Brevet FR2467013A1 — publié le 19810417

La présente invention se rapporte à un procédé pour répar- tir une matière gazeuse, liquide ou en poudre dans un liquide en fai- sant tourner dans le liquide une hélice comprenant deux pales ou da- vantage, pales comprenant une section creuse perforée reliée à une source du gaz. Dans la demande de brevet néerlandais 76.01422, on dé- crit un procédé d'introduction d'un gaz, d'une poudre ou d'un liqui- de dans un liquide et de mélange de ces matières avec le liquide ré- cepteur au moyen d'une hélice de navire. L'hélice de navire à utiliser dans ce but comporte des pales creuses, les cavités étant reliées par l'intermédiaire d'un C reuc prlitréiiedu moyeu creux ou directement, à un ax IEa=it axe de l'hélice permet- tant d'amener la matière à mélanger aux pales de l'hélice. Les pales de l'hélice peuvent comporter de leur c8té "sous le vent" ou d'aspi- ration, une pluralité de perforations à travers lesquelles la matiè- re à mélanger peut être introduite dans le liquide récepteur. Le transport de la substance à mélanger vers les perforations des pales est effectué, de préférence, au moyen de surpression. Ce transport peut également être effectué sous l'influence de l'effet d'aspiration engendré par la rotation de l'hélice dans le liquide. Dans le brevet néerlandais 76 01422, on décrit comme ca- ractéristique particulière du procédé en question, et de l'hélice qui y est utilisé, que l'effet de dispersion, ou de mélange, est in- fluencé favorablement par le fait qu'après le passage des perfora- tions, la substance à mélanger est exposée directement à l'effet de l'hélice tournant dans le liquide, ce qui doit être considéré comme le contraire de la situation o l'on utilise les hélicee7'uses classiques. Dans ce dernier cas, la substance à mélanger est ajoutée au liquide en dehors de la zone de fonctionnement directe de l'héli- ce, et elle est encore transportée et dispersée dans le liquide sous l'influence des courants engendrés par l'hélice. Selon la demande de brevet néerlandais n076 01422 précitée, par conséquent, l'effet de dispersion, ou de mélange, de l'hélice perforée creuse, ainsi que des hélices mélangeuses non-creuses classiques, est considéré comme une opération de mélange puremet mécanique, étant entendu que les suis. tances à mélanger sont introduites dans la mesure du possible direc- tement dans la shpère d'influence mécanique des pales de l'hélice qui tournent. Ainsi, comme on l'a indiqué précédemment, l'emplacement des 246701 3 perforations n'est pas essentiel: ces perforations peuvent donc se trouver, en conséquence du c8té de poussée, ou sous le vent, des pales de l'hélice. Dans le mode d'exécution de l'hélice creuse anté- rieure représenté sur le dessin, les perforations se trouvent du côté sous le vent de la pale, de sorte qu'on peut les imaginer comme étant reliées par une ligne s'étendant parallèlement à la zone de liaison marginale des surfaces de poussée et sous le vent de la pale de l'hé- lice et la longeant de près. Dans le cadre du procédé défini dans l'introduction de la présente demande, la présente invention est caractérisée en ce que l'on fait tourner lrhélice à une vitesse qui provoque la cavitation, l'on disperse la matière dans le liquide en utilisant les pressions apparaissant pendant l'implosion des caviations. L'invention se base sur la constatation du fait que, lors de l'implosion des cavitations, il apparaît des pressions très éle- vées qui peuvent se monter à plusieurs milliers de bars. En raison de cette pression élevée, le pouvoir dissolvant du liquide qui est sounàis à cette haute pression est accru: ainsi, par exemple, le pouvoir dissolvant de l'eau pour l'air augmente à peu près directe- ment proportionnellement à la pression régnant dans l'eau. L'énergie ainsi libérée pendant l'implosion permet de disperser intensément le contenu des cavitations dans le liquide environnant. Selon un mode d'exécution préféré du procédé selon l'inven- tion, un gaz est dispersé dans le liquide, et l'on met en oeuvre le procédé de façon qu'une proportion de gaz à disperser soit envoyée aux cavitations à