Brevet FR2484271A1 — publié le 19811218

Séparateur de gaz pour des systèmes à circulation de liquide. L'invention concerne un séparateur de gaz pour des sys- tèmes à circulation de liquide se présentant sous la forme d'un appareil autonome ou d'un constituant intégré de pompes instal- lées en ligne, notamment des pompes de circulation pour des installation de chauffage et de réfrigération, comportant des raccords d'entrée et de sortie, situés sur un axe commun, pour le liquide et une chambre de séparation sensiblement cylindri- que, située entre les deux raccords, dans laquelle le mélange liquide-gaz est introduit tangentiellement et est entraîné en rotation autour de l'axe de la chambre constituant un centre de rotation par un guidage correspondant du courant, le gaz étant comprimé en direction du centre de rotation et étant évacué vers l'extérieur, tandis que le liquide dégazé sort de la cham- bre par une ouverture de sortie distincte. Notamment dans le cas d'installations de pompage, l'entraînement d'air ou de gaz dans le liquide est la cause de nombreuses perturbations qui peuvent se subdiviser en deux groupes. Le premier groupe de perturbations concerne les problè- mes de l'installation elle-même, comme par exemple un graissage insuffisant des paliers lorsque la-pompe entraîne de l'huile qui mousse, ou comme l'apparition de bruit dans des installa- tions de chauffage par suite de bulles d'air entraînées en même temps que l'eau. Le second groupe de perturbations concerne le fonctionnement de la pompe et sa sécurité. A ce sujet il est connu que la courbe de refoulement baisse avec la proportion de gaz et qu'un fonctionnement de la pompe dans la région de char- ge partielle pose des difficultés étant donné que déjà de peti- tes perturbations du côté aspiration de la pompe peuvent con- duire à l'interruption du courant transporté. Lorsqueles bulles de gaz ou d'air se réunissent alors dans l'installation pour former un volume plus important, et que la grosse bulle qui en résulte arrive alors dans le rotor de la pompe avec le courant transporté, par exemple par suite de processus de régulation, en général la pompe tombe en, panne. Dans la zone centrifuge du rotor, le volume de gaz est comprimé en direction de l'axe de rotation, o il bloque le côté aspira- tion, de sorte que le transport est interrompu. 2 2484271 Cette situation est particulièrement désavantageuse lorsquril s'agit de pompes de circulation de type humide pour des installations de chauffage dont les paliers sont donc grais- sés par le courant transporté. La bulle de gaz se trouvant au centre de rotation bloque alors l'accès du liquide au palier qui de ce fait tourne à sec. Des paliers tournant à sec se dété- riorent vite, de sorte que la pompe et par conséquent également le chauffage tombent en panne. Ce problème est bien connu des hommes de l'art, de sor- te qu'on a mis au point différents séparateurs de gaz reposant sur le principe de la gravité ou de la force centrifuge en tant qu'appareils autonomes ou également des pompes comportant des carters d'aspiration de réalisation particulière. A ce sujet on se référera aux demandes de brevet allemand publiées sous les numéros 1.653.727, 1.937.119 et 2.810.583. Les séparateurs dis- tincts ont généralement l'inconvénient qu'ils ne peuvent pas être installés dans n'importe quelle position, qu'ils ont des dimensions relativement importantes et qu'ils sont également coûteux. Les pompes spéciales connues ont également les mêmes limitations d'installation et ont en outre l'inconvénient que le degré de séparation dépend très fortement du courant trans- porté de sorte que les pertubations mentionnées n'ont pas pu être supprimées jusqu'ici dans les installations de chauffage. L'invention se propose de fournir un séparateur de gaz pour des systèmes à circulation de liquide qui peut être ins- tallé, en tant qu'appareil autonome ou également en tant que constituant intégré d'une pompe, aussi bien dans des conduites tubulaires horizontales que dans des conduites -tubulaires verti- cales, donc qui peut être monté dans n'importe quelle position, et qui donne des résultats uniformément bons dans toute la gamme de travail. Le séparateur doit en outre avoir un faible encombrement et par conséquent un faible poids. De plus, on s'est efforcé d'obtenir une fabrication simple et peu coûteuse ainsi que la possibilité de pouvoir combiner sans problème le séparateur avec une pompe. Dans un séparateur de gaz du type mentionné ci-dessus, ce problème est résolu suivant l'invention grâce au fait qu'un plan A passant par l'axecommun x des raccords et un plan B 3 2484271 passant par l'axe y de la chambre déterminant le centre de rota- tion de la zone centrifuge C et perpendiculaire au plan A se coupent suivant une ligne d'intersection z qui forme un angle a de l'ordre de grandeur o' rence sensiblement égal à 450, avec l'axe x dans le plan A. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limita- tif, un mode de réalisation de l'invention. La figure l illustre de façon schématique et simplifiée le principe de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de réali- sation pratique pour un séparateur intégré à une pompe; et la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 2. Pour mieux expliquer la solution suivant l'invention et ses avantages, on se référera tout d'abord à la figure 1. Le séparateur est orienté dans un système de coordon- nées spatiales rectangulaires, comprenant les axes de coordon- nées u, v, w, de manière que la ligne x reliant les axes des deux raccords 2, 3 coïncide avec la coordonnée v. Les coordon- nées u et v déterminent alors un plan A. Une perpendiculaire abaissée sur le plan A à partir d'un point arbitraire P de l'axe de rotation y de la zone centrifuge C se formant dans la chambre de séparation'et l'axe de rotation y lui-même détermi- nent un plan B qui est perpendiculaire au plan A. La ligne d'intersection des deux plans A et B forme alors l'angle a avec l'axe x des deux raccords 2, 3. Dans le cas d'un séparateur se présentant sous la forme d'un appareil autonome, les axes x et y se trouvent en général dans un plan de sorte que dans ce cas z et y sont identiques. Dans le cas de séparateurs faisant partie du côté aspiration du carter d'une pompe, on doit cependant placer l'axe de la cham- bre ou respectivement l'axe de rotation y au-dessus du plan A passant par les raccords 2, 3, comme représenté, et par ailleurs on doit également souvent disposer l'axe y de manière qu'il soit incliné par rapport au précédent. Ces cas sont couverts de façon cohérente par la solution proposée qui, en fin de compte, 4 2484271 exige que l'axe y soit oblique par rapport à la direction d'écoulement de la pompe ou du séparateur. Pour expliquer la signification et l'effet pratique de la position oblique de la chambre de séparation, il faut consi- dérer les forces qui agissent sur une bulle de gaz se trouvant dans le liquide dans la zone centrifuge. Ce sont la force ascensionnelle FS et la force centripète Fz* V désignant le volume de la bulle, pF la densité du liquide, PG la densité du gaz, u la vitesse périphérique, r le rayon considéré comme la distance de la bulle par rapport au centre de rotation, et g l'accélération de la pesanteur, pour la force ascensionnelle on obtient FS = V PF g - V. PG. g = V. PF.g (l - -F> l V. PF g La force centripète est la force qui agit sur le volume de liquide comprimé par la bulle, à savoir U2 u2 Fz V. PF V PG 2 p 2b u l - G"'u V.PF r (l) V*PF* r Dans le cas o l'axe de la zone de rotation est verti- cal, une bulle dans le liquide en rotation se déplace en perma- nence sur une hélice conique en direction du centre de rotation. Cependant, si l'axe de la zone de rotation est horizontal, ce mouvement n'apparaît que lorsque la force radiale est plus im- portante que la force de la pesanteur, donc lorsque Fz > FS et U2 > g. D'après cette comparaison on voit que dans un dispo- sitif indépendant de la position pour la séparation de mélanges liquidegaz, il faut créer un courant tournant dans lequel l'accélération centripète u /r est plus importante que l'accélé- ration de la pesanteur g, ou bien que l'axe de rotation de la zone centrifuge ne soit pas perpendiculaire à la direction de la pesanteur. Etant donné qu'en pratique les pompes et sépara- teurs sont montés dans des conduites tubulaires verticales ou horizontales, et que l'axe de rotation y de la zone centri- fuge C suivant l'invention est toujours oblique par rapport à la direction d'écoulement, il est possible de séparer des mélan- ges liquide-gaz notamment dans les deux cas d'installation uti- lisés en pratique. Même lorsque les conditions de séparation mentionnées ci-dessus sont remplies, il faut encore prendre des mesures correspondantes pour éliminer la bulle de gaz du courant trans- porté. Le mélange