Brevet FR2353000A1 — publié le 19771223

L'utilisation par l'industrie d'écoulements de fluides chargés de particules staccrott à l'occasion du developpe- ment des processus de réaction et d'rechange en lit fluidisé. Une des difficultés technologiques qui freinent cet accroissement est de réaliser des vannes étanches et endurantes dans le trajet de tels écoulements. En effet, l'accumulation de particules sur les portées ou dans le mécanisme des vannes mécaniques, arrive à la longue à les rendre inopérantes, et ceci, quel que soit leur type, par exemple, à papillon, à pelle, à soupape, à pointeau, à déformation d'élastomère. I1 convient d'ailleurs de remarquer que ces accumulations sont maximales précisément lors des mouvements des vannes mécaniques, car elles provoquent alors une obstruction partielle de ltécoulement ce qui créé des zones de survitesse et des zones de tourbillons favorables à des dépits et aussi à des usures localisées. Les mimes phénomènes aérodynamiques transitoires sont néfastes aussi dans le cas de fluides très chauds, comme par exemple les fumées de combustion lorsqu'on veut les diriger vers des dispositifs d'épuration. Un des objets de ltinvention est de protéger les vannes mécaniques, et en particulier les vannes d'arret, lors de leurs mouvements de fermeture ou d'ouverture dans les cas où le fluide véhiculé est soit chargé de particules lourdes surtout lorsqu'elles sont abrasives, soit très chaud, soit à la fois chargé et chaud-. Le procédé selon l'invention consiste à introduire transitoirement, en amont de la vanne à protéger, un fluide propre, c'est à dire sans particule, et éventuellement moins chaud, de façon que pendant la manoeuvre de la vanne celle-ci soit parcourue par ce fluide propre qui la nettoie, lui évite un échauffement excessif, et lui permet ainsi un fonctionnement facile et saur, le débit de fluide chargé et/ou chaud étant alors annulé ou tout au moins fortement réduit. Le cycle de fonctionnement du procédé selon l'in- vention peut être réalisé par un programmeur automatique réalisant la manoeuvre de la vanne au cours de l'introduction transitoire de fluide propre. On connaît par ailleurs des vannes fluidiques à tourbillon qui utilisent le phénomène aérodynamique du tourbillon centripète, parfois appelé "vortex, pour réduire ou arrêter un débit principal sans organe mécanique mobile dans ce débit princi pal. De telles vannes à tourbillon sont décrites par exemple dans le document WASA-CONTRACTOR REPORT 1091 paru aux ETATS-UNIS dlAtERIQUE en juin 1968, en particulier aux pages 5 à 11 de ce document. Elles sont couramment employées dans le domaine de la régulation fluidique, et alors miniaturisées, et parfois employées dans le domaine des fusées aérospatiales on petites dimensions. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'utilisation de telles vannes à tourbillon pour l'introduction transitoire du débit de fluide propre selon l'invention pernet de n'employer qu'un faible débit det ce gaz,par exemple 5 à 15/;; du débit de fluide principal et pendant cette courte période transitoire Un second avantage inattendu de cette utilisation est que les particules ou impuretés lourdes contenues dans le fluide principal ou qui peuvent se détacher des parois des conduites sont alors centrifugées dans le tourbillon et recueillies de ce fait dans le corps meme de la vanne tourbillon, ce qui protège la vanne mécanique située en aval meAme des grosses particules qui par gravité ou inertie pourraient autrement-traverser le fluide propre. La description qui va suivre en regard des dessins annexé donnés a titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut autre réalisée. La figure 1 montre en coupe un premier mode de réalisation de l'invention. Les figure 2 et 3 montrent en coupes longitudinales et transversales un deuxième mode de réalisation. Les figures 4 et 5 montrent en coupes longitudinales et transversales un troisième mode de réalisation. Selon la figure 1, le fluide chargé,qui peut titre par exemple une boue arrive par la conduite 1 et traverse en régime normal une buse d'introduction de fluide propre constituée dans cet exemple d'un collecteur 2 relié par une conduite 3 à un réservoir 4 soumis à la pression dtun matelas d'air comprimé 5. Une vanne auxiliaire 6 normalement fermée empoche l'introduction du fluide propre. La vanne mécanique à protéger est schématisée en 7. Une fente annulaire 8 fait communiquer le collecteur 2 avec la conduite 1. Pour appliquer le procédé selon l'invention, on ouvre d'abord la vanne auxiliaire 6, ce qui permet au liquide propre de pénétrer dans le collecteur, d'en chasser la boue qui 1 a pu sty accumuler, et de pénétrer à son tour dans la conduite bloquant transitoirement le courant de boue. La