Brevet FR2438834A1 — publié le 19800509

La présente invention vise à déceler l'instant où dans une canalisation un courant liquide est remplace par un courant gazeux, ou inversement. Elle concerne plus particulièrement le. cas des vannes de purge associées aux installations de gaz sous pression, notamment d'air comprimé. Dans les compresseurs la vapeur renfermée par le gaz se condense en eau et stagne ainsi à l'état liquide dans les réservoirs ou séparateurs d'huile de ces appareils où elle se mélange avec le lubrifiant. Cette condensation doit être eliminee par purge car elle peut entraîner des ennuis sérieux, par exemple dans le cas d'outS- ou machines fonctionnant à l'air comprimé ou dans les pistolets pneumatiques pour peinture. A l'heure actuelle on utilise a cet effet de nombreux types de purgeurs. La plupart d'entre eux comportent des flotteurs. Quand de l'eau condensée chargée d'huile ou ds poussière vient les rem- plir, leurs flotteurs sont gênés par la viscosité du mélange liqui- de ou semi-liquide. I1 en résulte que les purgeurs automatiques dans lesquels on utilise un flotteur pour détecter le niveau du liquide à évacuer ne sont pas toujours fiables. La vanne de purge suivant 1'invention est basée sur un procéde nouveau et élaboré permettant de savoir si le fluide qui s'écou- le dans une canalisation est un gaz ou un liquide. Dans les explications ci-après on supposera pour simplifier, ce qui est d'ailleurs le cas le plus fréquent, qu'il s'agit d'air et d'eau. L'air diffère énormément de l'eau en ce qui concerne ses pro priétés physiques, telles par exemple que densité, chaleur spécif i- que, compressibilité, conductivité thermique ou électrique, etc,,. A première vue la densité parait constituer la différence la plus évidente, mais en réalité il peut être difficile de la faire ressortir autrement que par le moyen des dispositifs à flotteurs dont on a exposé ci-dessus les inconvénients. Conformément à- l'invention, pour différencier l'air de l'eau on se base sur la compressibilité, ce qui ne s'est probablement jamais fait jusqu'ici. Dans les conditions habituelles l'air est compressible alors que l'eau est pratiquement incompressible (du moins vis-8-uis des gaz). Cette différence de compressibilité peut aboutir & un effet détecteur dans certaines applications. De nombreux essais ont permis a la Demanderesse de se baser sur le phénomène de la vitesse critique de l'air sortant d'une tuyère ou autre orifice. On sait que la vitesse v de l'eau sortant d'une tuyère est proportionnelle a si l'on appelle P1 la pression dans la chambre située en amont de la tuyere et P2 celle régnant dvanls la chambre aval. Si la première pression P1 croit; il en va de meme de la vitesse v. Au contraire dans le cas de l'air, qui est un fluide compressible, il existe une valeur critique pour le rap-. port P1/P2 au-dessus de laquelle la vitesse n'augmente plus. Cette, vitesse maximale ou vitesse critique est égale à celle du son. Pour un gaz en général, la valeur critique du rapport de pressions ne dépend que du rapport K entre la chaleur spécifique t pression constante Cp et celle à volume constant Cv. Dans le cas be l'air on calcule que cette valeur critique du rapport P1/P2 est égale théoriquement à 1,893. Si l'on considère trois espace sugcessifs, savoir un espace d'entrée, un espace intermédiaire relié au précédent par une première tuyère ou orifice, et un espace de sortie relié à l'espace in termFdiaire par une seconde tuyère ou orifice de même section que le précédent, les pressions respectives dans ces espaces étant P1, P2 et P3, quand le rapport global P1/P2 degient supérieur au carré de 1,893, soit 3,583, les rapports individuels P1/P2 et P2/P3 n'atteignent pas en même temps la valeur critique 1,893. En fait lorsque le rapport global dépasse 3,583, le second rapport individuel excède 1,893, mais le premier reste en dessous de cette valeur critique.Il en résulte que la pression intermédiaire P2 n'est pas la moyenne entre la pression d'entree P1 et celle de sortie P3, mais est supérieure à ladite moyenne. Pour entrer davantage dans le domaine de la dynamique des fluides, on rappellera que l'équation de Bernouilli pour un