Brevet FR2404053A1 — publié le 19790420

La présente invention concerne un dispositif destiné à équiper un circuit d'eau pour supprimer l'entartrage* dissoudre les dépits anciens de sels minéraux et diminuer l'usure et la corrosion des parois des canalisations et autres appareils de l'installation. On contact des procédés ayant pour but de maintenir les minéraux en suspension à l'aide d'agents chimiques ajoutés à l'eau. On peut aussi éviter l'entartrage en ddmin8ralisant l'eau à l'entrée de l'installation. Ces procédés exigent des installa tions annexes de traitement, conteuses et non utilisables pour les eaux alimentaires. Un autre procédé consiste à loger, dans une canalisation, une pièce métallique dont la composition chimique très précise est associée à une perte de charge pour créer une surface d'rez change chimique. Au niveau de cette surface, les ions minéraux circulant avec le fluide sont soumis à un effet de polarisation qui les attire vers cette pièce interne e# empêche leur dép8t sur les parois des canalisations. En fait, on à remarqué qu'il existait un rapport étroit entre le contour de la pièce ou "noyau" anti-tartre, sa longueur et sa section d'une part et sa composition métallurgique d'autre part. L'effet chimique est étroitement lié à l'effet cinétique ( perte de charge, turbulence). Les dispositifs connus sont relativement peu satisfaisants. Pour des configurations ovales ou de section triangulalre, c'est principalement l'effet cinétique de redis solution des composés qui est insuffisant (manque de turbulences). La présente invention a pour but de créer, à l'aide d'un noyau de forme adaptée, intercalé sur le circuit d'écoulement d'un fluide chargé de sels minéraux, notamment un circuit d'eau, une perte de charge et des turbulences au niveau d'une surface d'échanl go chimique prioritaire aussi grande que possible, en vue de réduire les dépôts de sels sur les parois des canalisations, sans addition d'adjuvants chimiques poilants. Un n-oyau anto-tartre selon l'invention comprend une tige métallique au moins, susceptible d'autre montée à l'intérieur d'un tube d'un circuit d'eau, et il est caractérisé en ce qutil présente une section droite quadrangulaire, le contour du noyau ou de ses éléments étant muni de saillies et/ou de creux qui, simultanément, augmentent la surface d'échange chimique et de polarisation et les turbulences et pertes de charge introduites sur l'écoulement du liquide. Suivant une variante, le noyau est constitué par un empile- ment de pastilles minces portées par la paroi interne d'un même tube. Suivant une autre variante, le profil longitudinal du noyau est hélicoïdal ou en spirale cette forme augmentant les turbulences au niveau de la surface d'échange chimique (ou surface de contact du noyau). Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractériS-tiques de l'invention. Fig. 1 est une vue schématique montrant un tube anti-dépôt selon l'invention, intercale sur le circuit d'eau d'une installation. Fig. 2 à 4 sont des vues d'une première variante de réalisation du noyau métallique. Fig. 5 à 7 montrent une autre variante d'un noyau en deux éléments. Fig. 8 à 11 sont des vues de réalisations d'un noyau monobloc. Fig. 12 à 15 illustrent des pastilles minces dont la superposition constitue un noyau anti-tartre. Fig. i6 à 19 sont d'autres variantes de réalisations dans lesquelles le fluide s'écoule par le centre du noyau monobloc. Fig. 20 à 22 sont d'autres variantes (noyau en croix). Fig. 23 et 24 illustrent un noyau à profil longitudinal hélicoidal. Fig. 25 et 26 montrent un noyau réalisé par enroulement en spirale d'un fer plat, dont les bords sont munis de saillies ou d'entailles. On n'a pas représenté dans les figures ci-jointes, le mode d'assemblage du noyau ou de ses éléments avec la paroi intérieure du tube, ce mottage étant connu en lui-meme. L'installation 1 de la figure 1 comporte des canalisations 2 pour l'écoulement de l'eau entre, par exemple, un réservoir 3 et des appareils d'uitilidation (non représentés). Le débit d'eau est assuré par une pompe 4. L'un au moins des éléments de la cana lisation est constitué par un tube 5 qui porte un noyau métallique 6 intercalé sur le circuit d'eau. Un premier mode de réalisation du noyau 6 est illustré sur les figures 2 à 4. Le noyau se compose de deux pièces 7 et 8 en forme de U plat. Les branches de chaque U sont percées de petits orifices 9. L'épaisseur des parois est prévue pour que les deux U puissent tre assemblés par embattage, en étant disposés dans des plans sensiblement perpendiculaires. On obtient ainsi une pièce à section droite en forme de croix (fig. 2). Les bords extérieurs 10 des U sont