une pression supérieure à la pression de vapeur du liquide dans les cavitations, mais inférieure à la pression du liqui- de présent au voisinage des caviations. Le brevet US nc3.108.146 décrit certes un appareil d'aéra- tion de l'eau, comprenant une hélice comportant des pales creuses perforées reliées à l'atmosphère, il mentionne certes la cavtation comme effet se produisant classiquement avec les hélices rotatives de leur côté sous le vent. Cependant, dans ce contexte, la "cavitation" est définie exclusivement comme une zone de pression réduite; cette pression réduite peut alors être utilisée pour introduire de l'air dans l'eau par les perforations sous la forme de petites bulles. Dans le cadre de l'aération de l'eau, cependant, l'objet dudit brevet US est de fournir un appareil permettant de transporter une colonne de liquide à travers un autre liquide sans canalisation, notamment on peut transporter une colonne d'eau aérée à travers un grand volume d'eau superficielle, pour ne procéder qu'alors à l'aération de l'eau superficielle en libérant l'air entraîné dans la colonne d'eau trans- portée vers l'eau superficielle entourant la colonne. Rien ne montre que, selon le brevet US, la caviation est délibérément produite, et que l'implosion des cavtaions est utilisée pour disperser l'air, ou l'oxygène, dans l'eau superficielle. Au contraire, dans le brevet US, il y a lieu de remarquer qu'en ce qui concerne la dispersion de l'oxygène dans l'eau superficielle, l'air entraîné avec la colonne d'eau propulsée est libérée vers l'eau environnante par explosion (et non par implosion) de la colonne, lorsqu'elle est parvenue à son point final. Selon un autre mode d'exécution de l'appareil décrit dans ce brevet US, on peut aussi amener l'air à l'eau en maintenant une pres- sion excédentaire dans les pales de l'hélice, ce qui est un autre point montrant que la production de la cavitation et l'implosion des caviWtions pour utiliser l'énergie ainsi libérée pour disperser l'air dans l'eau ne fait pas l'objet de l'invention décrite dans le brevet US cité. En outre, il est connu par le brevet français n02.072.402, d'introduire de l'air dans l'eau au moyen d'une hélice de navire com- prenant des passages creux qui sont reliés, par l'intermédiaire d'un axe creux, à l'atmosphère, par rotation de l'hélice. L'aération de l'eau est cependant destinée à augmenter la poussée disponible des navires en augmentant la fluidité de l'eau dans le flux en aval de l'hélice de navire en y répartissant finement l'air. Ce brevet fran- çais ne montre pas, non plus, que la cavitation est produite délibé- rément pour libérer de l'énergie par l'implosion des cavtations for- mées, pour répartir l'air dans l'eau. Cela est confirmé par le fait que les ouvertures de sortie de l'air sont disposées dans le bord de fluide des pales de l'hélice, et non sur la pale de l'hélice située du côté sous le vent. Comme autre possibilité pour atteindre l'ob- jectif envisagé selon le brevet français, l'auteur indique l'utilisa- tion d'un mélangeur séparé, situé dans le flux de l'hélice, et dans ce contexte la caviation ne joue pas de rôle du tout, bien entendu. L'invention concerne également un appareil convenant pour être utilisé dans le procédé selon l'invention, comprenant une hélice comportant deux pales ou davantage comprenant une partie creuse per- forée, reliée à une source de gaz, l'appareil étant caractérisé en ce quefes perforations sont disposées du côté sous le vent de la pale, à peu près parallèlement à la ligne de crête de la pale et juste derrière, dans le sens de rotation. La ligne de crête est, dans ce cadre, la ligne reliant les points les plus hauts de la sur- face de la pale. En se basant sur la théorie courante de la cavkation on peut prévoir que, dans le sens de rotation, la pression tombera brusquement juste après la ligne de crête, et que, par conséquent, la production de cavibtion est favorisée, à condition que la vitesse de rotation utilisée soit supérieure à celle qui correspond à ce que l'on appelle le facteur de caviâtion. En raison de l'emplacement des perforations, indiqué selon l'invention