fluide compressible tel que l'air est p v2 + p = Constante (1) P K-1 dans laquelle pest la masse volumétrique ou spécifique, v la vitesse se, P la pression et K le rapport Cp/Cv des chaleurs spécifiques & pression constante et à volume constant. Pour l'air ce rapport K st égal a 1,4. Dans des conditions adiabatiques P = E pK 1(2) expression dans laquelle E désigne une constante. Lorsque l'air passe de l'espace d'entrée à l'espace intermédiai- re à travers la première tuyere, on peut calculer le débit massique à partir des égalités (1) et (2) Dans cette expression P1 et P2 ont la meme signification que ci-dessus ; pi est la masse spécifique dans l'espace d'entrée, C une constante dynamique et A la section de l'orifice ou tuyère. Pour trouver le maximum de Q on différencie l'expression (6) par rapport à P2 et on l'égale à zéro. On trouve ainsi la valeur critique du rapport P1/P2, savoir Pour l'air K est égal 1,4 et l'on-retrouve pour P1/P2 la valeur critique de 1,893 sus-indiquée. Lavitesse devient alors qui est la vitesse du son dans l'air considéré. Mêmé si P2 décroît au-dessous de la valeur critique par rapport à P1, la vitesse v de l'air ne peut excéder celle du son et Q reste constant. En fait expression qui est indépendante de P2 (état saturé). L'idée inventive est celle d'un dispositif dans laquel les expressions (3) et (5) co-existent sans contradiction. Comme susindiqué, celui-ci comprend deux orifices et trois espaces reliés par ceux-ci. Les pressions dans ces trois espaces sont P1, P2 et P3 les sections des deux orifices sont supposées égales. En partant de la conservation du débit massique on peut écrirez égalité dont la moitié droite résulte du remplacement de P1et #1 par P2 et P2 dans l'expression (6), la moitié gauche étant tiree de (3) et en supprimant CA #2K qui figure dans les deux moitiés. L'égalité (7) ci-dessus constitue la base de l'invention. Méme si le rapport global P1/P3 est de beaucoup supérieur à 3,583 (le carré du rapport critique 1,893) le premier rapport individuel P1/P2 est toujours inférieur à 1,893 et le second P2/P3 toujours supérieur à cette valeur. I1 apparait donc une asymétrie dans le dispositif, la pression intermédiaire P2 étant plus forte que la moyenne de P1 et P2. En fait on peut déduire de l'égalité (7) Pour l'air, comme K = 1,4 P1 = 1,25 (9) P2 P3 représente une pression extérieure ambiante par rapport au dispositif, soit en général la pression atmosphérique (1 at). P1 est la pression intérieure d'un compresseur ou autre machine à purger, soit de l'ordre de 4 à 10 atmosphères. Au contraire si c'est de l'eau qui traverse le dispositif à trois espaces et deux tuyères de même section, la conservation du débit massique exige D'où P2 2 21 (P1 + P3) (11) Si l'on compare les expressions (9) et (11) on voit que dans le cas de l'air la pression intermédiaire P2 est notablement plus forte que pour l'eau.La différence D = P2 (air) - P2 (eau) est P1 D= 1,25 - (P1 + P3) = 0,3 P1 - 0,5 P3 (12) Si P3 = 1 at D = 0,3 P1 - 0,5 (en atmosphères) (1j) Le dessin annexé, donné à titre d'exemple permettra de mieux comprendre l'invention les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fiy. 1 est \ e vue en élévation, d'un compresseur monté sur roues et équipé d'une vanne de purge automatique suivant l'invention. Fig. 2 est une coupe à grande échelle de la vanne. Fig. 3 montre en fonction du temps l'accumulation d'eau condensée dans le réservoir du compresseur. Fig. 4 représente les résultats d'essais expérimentaux concernant la valeur de la pression intermédiaire P2 en fonction de celle d'entrée P1 pour l'air et l'eau, la pression de sortie étant celle de l'atmosphère ambiante (1 at, soit approximativement 1 kg/cm 2) Fig. 5 reproduit schématiquement l'ensemble des trois espaces et des deux orifices teL qu'on peut le déduire de fig. 2. On se référera d'abord aux essais qui ont conduit à la vanne de fig. 2 et au compresseur de fig. 1., Dans ces essais on utilisait deux orifices de 5 mm de diamètre. L'espace d'entrée était constitué par un réservoir d'air comprimé, l'espace intermédiaire par un alésage de 11,5 mm et l'espace de sortie par I'atniosphère ambiante. La pression d'entrée 2 P1 