arrondis pour épouser la courbure du tube dans lequel le noyau 11 ainsi réalisé sera mis en place, les U étant disposés longitudinalement. On obtient ainsi une double symétrie quadrangulaire : symétrie da noyau (forme en croix) symétrie des orifices 9 perpendiculaires à irécoulement normal de l'eau dans les canalisations.Cet écoulement est perturbé à la fois par ltbstacle que constitue le noyau 11 et par les orifices 9 qui augmentent la surface d'échange chimique et créent des turbulentes supplémentaires. La variante illustrée sur les figures 5 à 7 est du meme type. Les deux pièces en U du noyau 12 présentent, sur leurs parois externes, des saillies telles que 13 qui viennent perturber l'écoulement. Là aussi, on a. une double symétrie quadrangulaire. Si on se rapporte maintenant aux figures 8 et 9, on voit un noyau 14 élaboré en une seule pièce massive qui présente quatre ailes 15 en croix suivant une section radiale, et parallèles à la longueur du noyau ( suivant la direction de l'écoule ment). La même forme de base préside à la réalisation du noyau 17 des figures 10 et 11. Alors que le noyau 14 est muni de lèvres 16 en saillie, le noyau 17 est percé d'orifices débouchants 18 et de trous borgnes radiaux 19. Ces formes auxiliaires ont pour but d'augmenter la perte de charge et les turbulences au niveau de la surface formée par les parois du noyau. Elles sont prévues pour offrir une symétrie quadrangulaire suivant une section trans versable, Enfin, les bords latéraux 20 et 21 (extrémités des ailes 15 ou 22) ont un profil arrondi à la courbure des canalisations. Dans les quatre modes de réalisation précédents, le fluide s'écoule entre le noyau et la paroi interne du tube, c'est-àdire que la surface d'échange chimique et de polarisation des ions minéraux est constituée par les faces externes du noyau et des saillies ainsi que par les parois des orifices pratiqués dans ce noyau.Comme on le verra plus loin, il en est de meme de certaines autres variantes. Sur les fig. 12 et 13 on a représenté un noyau anti-tartre constitué par des pastilles minces 23, par exemple cylindriques et perforées d'orifices. On a un orifice central 24 et quatre orifices intermédiaires 25 disposés en croix, suivant deux directions perpendiculaires. Une pastille telle que celle de la figure 12 est associée avec d'autres pastilles semblables, disposées transversalement dans le tube 5 de façon telle que leurs orifices 24 et 25 définissent des canaux d#coulemei;t pour le fluide (fig. 13). Les pastilles sont empilées les unes sur les autres ou portées individuellement par les parois du tube. La pastille de la figure 14 est associée à des barres longitudi nales métalliques 27 engagées dans des orifices supplémentaites 28 des pastilles 26. Le fluide s'écoule alors par les orifices 25 restant ouverts. Les surfaces actives du noyau à éléments multiples sont les parois des barres, les parois des orifices ouverts et les faces supérieure et inférieure de ltempilementifig. 14 et 15). La section droite des noyaux illustrés sur les figures 16 e' 19 a une forme sensiblement carrée, tubulaire, l'alésage axial central constituant un canal pour l'écoulement du fluide. Dans cette forme d'exécution on a, comme précédemment le choix entre deux modes principaux de réalisation des turbuleçces secondaires. La paroi interne de l'alésage central 31 et la paroi externe du noyau 30 présentent des formes en relief sur les trajets d'écoulement. Ces saillies 32 et 33 (fig. 16 et 17) modifient l'écoule ment. De la mssme façon,les orifices radiaux 36 percés dans ltépais- seur du noyau 34 perturbent cet écoulement en créant des turbulences entre les deux trajets de fluide (l'un intérieur au noyau, l'autre entre le noyau et la paroi du tube d'écoulement). La section de l'orifice central 35 est, par exemple, carrée (fig. 18 et 19). En se reportant aux figures 20 et 21, on voit un autre type d'un élément quadrangulaire allongé, destiné à être intercalé sur le circuit d'écoulement d'une installation d'eau. Les quatre bran~ ches sont radiales, réalisées en une seule pièce et solidaires d'un noyau central plein 37. La pièce 38 divise le flux en quatre débits séparés par les ailes radiales 39. On a représenté sur la figure 22 une pièce "complémentaire"de 38, en ce sens qu'elle en est en quelque sotte le 11négatif". letrajet du fluide est représenté par la forme en croix 40, la surface d'échange chimique étant alors constitue par les parois internes de cette croix. Dans toutes les variantes précédentes, la section du noyau "actif" restait sensiblement inchangée ( pour une réalisation donnée ) le long de toute la pièce d'échange. Les figures 23 et 24 illustrent un noyau de profil hélicoidal. Le noyau 41 a une surface externe d'échange sensiblement augmentée par le taillage en hélice. Les fonds de filet peuvent présenter des saillies 43 qui augmentent encore les turbulences. Ces saillies 43 sont disposées le long de l'hélice pour former une disposition à angle droitifig. 