Brevet FR2479394A1 — publié le 19811002

La présente invention se rapporte a' ujn tambour d'étanchéité destiné à des circuits de gaz et elle vise également un tel dispositif destiné à empêcher les retours de flamme dans des torches de brûlage. Dans les tambours d'étanchéité à eau installés X sur un circuit de circulation de gaz, si la dispersion de ce gaz devient irrégulière ou s'il se forme des bullês de gaz trop grosses, il se produit, à la surface libre de l'eau, une forte agitation ondulatoire qui, si le débit du gaz augmente, se traduit par la formation de petites vagues. L'écoulement du gaz dans le tube d'échappement du joint d'étanchéité à eau prend alors une forme pulsatoire qu'il convient souvent d'éviter. Sur le circuit de circulation de gaz dirigés vers une torche de brûlage, on fait appel à un tambour d'étanchéité à eau. En cas de fonctionnement défectueux de ce tambour d'étanchéité, il se produit un mouvement pulsatoire rappelant la respiration, consistant en une alternance degonflementset de dégonflements de la flamme, ce qui a pour conséquence de produire des bruits discontinus et d'engendrer un certain malaise parmi les personnes qui vivent dans les alentours. D'une façon générale, un dispositif d'étan- chéité à eau comprend essentiellement un récipient contenant de l'eau servant à assurer l'étanchéité, un tube d'introduction de gaz partant de la partie supé- rieure de ce récipient et dirigé vers le bas, l'extré- mité inférieure de ce tube débouchant au-dessous de la surface libre de l'eau et un tube d'échappement de gaz situé à la partie supérieure de ce récipient. Normalement, l'extrémité inférieure ouverte de ce tube d'introduction de gaz se présente sous la forme d'une entaille en dents de scie, ou bien comporte un grand nombre de fentes dirigées longitudinalement et qui permettent au gaz de se déplacer dans l'eau sous la forme de bulles. Au cours de son étude du mécanisme des tambours d'étanchéité à eau, le demandeur a observé les phéno- mènes suivants Si la débit du gaz est relativement faible, les bulles s'agglomèrent en prenant de grandes dimen- sions et se mettent à flotter de façon discontinue; par suite, la surface libre de l'eau à tendance à monter et descendre a.u centre du récipient, là o se trouve le tube d'introduction de gaz. Lorsque le débit du gaz a une valeur moyenne, la surface libre de l'eau se met à osciller à la manière d'un pendule. Si le débit du gaz augmente, il se produit de façon discontinue un éclatèment.partiel des gouttelettes d'eau. Dans ce cas, la circulation du gaz-dans le tube- d'échappement prend un caractère pulsatoire, avec pour conséquence une série de gonflements et de dégonflements alternés de la flamme dans la torche de brOlage et la formation d'un bruit discontinu. Si ce phénomène d'éclatement devient plus grave, il risque d'engendrer un mouvement oscillatoire de l'eau d'étanchéité qui se met alors à monter et descendre dans le tube d'échappement de gaz. Un tel phénomène est bien entendu fatal au bon fonctionnement du joint d'étanchéité à eau et il faut donc leéviter. En vue de remédier à un tel inconvénient dans les tambours d'étanchéité à eau, il s'est révélé efficace de disperser le gaz, sous la forme de bulles aussi petites que possible, de façon uniforme dans l'eau, de manière à atténuer considérablement le mou- vement ondulatoire à la surface libre de l'eau. De nombreux efforts ont été tentés dans ce sens. C'est ainsi par exemple que l'on a imaginé de percer de nombreux trous dans la partie du tube d'introduction de gaz située au-dessous de la surface libre de l'eau ou bien d'installer une plaque perforée orientée radia- lement, à l'extrémité inférieure du tube de façon que le gaz puisse se disperser par ces trous ou par ces perforations. Mais toutes ces tentatives se sont révè- lées insuffisantes. L'invention, qui vise à remédier aux incon - vénients de la technique antérieure> a pour objet un tambourd'étanchéité à eau pour un gaz en circulation dans lequel ce