variait entre 2 et 8kg/cm. Si l'on considère fig. 4, on voit que les valeurs relevées (centres des petits cercles) s'alignent suivant deux droites Ex (expériences) très voisines de celles Th (théorie) obtenues par le calcul respectivement pour l'air et pour l'eau, ce qui confirme les explication données plus haut. En fig. 1 la référence 100 désigne un réservoir renfermant de l'air comprimé avec une certaine quantité d'eau condensée. On a représenté en 101 un compresseur entraîné par un moteur 102 et qui alimente le réservoir 100. I1 est prévu une vanne de décompression 103 laquelle peut être du type électromagnétique. Au-dessous du réservoir 100 est montée une vanne de purge automatique 1. Le compresseur 101, la vanne de décompression 103 et celle de purge 1 sont reliés par des tubes pilotes 104 et 105. Fig. 2 montre le détail de la vanne 1. Celle-ci comporte un corps extérieur, deux pistons 3 et 4, des ressorts antagonistes 9, 9' et divers joints toriques 24 à 29. Le corps lui-même est pourvu d'une entrée 2, d'un espace intermédiaire 8 et d'une sortie 7. Entre l'entrée 2 et l'espace intermédiaire 8 on a perforé un premier orifice 5, tandis qu'un second 6 'est prévu entre l'espace intermé- diaire et la sortie 7. Comme montré, cet espace intermédiaire 8 est constitué par un alésage borgne dont le débouché est furie par un bouchon vissé 19. Le premier piston 3 peut se déplacer horizontalement dans un alésage cylindrique 17-18 creusé dans la masse du corps. I1 porte une tige avant 30 dont l'extrémité conique vient former pointeau pour fermer ou ouvrir le premier orifice 5 ou orifice d'entrée. Sur son autre face ce meme piston 3 est solidaire d'une autre tige 33, ou tige arrière, qui coopère à la façon d'un pointeau avec une lumière d'évacuation 13. Les ressorts 9 et 9' agissent sur la face arrière 32 du piston 3 pour le solliciter constamment vers la gauche (fermeture de l'arrivée 5). Au contraire la face avant 31 dudit piston peut être temporairement repoussée vers l'arrière à l'encontre des ressorts par un fluide à haute pression introduit dans la chambre avant 17 de l'alésage 17-18. Le second piston 4 est disposé horizontalement tout près du premier dans un alésage avant et un alésage arrière dont le diamètre est supérieur a celui du précédent, ledit piston étant bien entendu réalisé sous forme étagée. Le piston 4 est solidaire d'une tige avant 40 qui se termine en cône pour coopérer à la façon d'un pointeau avec le second orifice de sortie 6. Le piston 4 et le corps de la vanne (ou plus exactement le couvercle 50 de celui-ci) sont solidaires de bossages respectifs 43 et 30' qui forment butées pour limiter l'amplitude de débattement du piston précité. La chambre avant 15 du piston 4 est reliée par un passage 16 à la chambre ou partie avant 17 de l'alésage double 17-18 du piston 3. I1 est par ailleurs prévu une entrée pilote 14 qui débouche dans la chambre 15. L'espace intermédiaire 8 est relié à la chambre arrière 11 du piston 4 par un passage en équerre 10. Un autre passage 12 relie cette chambre 11 à la lumière d'évacuation 13. Bien entendu les joints toriques 24 à 29 sont convenablement disposés autour des pistons 3 et 4 et de leurs tiges en vue d'assurer l'étanchéité. L'entrée pilote 14 est reliée à la vanne de décompression 103 par le tube 105. L'entrée 2 aboutit à l'espace intérieur du réservoir 100 dans le bas de ce dernier. Quant à la sortie 7, elle débouche à l'extérieur. La pression à l'intérieur du réservoir 100 est la pression P1 mentionnée plus haut, celle de l'espace intermédiaire étant la pression P2 et l1atfluspI'ière extrieure repr- sentant la pression P3. Des lumières appropriées relient à l'extérieur la chambre arrière 18 du piston 3 et la petite chambre annulaire située en avant de l'élément à grand diamètre du piston 4, le tout pour evi- ter toute apparition de pression parasites. Lorsque le compresseur 101 fonctionne la vanne de décompression 103 est fermée. Aucun signal pilote n'est envoyé à la vanne de purge 1 ét par conséquent les deux orifices 5 et 5 sont obturés par les tiges 30 et 40 des pistons respectifs 3 et 4. Quand le moteur s'arrête, la vanne de décompression 103 s'ouvre automatiquement