juste après la ligne de crê- te, on peut supposer que la matière sortant par les perforations, par exemple un gaz comme l'air, est captée dans les cavliations formées dans cette zone. Lors que les perforations ont des dimensions appro- priées, il est en outre possible, en choisissant la vitesse de rota- tion dans la gamme des vitesses supérieures au facteur de cavitation, de régler la dépression présente dans la zone de cavitation, et d'a- mener ainsi par les perforations la matière à cette zone, et de l'ajuster à une valeur pour laquelle l'implosion des cavitations a lieu. L'invention convient particulièrement pour disperser du gaz dans l'eau, par exemple de l'air dans l'eau, comme de l'eau ré- siduaire dans une installation de purification des eaux résiduaires. En conséquence, dans un mode d'exécution particulier de l'invention, les cavités des pales de l'hélice peuvent être reliées avec possibi- lité d'obturation, par un moyeu creux et/ou l'axe creux auquel les pales de l'hélice sont reliées, à la source du gaz, notamment l'a- tmosphère, et un passage relié à l'atmosphère par le moyeu et/ou l'axe de l'hélice est présent sur les pales de leur côté sous le vent et à côté de leur bord de fuite et sensiblement parallèlement à lui, sous forme d'une élévation dont le profil se raccorde de façon régu- lière à la pale de l'hélice, ledit passage comportant une pluralité de perforations sur son côté arrière, par rapport au sens de rotation juste au-delà de sa ligne de crête et sensiblement parallèlement à elle. Grâce à une valve qui peut être de type classique, dans la ca- nalisation d'alimentation en air, le débit d'air sortant par les 246 701 3 perforations peut. être réglé de façon que l'air soit, d'après le mo- de d'exécution du procédé selon l'invention décrit ci-dessus, envoyé au cavitations à une pression supérieure à la pression de vapeur de l'eau dans les cavitations, mais inférieure à la pression de l'eau présente au voisinage des cavitations. Les cavlations contenant de l'air ainsi formées peuvent alors imploser et se disperser en petites bulles. La cavitation qui peut être produite dans une mesure plus grande grflce au profil de pale adapté selon l'invention, décrit dans le paragraphe précédent, peut entraîner "l'affolement" de l'hélice. C'est l'effet de la rotation de l'hélice dans une bulle de vapeur pratiquement continue, et de ce fait il est souhaitable que l'angle de pale de l'hélice soit réglable. En outre, la cavité en forme de canal jouera aussi uniformément que possible le r8le d'un élément d'alimentation en air sur toute sa longueur si, en regardant dans le sens de rotation de l'hélice, l'écoulement est, dans la zone liquide, aussi uniforme que possible et si, en outre, la vitesse d'écoulement dans le sens de l'axe de l'hélice reste aussi constante que possible. En conséquence, un autre mode d'exécution de l'invention qui comprend une hélice à calage réglable, est caractérisé en ce que les pales de l'hélice ne sont pas creuses et sont pratiquement plates, sauf en ce qui concerne le profil bombé du canal, tandis que la forme des pales de l'hélice est évasée vers l'extérieur à partir du sommet de la pale dans la direction de l'axe de l'hélice, pour produire une vitesse d'écoulement sensiblement uniforme au cours de la rotation. L'invention concerne également une hélice devant être uti- lisée dans l'appareil décrit ci-dessus. On va décrire à présent un exemple non limitatif de réali- sation de l'invention avec davantage de détails en regard du dessin annexé dont: La figure 1 représente une hélice selon l'invention, en perspective, montée autour d'un moyeu creux allongé; La figure 2 représente en plan une pale de l'hélice; La figure 3 est une coupe transversale de la pale de la figure 2 suivant la ligne III-III de cette figure. La référence 1 désigne un moyeu creux auquel sont reliées trois pales d'hélice 2, 3, et 4. Le calage des pales de l'hélice est réglable. Chacune des pales comprend une portion bombée, respectivement , 6, 7 et elles délimitent chacune une cavité en forme de canal dont les lignes de crête respectives sont désignées par les