Brevet FR2461131A1 — publié le 19810130

L'invention concerne un procédé de réglage du débit d'une pompe à membrane à commande hydraulique, en fonction de la valeur d'un paramè tre du circuit de pompage. L'invention concerne egalement une pompe à membrane à commande hydraulique perfectionnée pour la mise en oeuvre du procede de réglage suivant l'invention. Une pompe à membrane à commande hydraulique comporte au moins une membrane sur laquelle agit un fluide hydraulique remplissant une chambre intermediaire limitée par la membrane. Cette chambre communique avec un cylindre dans lequel se deplace un piston qui fournit l'effort de pompage, par l'intermédiaire du fluide hydraulique et de la membrane, au fluide à transporter remplissant la chambre de pompage, elle-même en communication avec le circuit de pompage par l'intermédiaire de deux clapets. La capacité d'huile constituée par la chambre intermédiaire et le cylindre peut être realimentee par l'intermédiaire d'une soupape de compensation à partir d'un réservoir d'huile qui recueille par ailleurs la de charge d'une soupape de securite et d'un dispositif de purge places sur la chambre intermédiaire, pour eviter des montees brusques de pression accidentelles et éliminer le gaz eventuellement introduit dans la chambre intermédiaire, isolé ou en me lange avec le fluide hydraulique. Dans de nombreuses application où l'on utilise une pompe à membrane, il est necessaire de faire varier le debit de la pompe en fonction de ltévolution d'un paramètre du circuit de pompage tel que la pression dans le circuit de refoulement, le niveau du liquide pompe dans une capacite placée sur ce circuit ou encore la température d'un fluide ou d'une installation refroidie par le liquide de pompage. Dans certaines applications en effet, ces paramètres risquent de varier de façon trop importante si le debit de la pompe reste constant en cours de fonctionnement. En particulier, dans les pompes à liquide chargé en impuretés alimentant des filtres presses telles que les pompes utilises dans les stations d'épuration, il est souhaitable de faire debiter la pompe à son debit maximal lorsque le filtre est vide et de diminuer ce debit progressivement au fur et à mesure du colmatage de fanon à ne jamais depasser la pression admissible dans les plateaux. Il importe egale- ment de se tenir toujours le plus près possible du debit maximal de la pompe de fanon à reduire le temps de pompage et à obtenir le rendement optimum de la filtration. Divers dispositifs sont connus pour obtenir ce résultat d'une fanon plus ou moins satisfaisante : commande hydraulique de la pompe par une pompe à huile primaire à débit variable asservi à la pression, variateur électronique ou mécanique, systèmes d'étranglement de l'aspiration ou de de charge du refoulement sur le circuit de pompage ou sur le circuit hydraulique de commande dans le cas des pompes à membrane à commande hydraulique. Les systèmes à variation hydraulique, électrique ou mécanique sont en général d'un prix élevé qui en limite les applications. Les systèmes à décharge ou à étranglement sont peu précis et consomment plus d'énergie que les systèmes à variation hydraulique, électrique ou mécanique cités précédemment. En outre, ces systèmes à décharge soumettent les mécanismes à des à-coups indésirables. D'autre part, il est connu des praticiens que la présence d'air dans la chambre entre piston et membrane a pour effet de faire chuter le débit d'une pompe à membrane et à la limite de l'annuler. C'est la raison pour laquelle on prévoit sur la chambre intermédiaire de la pompe des purgeurs automatiques ou manuels pour éliminer cet air introduit dans la chambre intermédiaire et pour obtenir le débit maximum de la pompe. On n'a cependant jamais utilisé une introduction d'air dans la chambre intermédiaire disposée entre le piston et la membrane pour ré- gler le débit d'une pompe à membrane en cours d'utilisation. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de réglage du débit d'une pompe à membrane à commande hydraulique, en fonction de la valeur d'un paramètre du circuit de pompage, la pompe comportant au moins une membrane et un piston se déplacent dans un cylindre en communication avec une chambre intermédiaire délimitée par la membrane, la face de la membrane opposée à la chambre intermédiaire étant dirigée vers la chambre de pompage et la chambre intermédiaire et le cylindre constituant une capacité de fluide hydraulique qui peut être réalimentée par l'inter- médiaire d'une soupape de compensation à partir d'un réservoir de fluide qui recueille la décharge d'une soupape de sécurité et d'un dispositif de purge placés sur la chambre intermédiaire ; ce procédé permettant un fonctionnement sans à-coups de la pompe avec un rendement énergétique correct et étant d'unem se en oeuvre simple et économique. Dans ce but, on injecte dans la chambre intermédiaire, lorsque l'écart entre la valeur réelle du paramètre et une valeur prédé terminée dépasse un certain seuil, du gaz jusqu'au moment où la valeur du paramètre est revenue à la valeur prédéterminée, sous l'effet de la variation de débit consécutive à l'introduction de gaz, la purge évacuant le gaz injecté en continu avec un débit inférieur au débit d'injection. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant dé- crire à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation d'une pompe à membrane à commande hydraulique comportant un circuit de régulation de débit permettant le maintien d'une pression limitée dans le circuit de refoulement alimentant un filtre presse en liquide chargé. La figure unique jointe en annexe représente, dans une vue en coupe par un plan de symétrie, une pompe à membrane munie d'un circuit de régulation mettant en oeuvre le procedé suivant l'invention. A l'intérieur d'un carter 3 est fixé un cylindre 2 dans lequel coulisse un piston 1 animé d'un mouvement alternatif grâce à un mécanisme (non représenté) situé dans le carter 3a qui contient la partie motrice de la pompe, laquelle peut être de tout système connu (bielle- manivelle, came, vérin hydraulique) à vitesse et course constantes. La pompe représentée est du type classique à double membrane à compensation commandée. Les éléments principaux décrits de droite à gauche sont les suivants : le carter 3, la grille arrière 4, la membrane ar rière 5, le plateau intermédiaire 6, la membrane avant 7, la chambre de pompage 8, munie de ses clapets 9 et 10 ; l'ensemble étant fixé par une couronne de tirants tels que 11. Ces différents éléments forment des capacités ci-dessous décrit tes plus en détail. Le carter 3 est rempli d'huile jusqu'au niveau 12 et il est à la pression atmosphérique grâce à un reniflard à filtre 13 ou tout autre moyen connu. La capacité 40 entre piston et membrane arrière, appelée chambre intermédiaire, qui comprend la grille arrière 4 est étanche à l'état de repos. Elle est toutefois munie de divers organes nécessaires au fonctionnement : un bouchon de remplissage 14 muni d'une purge automatique, elle-même constituée d'un pointeau 15 reposant sur un siège 16 et coulissant à très faible jeu dans le bouchon. I1 est appuyé par un ressort 17 et l'espace annulaire est mis en communication par deux évents 18 avec une chambre annulaire 19 communiquant elle-meme par un canal 20 avec la capacité d'huile du carter 3. Sur la chambre intermédiaire/est également disposée une soupape de décharge 21 dont l'échappement fait également retour par une canalisation extérieure 22 à la capacité 3. A l'avant du piston 1 est placé un système de compensation pilote composé d'un bloc 23 dans lequel se trouve un clapet 24 solidaire du plateau 25 lequel fait légèrement saillie au centre de la grille arrière 4 à travers laquelle il peut coulisser librement. Par la canalisation 26, l'arrière du clapet 24 communique avec un deuxième clapet 27 monté en opposition dont l'orifice communique avec la capacité d'huile du carter 3. Enfin, conformément à l'invention, la chambre intermédiaire 40 est munie d'un dispositif dtinjection d'air 28 muni d'un clapet de non retour 29 et communiquant par une tuyauterie 30 une électro-vanne 3l,elle-même alimentée par la canalisation 32 munie d'un robinet à pointeau 33. L'électro-vanne 31 est du type normalement fermé. Elle peut être ouverte par la mise sous tension des bornes 34 et 35, la borne 34 étant elle-meme reliée à l'alimentation 36 par l'établissement du contact d'un manostat 37. Le manostat 37 est relié à un point quelconque du circuit de refoulement. Dans le cas usuel où ce circuit comporte une capacité 38 d'amortissement des pulsations, le montage du manostat sur cette capacité est particulièrement avantageux du fait qu'il peut être mis au contact d'un gaz et non d'un liquide, ce qui évite tout risque de détérioration par coup de bélier et donne une mesure plus exacte de la pression moyenne. Pour expliquer le fonctionnement du dispositif objet de l'invent ion, nous supposerons connu le fonctionnement des pompes à membrane. Rappelons seulement que le bloc de compensation piloté a pour but de permettre la réalimentation de la quantité d'huile nécessaire au fonctionnement entre piston et membrane arrière lorsqutà la suite des fuites du piston ou de la décharge de la soupape de sécurité cette quantité devient insuffisante. A ce moment, la membrane arrière est plaquée contre le plateau 25 ; la soupape 24 est décollée de son siège permettant ainsi l'aspiration dans la capacité 3 à travers la soupape 27 lorsque le recul du piston, la membrane appliquée à