Brevet FR2362287A1 — publié le 19780317

L'invention a trait à une pompe à vide à impulseur liquide, destinée notamment à l'extraction des incondensables de condenseurs de centrale thermique, et du genre où une veine liquide est divisée en lames injectées par un rotor dans un canal de pompage qu'elles obturent transversalement, avec un déplacement axial depuis un volume d'aspiration vers un orifice de décharge. Le bon fonctionnement des condenseurs de machines thermiques nécessite que ces condenseurs soient mis et maintenus sous vide à une pression qui n'excède pas sensiblement la pression de vapeur saturante à la température du condenseur ; ceci requiert que soient évacués l'air et d'une façon générale tous les gaz qui sont désignés couramment sous le nom d'11incondensables". Les pompes destinées à extraire les incondensables travaillent en présence de vapeurs condensables, doivent présenter une capacité pneumatique élevée, généralement exprimée en débit volumique à la pression d'extraction, pour réduire les délais de mise en route de l'instal- lation qui présente un grand volume à évacuer et doivent pouvoir fonctionner en aspiration depuis la pression atmosphérique jusqu'à la pression de travail du condenseur. On a utilisé à cet effet des éjecteurs à vapeur ou à eau dont les performances sont médiocres. On utilise parfois des pompes volumétriques, à anneau liquide,ou mécaniques à pistons rotatifs. Les pompes à anneau liquide sont généralement équipées d'un éjecteur à gaz en amont pour améliorer la capacité de pompage aux faibles pressions. Les pompes à pistons rotatifs, connues dans la technique sous le nom de pompes "ROOTS" sont couplées en avant avec des pompes à palettes pour pallier leur fonctionnement insuffisant aux pressions élevées. Ces pompes volumétriques ont une capacité pneumatique et un rendement intéressant mais demandent un entretien important et sont onéreuses à l'achat. Les pompes mécaniques en outre supportent mal la présence de vapeurs condensables sans dispositions particulières (injection d'air) qui diminuent leur rendement. Le type de pompe le plus utilisé actuellement pour l'extraction des incondensables est une pompe hydraulique où de l'eau est injectée à travers un rotor à aubages qui divise la veine injectée en lames qui tournent avec le rotor dans la zone d'injection. Ces lames sont dirigées sensiblement transversalement à un canal de pompage tangent au rotor dans la zone d'injection, en sorte que ces lames en tournant se comportent comme des palettes ou impul seurs liquides qui entraient les incondensables emprisonnés entre deux lames consécutives dans la direction axiale du canal de pompa ge depuis un volume d'aspiration relié au condenseur jusqu'à un orifice de décharge. Ces pompes ont une bonne fiabilité, une efficacité convenable et demandent peu d'entretien. Par contre leur capacité pneumatique est limitée, du fait que la veine injectée n'intéresse qu'une fraction limitée de la périphérie du rotor. En outre la stabilité des lames d'eau nécessaire pour obtenir une occlusion du canal de pompage exige que les lames soient éjectées du rotor avec une vitesse suffisante transversalement au canal de pompage, et l'énergie cinétique correspondant à cette vitesse transversale est perdue pour le pompage. La stabilité des lames ne peut etre obtenue de plus que si le canal de pompage a une section transversale suffisamment étroite. Enfin l'entrée et la sortie des aubages de la veine liquide donnent lieu à des chocs. L'invention a pour objet une pompe à vide à impulseur liquide, de capacité pneumatique accrue, avec un bon rendement, et ne demandant qu'un entretien réduit. A ces effets l'invention propose une pompe à vide du genre où une veine liquide est divisée en lames injectées par un rotor dans un canal de pompage qu'elles obturent transversalement, avec un déplacement axial, depuis un volume d'aspiration vers un orifice de décharge, caractérisée par un rotor avec une pluralité d'ajutages d'éjection périphériques et un orifice axial d'entrée de liquide, et par une couronne d'éjection fixe disposée autour du rotor avec une multiplicité de