liquides ou gazeux, placés dans une enceinte, ce mélange étant obtenu par une agitation provoquée par un organe tel qu'hélice ou l'équivalent Le but à atteindre est évidemment d'obtenir une agitation optimale à moindre frais, particulièrement en ce qui concerne l'énergie à employer pour effectuer le mélange résultant decette agitation. Pour atteindre ce but , on a , jusqu'à présent , agi princi- palement sur la forme de l'enceinte d'agitation, celles de l'organe d'agitation et sa position , leurs caractéristiques relatives , telles la puissance à appliquer. Cependant , malgré les perfectionnements, , très réels d'ailleurs , qui ont pu être apportés aux mélangeurs , il est bien connu que l'énergie de l'agitation introduite dans les fluides à mélanger par l'organe d'agitation et de laquelle dépend I'efficacité du mélange, n'est pas la même dans tous les points de l'enceinte , certaines zones de celle-ci pouvant souvent être considérées comme mortes Pour éviter que soient plus ou moins complètement soustraites au flux de l'organe d'agitation ces zones mortes , on est toujours conduit à augmenter la puissance mise en jeu , donc l'énergie à employer pour réaliser une agitation qui , de toutes façons, ne sera qu'imparfaite. Cet inconvénient majeur est évité gracie à l'invention qui consiste essentiellement à déterminer un balayage du flux créé-par l'organe d'agitation, de façon à apporter , dans les fluides à mélanger, à des emplacements précis et sous une certaine périodicité , des énergies cinétiques locales relativement fortes, permettant de répartir , de préférence cycliquement l'énergie de mélange dans la totalité de l'enceinte , évitant ainsi la formation de zones mortes , sans augmentation de la puissance installée. Le balayage du flux créé par l'organe rotatif d'agitation peut être obtenu par rotation dudit organe qui, au lieu de tourner sur lui-meme autour d'un axe fixe , comme dans les mélangeurs connus, tourne autour d'm axe qui se déplace suivant une trajectoire conique . Ce balayage peut également etre réalisé , toujours conformément à If invention, par déviation du flux induit par l'organe d'agitation ce dernier étant alors porté par un arbre de position fixe , par tout moyen quelconque convenable , tels que grille rigide orientable ou aubages à incidence variable des aubes Le procédé suivant l'invention peut être mis en oeuvre au moyen de dispositifs, faisant également partie de l'invention et dont on a décrit ci-après , en référence aux dessins annexés, ce qui suit diverses formes de réalisation, fl est bien précisé qu'il s'agit uniquement d'exemples et que toutes autres formes , proportions et dispositions pourraient être adoptées sans sortir du cadre de l'invention Ces exemples se réfèrent à des mélangeurs dont l'organe d'agitation est constituée par une ou plusieurs hélices dont la rotation engen dre un flux axial et qui sont dits " hélico-mélangeurs " . I1 est bien entendu que , sans s'écarter du domaine de l'invention, cet organe pourrait être remplacé par tout autre système de mélange , tel que turbine centrifuge bras râcleurs, palettes radiales , ancres, etc... Ainsi qu'on le voit à la ;Fig. 1 , l'arbre 1 d'axe la portant l'hélice 2 (ou les hélices) tournant dans l'enceinte a de mélange , est entrai né en rotation par le moteur 3, éventuellement par l'intermédiaire du réducteur 4. Conformément à l'invention, il est guidé de façon à se déplacer librement sur un c8ne d'axe 5 . L'hélice C ou les hélices ) entraînée en rota tion tW autour de l'axe la crée un couple autour de l'axe 5 En effet, comme on le voit sur la figure 2, chaque pale d'hélice , dans son mouvement dans la zone extérieure 6 , crée une résultante dans un plan normal à l'axe 5 , de moment M 6 par rapport à cet axe De la meme façon , dans son mouvement dans la zone intérieure 7, la même pale crée une résultante de moment M 7 par rapport à l'axe 5. M 6 et M 7 sont de sens opposés . Au début du mouvement conique , M 6 est plus grand en valeur absolue que M 7 . la rotation conique autour de l'axe 5 apparat et sa valeur A croit jusqu'au moment où les valeurs absolues de M 6 et M 7 deviennent égales L'arbre d'hélice I est ainsi entrainé dans son mouvement conique autour de l'axe 5 , en sens contraire du mouvement de rotation de hélice autour de l'axe 1 - La vitesse stabilisée d'entralZhement de ce mouvement conique , est fonction de la distance entre l'axe 5 et le centre de l'hélice Cette vitesse croit d'abord quand cette distance augmente et elle diminue ensuite Un grand nombre de cinématiquespermettant d'assurer le guidage conique de l'arbre 1 d'axe la 'sont possibles .Elles peuvent se classer en trois groupes, étant observé qu'il ne s'agit jamais que d'exemples non limitatifs - Un groupe dans lequel le moteur , son réducteur et l'arbre forment un ensemble indéformable A ce groupe , appartiennent les formes de réalisation