Brevet FR2614284A1 — publié le 19881028

Dispositif de transfert d'un matériau pulvérulent L'invention concerre le transfert de matera pu'veru- lent, notamment de la poudre sèche de ciment. Par matériaux pulvérulents, on entend ici des matériaux en poudre à forte concentration solide : le rapport solide/gaz (l'air généralement) est typiquement de 100 : 1 ou. pl-us. I1 est connu de transférer les matériaux pulvérulents, entre une conduite d'entrée et une conduite de sortie à l'aide, par exemple, de pompes rotatives à vis, de pompes rotatives à palettes ou autres. Un inconvénient de ces pompes est leur encombrement et leur prix de revient relativement élevé, tant a la construction qu'à l'utilisation en raison de leur consommation énergétique. Le but de l'invention est de proposer un nouveau dispositif de transfert plus simple, moins encombrant et plus économique que les dispositifs précités. L'invention atteint son but grâce à un dispositif qui comprend une turbomachine centrifuge du type comportant une roue mobile munIe d'ailettes tournant dans un stator en volute, le matériau pénétrant dans le dispositif par l'oeillard de la roue et sortant par la sortie de la volute. il est prévu sur la volute au moins une conduite d'injection de gaz -généralement de l'airaidant notamment au transport de la poudre dans la conduite de sortie faisant suite au dispositif de transfert. La ou l'une des conduites d'injection est sensiblement alignée sur la conduite de sortie. La turbomachine utilisée est de type connu et sert, sous les noms de pompe centrifuge, soufflante, ventilateur, exclusivement au transfert des fluides liquides ou gazeux. De telles machi neg sont également utilisées lorsque le courant liquide ou gazeux contient en suspension un matériau solide mais dans tous les cas la concentration maximale possible solide/gaz reste très faible. Le principe sous-tendant l'utilisation de ces turbomachines est fondé sur la transformation de l'énergie cinétique du fluide en énergie potentielle à l'intérieur du dispositif. Cette transformation n'est reconnue possible par l'homme du métier que pour les fluides. Comme l'écrit A.J. Stepanoff, ddn; son livre "Centrifueal and Axial FLow Pumps" (John Wilen G Sons, Inc., USA, 1957) qui fait autorité en la matière : "les solides en suspension ne peuvent ni absorber, ni stocker, ni transmettre d'énergie potentielle, ce qui est une propriété des fluides (p.11, 1.6.) et "ne jouant aucun. role dans la conservation ou la transmission de l'énergie potentielle, les solides en suspension ne peuvent convertir leur énergie cinétique en énergie potentielle" [p.12,1 6.). Il s'agit là d'un principe physique unanimement reconnu et admis, et qui s'oppose donc totalement à l'utilisation de turbomachines de ce type pour le transfert de matériau pulvérulent sans fluide porteur ou presque, c'est-à-dire à concentration solide élevée. Or il a été découvert selon l'invention que contrairement toute attente, un tel transfert était possible. Il semble qu'un lit de particules fluidisé centrifuge s'établisse dans le dispositif, et que cet état fluidisé donne au matériau un comportement analogue à celui d'un fluide vrai vis-à-vis d'une turbomachine centrifuge. Ce comportement se maintient dans la conduite de sortie sur une distance qui peut etre de quelques metres. il est possible de prolonger ce comportement en plaçant plusieurs dispositifs analogues en série le long de la conduite. Les avantages de l'invention sont évidents. La technologie de ces turbomachines est simple et bien connue. Leur encombrement est faible. La consommation énergétique moyenne est réduite sensiblement au quart ou au tiers de celle d'une pompe volumétrique à vis, à débit égal. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation. il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue de coté schématique du dispositif de l'invention installé sous une trémie de ciment, la figure 2 est une vue de dessus schématique du dispositif de l'invention montrant l'implantation des jets d'air latéraux, la figure 3 est une vue de dessus d'un mode de réalisation de la roue du dispositif de l'invention, la figure 4 est une coupe IV-IV de la figure 3, la figure 5 est une coupe V-V de la figure 3. La figure 1 montre le dispositif de transfert 1 installé sous la conduite de décharge verticale 3 d'une trémie à ciment pulvérulent 2. Le bas de la trémie 2 peut comporter une section 4 de fluidisation du ciment destinée à faciliter l'évacuation de celui-ci en s'opposant aux obstructions par agglomération ou voutage. Le dispositif 1 renvoie le ciment dans une conduite d'évacuation horizontale latérale 5, vers un réseau d'utilisation non décrit. Si l'éloignement du réseau est trop important et entraine des pertes de charge s'opposant au transfert correct du ciment, d'autres dispositifs tels que le dispositif 1 peuvent être implantés le long de la conduite 5. Le dispositif 1 comporte une entrée axiale 6, munie d'une bride 7 de raccordement à la conduite de décharge 3, et conduisant la matière vers l'oeillard d'une roue mobile 8 munie d'ailettes 8' impartissant de l'énergie cinétique à la matière et l'envoyant radialement vers la bâche spiralée ou volute 9. Celle-ci se termine par une sortie tangentielle 10 munie d'une bride 11 de raccordement à la conduite d'évacuation 5. La roue 8 est entrainée en rotation par un moteur abrité dans un carter 12, et l'ensemble est supporté par un bati 12. Les figures 3, 4 et 5 montrent un exemple de réalisation particulier de la roue 8, tout à fait classique pour une roue de turbomachine : le moyeu 14 comporte un orifice central 15 où vient se claveter l'arbre du moteur ; les ailettes S1 rayonnent autour du moyeu 14 en s'incurvant dans le sens prévu de rotation (mais les ailettes pourraient aussi bien etre droites), la région centrale de la roue formant l'oeillard 16 Le dispositif 1 est jusqu'ici de conception classique dans le domaine des turbomachines centrifuges pour le transport de fluides et une description plus détaillée est inutile pour l'homme du métier. Comme on l'a vu, c'est essentiellement l'adaptation de ce dispositif classique, pour le transfert d'un matériau pulvérulent qui constitue la teneur de l'invention. La figure 2 illustre un exemple d'implantation des jets d'air ameliorant de manière décisive l'efficacité du système. Tout d'abord, un jet d'air principal 7 est injecté par une conduite 22 implantée sur la volute 9, dans sa section finale, dans l'axe 18 de la sortie latérale 5. Ce jet d'air est essentiel pour transporter le ciment pulvérulent dans la conduite 5. La conduite 22 est reliée à un distributeur principal 23 lui-meme reliée à une source d'air comprimé non représentée. Oes jets d'air secondaires peuvent être prévus le long de la volute 9. Ainsi, il a été représenté trois jets inclinés 19,20,21 dans les trois premiers quarts de la volute. Chaque jet d'air est injecté par une conduite non représentée raccordée au distributeur 23 : des vannes régulatrices 19',20', 21' permettent de régler le débit. Selon un mode particulier de realisation le jet principal d'air 17 représente la moitié du débit total d'air injecté, les trois jets secondaires 9,20,21 se répartissant à égalité l'autre moitié. Sans qu'une tentative d'explication scientifique puisse limiter la portée de l'invention, il semble qu'on puisse analyser les phénomènes en jeu ainsi. La rotation de la roue coopère avec l'air injecté pour établir un lit fluidisé centrifuge, le jet principal 17 transportant le matériau fluidisé vers la conduite de sortie. L'établissement de ce lit fluidisé à l'intérieur du volume défini par la roue paralt possible a raison meme de la haute concentration solide du matériau : tout se passe en effet