canaux de pompage s'étendant de la périphérie intérieure à la périphérie extérieure de la couronne, la périphérie intérieure formant une partie de la paroi de confinement du volume d'aspiration. Par cette disposition chaque éjecteur distribue, sous l'effet de la rotation du rotor, une lame de volume défini de liquide à l'entrée de chaque canal de pompage, avec une vitesse axiale dirigée vers la périphérie extérieure de la couronne fixe. Les incondensables emprisonnés entre les lames successives injectées dans chaque canal sont entraSnés vers la périphérie extérieure de la couronne. Tous les canaux de pompage travaillent en parallèle et l'énergie cinétique perdue par les lames entre l'injection et la sortie des canaux de pompage est transformée en travail de compression des incondensables. Très peu d'énergie est perdue par turbulence, cause d'usure de la pompe. De préférence les canaux de pompage ont des orifices d'entrée jointifs sur la périphérie intérieure de la couronne, en sorte que les ajutages d'éjection du rotor débitent en continu, sans chocs. Les canaux ont avantageusement une section qui décroît régulier ment de la périphérie intérieure à la périphérie extérieure de la couronne ; les lames d'eau croissent en épaisseur au fur et,à mesure que leur vitesse de progression diminue en raison de la transformation de leur énergie cinétique en travail de compression, et leur stabilité se maintient sur toute la longueur du canal. De préférence le rotor a la forme générale d'un disque creux horizontal et les ajutages d'éjection sont répartis à espacement angulaire régulier sur la périphérie, pour obtenir un fonctionnement régulier. Les ajutages d'éjection sont dirigés en formant un premier angle avec la direction radiale du rotor, en arrière par rapport au sens de rotation, tandis que les canaux de pompage forment un second angle avec la direction radiale de la couronne en avant par rapport au sens de rotation du rotor. La combinaison de la vitesse périphérique du rotor et de la vitesse d'éjection du liquide suivant le premier angle par rapport au rotor a pour résultat une vitesse d'éjection par rapport à la couronne dans une direction voisine du second angle. Les ajutages d'éjection peuvent étre prévus avec une lèvre formant écope à l'intérieur du rotor en arrière de l'ajutage par rapport au sens de rotation du rotor. Ces lèvres découpent dans le liquide à l'intérieur du rotor des veines qui sont forcées dans les ajutages avec une vitesse d'éjection par rapport au rotor très voisine de la vitesse périphérique. De préférence alors le second angle est égal à la moitié du complément du premier angle, de façon que la vitesse d'éjection du liquide soit dirigée suivant l'axe des canaux de pompage. Selon une disposition préférée de l'invention, la pompe est immergée dans un bac rempli de liquide, l'orifice axial d'entrée du rotor et les orifices de sortie des canaux de pompage étant situés en dessous- de la surface du liquide dans le bac. Le liquide est puisé par le rotor de pompe dans le bac, projeté dans les canaux de pompage d'où il ressort avec les incondensables pompés, pour pouvoir etre repris par le rotor tandis que les incondensables remontent en surface De préférence un cloisonnement divise le bac en un espace d'aspiration d'où débouche l'orifice axial d'entrée du rotor et un espace de refoulement où débouchent les canaux de pompage, ces espaces d'aspiration et de refoulement communiquant par des chicanes de séparation liquide gaz. On évitè ainsi que le rotor n'aspire des incondensables avec le liquide dans le bac. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente une pompe selon l'invention, en coupe. suivant un plan vertical la figure 2 est une coupe suivant le plan II-II de la figure 1 la figure 3 est un détail montrant l'injection dans un canal de pompage la figure 4 est une vue de la disposition de la pompe dans son bac. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figures 1 et 2, la pompe comporte un corps 1 dans son ensemble délimitant une cavité de révolution 10 autour d'un axe vertical. La cavité 10 forme volume de pompage pour des incondensables pénétrant par la bride 13 de liaison à un condenseur. Le corps 1 peut reposer sur une surface plane par un pied tubulaire 12 avec des échancrures 12a. Dans l'axe du pied 12 et communiquant axialement avec la cavité 10 est disposée une tubulure d'entrée d'eau 11 à profil hydrodynamique. Un rotor 2 disposé coaxialement dans la cavité 10 et en forme de disque creux 21 avec un orifice axial 22 communiquant par un joint avec la tubulure 11 et des ajutages périphérie ques 23 à 26, peut être entrainé en rotation par un arbre vertical 20, passant par un palier étanche 14 dans le corps 1.Un moteur, non représenté, repose sur une platine 15 surmontant le corps 1, et s'accouple sur l'arbre 20. Une couronne 3 avec des canaux de pompage 30 est disposée autour du rotor 2, coaxialement à celui-ci et sensiblement dans un meme plan horizontal en coupant le corps 1 de sorte que la périphérie intérieure 31 constitue une partie de la paroi qui confine ou délimite le volume de pompage 10. Les dispositions relatives du rotor 2 et de la couronne 3 sont plus clairement représentées sur la figure 2. On voit que le rotor 2 comporte une cavité interne 21 en forme de disque d'où partent quatre ajutages 23 à 26 espacés angulairement à 900 et formant avec une direction radiale du rotor 2 un angle dirigé vers l'arrière par rapport au sens de rotation. La couronne 3 comporte une multiplicité de canaux de pompage tels que 30, séparés par des cloisons telles que 32 en forme de coins avec leurs aretes disposées sur la périphérie interne 31 de la couronne 3. Deux flasques horizontaux visibles sur la figure 1 forment cloisons supérieure et inférieure de la couronne 3 et ferment les canaux de pompage 30 aux parties supérieure et inférieure.L'angle dièdre que forment les cloisons en coins 32 est tel que les orifices d'entrée 33 des canaux 34 étant jointifs sur la périphérie intérieure 31 de la couronne, la section des canaux 30 décroît régulièrement de l'ori- fice d'entrée 33 à l'orifice de sortie 34 sur la périphérie extérieure de la couronne. Les canaux30 sont inclinés sur la direction radiale correspondante de la couronne 3 d'un angle en avant par rapport au sens de rotation du rotor 2. On verra mieux sur la figure 3 qui représente le détail de l'ajutage d'injection 23 en position en face du canal 30. L'ajutage 23 se termine en faisant l'angle 231 avec la direction radiale du rotor. A l'intérieur 21 du rotor 2 l'ajutage 23 comporte une lèvre 233, en arrière par rapport au sens de rotation, cette lèvre formant écope pour prélever de l'eau dans le rotor 2 en rotation et la forcer à sortir par l'ajutage 23, dans la direction de l'an- gle 231 par rapport à l'ajutage 23. On remarquera que 1'ajustage 23 étant de section sensiblement constante le module de la vitesse d'éjection de l'eau par l'ajutage 23 sera constant et donc égal au module de la vitesse périphérique 200 de l'ajutage 23.La vitesse d'éjection hors de l'ajutage 23 prise par rapport à la couronne 3 fixe résultera donc de la composition de la vitesse d'éjection suivant l'angle 231 et de la vitesse périphérique 200 et sera donc dirigée, les deux composantes étant égales en module, suivant la bissectrice des directions des deux composantes. I1 est aisé de voir que, par rapport à la direction radiale de la couronne 3, l'angle 232 formé par la vitesse résultante est la moitié du complément de l'angle 231. L'axe du canal 30 fait sensiblement le meme angle avec la directionradiale de la couronne, en sorte que l'eau éjectée par l'ajutage 23 sera très sensiblement injectée dans le canal 30 axialement. La pompe à vide peut fonctionner en reliant la tubulure d'entrée 11 à une canalisation d'entrée d'eau. L'eau qui sort de la couronne 3 est alors collectée par une volute rapportée sur la périphérie extérieure de cette couronne et terminée par une bride d'évacuation pbur la liaison avec les circuits d'eau d'une pompe à impulseur liquide classique. Cependant, il est préférable de la faire fonctionner suivant la disposition représentée figure 4. La pompe est immergée dans un bac 400, rempli d'eau, de manière que le niveau de l'eau soit intermédiaire