représentées aux iFig, 3a , et 4 à 8 , où lton trouve - le pivotement libre de l'ensemble sur un axe vertical 8 (figure 3 ) ou 9 (figure 3a) ( l'alimentation du moteur doit se faire, dans ce cas , par bagues et balais ) . - le pivotement de l'ensemble sur un joint de cardan 10 ( voir Fig. 4 à 7). Le guidage conique de l'arbre I peut alors etre assuré, soit par un rail de guidage inférieur 11 (figure 4) ou supérieur 12 (figure 5) , ou par une biellette de guidage inférieure 13 (figure 6) ou supérieure 14 (fig. 7) Eventellement, pour certains cas particuliers, la biellette inférieure 13 (fig. 6) peut être placée au voisinage dufond de cuve , et formée géométriquement pour travailler comme le fait une herse au balayage de ce fond. - le pivotement de l'ensemble sur une rotule ou tout dispositif équivalent 15 (figure 8) . Le couple de réaction du moteur est alors pris , par exemple par une biellette 16 liée au moteur par une chape 17 et coulissant dans le trou 18 d'une pièce fixe 19. Ces exemples ne sont pas limitatifs et tout autre dispositif classique peut autre proposé sans sortir pour cela du présent brevet. Un autre groupe, dans lequel le moteur est fixe , le réducteur et l'arbre d'hélice formant un ensemble indéformable ( voir Fig. 9 à 14). L'ensemble reductear-arbre d'hélice pivote sur un roulement a à billes ou à galets, l'axe de l'arbre d'hélice étant oblique par rapport à l'axe du roulement La liaison moteur-réducteur , ou moteur-arbre s'il n'y a pas de réducteur, peut être assurée par exemple , d'une des manières suivantes par accouplement élastique 20, Fig. 9 par arbre à deux joints de cardan 21 , Fig. 10 par renvoi d'angle conique 22, Fig. 11 par renvoi d'angle à 90" 23 et courroies 24, Fig. 12 par courroie plate 25 et galets d'angle 26, Fig. 13 par réducteur à entrée oblique 27, Fig. 14. - Un troisième groupe dans lequel l'ensemble moteur-réducteur est fixe, l'arbre d'hélice étant oblique ( voir Fig. 15 à 17 Le guidage de l'arbre d'hélice est assuré , par exemple par l'un des moyens suivants --roulement 28, Fig. 15, l'axe de l'arbre 1 étant oblique par rapport à l'axe de roulement - rail inférieur 29, Fig. 16 - biellette inférieure 30, Fig. 17 La liaison entre réducteur et arbre ( ou entre moteur et arbre s'il n'y a pas de réducteur ) sefait par l'intermédiaire d'un joint élastique ou d'un joint de cardan. Dans la variante représentée à la Fig. 18 , moteur , réducteur et arbre d'hélice forment un ensemble indéformable monté sur un joint de cardan 31 , ce qui permet àcet ensemble d'osciller Deux biellettes horizontales à 900 l1une de l'autre 32 et 33 sont fixées chacune à la partie supérieure du moteur par cardan, rotule ou joint élastique, l'autre extrémité étant positionnée à chaque instant par un groupe de balayage 34 et 35 , constitué soit par un vérin , soit par moteur et manivelle ou tout autre dispositif équivalent connu Dans ces conditions , le fonctionnement ensynchronisme des deux groupes de balayage permet de commander un mouvement conique circulaire de l'arbre d'hélice si les deux amplitudes sont égales ou un mouvement conique elliptique si les deux amplitudes sont différentes De façon plus générale , il est facile , par programmation des deux groupes de balayage de donner à l'arbre d'hélice une loi quelconque d'orientation dans le temps Dans toutes les dispositions énumérées précédemment l'hélice ( ou les hélices ) penvent votre remplacées par tout autre dispositif de mélange par exemple : roues centrifuges, bras ou palettes radiales ancres , sans que cette énumération soit restrictive Quelle que soit la forme de réalisation , la rotation conique de l'arbre peut entrainer une ou des surfaces , pivotant autour de l'axe 5 à la vitesse de rotation a . Cette vitesse étant en sens inverse de la vitesse d'entrai nement du fluide , celle-ci se trouve de ce fait diminuée L'hélico-méIangeur à balayage conique suivant l'invention présente , par rapport à un hélico-mélangeur classique, en particulier les avantages suivants - il crée une énergie locale de mélange plus grande par unité de volume que ce dernier et transmet mieux l'énergie cinétique dans tout le volume de la cuve - Ce balayage apporte dans chaque zone de la cuve des impulsions d'énergie qui sont dans certains cas plus favorables au mélange que la répartition uniforme dans le temps du mélangeur classique - Du fait de la rotation conique , la circulation p autour de chaque pale de l'hélice varie de façon continue sur chaque tour de hélice, créant des tourbillons supplémentaires dans le fluide , ce qui est favorable au mélan ge - A puissances constantes , le couple.C sur l'arbre d'hélice est proportion nel à la puissance 5/3 du diamètre :C = K D 5/3 ce qui permet de réduire le diamètre de cet arbre et l'importance du réducteur placé entre moteur et arbre - Enfin, ce meme couple étant le couple d'entralnement en rotation du fluide