gaz peut se disperser de façon régulière sous la forme de bulles de petites dimensions et dans lequel on peut éviter le mouvement ondulatoire à la surface libre de l'eau pour toute une vaste gamme de valeurs du débit du gaz. De façon plus précise, l'invention a pour objet un tambour d'étanchéité à eau destiné à un gaz en circulation et comprenant essentiellement un récipient renfermant de l'eau d'étanchéité, un tube d'introduction de gaz et un tube d'échappement de gaz situé à la partie supérieure de ce récipient, ce joint d'étanchéité étant caractérisé par le fait que le tube d'introduc- tion de gaz est muni de tubes de dispersion de gaz disposés radialement et présentant un grand nombre de buses servant à diffuser le gaz, ces tubes étant situés plus haut que l'extrémité inférieure du tube d'introduction de gaz, mais plus bas que la surface libre de l'eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif et nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation. Sur ces dessins, - la figure 1 est une vue en coupe, représen- tant de façon schématique le -t-ambour d'étanchéité à eau selon l'invention; - les figures 2A et 2B représentent un mode de fixation des tubes de conversion sur le tube d'in- troduction de gaz, ces tubes de dispersion constituant la caractéristique du joint selon l'invention; la figure 2A est une vue en plan tandis que la figure 2B est une vue de côté avec certains tubes de dispersion supprimés; - les figures 3A et 3B représentent une autre forme de réalisation des tubes de dispersion de gaz ceux-ci étant fixés au tube d'introduction de gaz sui- vent deux groupes l'un inférieur, l'autre supérieur.; les figures 3A et 3B correspondent respectivement aux figures 2B et 2A; - les figures 4A à 4C et 5A à 5D représentent divers modes de fixation des tubes de dispersion du gaz, les figures 4A, 4B, 5A, 5B et 5C sont des vues en plan, tandis que les figures 4C et 5D sont des Vues de c té; - les figues SA et SB représentant, respec- tivement en coupe longitudinale et en coupe transver- sale, un tube de dispersion de gaz, avec ses buses - la figure 7 est une vue en perspective d'une autre combinaison d'un tube d'introduction de gaz avec des tubes de dispersion de gaz; - les figures 8A et 8B représentent, respec- tivement en coupe verticale et en coupe horizontale, une autre forme de réalisation du joint d'étanchéité selon l'invention.:; et, - les figures 9A, 9B et 9C sont des graphiques représentant le fonctionnement du tambour d'étanchéité à eau selon l'invention par rapport à un joint d'étan- chéité de type classique; de façon plus précise, la figure 9A représente les variations de la pression (en mm d'eau) du gaz à l'entrée du tambour'd'étanchéité en fonction du débit du gaz (en mètres par seconde); la figure 9B représente, dans les mêmes conditions, les variations de la pression du gaz à la sortie du joint d'étanchéité; et la figure 9C représente, dans les mêmes conditions, les variations de la pression de l'eau d'étanchéité. Le dispositif 1, qui constitue un tambour d'é- tanchéité selon l'invention, tel que représenté sur la figure 1, comprend un récipient 3 renfermant une masse d'eau d'étanchéité 2, un tube 4 d'introduction de gaz qui part de la partie supérieure de ce récipient vers le bas et dont l'extrémité inférieurs 41 débouche plus bas que la surface libre de l'eau, et un tube d'échappement du gaz 5 situé à la partie supérieure du récipient.; 'ce tambour d'étanchéité est caractérisé par le fait que le tube 4 d'introduction de gaz est équipé de tubes de dispersion de gaz 6 disposés radialement, munis d'un grand nombre de buses 61 servant à diffuser le gaz à un niveau supérieur à celui de l'extrémité inférieure 41 du tube 4 d'introduction de gaz mais inférieur à celui de la surface libre WL de l'eau. L'extrémité inférieure 41 du tube d'intro- duction de gaz est ouverte comme dans tous les -tambours d'étanchéité à eau de type connu. Cela permet, en cas de danger, le déplacement rapide d'une masse de gaz