24). On peut encore réaliser la pièce intervenans sur l'écoule ment d'eau, à partir d'un fer plat 4+ont l'un des grands cotés 45 est muni de protubérabces 46, alors que le côté opposé est taillé pour définir, à intervalles réguliers des encoches 47o Le fer ainsi préparé est cintré en spirale (fig 26) de façon que les protubérances 46 et les encoches 47 constituent un ré- seau quadrangulaire de zones de turbulences. Les saillies 46 sont positionnées par exemple vers l'intérieur de la spirale, tandis que les encoches sont sur le bord extérieur. Le noyau selon l'invention est le plus souvent destiné à être monté dans un élément tubulaire 5 dont la section est généralement cylindrique. Il a pour but de créer, dans une région bien déterminée et démontable, une perturbation de l'écoulement normal de fluide (eau) en provoquant - des turbulences importantes qui entratnent un contact intime entre le fluide et les surfaces métalliques du noyau; I une augmentation sensible de la surface réelle d~chan- ge chimique entre l'eau et le noyau métallique. - une perte de charge dans l'écoulement fluidique au nic veau d'une surface métallique dont la forme crée une polarisas tion qui permet de maintenir en suspension colloïdale les ions des sels minéraux contenus dans le flux de liquide. Lorsque le tube d'écoulement 5 est cylindrique, on a vu précédemment que la courbure des bords externes DU-noyau était adaptée à celle du tube. MaLs le tube 5 pourrait aussi avoir une section carrée. La pièce échangeuse selon invention pourrait alors entre utilisée sans inconvénient : ses rebords langil tudinaux seraient alors plats. Dans le cas de tubes carrés, on utilise de préférence les variantes des fig. 2 à 7 et 16 à 21. Bien entendu, les pastilles 23 ou 26 pourraient avoir une forme quelconque connue. Le fonctionnement de l'appareil, ou noyau anti-tartre, con. siste à créer des voies de passage perturbant l'écoulement du fluide porteur d'ions minéraux, donc de particules chargées électriquement. On cherche ainsi à produire un effet électrocinétique destiné à empocher le dépit de ces ions sur les parois des canalisations et appareils à travers lesquels s'écoule l'eau. A cet effet,on utilise a) la composition métallurgique du noyau ou de ses divers éléments. Le noyau est élaboré en plusieurs métaux ou alliages dont les potentiels sont différents les uns des autres. On réalise ainsi une multitude de pales négatifs ou positifs qui créent un effet de polarisation agissant sur les ions minéraux, tels que le calcium ou le sodium. Cet effet provoque, dans un premier temps, le dépit de ces ions (présents dans l'eau sous forme de sels dissous)sur les surfaces en contact du noyau, ce qui protège les parois de l'installation contre le déport et l'entartrage. b) la configuration du noyau . La forme choisie a pour but d'augmenter au maximum la surface en contact ou surface d'é- change chimique. Le précipitation initiale des sels formés par les ions se fait sur une surface maximale. Les précipités restent de très petites tailles. La forme du noyau a également pour objet de créer une perte de charge anormale dans l'écoulement. Cette perte de charge crée une turbulence relativement importante au niveau de la surface d'échange chimique. c) 1* énergie cinétique du flux de liquide. Elle se combine à effet de turbulence provoqué par les parois ou voies de passage radiales prévues sur le trajet du liquide pour chasser, au fur et à mesure de leur précipitation les très petits cristaux déposés par polarisation sur le noyau. En effet, les turbulences créées dans l'écoulement ne permettent pas le grossissement des cristaux. Le flux liquide les détache et les arrache des parois d'échange avant de mes entratnor sous forme de minuscules précipités qui restent en suspension dans le liquide. Ainsi; les minéraux qui se trouvaient initialement sous forme d'ions libres se trouvent maintenant sous forme de précipités en suspension col lordale, inaptes à se déposer sur les parois des canalisations. d) lteffet polarisant . DO essentiellement à la composition du noyau, il peut entre plus ou moins augmenté suivant les besoins en utilisant la forme dudit noyau, et notamment les effets de pointe, créés par les arêtes vives. Suivant la taille (longueur et diamètre) du noyau, la nature et le débit du fluide, le noyau peut être massif ou évidé. Il