à mélanger, les baffles anti-rotation placées à la périphérie de la cuve pour limiter cette rotation , peuvent être de dimensions plus fai bles et dans certains cas , supprimée s Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble moteur-réducteur- arbre-hélices est disposé comme dans un hélico -mélan geur habituel, ctest à dire d'orientation fixe et le jet sortant de l'hélice est , conformément à l'invention, dévié à volonté au moyen soit d'une grille rigide orientable 36 -Fig. 19, soit de deux aubages successifs croisés 37 et 38 -Fig. 20 , dont l'incidence des aubes est variable Dans le cas de la figure 19 , la grille 36 peut être articulée par l'intermédiaire d'un joint de cardan, sur un point fixe solidaire du fond decuve par exemple . Son orientation est commandée par exemple par deux biellettes 39 et 40 , attaquées chacune , comme dans l'exemple traité à la figure 18 , par un groupe de balayage constitué soit par un vérin, soit par moteur et manivelle ou tout autre dispositif équivalent connu Dans le cas de la figure 20 , chaque aubage est monté comme une ventelle ,l'incidence des aubes étant contrôlée comme précédemment par biellettes 41 et 42 et groupes de balayage 43 et 44. Le fonctionnement en synchronisme des deux groupes de balayage ou une programmation convenable deleurs mouvements permettent, comme dans l'exemple traité à la figure 18 , dans le cas des figures 19 et 20 , de donner au jet une loi d'orientation quelconque dans le temps Bien entendu , l'invention peut donner lieu à encore d'autres formes de réalisations sans que , ce faisant , on sorte de son cadre REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser le mélange de fluides , liquides ou gazeux , gracie à une agitation provoquée par le flux créé par un organe d'agitation, disposé de façon à déterminer un balayage de 11 enceinte par ledit flux, caractérisé en ce que le balayage du flux créé par l'organe d'agitation est réalisé par rotation dudit organe autour d'un axe qui se déplace suivant nne trajectoire conique a prédéterminée . 2 . Procédé suivant 1) caractérisé en ce que le balayage du flux créé par l'organe d'agitation, est réalisé par déviation dudit flux, l'organe d'agitation étant alors en position fixe, à l'aide de tout moyen quelconque, tels que grille orientable ou aubages à incidence variable des aubes 3. Dispositif pour la réalisation du procédé suivant I), caractérisé en ce que 11 organe d'agitation et ses moyens d'entraShement en rotation forment un ensemble incliné et pivotant librement autour d'un point fixe de l'enceinte 4.Dispositif suivant 3 caractérisé en ce que la trajectoire conique décrite par peut l'organe d'agit ation/tte guidée par des moyens tels que rails ou biellettes 5 , Dispositif suivant 4) caractérisé par le pivotement de ltensemble, sur une rotule ou analogue , le couple de réaction du moteur étant pris par une tige biellette ou analogue , coulissant dans une pièce fixe 6 .Dispositif suivant 4) caractérisé en ce que le moteur d'entrathement de l'organe d'agitation est fixe et entraîne arbre dudit organe , disposé obliquement par l'intermédiaire d1un roulement 7 la liaison entre le moteur et l'arbre, éventuellement relies par un réducteur, étant assurée par tout moyen quelconque convenable , tel qu'accouplement élastique , arbre à joints de cardan renvoi d'angles et courroies, réducteur à entrée oblique éventuel 7.Dispositif suivant 4) caractérisé en ce que le moteur et le réducteur/d'en- trainement de l'organe d'agitation sont fixes, l'arbre dudit organe étant disposé obliquement et seul déplaçable a caractérisé en ce que la liaison entre réducteur et arbre s'opère par tout moyen quelconque convenable , tel que joint élastique ou à la cardan, le guidage de l'arbre de l'organe dJagitation étant assuré par tout moyen quelconque convenable , tel que roulement , rail ou biellette de guidage. 8 . Dispositif suivant 4) caractérisé en ce que l'ensemble constitué par le moteur, éventuellement le réducteur et l'arbre de l'organe d'agitation forment un ensemble indéformable monté de façon à pouvoir osciller autour d'un joint de cardan , sous l'action de biellettes disposées à90 ltune de l'autre et entratnées par des moyens tels que vérins ou l'équivalent 9. Dispositif pour la réalisation du procédé suivant 2) caractérisé en ce que le flux induit par l'organe d'agitation est dévié au moyen d'une grille dont les éléments sont mus par un système de biellettes décalées de 90 entraBnées par vérin ou l'équivalent. 10 . Dispositif pour la réalisation du procédé suivant 2 , caractérisé par deux systèmes d'aubages articulés disposés orthogonalement et manoeuvrés par un système de biellettes et manoeuvrables par tout moyen quelconque convenable, tel que vérin 11. Tout appareil mélangeur comportant application du procédé et muni des dispositifs suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10