Brevet FR2609311A1 — publié le 19880708

La présente invention, concernant les échan- geurs de pression pour liquides, est plus spécifique- ment relative à des échangeurs de pression pour transfé- rer de l'énergie de pression d'un écoulement de liquide d'un système à liquide à un écoulement de liquide d'un autre système à liquide, comprenant un boftier ou carter qui comporte un conduit d'entrée et un conduit de sortie pour chaque écoulement de liquide et un rotor cylindri- que disposé dans l'enveloppe, adapté à tourner autour de son axe longitudinal et pourvu d'un certain nombre de passages ou perçages s'étendant parallèlement à cet axe longitudinal, avec une ouverture à chaque extrémité, les conduits d'entrée et de sortie des systèmes à liquide formant des paires de conduits débouchant près des faces d'extrémité respectives du rotor et les per- çages du rotor étant adaptés à être raccordés aux conduits d'entrée et de sortie du boîtier de façon qu'ils puissent alternativement transporter du liquide sous forte pression et du liquide sous basse pression des systèmes respectifs pendant que le rotor tourne. US-A-3 431 747 fait connaître un échangeur de pression du type mentionné ci-dessus, dans lequel une bille a été introduite dans chaque perçage pour la séparation des liquides des deux systèmes. Le mouvement de la bille est limité en raison de la présence, à cha- que extrémité de chaque perçage, d'un siège ou d'une butée contre lequel la bille peut porter. Les sièges provoquent une réduction de la section transversale des perçages et les billes, les perçages, ainsi que les sièges sont exposés à une usure mécanique qui entraîne des fuites. En outre, à cause de la petitesse de l'in- tervalle entre les billes et les parois des perçages respectifs, il faut exercer une force importante sur les billes afin de les déplacer à des vitesses de liquide élevées, ce qui entraîne une perte d'énergie. Lorsque les courants de liquide s'arrêtent soudainement, ceci étant causé par le choc de butée des billes contre leurs sièges, il peut se produire de la cavitation, ce qui peut être dommageable pour les pièces adjacentes. La présence d'une bille et de deux sièges à clapet, avec des bagues d'étanchéité, des ressorts, etc., pour chaque perçage fait que le dispositif devient compliqué et coûteux. En outre l'usure susmentionnée peut nécessiter une modification, coûteuse en temps et en argent, des composants de l'échangeur de pression. La disposition des conduits d'entrée et de sortie qui évacuent ou bien reçoivent le liquide d'un perçage seulement à la fois, fait que le courant est intermittent. L'invention a pour objet de fournir un dispo- sitif présentant à un moindre degré les inconvénients ci-dessus mentionnés. Les dispositions caractéristiques du disposi- tif selon l'invention ressortiront de ce qui suit. L'invention sera décrite en détail par la description ci-après avec référence aux dessins ci-annexés, qui montrent des modes de réalisation d'un échangeur de pression selon l'invention. - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un échangeur de pression selon l'inven- tion; - la figure 2 en est une coupe prise le long de 26093 1 1 la ligne II-II de la figure 1, dont des parties ont été enlevées; - la figure 3 en est une coupe prise le long de la ligne III-III de la figure 2; - la figure 4 en est une vue considérée dans la direction de la flèche A de la figure 2, des parties ayant été enlevées; - la figure 5 est une vue montrant les ouver- tures de la pièce d'extrémité faisant face au rotor; - les figures 6a à 6f sont des coupes illus- trant le mode de fonctionnement de l'échangeur de pression; - les figures 7a et 7b sont des diagrammes de vitesse illustrant le mode de fonctionnement de l'échangeur de pression; - la figure 8 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention, réalisé de façon que le dispositif soit raccordé à deux réservoirs de liquide; - les figures 9a à 9c sont des vues d'un autre mode de réalisation d'une pièce d'extrémité. Ainsi qu'il ressort de la figure 1, l'échan- geur de pression selon l'invention comprend un boîtier tubulaire de forme générale cylindrique, qui comporte à chaque extrémité une bride circulaire 2, 