dans l'eau d'étanchéité sans augmentation appréciable de la chute de pression du gaz. L'extrémité inférieure 41 peut se présenter sous la forme d'une entaille en dents de scie, comme représentée sur la figure, de manière à disperser le gaz d-ans la masse d'eau d'é- tanchéité sous la forme de bulles aussi petites que possible. La branche du tube 4 d'introduction de gaz doit être prévue d'une hauteur H telle que le gaz puisse se diffuser par les buses 61 des tubes fixes de dispersion, sans pouvoir atteindre l'extrémité inférieure 41 tant que le débit du gaz a une valeur normale. Le diamètre des tubes 6 de dispersion de gaz et leur nombre ainsi que le diamètre et le nombre des buses servant à la diffusion du gaz, sont essentiel- lement fonction de la chute de pression du gaz et de l'importance du mouvement pulsatoire que l'on peut admettre dans Je joint d'étanchéité selon l'invention. Bien entendu, il convient de réduire le plus possible la chute de pression, en même temps, supprimer, dans toute la mesure du possible, les mouvements pulsatoires dans la masse d'eau d'étanchéité. Or; en général, ces deux exigences sont incompatibles. Pour diminuer la chute de pression, il est préférable d'employer des tubes de dispersion de gaz d'assez grand diamètre et en nombre faible. Mais cela nuit à la régularité des bulles et le mouvement pulsa- toire de l'eau est important. Au contraire. si l'on veut supprimer.tout mouvement pulsatoire, il est avantageux d'utiliser un nombre aussi grand que possible de tubes de dispersion de gaz, de façon à diffuser de manière uniforme les bulles à un même niveau dans la masse d'eau d'étanchéité. Mais, si l'on fixe un grand nombre de tubes de dispersion de gaz à la surface extérieure du tube d'introduction de gaz dans un même plan. de-section de ce tube, le diamètre de chacun des tubes de dispersion est nécessairement faible. Par suite, la surface totale, en coupe transversale, -des tubes de dispersion du gaz est plus petite et par conséquent, il se produit une chute de pression plus forte dans ces tubes de dispersion. En vue de rendre ces facteurs compatibles, il convient que le tube d'introduction de gaz présente sur sa surface extérieure, huit tubes de dispersion de gaz du diamètre le plus grand possible. La.forme de réalisation préférée indiquée ci-dessus, est qui comporte huit tubes de dispersion de gaz, est représentée sur les figures 2A et 2B. La figure 2A est une vue en plan tandis que la figure 2B est une vue de côté, sur laquelle les trois tubes de dispersion situés en avant ne sont pas représentés. Bien que le tube d'introduction de gaz com- porte le nombre maximum de huit tubes de dispersion montés sur un tube que l'on trouve sur le marché la surface totale, en coupe transversale, de ces tubes de dispersion de gaz ne représente qu'environ 60 % de la section transversale du tube 4 d'introduction de gaz. Par conséquent, il est préférable d'installer deux ou plusieurs groupes de tubes de dispersion de gaz, ces groupes étant le plus voisin possible les uns des autres. Les figures 3A et 3B représentent les tubes de dispersion de gaz répartis en deux groupes, à raison de huit tubes par groupe. Avec une telle disposition, ou une disposition analogue, il faut veiller à ce que les tubes du groupe supérieur et ceux du groupe infé- rieur ne risquent pas de se chevaucher, afin d'empêcher les bulles de se combiner et en vue d'assurer une diffusion uniforme du gaz. La disposition des tubes de dispersion de gaz se présente sous divers types, comme représenté sur les figures 4 et 5. La description qui va suivre vise des buses de diffusion du gaz. Il convient de donner à la surface totale des buses une valeur pouvant atteindre 1,2 fois la surface de la section transversale du tube 4 d'introduction de gaz. En gros, une faible valeur de la surface totale des buses favorise la diffusion régulière du gaz, mais dans ce cas, la chute de pression est nécessairement plus grande. Si l'on augmente la surface totale des buses, 