entre le palier 14 et la platine de moteur 15.Le bac est divisé en un espace inférieur d'aspiration 401 et un espace de refoulement supérieur 402 par une cloison horizontale 404, en sorte que la tubulure d'entrée 11 débouche dans l'espace d'aspiration 401, tandis que les canaux de la couronne 3 débouchent dans l'espace de refoulement 402. Une chicane 403 dans son ensemble, composée de deux cloisons verticales 405 et 407 s'étendant de la cloison horizontale 404 jusqu'à une hauteur en dessous du niveau de l'eau, et une cloison verticale 406, émergeant à sa partie supérieure, disposée entre les cloisons 405 et 407 et plongeant dans l'eau en ménageant un espace entre son bord inférieur et la cloison 404, met en communication les espaces de refoulement 402 et d'aspiration 401. Le bac 400 est rempli à travers la conduite de remplissage 408 jusqu'au niveau défini par le trop-plein 409. Une vanne de vidange 410 est disposée au point bas du bac 400. Le condenseur est relie à l'orifice d'entrée 13 du volume d'aspiration 10 par une tubulure étanche 411 sortant à la partie supérieure du bac. Au repos tout le volume d'aspiration est rempli d'eau, ce qui facilite son amorçage. Le fonctionnement de la pompe va etre expliqué en se référant aux figures 1 à 4. Lorsque l'arbre 20 est mis en rotation par le moteur disposé sur la platine 15 au-dessus du niveau de l'eau dans le bac-400, l'eau qui remplit l'intérieur du rotor 21 va etre forcée par les lèvres écopes 233 dans les ajutages d'éjection 23 à 26. Comme il a été expliqué en référence à la figure 3, les veines éjectées par ces ajutages 23 à 26 sont dirigées dans l'axe des canaux de pompage. En raison de la rotation du rotor 2, les veines éjectées vont etre divisées en lames injectées successivement dans chacun des canaux de pompage, avec une vitesse initiale résultant de la combinaison de la vitesse périphérique des ajutages d'éjection, et de la vitesse d'éjection à travers les ajutages et l'éner- gie cinétique de ces lames injectées va etre transférée au milieu ambiant, c'est-à-dire en premier lieu à l'eau qui remplit l'espace de pompage 10 qui sera de ce fait expulsée par les canaux de pompa ge 30 vers l'espace de refoulement 402. Dès que le niveau de l'eau dans l'espace de pompage se seraabaissê en dessous des orifices d'entrée des canaux de pompage 30, la pompe amorcée va commencer le travail de pompage proprement dit.Les lames d'eau injectées dans les canaux de pompage vont etre séparées, dans un meme canal, par des volumes dtincondensables (de l'air principalement au début du pompage) qui seront expulsés avec les lames d'eau vers l'espace de refoulement. La figure 3 montre les lames d'eau qui se répartissent en spirales dans les canaux successifs. Le rapport des volumes de fluide aux volumes d'eau passant par les canaux de pompage sera sensiblement, à la pression d'aspiration, égal au rapport du nombre des canaux de pompage au nombre des ajutages d'éjection. Le travail de compression des incondensables sera sensiblement égal à la perte d'énergie cinétique des lames à la traversée des canaux. Les incondensables se retrouvent mélangés à l'eau dans l'espace de refoulement 402, et vont se séparer sous forme de bulles qui viendront crever en surface, tandis que l'eau passera par la chicane 403 vers l'espace d'aspiration 401 pour remplacer l'eau aspirée par le rotor 2. Le passage de l'eau dans la chicane 403 se faisant de façon sensiblement laminaire, les incondensables mélangés à l'eau à l'expulsion turbulente de la couronne 3 pourront se dégager sensiblement quantitativement. On remarquera que le joint tournant entre l'orifice axial d'entrée 22 du rotor 2 et le corps 10 est noyé en permanence, en sorte que ce joint ne nécessite pas une étanchéité parfaite, le laminage des fuites d'eau dans ce joint compensant la différence de pression entre l'intérieur 21 du rotor et le volume d'aspiration 10. Le joint 4 autour de l'arbre 20 sera d'étanchéité plus soignée, puisque les fuites débouchent dans la partie de volume d'aspiration 10 qui est en dehors de l'eau. On conçoit que la pompe telle qu'elle vient d'entre décrite ne peut dépasser