3 présentant un certain nombre de trous traversants. Deux pièces d'extrémité 4, 5, essentiellement identiques toutes deux pourvues d'une bride circulaire 6, 7 ayant un diamètre et des trous traversants correspondant aux brides du boîtier, sont fixées hermétiquement à chacune des extrémités du bottier 1, les brides 2, 3 du boîtier étant fixées aux brides 6, 7 des pièces d'ex- trémité respectives 4, 5 au moyen de vis, non repré- sentées, qui passent par les trous, et d'écrous. Afin d'obtenir un raccordement étanche on peut placer une bague d'étanchéité entre les brides. Un rotor cylindrique 8 est disposé dans le boîtier tubulaire 1, son diamètre extérieur du rotor est adapté au diamètre intérieur du boîtier 1 de telle façon qu'il puisse tourner facilement dans celui-ci. Les surfaces d'extrémité du rotor s'étendent normalement à son axe longitudinal, et sa longueur correspond approximativement à la longueur du boîtier 1. Le rotor 8 comporte un certain nombre de passages axiaux tra- versants 9. Comme cela est représenté, ceux-ci peuvent avoir une section transversale circulaire, leurs axes longitudinaux étant également espacés et s'étendant le long de deux surfaces cylindriques coaxiales par rapport au rotor. Le diamètre des perçages et leurs espacements peuvent être cependant différents d'une des surfaces cylindriques à l'autre. En outre, les perçages peuvent être disposés le long d'une seule surface cylindrique, ou le long de plus de deux surfaces cylindriques. Chacune des pièces d'extrémité 4, 5 présente deux passages 12, 13 et 14, 15 s'étendant l'un près de l'autre et séparés par une paroi ou cloison commune 16 ou 17, qui s'étend à partir de l'extrémité intérieure qui fait face à l'enveloppe 1 et au rotor 8, le long d'au moins une partie de la longueur des conduits. Ainsi qu'il ressort des figures 4 et 5, les ouvertures intérieures 18, 19 et 20, 21 de chaque paire de conduits sont approximativement semicirculaires, le diamètre du cercle pouvant être un peu plus petit que le diamètre du rotor 8, si bien qu'il existe un épaulement ou une surface de glissement pour le rotor 8 qui empêche pra- tiquement le mouvement de celui-ci dans la direction longitudinale du boîtier 1, tout en permettant sa rotation, ce qui fait qu'on obtient une meilleure étanchéité entre le rotor et le boîtier. La cloison de séparation 16, 17 entre les ouvertures 18, 19 ou 20, 21 avance vers la surface d'extrémité correspondante du rotor 8, de telle façon que celleci puisse porter hermétiquement pendant la rotation contre le bord de cette cloison séparatrice et glisser sur celle-ci. La cloison de séparation et la surface de glissement peuvent en outre comprendre un dispositif d'étanchéité qui assure l'étanchéité entre le rotor et la cloison séparatrice ou les pièces d'extrémité. L'épaisseur de la cloison peut être constante ou bien varier le long d'une ligne radiale partant du centre des ouvertures semi-circulaires intérieures, comme on le voit sur la figure 9, cette épaisseur étant un peu plus grande que la dimension transversale des perçages 9 situés à la distance correspondante de l'axe longitudinal du rotor. Ainsi qu'on le voit à la figure 2, l'axe longitudinal de la partie intérieure 10 des conduits fait un certain angle avec le plan de rotation du rotor 8, alors que l'axe longitudinal de la partie extérieure 11 des conduits est sensiblement parallèle à ce plan. Les axes longitudinaux des parties extérieures 11l des conduits peuvent être parallèles les uns aux autres ou disposés avec écart angulaire l'un par rapport à l'autre dans ce plan, comme le montre la figure 9. La partie d'extrémité extérieure 11 des conduits peut être pourvue de brides ou de filetages (non représen- tés) pour le raccordement des conduits aux tuyaux d'un système de conduites. La partie de conduit intérieure présente une paroi inclinée, opposée au rotor, qui est sensiblement en forme de S dans une coupe coaxiale selon un plan passant par l'axe longitudinal du rotor, c'est-à-dire que la partie de cette paroi qui est la plus rapprochée du rotor et celle qui en est la plus éloignée s'étendent paral- lèlement au plan de rotation, ou font un petit angle avec lui, tandis que la partie intermédiaire