3 5 la chute de pression est donc plus faible, mais cepen- dant, si cette surface totale dépasse la valeur limite indique plus haut, il ne se produit pas d'augmentation appréciable de la chute de pression. D'ailleurs, on constate que, lorsque la quantité de gaz est faible ce gaz s'écoule de façon irrégulière ce qui provoque une agitation pulsatoire dans la masse d'eau d'étan- chéité. Par conséquent, la disposition doit être telle que l'on obtienne une diffusion uniforme compte tenu de la chute de pression admissible. La disposition décrite ci-dessus des tubes de dispersion de gaz répar- tis suivant plusieurs groupes très voisins les uns des autres assure l'avantage d'une meilleure dispersion de gaz pour une surface relativement, faible des buses dans chaque groupe, et cela sans forte chute de pres- sion dans le joint d'étanchéité en raison de la surface totale relativement importante des buses. Les buses des tubes de dispersion du gaz doivent être réparties le long de l'axe géométrique du tube de manière telle que la proportion des ouver- tures par rapport à la surface du tube de dispersion de gaz augmente de la base à l'extrémité de ce tube. Si l'on suppose que la section transversale du récipient du joint d'étanchéité selon l'invention est divisée en zones.annulaires concentriquestoutes de la même lar- geur, il est bien entendu que plus l'une de ces zones est extérieure,, plus sa surface est grande. Comme -expliqué ci-dessus, les tubes de dispersion du gaz sont installés radialement et l'on comprend donc faci- lement que,-si l'on veut obtenir une diffusion uniforme du gaz, il convient que les tubes de dispersion de gaz aient une surface d'ouverture Proportionnelle à la surFace des zones. En vue d'obtenir un tel pourcentage d'ouver- ture, on peut procéder de deux manières différentes g:. soit faire varier le pas des buses, soit faire varier le diamètre des buses le long de l'axe géométrique des tubes de dispersion du gaz. Le premier de ces moyens est préférable pour les raisons que l'on va exposer. - Les figures SA et SB représentent une forme de réali- sation préférée, selon laquelle la distance entre deux buses voisines diminue è mesure que l'on se déplace vers l'extérieur le long de l'axe géométrique des tubes. En ce qỉ concerne la direction périphérique, il est préférable de répartir environ huit buses sur tout le pourtour comme représenté sur la figure SB. LorsquE le débit gazeux est faible, l'eau d'étanchéité pénètre dans les tubes de dispersion de gaz et, dans ce cas, seules les buses situées le plus haut sont utilisées. Si le débit du gaz augmente, l'eau contenue dans les tubes recule progressivement et le gaz commence à se diffuser également par les buses latérales et même par les buses situées le plus bas. On obtient ainsi une diffusion stable du gaz. Il est préférable que le diamètre des buses soit faible, car lorsque les bulles de gaz sont grosses. ellesotit tendance à provoquer une agitation pulsatoire de la masse d'eau d'étanchéité. Mais, plus le diamètre des buses est petit, plus il faut faire de perfora- tions. Cela exige une très forte main-d'oeuvre pour la fabrication du joint d'étanchéité et, de plus, étant donné que lorsque la distance entre buses voisines devient faible, il se produit une combinaison des bulles, on n'obtient aucune amélioration. Le demandeur a constaté par expérience qu'il convient que le diamètre soit compris entre 3 et 15 mm et, mieux entre 5 et 10 mm. Le fait que la valeur qu'il convient de donner au diamètre des buses soit comprise dans une certaine gamme assez étroite, signifie qu'il y a une limite au recours à la varia- tion du diamètre des buses comme moyen d'obtenir une variation des proportions d'ouverture le long de l'axe géométrique des tubes de dispersion du gaz. Il n'y a pas de limite à la longueur L des tubes de dispersion du gaz. Il serait facile de déter- miner quelle longueur on doit donner au tube pour avoir des buses d'un diamètre convenable et en nombre suffisant pour