références 8, 9 et 10. Le sens de rotation de l'hélice est indiqué par une flèche. Sur la figure 2 qui représente une pale 2 en plan, la réfé- rence Il désigne la cavité en forme de canal. La référence 12 désigne les perforations de la pale 2. Les pales 3 et 4 comprennent des trous sensiblement identiques, non représentés, en des emplacements corres- pondants. A son extrémité ouverte 13, le moyeu creux peut être relié à un axe également creux gr8ce auquel l'hélice peut être entraînée et grace auquel le gaz, par exemple l'air, à introduire dans l'eau peut être envoyé aux cavités en forme de canal des pales. L'hélice creuse peut être elle-même en communication, par exemple avec l'atmosphère, par une canalisation comprenant une valve de réglage, non représentée. On a effectué avec une hélice du type représenté sur le dessin des essais dans le cadre de l'aération de l'eau pour augmenter sa teneur en oxygène. On va décrire ces essais dans l'exemple non limitatif qui suit, qui sert uniquement à illustrer l'invention. E X E M P L E Au moyen d'une hélice du type représenté sur le dessin, mais comportant un moyeu non allongé, on effectue des essais au cours desquels on aère 3 m3 d'eau contenus dans un récipient cylindrique de 4 m3 de capacité. L'angle de calage des pales de l'hélice est réglable entre 0 et 150. Pendant ces essais, on maintient cet angle à 120. Le dia- mètre des trous 12 est de 2,0 mm; il y a cinq trous par pale. On règle l'alimentation en air au moyen d'une valve de fa- çon à ajuster une dépression dans les cavités en forme de canal de, respectivement 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, et 40 cm de mercure correspondant aux valeurs de pression absolue de 76, 71, 66, 61, 56, 51, 46, 41 et 36 cm de mercure. On effectue tous les essais en utili- sant une vitesse N = 1.260 tours/mn. Avant chaque essai, on débarasse l'eau (du robinet) d'oxygè- ne par un traitement au sulfite de sodium en utilisant du chlorure de sodium comme catalyseur. On renouvelle l'eau toutes les quatre mesures. Par des moyens électrochimiques, on mesure la teneur en oxygène de l'eau, ainsi que la quantité d'air aspiré Q (m3. h1) dans les conditians normales de température et de pression.; En s'appuyant sur ces mesures, on calcule les autres grandeurs indiquées sur le tableau ci-après. Dans ce tableau, tgeX représente le coefficient de vitesse de transfert de masse (h-1); OC10(gO2.h-t) la capacité d'introduction d'oxygène à 10 C; G (gO2.h1) la quantité d'oxygène 02 correspondant à la valeur Q, et enfin/5 rendement de transfert d'oxygène, défini par: quantité en poids d'O2 dissous par unité de temps n = x 100% quantité en poids d'O2 aspiré par unité de temps 0oC10o G TAB LEAU tg' I oc10 (h-1) (go,.h- 1;jR it i 7,62 ,46 ,22 ,05 4,99 4,74 3,28 2,84 2,05 555,2 433,2 405,6 374, 4 363,6 351,5 247,4 212,4 152,0 La figure 4 tranfert d'oxygène n l'oxygène OC10o. est un graphe représentant en fonction de la capacité le rendement de d'introduction de Ce graphe montre que, lorsque la pression dans la cavité en forme de canal des pales de l'hélice est réduite, c'est-à-dire brs d'une réduction des valeurs OC, la valeur de n change peu au début, jusqu'à que, pour une réduction de la pression à une valeur de 71cmHg ou de la valeur de OCi à 433,2g 02.h-1, n commence à augmeter de façon assez marquée selon une fonction linéaire. A partir d'une va- leur de OCo10 d'environ 374,4 g 02.h-1, n augmente progressivement à une valeur d'environ 43,8 la valeur de OCO10 ayant diminué à 351,5 g 02.h-1 seulement. Apparemment, en raison de la survenance de plusieurs Pression cm Hg -1) G Qg (m3.h-1) Mesure N n (%) 21,2 ,5 23,4 27,6 34,0 43,8 44,5 52,5 59,6 8,69 7,03 ,77 4,51 3,54 2,67 1,85 1,35 0,85 2607,7 2109,6 1731,7 1353,4 1068,3 801,2 551,1 404,5 255,0 - -, 2467013.