fait un plus grand angle par rapport à ce plan. Plus spécifiquement, la pente de la paroi le long de cette portion par rapport au plan de rotation peut être représentée approximativement par une fonction sinusoïdale de l'angle, mesuré dans le plan de rotation du rotor et dans la direction de rotation, qui est formé entre deux plans comprenant tous deux l'axe longitudinal du rotor, le premier de ces plans, ou plan de référence, comprenant la partie de l'ouverture de conduit en question, qui est la première atteinte par les perça- ges du rotor, pendant la rotation de celui-ci et le deuxième plan comprenant la partie de paroi en question. Comme on voit sur le dessin, les deux pièces d'extrémité 4, 5 sont décalées angulairennt l'une par rapport à l'autre de 180 dans le plan de rotation, si bien que les ouvertures extérieures des paires de conduits sont dirigées dans des directions opposées. Comme on voit sur les figures 2 et 4, un arbre 22, qui passe de façon étanche au travers de la paroi de séparation 17 de la pièce d'extrémité 4 et qui est relié à un moteur élec- trique (non représenté) ou analogue, peut être soli- daire en rotation du rotor pour tourner. Le mode de fonctionnement de l'échangeur de pression selon l'invention sera décrit en détail ci-après avec référence aux figures 6 et 7. Pour récupérer l'énergie de pression d'un premier liquide, par exemple un liquide résiduaire d'une opération, de façon que ce liquide soit utilisé pour élever la pression d'un autre liquide employé en relation avec une autre opération, un tube d'alimenta- tion 30 qui transporte le liquide résiduaire est raccordé au conduit 12 de l'échangeur de pression et un tube 31 pour fournir l'autre liquide est raccordé au conduit 15. En outre un tube de décharge 32 pour le liquide résiduaire est relié au conduit 13, ainsi qu'un tube de décharge 33 pour l'autre liquide, au conduit 14. Dans ce qui suit, la pression du liquide sera désignée par p et, pour désigner la pression de liquide dans les conduits respectifs, cette lettre indicative sera assor- tie d'un suffixe correspondant au numéro de désignation du conduit. A titre d'introduction, on admettra que p 12>p14> p 15> p13>. Pour décrire le mode de fonctionnement, on exposera la circulation de liquide pour un perçage de rotor particulier, en admettant que le rotor soit entraîné par un moteur. Les figures 6a à 6f montrent les positions successives de ce perçage 9 pendant la rotation du rotor 8. La figure 6a illustre le rotor dans une position dans laquelle le perçage 9 en question vient juste d'être mis en communication avec les conduits 13 et 15. Comme p15 > p13, le liquide résidu- aire qui est contenu dans le perçage est mis en mouve- ment. Lorsque le rotor a passé par la position repré- sentée sur la figure 6a et a atteint la position repré- sentée sur la figure 6c, dans laquelle le perçage est en train d'être fermé par les cloisons séparatrices 16, 17, presque tout le liquide résiduaire a été évacué du conduit et ce dernier a été rempli par l'autre liquide. Lorsque le rotor atteint la position représentée sur la figure 6d, qui montre --------------------- que le per- çage est en communication avec les conduits 12 et 14, la pression du liquide s'élève immédiatement à un niveau intermédiaire entre les pressions p12 et p14 et la pression élevée p12 du liquide résiduaire provoquera l'arrivée d'un courant de liquide par le conduit 12 et déplacera l'autre liquide, de sorte que celui-ci sortira par le conduit 14. La pression du liquide dans le conduit 14 peut être commandée ici au moyen d'une valve de contrôle (non représentée) ou par un dispositif semblable. Lorsque le rotor a passé par la position repré- sentée sur la figure 6e et a atteint la position représentée sur la figure 6f, dans laquelle le perçage commence à être à nouveau fermé par les cloisons sépa- ratrices 16, 17, pratiquement tout l'autre liquide qui se trouvait dans le perçage a été déplacé par le liquide résiduaire. Lorsque le rotor atteint à nouveau, la rotation continuant, la position représentée sur la figure 6a, dans laquelle le conduit est en communica- tion avec les conduits 13 et 15, le cycle décrit ci-dessus est à nouveau démarré. Les