assurer une surface totale de buses dans un joint d'étanchéité donné. Les explications données ci-dessus, relatives au -tambour d'étanchéité à eau selon l'invention, visent des formes de réalisation faisant appel à un récipient vertical et de section transversal cylindrique avec un seul tube d'introduction de gaz situé au centre de ce récipient, mais bien entendu l'invention couvre diverses autres formes de réalisation. C'est ainsi par exemple que, dans le cas de la figure 7, le tube 4 d'introduction de gaz consiste en réalité en plusieurs tubes dont chacun est muni d'un certain nombre de tubes 6 de dispersion. Une telle forme de réalisation convient si l'on veut réaliser un tambàur d'étanchéité de grande capacité. Les figures 8A et 88 représentent une autre forme de réalisation, selon laquelle le récipiènt 3 est horizontal et o le tube d'introduction de gaz se divise par exemple en trois tubes 42. Avec une telle forme de réalisation, il est préférable que les divers jeux de tubes de dispersion de gaz soient séparés par des cloisons de séparation 7. Ces sépa- rateurs 7 amortissent les mouvements horizontaux de la masse 2 d'eau d'étanchéité et, par suite, elles empêchent la formation de petites vagues à la surface libre de l'eau et en particulier d'oscillations suivant la direction longitudinale. Le dI.gpogit!f d'étçnchéité à eau selon l'in- vention diffune le gaz de façzon uniforme à l'état de bulles de petites dimensions et, par suite, il ne se forme que des vagues très légères à lasurface de l'eau d'étanchéité et il n'y a pas de risque de mouve- ments pulsatoires dans ce joint, même si le débit du gaz varie. Un tel dispositif est donc d'un fonctionne- ment très souple;pour toute une vaste gamme de débits du gaz et il constitue en permanence un bon joint d'étanchéité à l'eau. Etant donné que l'agitation à la surface libre de l'eau est très faible comme on vient de le signaler, on peut donner à la masse d'eau d'étanchéité une pro- fondeur WSL très petite. Dans les joints d'étanchéité de type connu, il faut que cette profondeur WSL soit de 10 cm ou davantage, tandis que dans le cas du joint selon l'invention, une profondeur de 5 cm au maximum est suffisante. Les expériences effectuées par le demandeur montrent que l'agitation à la surface libre de l'eau est moins grande si la profondeur WSL est plus faible. Par conséquent, une faible valeur de la profondeur WSL a pour effet non seulement d'assurer une moindre chute de pression de gaz mais également d'améliorer le fonctionnement du joint d'étanchéité à l'eau, ce qui est l'objet de l'invention. Comme autre avantage du joint d'étanchéité selon l'invention, il convient de signaler que. même si une quantité de gaz extrêmement importante arrive brusquement dans ce tambour d'étanchéité, on obtient un déplacement sans à-coups du gaz en raison de la structure mime de ce joint. Le tambour d'étanchéité selon l'invention est d'une construction facile en raison de la simplicité de sa structure et son prix de revient est faible. Il convient à n'importe quel gaz que l'on veut faire circuler de façon étanche et il est particulièrement utile lorsqu'on l'utilise pour des gaz inflammables dont on veut provoquer la combustion dans une torche de brOlage, gaz qui se forment dans les raffineries de pétrole ou dans les installations pétrochimiques ou analogues, par quantité variable:; au cours des opérations. EXEMPLE On réalise un dispositif d'étanchéité à l'eau du type représenté sur la figure 1 comportant des tubes de dispersion de gaz tels que ceux des figures 3A et 3B. On soumet ce dispositif à des excès avec des débits d'air variables. On traite les résultats obtenus sur les va- riations de la pression de l'air à l'entrée de ce tambour d'étanchéité, sur les variations de la pression de l'air à la sortie et sur les variations de la pression de l'eau d'étanchéité, afin de montrer la relation avec les débits de gaz dans le récipient (les buses ont un diamètre de 5 mm et la profondeur WSL est de