et le gaz du compresseur 101 s'écoule par les tubes 104 et 105 pour arriver à la vanne de purge 1. I1 pénètre dans le corps de cette dernière par l'entrée pilote 14 et arrive ainsi dans les chambres 15 et 17 reliées par le passage 16. I1 repousse les deux pistons 3 et 4 en ouvrant par conséquent les orifices 5 et 6 et en fermant la lumière d'évacuation 13. Le liquide condensé dans le réservoir 100 peut alors s'écouler par l'entrée 2, l'orifice 5 maintenant ouvert, 'l'espace intermédiaire 8, l'orifice 6 également ouvert, et la sortie 7 pour s'é- chapper à l'extérieur. Le second piston 4 est sollicité vers l'avant par le condensat agissant dans la chambre arrière 11 et dont la pression est égale à P2, la lumière d'évacuation 13 étant fermée et la chambre 11 étant reliée à l'espace intermédiaire 8 par le passage 10. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, lorsque le liquide s'écoule P 2 (P1 + P3) (14) 2 2 1 parce qu'il stagit d'eau et d'huile, c'est-à-dire de liquides pratiquement incompressibles. La force totale F qui agit sur le second piston 4 est donc F=A1P1 A2P2 (15) en désignant par A1 et A2 les sections respectives de la face avant 41 et de la face arrière 42 de ce piston. I1 est entendu que tel qu'exprimée sous (15) cette force 14 est orientée vers l'arrière. Bien que A1 soit plus faible que A2, la pression P1 est bien plus forte que celle P2. La force F est donc positive et le piston 4 est maintenu à sa position de recul maximal. Quand tout le condensat a été purgé, l'air comprimé commence à traverser la vanne 1. Comme le rapport P1/P3 est supérieur à 3,583 et que l'air est compressible, cet écoulement s'effectue de façon normale (ou non saturée) au droit du premier orifice 5, tandis qu'au contraire vers le second 6, il est anormal (ou sature). I1 apparaît donc l'assymétrie expliquée plus haut. La vitesse à travers le second orifice 6 se fixe à celle du son. I1 en résulte que ce second orifice 6 est pratiquement étranglé, alors qu'au contraire le premier 5 ne l'est jamais. La pression P2 atteint dont la valeur sus-mentionnée P2 = P1/1,25 = 0,8 P1 (16) qui est supérieure à celle trouvée pour cette meme pression P2 dans le cas de l'eau. il en résulte que la pression augmente dans la chambre ar riere 11. La force élémentaire A2P2 qui sollicite le piston 4 vers l'avant devient plus forte que la force pilote A1Pl orientée en sens inverse. La résultante F suivant ;'expression (15) est donc maintenant négative, c'est-à-dire que le piston 4 est repousse vers l'avant. Dans son mouvement vers l'avant le piston 4 ferme le second orifice 6. L'air comprimé du réservoir 100 ne s'échappe plus. Par ailleurs la vanne 103 se referme soit parceque la pression a baissé dans le réservoir 100, soit de toute autre manière. I1 en resulte que la pression pilote P1 disparaît. Le premier piston 3 se déplace donc à son tour vers l'avant et ferme l'orifice 5 correspondant. Au contraire la lumière d'évacuation 13 s'ouvre et le liquide résiduel que la vanne pouvait renfermer peut s'échapper a travers elle Tout est donc revenu à l'état antérieur. Dans l'exemple qu'on vient de decrire la pression pilote est injectée par une vanne de décompression ou par une vanne élec trognagnétique qui agit d'après le fonctionnement du compresseur. Toutes les fois que celui-ci s' arrête, la totalité de son condensat est évacuée. Toutefois, comme le montre fig. 3, la quantité de condensat dans un réservoir tel que 100 est proportionnelle à la durée du fonctionnement. Dans cette figure on se réfère à un compresseur de 10 ch, la température du local étant de 400C, l'humidité de l'air de 80% et la pression dans le réservoir de 7 kg/cm2. Dans le cas de durées de fonctionnement non excessives la condensation est automatiquement purgée avant qu'elle ne puisse provoquer des troubles. La vanne sUliVdl\t l'invention utilise la ditturence de pression qu'on relève entre le cas de l'air et celui de l'eau à l'intrieur d'un espace intermédiaire situé entre deux orifices de même section, cette différence servant à actionner la vanne. La différence en question, c'est-à-dire P2 (air) - P2 (eau), est tien plus forte que la poussée agissant sur un