l'arrière, produit un vide dans la capacité correspondante. Nous supposons donc que la capacité entre piston et membrane est correctement remplie pour que les deux membranes 5 et 7 puissent se débattre sans venir en appui et que cette capacité est entièrement purgée. Dans ces conditions, le volume déplacé par la membrane est exactement égal à la cylindrée du piston et la pompe fonctionne à son débit maximum quelle que soit la pression de tarage de la soupape de sécurité. On sait par ailleurs qu'il n'est pas facile d'obtenir un réglage précis de la soupape de sécurité en raison notamment des phénomènes de collage et que le laminage de l'huile qu'elle provoque s'accompagne d'un echauffement et d'une consommation d'énergie qui en interdisent l'emploi en continu dès que les débits et pressions mis en jeu deviennent importants. Il n'est donc pas possible de compter sur cette soupape pour obtenir le maintien de pression recherché. Elle devra seulement être réglée pour assurer une protection instantanée en cas d'incident (bouchage, fausse manoeuvre de vannes) à 10 ou 15 % au-dessus de la pression à laquelle on désire travailler. Ceci étant, supposons pour fixer les idées que la pompe soit destinée à alimenter un filtre presse à une pression maximale de 15 bar pour un débit nominal de 3600 1/heure avec un seul piston fonctionnant à 1 cycle par seconde, soit 1 litre de cylindrée. Le manostat sera réglé de fanon à établir le contact à p = 15 bar à la montée et à le couper à la descente à 14,5 bar, soit une variation de l'ordre de 3,3 %. Au départ la pression monte lentement jusqu'au remplissage ; le manostat coupe le circuit 34-36 : l'électro-vanne 31 est fermée. La pompe débite à sa capacité nominale de 3600 l/h. Lorsque le filtre se remplit, la perte de charge augmente peu à peu et la pression monte. Lorsqu'elle atteint 15 bar, le manostat se déclenche et ferme le contact 34-36, ce qui a pour effet d'exciter l'électro-vanne 31 et d'ouvrir la communication 28-30-31-32. A ce moment, au cours du mouvement de recul du piston, les deux membranes restent en avant et une certaine quantité d'air est aspirée dans la chambre intermédiaire 40.La cylindrée de liquide aspirée est réduite et le débit de la pompe diminue. Comme en général dans ce genre de perte de charge à écoulement laminaire, la perte de charge est proportionnelle au débit, il suffit que celui-ci diminue d'environ 3 % pour que la pression tombe à 14,5 bar. Ceci correspond théoriquement à l'introduction de 30 cm3 d'air environ. Il y a donc intérêt à régler le robinet pointeau 33 pour que cette quantité soit introduite en quelques coups de piston et non pas en moins d'un cycle, ce qui conduirait à une chute de débit, donc de pression exagérée. Dans ces conditions, lorsque la pression tombe à 14,5 bar, le manostat coupe à nouveau le contact 34-36, l9électrovanne 31 se ferme ; petit à petit, l'air s'évacue par la purge automatique 16 ; le débit augmente ainsi que la pression et le cycle recommence. On voit que les avantages principaux du dispositif suivant l'invention sont que dans le fonctionnement à débit partiel il n'y a aucun àcoup comme dans la marche en cavitation utilisée dans les procédés de l'art antérieur ni de gaspillage d'énergie par laminage de liquide. De plus, le manostat et l'électro-vanne sont des appareils standard très robustes, de réglage facile et précis qui ne consomment qu'une énergie négligeable. D'autre part, il est évident que le système s'adapte automatiquement à l'importance du colmatage du filtre-presse en introduisant de plus en plus d'air entre le piston et la membrane, ce qui est toujours possible du fait que le débit de ltélectro-vanne, même étranglé, est toujours supérieur à celui de la purge automatique. Mais l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit ; elle en comporte au contraire toutes les variantes et l'on peut modifier des points de détail sans pour autant sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi que dans le cas du dispositif qui a été décrit, la prise d'air se faisait à l'air libre par une canalisation 32 munie d'un robinet à pointeau 33 mais qu'il est possible d'alimenter la chambre intermédiaire en air comprimé à partir de la canalisation 32 dans le cas où une surpression est nécessaire. En effet, dans le cas de l'installation qui a été décrite, la chambre intermédiaire se met en dépression pendant la phase d'aspiration et l'air atmosphérique peut être introduit dans la chambre intermédiaire. Dans la pratique cette condition est presque toujours réalisée pour des aspirations en faible charge ou à plus forte raison en dépression. Dans le cas exceptionnel d'une très forte charge ou d'une pompe de gavage, il peut se faire que la pression reste positive pendant la phase