vanne 7 est alors alimentée en liquide propre, nettoyée de ce fait en un court instant et on peut la manoeuvrer sans difficulté, et refermer aussi tôt après la vanne auxiliaire. On remarquera que la fente 8 est de préférence orientée vers 11 amont de la conduite t et ne détermine pas d'angle mort dans le collecteur, ceci pour une meilleure élimination de la boue. En ou-tre cette orientation vers l'amont permet d'ut ser l'énergie cinétique du liquide propre pour bloquer l'écoulement principal avec un débit minimal, de l'ordre de 80 % de celuici. Les figures 2 et 3 décrivent un mode préféré de réalisation du procédé particulièrement adapté par exemple aux transferts de particules de lits fluidisés au sein d'un gaz chaud, ces particules pouvant être des billes d'alumine d'environ 2mm de diamètre. Le gaz chaud chargé de particules est introduit par la conduite 9, dans la vanne fluidique à tourbillon 10. En régime normal il traverse celle-ci directement sans tourbilloner et traverse ensuite la vanne mécanique principale 11 qui est alors en position ouverte. Un tube 12 arrivée de fluide propre, qui peut être de l'air comprimé industriel, porte le robinet 13. Il est raccordé tangentiellement au corps de la vanne à tourbillon 10, en son niveau de plus grand diamètre. Comme décrit dans le document précité, l'ouverture du robinet 13 permet à un débit d'air comprimé qui peut être par exemple égale à 5 % du début du gaz chaud de déclencher dans le corps 10 un régime tourbillonnaire centripète qui arrête tota isment le gaz chaud. Simultanément, conformément à llinvention, les particules de celui-ci qui se trouvent dans 9 et 10 et tombent par gravité sont plaquées par effet centrifuge dans la partie de plus grand diamètre du corps 10. Le fonctionnement de la vanne mécanique 71 se fait alors dans l'air froid propre et à faiblc débit issu de 12, tous facteurs qui facilitent ce fonctionnement. Un programmeur 14, par exemple électrique, permet par une commande unique d'actionner le robinet 13 et la vanne 11 selon le cycle de fonctionnement décrit. On remarquera un conte central 15 maintenu coaxialement dans le corps 10 de la vanne à tourbillon au moyen de bras tels que 16. Il est conçu de telle sorte que la section offerte au passage des gaz venant de 9 n'ait que peu de variations, ce qui a pour but d'éviter la forll1a- tion de zones à faible vitesse où les particules se déposeraient en régime normal. En outre cette pièce 15 favorise l'efficacité du tourbillon. Les figures 4 et 5 représentent une vanne combinée appliquallt le procédé selon l'invention et adaptée par exemple recevoir les fumées poussièreuses'émîses par les convertisseurs d1aciéries. Ces fumées sont introduites ici horizontalement et radialement en 20 dans le corps cylindrique 21 d'une vanne-tourbillon d'un type qui est décrit par exemple en détail dans le document "Proceedings of the fluid amplification symposium" October 1965, volume Il, pages 208 à 210, document édité par carry DIAMOND laboratories" aux STATS-UNIS dl\ERIQUEe Au voisinage débouche tangentiellement une fente d'arrivée d'air comprimé 22 alimentée par une conduite 23 portant un-robinet d'arrêt 24 et un autre robinet 25 situé en aval. Le corps 21 porte un orifice axial dirigé vers le haut qui forme un siège 26 coopérant avec un obturateur sphérique 27. Celui-ci qui peut-ttre en matière plastique résistant à la chaleur, est supporté par un bras 28 articulé en 29 sur le corps 21 de façon à pouvoir occuper une position de fermeture correspondant 'a la figure 4 et une position d'ouverture représentée en trait interrompu sur cette mme figure, à l'intérieur d'un boitier 30 étanche aux fumées. Le bras 29 est commandé par un vérin 31 actionné par de l'air comprimé qui lui est fourni par un branchement 32 situé sur la conduite 23 entre les robinets 24 et 25 et qui tend à appliquer l'obturateur 27 sur le siège 26. Un collier 33 serré sur la tige mobile du vérin 31 reçoit un ressort antagoniste 34 et une bielle 35 qui actionne le robinet 25 pour le fermer presque complè errent lorsque l'obturateur 27 est en position d'obturationQ Le branchement 32 peut comporter des moyens pour retarder ltaction nement du vérin, par exemple une capacité-tampon ou bien un étranglement éventuellement réglable. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant : Lorsque le robinet de commande 24 est ouvert, le vérin 31 provoque ltobturation et le robinet 25 laisse passer une légère fuite résiduelle d'air comprimé qui tend à protéger l'obturateur 27 de la chaleur des fumées, meme en cas de légère fuite accidentelle entre lui et le siège 26. Lorsqu'on ferme le robinet de commande 24, cette légère fuite libère le vérin 31. Le ressort 34 ainsi que la pressi des fumées relèvent l'obturateur 27 cependant que le débit dtair comprimé en 22 est complètelent arrêté, le robinet 25 se trouvant cependant complètement ouvert par la bielle 35. L'obturateur étant alors dans la position effacée représentée en trait interrompu níest pas endommagé par les fumées. Il pourrait en outre etre protégé par un cache mobile non figuré ici.Lorsqu'on ouvre alors le robinet 24, le vérin 31 est mis progressivement en action, cependant qu'un fort débit d'air comprimé, de tordre de 10 du débit des fumées, est aussitôt introduit tangentiellement par 'orifice 22 dans le corps de tourbillon 21. Du fait du tourbillon ainsi provoqué le débit des fumées est considérablement réduit, environ de 80 % et il entratne une proportion très réduite de poussières lesquelles sont en outre centrifugées et "piègées" dans le corps 21. Il ne passe alors par llorifice axial que du gaz propre et refroidi qui nettoie simultanément les surfaces du siège 26 et de llobturateur 27 au moment de leur contact, lequel est en outre facilité par la dépression due au tourbillon. Il faut noter en effet que par inertie celui-ci est encore actif meme un peu après la fermeture du robinet 25. L'application du procédé selon l'invention n'est pas limiteeaux dispositifs d'introduction décrits ci-dessus. Ainsi on pourrait utiliser d'autres dispositifs de tourbillonnement, par exemple celui décrit dans le brevet français n 1.481.970 : "Procédé de régulation dlun débit de fluide et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé", et sa 1ère addition. En outre le fluide auxiliaire peut véhiculer des additifs, par exemple de l'huile pulvérisée par l'injecteur 36 (fig 5) pour refroidir et lubrifier le micanisme. REVENDICATIONS lo Procédé de protections lors de ses mouvements, d'une vanne de commande d'un écoulement de fluide principal qui est chargé de particules et/ou i haute température et qui est de ce fait de nature à porter préjudice au bon fonctionnement ou à la bonne tenue de ladite vannes cette protectior se faisant à l'aide l'un fluide auxiliaire propre et/ou à moindre température --donc inoffensif à l'égard de la vanne introduit transitoirement au sein dudit écoulement principal en amont de ladite vanne un court instant avant chaque mouvement de celle-cis caractérisé en ce que cette introduction transitoire de fluide auxiliaire s'effectue de manière à bloquer pour l'essentiel le débit dudit écoulement principal et à faire parcourir ladite vanne essentiellement par ledit fluide auxiliaire inoffensif qu se substitue alors audit fluide principal préjudiciable au niveau de ladite vanne. 2'. Procédé de protection selon la revendication 1, dans lequel le fluide auxiliaire est introduit au sein de l t coulement de fluide principal par l'entremise d'une enceinte de révclution qui alimente ledit fluide auxiliaire et qui débouche dans ledit écoulement principal; caractérisé en ce que ledit fluide auxiliaire pénètre dans ladite enceinte de révolution avec une composante de vitesse tangentielle par rapport à celle-ci, c'est-à-dire une composante de vitesse orientée orthogonalement à l'axe de ladite enceinte de révolutions 3. Procédé de protection selon la revendication 2; caractérisé en ce que ladite enceinte de révolution constitue me vanne fluidique à tourbillon dite Uvortexfl. 4. Procédé de protection selon la revendication 1, 2 ou 3; dans laquelle la manoeuvre de la vanne à protéger et la commande d'introduction du fluide auxiliaire sont rendues interdépendantes par une programmation automatique, caractérisé en ce que cette dernière comporte une temporisation retardant ladite manoeuvre de vanne par rapport à ladite introduction de fluide auxiliaire. 5. Procédé de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes; caractérisé en ce que le fluide auxiliaire transporte de l'huile pulvérisée ou autre produit additif utile à la protection de la vanne. Dispositif de vanne protégée selon le procédé de la revendication 9; comportant en amont une vanne fluidique à tourbillon avec une arrivée radiale pour l'écoulement principal, une arrivée tangentielle empruntée au moins en partie par le fluide auxiliaire et une sortie axiales et en aval une vanne mécanique, caractérisé en ce que la sortie axiale de ladite vanne fluidique forme le siège d'étanchéité de ladite vanne mé cantique, 70 Dispositif de vanne protégée selon le procédé de la revendication 4, dans lequel un tube d'arrivée du fluide auxiliaire comporte une robinet de commande et un vérin actionnant le mouvement de la vanne, l'action dudit vérin étant asservie à ltouverture dudit robinet de commande, caractérisé en ce moyen de temporisation est interposé entre ledit robinet de commande et ledit vérin de façon à retarder l'faction du vérin par rapport à l'ouverture du robinet de commande,