mm). En vue d'effectuer une comparaison, on a construit des tambours d'étanchéité- suivants d'un type classique et on les a soumis aux mêmes effets avec de l'air que plus haut, avec une profondeur WSL de 100 mm. tlqibourd'étanchéité de type classique n' I Ce tambour d'étanchéité ne comporte pas de tu-. bes de dispersion de gaz mais il présente un grand nombre de trous d'un diamètre de 3 mm à la partie inférieure du tube d'introduction de gaz et l'extrémité inférieure de ce tube- se présente sous la forme d'une entaille en dents de scie. 1 3 Tambour d'étanchéité de type classique no TT Ce tambour d'étanchéité comporte un tube d'introduction de gaz équipé d'un disque orienté radia- lement et muni d'un grand nombre de perforations d'un diamètre de 3 mm, ce disque présentant, sur son pour- tour, une jupe de faible hauteur dirigée vers le bas. Les résultats obtenus sont reportés sur les figures 9A, 9B et 9C, o la vitesse du gaz est portée en abscisse (en m/s) et o la variation de pression est portée en ordonnées, à savoir respectivement la varia- tion de pression du gaz à l'entrée du tambour dCétan- chéité, la variation de pression du gaz à la:sortie de ce tambour et la variation de pression au bas du tambour d'étanchéité. Sur ces trois figures, les repères consistant en un petit cercle avec un point au centre concernent le tambour d'étanchéité selon l'invention les repères consistant en un petit triangle avec un point au centre se rapportent au tambour d'étanchéité connu n0 I tandis que les repères consistant en un petit carré avec un point au centre concernent le tambour d'étanchéité connu du type no II. REVENDICATIONS 1. Tamboqr d'étanchéité à eau destiné à un gaz. constitué essentiellement par un récipient (3) renfermant une masse d'eau (2) assurant l'étanchéité, un tube (4) d'introduction de gaz qui part de la partie supérieure de ce récipient et qui est dirigé vers le bas, l'extré- mité inférieure (41) de ce tube débouchant plus bas que la surface libre de l'eau et un tube (5) d'échappement de gaz situé à la partie supérieure de ce récipient (3), caractérisé par le fait que ce tube (4) d'introduction de gaz est muni de tubes (6) de dispersion de gaz dis- posés radialement et présentant un grande nombre de buses (61) servant à diffuser le gaz, ces buses étant situées plus haut que l'extrémité inférieure (41) du tube (4) d'intrdduction de gaz mais plus bas que la surface libre (WL) de l'eau. 2. Tambour d'étanchéité à eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que les tubes (6) de dispersion du gaz se divisent en deux ou plusieurs groupes et que ces groupes sont répartis en différentes positions le long de l'axe géométrique du tube (4) d'introduction de gaz. 3-'TamboUr d';tanchéitf à eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que les buses (61) servant à la diffusion du gaz sont telles que la surface des ouvertures de ces buses augmente de la base Jusqu'a l'extrémité des tubes (6) de dispersion. 4. Tambour d'étanchéité à eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que la surface totale d'ouverture des buses atteint une valeur égale à 1,2 fois la surface de la section trasversale du tube (4) d'introduction de gaz. 5. Tam'our d'étanchéité à eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que les buses (61) ont un diamètre compris entre 3 et 15 mm et, mieux, entre 5 et 10 mm. 6. Tambour d'étanchéité' eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que le récipient (3) est de type vertical. 7. -Tambour'd'étanchéitë à eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que le récipient (3) est de type horizontal. 8. Tambour.d'étanchéité à eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait qu'il comporte plu- sieurs tubes (42) d'introduction de gaz et que chacun de ces tubes d'introduction de gaz comporte des tubes (B) de dispersion. 9. Utilisation dutambour d'étanchéité à eau salon la revendication 1, comme dispositif servant à empêcher les retours de flamme dans une torche de brOûlage.