figures 7a et 7b représentent des diagram- mes de vitesse pour l'entrée et la sortie d'un perçage particulier du rotor, C1 et C2 désignant la vitesse absolue du liquide, W1, W2, la vitesse du liquide par rapport au conduit et U la vitesse du perçage par rap- port au boîtier. ClU et C2U désignent la composante de C1 ou de C2 qui s'étend dans la direction de U. Bien qu'il soit mentionné ci-dessus que le rotor est entraîné par un moteur, il est cependant évident que la partie intérieure inclinée 10 des conduits d'entrée de liquide 12 et 15 causera, en combinaison avec les perçages 9 s'étendant axialement, l'application d'un couple tendant à faire tourner le rotor, ce couple étant pro- portionnel à (C1U - C2U). Ainsi dans ce cas, il est superflu d'avoir un moteur pour faire tourner le rotor. Si la différence entre les pressions de liquide est suffisamment grande, il ne sera pas nécessaire non plus de prévoir des pompes à liquide pour surmonter la résistance d'écoulement des tubes, la différence de pression assurant le débit liquide désiré. Si la pression du liquide résiduaire est égale à la pression de l'autre liquide, c'est-à-dire si pl2 = pl4 et pl3 = p15, le déplacement de liquide dans les perçages ne peut être obtenu au moyen de différen- ces de pression comme mentionné ci-dessus, ce débit doit être assuré d'une autre façon. Une possibilité consiste à prévoir des pompes à circulation ou pompes à liquide 42, 43, comme représenté sur la figure 8, afin de surmonter la résistance à l'écoulement du système de tubes associé. La figure 8 illustre schéma- tiquement le cas dans lequel l'échangeur de pression est utilisé pour alimenter, par exemple en eau chaude, un réservoir 40 situé à un niveau élevé, à partir d'un réservoir 41 placé à un niveau bas, l'eau froide qui s'écoule à partir du réservoir élevé étant utilisée pour augmenter la pression de l'eau qui s'écoule à partir du réservoir bas. Dans ce cas, il est prévu une pompe 42 dans le tube 44 qui relie le conduit 14 au réservoir supérieur 40, et une pompe 43 dans le tube 47 qui relie le réservoir inférieur au conduit 15. Mais, suivant une autre possibilité, l'échangeur de pression peut fonctionner comme une pompe, à cause de la partie intérieure inclinée des conduits 12 et 15, ce qui fait que le couple nécessaire pour faire tourner le rotor est approximativement proportionnel à la différence (C2U - ClU), comme on voit sur la figure 7b. Ainsi qu'il ressort de cette figure, cette différence est positive pour une vitesse convenable U du perçage en question. Ainsi les pompes à liquide 42, 43 peuvent être superflues si le rotor fonctionne au moyen d'un moteur. La communication simultanée d'un grand nombre de perçages 9 avec les conduits 12, 13 et 14, 15, fait que l'écoulement de liquide dans ceux-ci est continu, et, comme la surface des perçages qui est en train d'être fermée, au cours de la rotation du rotor, par une moitié des cloisons séparatrices, correspond à la sur- face de conduit qui est simultanément ouverte par l'autre moitié, diamétralement opposée, de la cloison séparatrice, le courant de liquide dans les perçages ne subira que des pulsations limitées. Grâce à la conception mentionnée ci-dessus, l'échangeur de pression selon l'invention permettra des écoulements de liquide très rapides et aura un meilleur rendement que les échangeurs de pression connus. En particulier, pour des vitesses de liquide élevées, il est important que l'écoulement de liquide soit constant. La forme, mentionnée ci-dessus, de la paroi de partie intérieure de conduit qui est opposée au rotor, fait qu'il est possible d'obtenir que la composante, dans la direction longitudinale du rotor, de la vitesse du liquide en circulation qui entre ou sort soit petite au voisinage des perçages qui sont sur le point de pénétrer sous la cloison séparatrice ou de s'en écarter, c'est-à-dire d'être fermés ou bien ouverts, tandis que cette compo- sante de la vitesse d'écoulement de liquide est grande à l'endroit des perçages en position intermédiaire et que la transition entre petite et grande vitesse est progressive. Cette forme de la paroi amène une accéléra- tion et une décélération régulières de l'écoulement de liquide dans les