en pression totale de vide limite la pression de vapeur saturante de l'eau ; cependant, cette pompe ne comporte pas d'espace mort comme une pompe volumétrique classique, si bien que la pression partielle des incondensables ne comporte pas de limite inférieure théorique. Elle est donc particulièrement bien adaptée à l'extraction des incondensables de condenseur de centrales thermiques. Toutefois si sa capacité pneumatique reste constante à la pression d'aspiration pour les basses pressions, le volume pompé d'incondensables ramené à la pression atmosphérique décroît lorsque la pression à l'aspiration baisse, comme pour toutes les pompes à vide. On peut accroître la vitesse de pompage, notamment si la température du condenseur est basse, en prévoyant un éjecteur en amont. Bien que la pompe selon l'invention ait été décrite en application d'extraction des incondensables de condenseur de centrales thermiques, il est évident qu'elle est applicable à toutes les installations de vide qi requièrent une capacité pneumatique élevée en présence de vapeur d'eau en grandes quantités (séchages, dessications, distillations sous pression réduite). En outre la pompe décrite peut trouver de nombreuses applications en technique de vide plus classique, en utilisant comme liquide impulseur un liquide à faible tension de vapeur, tel qu'une huile minérale traitée utilisée pour les pompes à palettes. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Pompe à vide du genre où une veine liquide est divisée en lames injectées par un rotor dans un canal de pompage qu'elles obturent transversalement, avec un déplacement axial depuis un volume d'aspiration vers un orifice de décharge, caractérisée par un rotor avec une pluralité d'ajutages d'éjection péripheriques et un orifice axial d'entrée de liquide, et par une couronne d'éjection fixe disposée autour du rotor avec une multiplicité de canaux de pompage s'étendant de la périphérie intérieure à la périphérie extérieure de la couronne1 la périphérie intérieure formant une partie de la paroi de confinement de volume d'aspiration. 2. Pompe à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux de pompage ont des orifices d'entrée jointifs sur la périphérie intérieure de la couronne. 3. Pompe à vide selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les canaux d'éjection ont une section décroissant régulièrement de la périphérie intérieure à la périphérie extérieure de la c ouronne. 4. Pompe à vide selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rotor a la forme générale d'un disque creux horizontal avec la pluralité d'ajutages d'éjection répartis à espacement angulaire régulier à la périphérie. 5. Pompe à vide selon la revendication 4, où le rotor possède un sens de rotation déterminé, caractérisée en ce que les ajutages d'éjection sont dirigés en formant -un premier angle avec la direction radiale du rotor en arrière par rapport au sens de rotation, tandis que les canaux de pompage forment un second angle avec la direction radiale de la couronne, en avant par rapport au sens de rotation du rotor. 6. Pompe à vide selon la revendication 5, caracteirisée en ce que les ajutages d'éjection possèdent une lèvre formant écope à l'intérieur du rotor, en arrière de l'ajutage par rapport au sens de rotation. 7. Pompe à vide selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que ledit second angle est sensiblement la moitié du complément du premier angle. 8. Pompe à vide selon une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'elle est immergée dans un bac rempli de liquide, l'orifice axial d'entrée du rotor et les orifices de sortie des canaux de pompage à la périphérie extérieure de la couronne débouchent dans le bac en dessous de la surface du liquide. 9. Pompe à vide selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit bac comporte un cloisonnement divisant le bac en un espace d'aspiration où débouche l'orifice axial d'entrée du rotor et un espace de refoulement où débouchent les orifices de sortie des canaux de pompage, espaces d'aspiration et de refoulement communiquant par des chicanes de séparation liquide gaz.