liquide-gaz pénétrant dans la chambre de séparation se sépare et forme une trombe se trouvant au niveau du centre de rotation y, tandis que le liquide est envoyé sur un rayon plus important suivant une trajectoire hélicoïdale, en direction de l'ouverture de sortie. Le gaz ainsi séparé doit alors encore être éliminé de la chambre et ce-à l'aide d'un dispositif de purge de l'air. Dans ce but, la chambre de séparation comporte, au ni- veau de sa région supérieure dans la position d'installation, un prolongement possédant une section transversale réduite par rapport à la section transversale de la chambre, deux perçages perpendiculaires débouchant dans ce prolongement, un perçage étant disposé verticalement et l'autre horizontalement ou vice-versa suivant les deux positions d'installation possibles, de sorte que le perçage disposé verticalement peut être relié au dispositif de purge de l'air, tandis que le perçage horizon- tal est fermé avec un bouchon. Ceci est l'inverse pour l'autre position d'installation. Par ailleurs, le dispositif de purge de l'air pourrait également être relié au perçage horizontal dans le cas o il peut évacuer l'air en position horizontale. Dans chaque cas il est possible de monter le dispositif de purge de l'air parallèlement ou perpendiculairement à la direc- tion de circulation. Le degré de séparation dépend de façon déterminante de la grosseur, de la forme et de la position de l'ouverture par l'intermédiaire de laquelle le mélange liquide-gaz pénètre dans la chambre de séparation. Plus la vitesse d'entrée est impor- tante et plus le rayon d'entrée est important, meilleur est le degré de séparation. La trombe de gaz se trouvant sur l'axe de la zone cen- trifuge peut fluctuer autour de l'axe de la chambre de sépara- tion, et ce par suite d'irrégularités dans le courant transpor- té et d'oscillations. Pour cette raison, on doit chercher à stabiliser la position de la trombe de gaz par une pièce encas- trée et/ou à raccourcir la longueur de la trombe afin que son extrémité inférieure ne puisse pas être attirée dans l'ouver- ture de sortie avec le liquide dégazé. Dans ce but, on prévoit dans la chambre, dans la région de l'ouverture de sortie, une pièce encastrée contournée par le liquide dégazé qui réduit la longueur L de la chambre dans la région du centre de rotation à une longueur efficace 1, avec 0,1 Enfin, il est avantageux d'envoyer le mélange dans une chambre de séparation combinée à une pompe centrifuge et de ré- gler le sens de rotation de la zone centrifuge de manière que le liquide dégazé passe de la chambre dans le rotor de la pompe, par l'ouverture de sortie, avec le même moment cinétique. De ce fait, de façon connue, le comportement de pompage est amélioré de façon générale, notamment dans le cas de pompes de circulation dont le niveau de bruit est considérablement réduit. Les figures 2 et 3 représentent un exemple de réalisa- tion pratique pour un séparateur intégré dans une pompe. La figure 2 est une vue en coupe partielle du carter de pompe dans le plan de l'axe x perpendiculairement à l'axe de la pompe, avec une vue en coupe décalée de la chambre de séparation et se trouvant dessus. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 2. Le raccord d'aspiration ou respectivement d'entrée 2 arrivant dans le carter de pompe 1, et le raccord de refoule- ment ou respectivement de sortie 3 possèdent un axe commun x (pompe en ligne) qui se trouve dans le plan A (figure 1). Dans un autre plan se trouvant au-dessus de ce plan A se trouve la chambre de séparation 4 sensiblement cylindrique dont l'axe coïncide sensiblement avec l'axe de rotation y de la zone cen- trifuge C. Le mélange liquide-gaz pénètre dans le carter de pompe 1 par le raccord 2 et arrive tangentiellement dans la chambre 4 par le canal d'admission 5 et l'ouverture 6. La figure 3 représente plus en détail la situation à l'entrée du canal 5 dans la chambre 4. Il est important que le centre de gravité S de la surface d'entrée 6 se trouve à une distance perpendiculaire a aussi importante que possible de l'axe de rotation y. Ceci peut être obtenu grâce au fait que dans la région de sa surface d'entrée 6 le canal d'admission possède une section transversale non circulaire obtenue par, exemple par étranglement, et ce de manière que ladite distance a du vecteur d'écoulement V passant par le centre de gravité S par rapport à l'axe y de la chambre 4 soit