flotteur. Le maximum de la différence f de poussée sur un flotteur entre les cas de l'air et de l'eau est pratiquement égal au volume de ce flotteur multiplié par la densité de l'eau, c'est-à-dire f = pAh expression dans laquelle A et h représentant la section horizontale et la hauteur du flotteur (cette expression ne tenant pas compte de la densité de l'air qui est négligeable). Le rapport F/f est environ égal à P/ ph, P représentant plusieurs fois 10m d'eau, alors que ph ne correspond qu'à quelques centimetres. Le rapport F/f peut être de l'ordre de plusieurs fois 103. La vanne de purge suivant l'invention est donc totalement à l'abri des différences qui peuvent résulter de la présence dans le condensat d'huile visqueuse ou de poussière. En outre tout dispositif comportant un flotteur est susceptible de donner lieu à des défauts de fonctionnement lorsqu'il est incliné ; il est de plus sensible aux à-coups extérieurs. L'invention présente donc un gros avantage par rapport à la technique antérieure du fait que la force F mise en jeu est des milliers ou des centaires de fois plus grande que la gravité ou que les réactions provoquées par les chocs extérieurs. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui precède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. RVEND ICAT IONS 1. Procédé pour détecter l'instant où un courant liquide est remplacé par un courant gazeux, ou inversement, caractérisé en ce qu'on fait passer le courant à surveiller à travers un espace d'entrée, un espace intermédiaire et un espace de sortie relies par deux orifices de même section, la différence de pression entre l'espace d'entrée et celui de sortie étant telle que lors du passage du courant gazeux la vitesse du gaz atteigne celle du son a travers le second orifice, la pression dans l'espace intermédiaire étant alors nettement supérieure à la moyenne de celle d'entrée et de celle de sortie, et en ce' qu'on utilise cette asymétrie des trois pressions en jeu, qui n'apparaît pas lors du passage du courant liquide, pour actionner un dispositif mano-sensible approprié. 2. Vanne de purge pour installations de gaz sous pression, et notamment d'air comprimé, caracteriséeKen ce qu'elle compor.te-appli- cation du procédé suivant la revendication 1, de manière qu'une fois qu'elle a été ouverte pour l'évacuation du liquide de purge, le dispositif mano-sensible la referme automatiquement quand le courant de ce liquide est remplacé par un courant gazeux. 3. Vanne de purge suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison - une entrée (2) reliée au bas d'une enceinte à purger, telle par exemple qu'un réservoir à air comprimé (100) - un premier orifice (5) partant de cette entrée (2) ; - un espace intermédiaire (8) dans lequel débouche ledit premier orifice (5) - un second orifice (6) partant dudit espace intermédiaire (8), ce second orifice (6) étant de même section que le premier (5) - une sortie (7) dans laquelle débouche ledit second orifice (6) - un premier alésage (17, 18) à diamètre constant dans lequel coulisse un premier piston (4) dont la face avant (31) est solidaire d'un pointeau (30) de commande du premier orifice (5) sa face arrière (32) portant un autre pointeau (33) qui coopère avec une lumière d'évacuation (13) - des moyens élastiques (9, 9') sollicitant le premier piston (3) vers une position avancée pour laquelle le premier orifice (5) est fermé et la lumière d'évacuation (13) ouverte ; - un second alésage (15-11) à deux diamètres successifs dans lequel coulisse un piston étagé (4), la face avant (41) de ce piston (4), établie au plus petit diamètre, portant un pointeau (40) de commande du second orifice (6) ; ; - une entrée pilote (14) propre à recevoir la pression de l'enceinté (100) pour déterminer l'ouverture de la vanne, cette entrée étant reliée aux chambres (15, 17) situées devant la face avant (41, 31) des deux pistons (3, 4) - un passage (10) reliant l'espace intermédiaire (8) à la chambre (11) située derrière la face arrière (42) du second piston (4) - et un autre passage (12) reliant ladite chambre arriere (11) du second piston (4) à la lumière d'évacua-tion (13) en amont du pointeau (33) associé à celle-ci.