perçages, cet écoulement s'effectue avec un bon rendement, sans engorgement, ce qui contri- bue à une réduction poussée des pulsations de l'écoule- ment de liquide. REVENDICATIONS 1. Echangeur de pression pour transférer l'énergie de pression d'un courant de liquide d'un système à liquide à un courant de liquide d'un autre système à liquide, comprenant un boîtier (1) avec un conduit d'entrée et un conduit de sortie (12, 13 ou 14, 15) poLur:haque écoulement de liquide et un rotor cylindrique) disposé dans le boîtier (1) , adapté à tourner autc r de son axe longitudinal et présentant un certain nombre de passages ou perçages (9) s'éten- dant parallèlement à son axe longitudinal, ayant une ouverture à chaque extrémité, les conduits d'entrée et de sortie des systèmes à liquide formant des paires de conduits établies sur les côtés respectifs du rotor (8), et les perçages du rotor (8) étant adaptés à être raccordés aux conduits d'entrée et de sortie du boîtier de façon qu'ils puissent alternativement transporter du liquide sous pression élevée et du liquide sous basse pression des systèmes respectifs pendant la rotation du rotor, caractérisé en ce que les ouvertures intérieures des conduits, c'est-àdir- les ouvertures qui sont proches du rotor, sont formées approximativement par un segment d'un cercle ayant un angle au centre de 180 , et en ce qu'une cloison sépa- ratrice est formée entre ces ouvertures de chaque paire de conduits. 2. Echangeur de pression selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les axes longitudinaux des parties d'extrémité extérieure des conduits -c'est-à-dire la partie d'extrémité la plus éloignée du rotor- s'étendent approximativement parallèlement par rapport au plan de rotation du rotor et en ce que les axes longitudinaux des parties d'extrémité inté- rieure du conduit sont inclinés par rapport au plan de rotation. 3. Echangeur de pression selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au cours de la rota- tion du rotor les conduits sont adaptés à fournir un écoulement de liquide dont la composante axiale de vitesse varie le long des sections circulaires qui sont concentriques par rapport à l'axe longitudinal du rotor, de telle façon que les parties de l'écoulement qui sont voisines de ceux des perçages de rotor qui sont en train d'être reliés aux conduits respectifs ou dont le raccordement aux conduits respectifs est en train d'être coupé, s'écoulent plus lentement que la partie d'écoulement intermédiaire. 4. Echangeur de pression selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la paroi inclinée de la partie d'extrémité intérieure d'un conduit opposé au rotor a une forme incurvée dans une section cylindri- que par un plan contenant l'axe longitudinal du rotor, de telle façon que l'angle compris entre le plan de rotation et le plan de la partie de paroi en question soit approximativement représenté par la fonction sinu- soldale de l'angle, mesuré dans le plan de rotation du rotor et dans le sens de rotation, qui est formé entre deux plans qui comprennent tous deux l'axe longitudi- nal du rotor, le premier plan ou plan de référence comprenant la partie de l'ouverture de conduit en question atteinte la première par les perçages du ro- tor au cours de la rotation de celui-ci,et le deuxième plan comprenant la partie de paroi en question. 5. Echangeur de pression selon les revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des parties extérieures des conduits d'une même paire de conduits font un petit écart angulaire l'un par rapport à l'autre et que les paires de conduits sont décalés angulairement l'une par rapport à l'autre de 180 , mesurés dans le plan de rotation du rotor. 6. Echangeur de pression selon les revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les ouvertures de perçage du rotor et les ouvertures intérieures du conduit sont adaptées mutuellement de telle façon que l'aire totale de la surface d'ouverture de perçages qui est ouverte vers un conduit en question est sensiblement constante au cours de la rotation du rotor. 7. Echangeur de pression selon les revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le rotor peut être entraîné en rotation au moyen d'un moteur.