est allongé, réalisé en une, deux ou plusieurs pièces métallie ques et il divise le flux en plusieurs écoulements le long de canaux qui s'étendent longitudinalement. Chacun de ces canaux peut être isolé de ses voisins ou re- lié à eux par des orifices percés sensiblement dans des plans parallèles à la section droite de la pièce anti-tartre. Ces canaux peuvent encore être centraux ( le fluide s'écoule sans venir en contact avec les parois à protéger) ou périphériques (l'amorce de précipitation se fait sur le noyau polarisateur)O La surface d'échange chimique est multipliée par le nombre de capaux dtécoulemont définis par la géométrie de la section droite du noyau, ou par la longueur réelle de canaux pour un noyau de longueur donnée.Ainsi, la variante à profil longitudinal hélicordal ou en spirale (fig. 23 et 24 ou 25 et 26) augmente la surface de contact et de polarisation tout en augmentant les turbulences créées dans le ou les écoulements qui sont linéaires à l'entrée dê l'appareil anti-tartre dans lequel ils doivent suivre un trajet hélicodal, avant de redevenir linéaires en aval de l'appareil au niveau duquel les ions sinéraux se sont transformés en très petits précipités entratnés, sous forme de sust pension, dans le flux do liquide. On remarquera que les protubérances telles que 13(fig. 5), 16(fig. 9), 33(fig. 16 et 17) s aussi bien que les canaux et ttous contenus dans des plans transversaux, tels que les trous 9 (fig.2) 18 et 19 (fig. 10 et 11) ou 36 (fig. 18) , constituent des moyens pour augmenter encore la surface d'échange chimique et de contact du noyau et pour augmenter la turbulence de l'écoulement au niveau de ladite surface. De même, on a constaté que la forme (configuration) et les dimensions du noyau doivent être choisies en fonction du débit d'eau souhaité et de la perte de charge désitée pour obtenir le meilleur résultat. Dans ce cas, les variantes constituées par un empilement de pastilles fournissent une solution d'une grande souplesse. On détermine simplement le nombre de pastilles à empiler avant de monter, sur l'installation; le tubeanti-dépBt 5. (figures 12 à 15). La composition métallurgique du noyau (qu'il soit en une ou plusieurs parties)est, de façon générale, connue. C'est par exemple un alliage de cuivre,de zinc ,de nickel et d'étain. L'effet de polarisation ainsi créé définit la surface d'échange prioritaire avec les ions minéraux du fluide. On améliore la quantité des précipités neutres obtenus en augmentant cette surface et l'effet polarisant grâce à la configuration particulière du noyau d'échanges chimiques. Les turbulences créées par cette configuration (division de l'écculement, modifications fréquentes de sa direction, pertes de charge au niveau de la surface de contact) empêchent le grossissement des minuscules précipités ainsi obtenus. Les principaux avantages de l'invention sont les suivants: - le noyau métallique ne modifie pas la composition chimie que de l'eau (ou du fluide chargé d'ions minéraux) c. ce noyau peut facilement être remplacé-ou mis en place sur une installation importante dont les parois sont protégées contre lrentartrage ( dépôt de sels de calciym notamment ) et contre la corrosion ( due au dépôt de sels acides, par exemple des sulfures ) - les "composants" minéraux présents dans l'eau, par exemple le calcium, le sodium, le fer ou analogues ne sont pas éliminés mais seulement transformés par le noyau ; par conséquent, liteau n'est pas déminéralisée et l'appareil de l'invention est utilisable dans les installations d'eau sanitaire et d'eaux potables pour l'alimentation5 - les précipités en suspension dans le flux d'eau constituent autant de surface d'échange et de contact chimiques qui tendent à dissoudre peu à peu les dépits anciens, aidés en cela par l'énergie cinétique du flux REVENDICATIONS 1 - Dispositif destiné à Xtre intercalé sur le circuit d'un fluide, notamment un circuit d'eau chargée de sels minéraux, comprenant un noyau,de forme adaptée pour créer une perte de charge, la composition métallurgique de ce noyau en faisant une surface d'échange chimique avec les ions portés par l'écoulement de fluide, ce dispositif étant enfin susceptible d'être logé à l'inté- rieur d'un élément tubulaire du circuit de fluide, et il ess ca- rastérisé en ce qu'il comprend au moins une pièce métallique qui présente, suivant une section droite orthogonale au sens de l'é- coulement, des formes et/ou des l#ogements disposés pour définir une symétrie quadrangulaire. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau se compose de deux pièces en forme de U, embot- tées l'un dans l'autre pour former une croix allongée à quatre branches perpendiculaires, les bords extérieurs des branches étant adaptés pour épouser le profil de l'élément tubulaire du circuit de fluide. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les branches de chaque U sont percées d orifices contenus dans le plan transversal du tube et mettant en communication -les quatre voies de passage du fluide définies par les quatre ailes à angle droit. 4 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les faces externes des ailes sont munies de lèvres en saillie constituant autant d'obstacles supplémentaires sur le trajet de l'écoulement, tandis que ces lèvres sont disposées dans des plans transversaux suivant une symétrie quadrangulaire. 5 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau est constitué par une seule pièce métallique allongée et présentant, suivant une section droite, un contour en forme de croix à quatre branches. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les parois externes des quatre voies de passage sont concaves sur leur longueur et sont soit munies de sa#illies,soit percées d'orifices , ces saillies et orifices étant prévus à intervalles réguliers et contenus dans des plans parallèles au plan transversal de l'élément tubulaire du circuit de fluide. 7 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le noyau est constitué par une #pièce à section droite en forme de croix, les ailes radiales orthogonales étant solidaires d'une tige centrale axiale et présentantdes surfaces planes. 8 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau, constitué par une seule pièce métallique, allongée présente une section droite de forme carrée,tandis qu'il est percé d'un orifice longitudinal central à section carrée qui constitue une voie de passage dt d'acoulement du fluide, ce noyau étant enfin muni soit de saillies soit d'orifices transversaux destinés à perturber l'écoulement. 9 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un empilement de pastilles ou disques minces, perforés suivant leurs épaisseurs, ces perforations étant diposées suivant des lignes radiales perpendiculaires deux à deux, tandis que les pastilles empilées sont positionnées de facon à mettre en regard les perforations correspondantes de chaque pastille pour définir des canaux d'écoulement longitudinaux dont les parois constituent les surfaces d'échange et de contact, 10 - Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les pastilles sont associées-à des barres métalliques longitudinales, chaque barre étant engagée dans une perforation de chaque pastille, lesdites pastilles pouvant alors être écartées les unes des autres et portées par les barres il - Dispositif suivant la revendication t, caractérisé en ce que le noyau porté par l'élément tubulaite définit une voie de passage à section en forme de croix, cette voie comprenant quatre lames creuses communjquant entre elles par l'intermédiaire d'un orifice central longitudinal, si bien que la symétrie quadrangulaire de l'écoulement est respectée 12 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau en une seule pièce présente, au moins sur sa surface externe, un profil longitudinal hélicoïdal, tandis que les fonds de filets sont munis, par exemple, de saillies disposées à chaque quart de tour de l'écoulement hélicoidal, si bien que la perturbation sur l'écoulement est augmentée en atme temps que la surface de contact. 13 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce métallique constituant le noyau d'échange est réalisé par cintrage en spirale et selon un pas donné, d'un fer plat qui peut préalablement être muni, sur ses grands cotés, d'encoches ou de saillies prévues à intervalles réguliers. 14 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau est disposé sur 1 'é- coulement d'un fluide pour constituer un obstacle, pour diviser l'écoulement en plusieurs circuits de façon à augmenter sensible~ ment la surface de contact entre le fluide et le noyau et à provoquer, au niveau de cette surface des turbulences et une perte de charge qui favorise l'échange chimique, la naissance sur les parois du noyau de minuscules précipités de sels minéraux et leur mise en suspension dans le flux de liquide, et notamment le débit d'eau. 15 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un noyau métallo que composé de plusieurs métaux de façon à créer un effet de polarisation des ions minéraux transportés par le fluide, tandis que la configuration et les formes dudit noyau présentent une symétrie quadrangulaire destinée à accroîtra l'effet de turbulence au niveau de la surface polarisante, pour éviter le grossissement des précipités obtenus et provoquer leur balayage par le flux de liquide.