telle que a > (R-r), R étant le rayon de la chambre et r le rayon du canal d'admis- sion cylindrique 5. Suivant la figure 2, la chambre de séparation 4 est munie d'une pièce encastrée 7, qui sera décrite plus en détail ci-après, et comporte un prolongement 8 orienté axialement au- dessus de la surface d'entrée. Dans ce prolongement, qui possè- de une section transversale réduite par rapport à la section transversale de la chambre, débouchent deux perçages filetés 9, 10 perpendiculaires l'un à l'autre, dont l'un est vertical et l'autre horizontal ou viceversa suivant les deux positions d'installation possibles. Le dispositif de purge de l'air non représenté peut alors par exemple être vissé sur le perçage vertical 9, tandis que l'autre perçage horizontal,10 est fermé par un bouchon fileté 11. Le prolongement 8 se présente sous une forme sensiblement cylindrique, comme un prolongement supérieur de la chambre 4. Au lieu d'une forme cylindrique on peut égale- ment utiliser par exemple et entre autres une forme tronconique. Par ailleurs, on peut naturellement ne prévoir également qu'un des deux perçages 9, 10, lorsque le dispositif de purge de l'air fonctionne aussi bien dans une position horizontale que dans une position verticale. Le liquide dégazé sort de la cham- bre 4 par l'ouverture de sortie 12 pour arriver dans le rotor de pompe non représenté qui envoie alors le liquide dans le système par le raccord de sortie 3. Pour un dégazage parfait du mélange liquide-gaz, il est particulièrement important de prévoir la pièce encastrée 7 déjà mentionnée qui, dans l'exemple de réalisation représenté, possède une surface 13 s'étendant transversalement par rapport à l'axe y de la chambre, sur laquelle s'appuie la trombe de gaz se formant dans la chambre de séparation. La pièce encastrée 7 réduit la longueur L de la chambre 4 dans la région du centre de rotation ou respectivement de l'axe y à une longueur effica- ce 1 pour la trombe de gaz, en respectant avantageusement la relation 0,1 Par ailleurs, la pièce encastrée 7 doit recouvrir une partie de l'ouverture 12 lorsqu'elle est-projetée sur cette ouverture suivant la direction d'écoulement, comme cela est représenté sur la figure 2. En outre, des expériences ont mon- tré que le diamètre d du cercle circonscrivant la pièce encas- trée 7 et le diamètre D de la chambre 4 doivent se trouver dans le rapport 0,1 trée n'est pas limitée à la forme cylindrique représentée. Le fait déterminant est surtout que la surface 13 possède une sur- face d'appui de dimensions suffisantes pour la trombe de gaz, cette surface n'étant pas nécessairement plane, mais pouvant également être concave. Dans la forme de réalisation représentée, la pièce en- castrée faisant saillie dans la chambre 4 se présente sous la forme d'une pièce distincte et vissée de façon amovible dans un perçage fileté du carter 1, ce qui offre la possibilité de déterminer par expérience et d'encastrer la pièce optimale pour chaque application. D'autre part, la pièce encastrée 7 peut également être constituée par une pièce coulée avec le carter 1, pour réduire le coût de fabrication du séparateur. Dans le séparateur décrit, la séparation du mélange liquide-gaz s'effectue aussi bien sous l'effet des forces de pesanteur que sous l'effet des forces centrifuges. Dans le cas des courants transportés faibles c'est la force ascensionnelle qui prédomine, tandis que dans le cas de courants importants c'est la force centripète de sorte que dans toute la gamme de travail possible on obtient de bons résultats de séparation sensiblement identiques. Ceci est valable non seulement lors de la combinaison du séparateur avec une pompe centrifuge, mais également lorsque le séparateur est incorporé à un sys- tème de conduites tubulaires en tant qu'appareil autonome. On notera encore enfin que lorsque les plans A et B se coupent quatre angles sont naturellement formés entre la ligne d'intersection z et l'axe x, ces angles étant égaux deux à deux. Pour la position de l'axe y de la zone centrifuge il est impor- tant, en correspondance avec la description, que l'angle aigu a se trouve toujours dans l'un ou l'autre quadrant. D'ailleurs la position du plan B et par conséquent celle de l'axe y pour- raient être tournées de 90 par rapport à la position représen- tée sur la figure 1 autour de la coordonnée w. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation de l'exemple décrit et représenté, elle est susceptible-de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Séparateur de gaz pour des systèmes à circulation de liquide se présentant sous la forme d'un appareil autonome ou d'un constituant intégré de pompes installées en ligne, notam- ment des pompes de circulation pour des installations de chauf- fage et de réfrigération, comportant des raccords d'entrée et de sortie, situés sur un axe commun, pour le liquide et une chambre de séparation sensiblement cylindrique, située entre les deux raccords, dans laquelle le mélange liquide-gaz est introduit tangentiellement et est entraîné en rotation autour de l'axe de la chambre constituant un centre de rotation par un guidage correspondant au courant, le gaz étant comprimé en direction du centre de rotation et étant évacué vers l'exté- rieur, tandis que le liquide dégazé sort de la chambre par une ouverture de sortie distincte, caractérisé en ce qu'un plan (A) passant par l'axe commun (x) des raccords et un plan (B) passant par l'axe (y) de la chambre déterminant le centre de rotation de la zone centrifuge (C) et perpendiculaire au plan (A) se coupent suivant une ligne d'intersection (z) qui forme un angle (a) de l'ordre de grandeur 0 plan (A). 2. Séparateur de gaz suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que dans la chambre (4), dans la région de l'ouver- ture de sortie (12), est prévue une pièce encastrée (7), contour- née tangentiellement par le liquide dégazé, qui réduit la lon- gueur (L) de la chambre dans la région du centre de rotation (y) à une longueur efficace (1) telle qu'elle satisfait à la rela- tion 0,1 3. Séparateur de gaz suivant la revendication 2, carac- térisé en ce que la pièce encastrée possède une surface (13), s'étendant transversalement par rapport à l'axe (y) de la cham- bre, sur laquelle s'appuie la trombe de gaz se formant dans la chambre (4). 4. Séparateur de gaz suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la pièce encastrée (7) recouvre une partie de l'ouverture de sortie en projection suivant la direction d'écoulement. 5. Séparateur de gaz suivant l'une quelconque des re- vendications 2 à 4, caractérisé en ce que le diamètre (d) du cercle circonscrivant la pièce encastrée (7) et le diamètre (D) de la chambre (4) satisfont à la relation 0,1 6. Séparateur de gaz suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la pièce encastrée (7) faisant saillie dans la chambre (4) est une pièce coulée solidaire du carter (1) du séparateur. 7. Séparateur de gaz suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la pièce encastrée (7) faisant saillie dans la chambre (4) se présente sous la forme d'une pièce distincte vissée de façon amovible dans un perçage fileté du carter (1) du séparateur. 8. Séparateur de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, se présentant sous la forme d'un consti- tuant intégré à une pompe centrifuge, caractérisé en ce que le guidage du courant dans la chambre (4) et le sens de rotation de la zone centrifuge (c) sont réglés de manière que le liquide dégazé sortant de la chambre par l'ouverture de sortie (12) pénètre dans le rotor de la pompe avec le même moment cinétique. 9. Séparateur de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant un dispositif de purge de l'air raccordé à la chambre de séparation, caractérisé en ce que la chambre (4) comporte, au niveau de sa région supérieure dans la position d'installation, un prolongement, possédant une section transversale réduite par rapport à la section transversale de la chambre, dans lequel débouchent deux perça- ges (9, 10) disposés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre, un perçage étant vertical et l'autre horizontal ou vice-versa suivant les deux positions d'installation possibles, et que le dispositif de purge de l'air doit être couplé avec le perçage vertical (9), tandis que le perçage horizontal (10) doit être fermé avec un bouchon (11). 10. Séparateur de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le canal d'admis- sion (5) possède une section transversale non circulaire dans la région de son entrée (6) dans la chambre (4), de manière que la distance perpendiculaire (a) du vecteur d'écoulement 12 2484271 (v) passant par le centre de gravité (S) de la surface d'entrée par rapport à l'axe (y) de la chambre possède la valeur a > (R-r), R étant le rayon de la chambre et r étant le rayon du canal d'admission.