- effets latéraux ou d'une augmentation des influences qui prévalent, par exemple en raison de l'augmentation du nombre de bulles d'un diamètre d inférieur à 2 mm, qui doivent être consi- dérées comme des bulles rigides et ayant été formées par implosion de cavitations, l'augmentation de n diminue de nouveau lors d'une réduction ultérieure de OC. Le procédé d'introduction d'air ou d'oxygène dans l'eau au moyen de l'hélice selon l'invention, o l'on provoque une vitesse de rotation source de cavitation et une implosion réglée des cavita- tions, doit être considéré comme faisant partie du groupe des systè- mesd'aération à bulles, comme les éléments d'aération discordes uti- lisés pratiquement, décrits dans H20 l1 (1978) 107-113. Dans cet article, il y a lieu de noter qu'en ce qui concerne les éléments d'aération discordes, les degrés de transfert d'oxygène spécifiques obtenus avec lui sont élevés par rapport à d'autres systèmes d'aéra- tion à bulles fines. La valeur maximale du transfert d'oxygène spé- cifique des éléments d'aération discordes est, comme l'indique cet article, de 27,5% (tableau II). Dans l'ouvrage de A.C.J. KOOT, "Behancling van Afvalwater" (traitement des eaux résiduaires), publié par Waltman, Delft, Hollande en 1974, il est fait mention d'une valeur d'environ 11% comme degré de transfert d'oxygène spécifique pour l'aération par insufflation de fines bulles d'air sous une pression relativement élevée. Par rapport à ces valeurs, la valeur optimale du rendement de transfert d'oxygène n d'environ 44% que l'on peut obtenir selon l'invention représente donc une amélioration considérable. Il va de soi que l'on peut apporter à la description précé- dente et au dessin annexé de nombreuses modifications de détail sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S t. - Procédé de répartition d'une matière gazeuse, liquide ou en poudre dans un liquide en faisant tourner dans le liquide une hélice comprenant deux pales ou plus, pales qui comprennent une section creuse perforée reliée à une source de gaz, caractérisé en ce qu'on fait tourner l'hélice à une vitesse provoquant la cavita- tion, et en ce que, pour répartir la matière dans le liquide, on uti- lise les pressions apparaissant lors de l'implosion des cavitations. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on répartit un gaz dans le liquide, et en ce què l'on envoie une quantité du gaz à répartir aux cavitations à une pression supérieure à la pression de vapeur du liquide dans les cavitations, mais infé- rieure à la pression du liquide au voisinage des cavitations. 3. - Appareil approprié pour être utilisé dans le procédé selon l'ensemble des revendications 1 et 2, comprenant une hélice comportant deux pales ou plus comportant des sections creuses perfo- rées, sections creuses qui sont reliées à une source de gaz, caracté- risé en ce que les perforations sont disposées du c8té sous le vent de la pale, approximativement parallèlement et, dans le sens de rota- tion, juste derrière la ligne de crête de la pale. 4. - Appareil selon la revendication 3, dans lequel les sec- tions creuses des pales de l'hélice sont reliées par l'intermédiaire d'un moyeu creux et/ou d'un axe d'hélice creux autour duquel les pales de l'hélice sont fixées, à la source de gaz de façon que la liai- son puisse être coupée, notamment à l'atmosphère, caractérisé en ce qu'un canal est présent sur les pales de l'hélice de leur c8té sous le vent, au voisinage de leur bord postérieur et sensiblement paral- lèlement à lui, ledit canal étant relié à l'atmosphère par l'inter- médiaire du moyeu et/ou de l'axe de l'hélice, et le canal se présen- tant sous la forme d'une élévation à profil se raccordant avec une transition régulière à la pale de l'hélice, ledit canal comportant dans le sens de rotation, à son côté postérieur, juste après et sen- siblement parallèlement à sa ligne de crête, une pluralité de perfo- rations. 5. - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'endehors du profil bombé du canal, les pales de l'hélice ne sont pas creuses et sont pratiquement plates et ont un angle ajustable, la forme des pales de l'hélice s'évasant à partir de leur sommet dans 2467013 - direction de l'axe pour produire une vitesse d'écoulement du liquide approximativement uniforme le long de la pale lors de la rotation. 6. - Hélice convenant pour être utilisée dans l'appareil selon les revendications 3 à 5 et dans le procédé selon les revendi- cations 1 et 2.