d'aspiration, les membranes étant repoussées vers l'arrière par la charge. Une alimentation par de l'air en surpression peut alors être nécessaire. I1 suffit pour cela de relier la canalisation 32 à un réservoir de gaz sous pression muni d'un mano-détendeur réglé à une surpression convenable, Dans le mode de réalisation qui a été décrit, le gaz injecté à l'intérieur de la chambre intermédiaire était de l'air mais il est bien évident qu'on peut utiliser tout autre gaz convenable à partir du moment où ce gaz est inerte vis-à-vis de l'huile ou autre fluide hydraulique remplissant la chambre intermédiaire. Dans l'exemple de réalisation qui a été décrit, le paramètre du circuit de pompage qu'on cherchait à rendre le plus constant possible était la pression de refoulement mais il est bien évident qu'on peut régler le débit en fonction des valeurs dtun autre paramètre du circuit de pompage de la pompe à membrane, aussi bien dans le cas de l'alimentation des filtres presses en liquide chargé que dans le cas d'autres applications. C'est ainsi qu'il est possible de régler le débit en fonction du niveau du fluide pompé dans une capacité de stockage ou encore en fonction d'une température à l'intérieur d'une installation telle qu'un réacteur chimique alimenté en produit de réaction par la pompe à membrane. Pour effectuer ce réglage de débit en fonction d'un niveau de fluide dans une capacité ou d'une température, il suffit de remplacer le manostat de l'installation décrite par un détecteur approprié : indicateur de niveau ou thermostat suivant le cas. I1 faut cependant que le paramètre du circuit de pompage considéré soit dépendant du débit de la pompe et possède une inertie suffisante pour n'évoluer que lentement en fonction du débit. I1 est bien évident que le procédé suivant l'invention peut être appliqué à toute pompe à membrane à commande. hydraulique comportant une ou plusieurs membranes utilisée sur un circuit de pompage quelconque permettant d'amener un fluide à une capacité ou une installation où ce fluide est utilisé. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réglage du débit d'une pompe à membrane à commande hydraulique, en fonction de la valeur d'un paramètre du circuit de pompage, la pompe comportant au moins une membrane et un piston se déplaçant dans un cylindre en communication avec une chambre intermédiaire délimi tée-pt la membrane, la face de la membrane opposée à la chambre intermédiaire étant dirigée vers la chambre de pompage et la chambre intermédiaire et le cylindre constituant une capacité de fluide hydraulique qui peut être réalimentée par l'intermédiaire d'une soupape de compensation à partir d'un réservoir de fluide qui recueille la décharge d'une soupape de sécurité et d'un dispositif de purge placé sur la chambre intermédiaire, caractérisé par le fait qu'on injecte dans la chambre intermédiaire, lorsque l'écart entre la valeur réelle du paramètre et une valeur prédéterminée dépasse un certain seuil, du gaz jusqu'au moment où la valeur du paramètre est revenue à la valeur prédéterminée sous l'effet de la variation de débit consécutive à l'injection de gaz, la purge évacuant le gaz injecté en continu avec un débit inférieur au débit d'injection. 2.- Procédé de réglage suivant la revendication 1, dans le cas où l'on désire maintenir la pression dans le circuit de refoulement de la pompe entre deux valeurs, caractérisé par le fait qu'on injecte du gaz en continu dans la chambre intermédiaire dès que la pression mesurée dans le circuit de refoulement dépasse une première valeur et qu'on arrête cette injection dès que la pression dans le circuit de refoulement est retombée à une seconde valeur sous l'effet de la diminution de débit dans le circuit de refoulement. 3.- Procédé de réglage suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le circuit de refoulement de la pompe alimente un filtre presse en fluide chargé en impuretés. 4.- Procédé de réglage suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le gaz injecté dans la chambre intermédiaire est de l'air prélevé par une canalisation débouchant à l'air libre. 5.- Procédé de réglage suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le gaz injecté dans la cahmbre intermédiaire est de l'air prélevé dans un récipient d'air en surpression par rapport à l'air atmosphérique. 6.- Pompe à membrane permettant un maintien de pression sui vant le procédé de la revendication 2 caractérisé par le fait que, sur la chambre intermédiaire est disposée une soupape reliée à un circuit d'alimentation d'air pour l'injection d'air dans la chambre intermedia ire, le circuit comprenant une électro-vanne contrôlée par un manostat branché sur le circuit de refoulement de la pompe et une prise d'air commandée par ltélectro-vanne.