comte si les particules étaient suffisamment nombreuses et denses pour "emprisonner" entre elle l'air et l'entraîner par force avec elles lorsque ces particules sont soumises à l'action centrifuge de la roue. Au contraire, pour une concentration plus faible, l'air passerait au travers des particules et ne serait pas entrai né il en résulterait un aggregat solide qui boucherait rapidement le système. Ainsi, alors que dans les systèmes de transfert centrifuges connus, c'est le fluide qui entraine le solide en suspension, selon l'invention, c'est le solide qui entraine l'air. Il semble par ailleurs que les différentes injections d'air entrainent un effet de vide assez analogue à l'effet Venturi, favorisant la mise en mouvement de l'ensemble particulaire. Différentes expériences avec divers types de matériels ont été pratiqués. Dans tous les essais, on a utilisé le dispositif sous une trémie chargée de 5 tonnes d'un ciment de la Compagnie des Ciments Belges, classe G (conformément aux normes de l'American Petroleum Institute). Expérience n l Le dispositif comporte une turbomachine dont la roue est équipée d'ailettes incurvées dans le sens contraire de celui de la rotation. L'inJection d'air se fait par la seule conduite principale, alignée sur la sortie de la volute, à un débit de 9,5 m3/min. On a essayé cinq vitesses de rotation et mesuré les débits en sortie. Les résultats sont les suivants. Essais nO Vitesse (trs/min) Débit (kg/min) 1.1 0 98 1.2 500 190 1.3 1000 130 1.4 2000 110 1.5 3000 132 il semble que le débit de sortie ne suive pas une loi de progression en rapport direct avec la rotation de la turbomachine, mais passe par un maximum (essai 1-2) pour un régime de rotation relativement faible. Expérience n02 Le dispositif comporte la même machine que pour l'expérience nO. Elle tourne à une vitesse constante de 2000 trslmin. Dans les huits premiers essais, l'air est injecté à un débit total do 9,5 M3/min, mais réparti selon les essais entre les conduite 19,20,21,22 (cf. Fig.2) ; pour les deux derniers essais, le débit total a été réduit à 42 X du dépit initial. On a mesuré, en fonction de la répartition de l'air injecté, le débit en sortie. Les résultats sont les suivants Essais n Conduite d'injection Débit (kg/min) 2.1 19,20,21,22 120 2.2 19,20,21,22 115 2.3 20,21,22 117 2.4 21,22 95 2.5 20,22 97 2.6 22 136 2.7 19,22 92 2.8 19,20,22 106 2.9 22 86 2.10 19,20,21,22 95 il semble que l'utilité des conduites d'injection secondaires dépende du débit d'air total. A fort débit d'air, l'injection primaire seule donne les meilleurs résultats vessai 2.6). D'autres essais ont montré qu'un débit d'air insuffisant (moins de 20X du débit initial] ne permettait plus le fonctionnement du dispositif. Expérience n 3 On a renouvelé, dans les memes conditions générales, de l'expérience n 1, mais avec une turbomachine dont la roue est équipée de pales droites. Les résultats sont les suivants Essais n Vitesse (trs/min) Débit (kglmin) 3.1 1000 190 3.2 2000 197 3.3 2000 235 3.4 2500 278 3.5 2500 178 Les essais 3.2 à 3.5 ont été faits à un ou deux jours d'intervalle, en plein air, et paraissent indiquer des fluctuations dont les conditions hygrométriques changeantes peuvent sans doute rendre compte. il semble qu'on puisse retenir comme le meilleur mode de réalisation les conditions de fonctionnement suivantes roue à pales droites (ce qui est inhabituel pour les dispositifs de transfert) . vitesse de rotation 2500 trsimin. débit d'air de 9,5 m3/min injecté sur la conduite principale 22. Le débit de ciment transféré est alors de l'ordre de 280 kg/min. REVENDIC9TIONS 1. Dispositif de transfert de matériau pulvérulent entre une conduite d'entrée (3) et une conduite de sortie (5), caractérisé en ce qu'il est constitué d'une turbomachine centrifuge (1) comportant une roue (B) mobile munie d'ailettes (B') tournant dans un stator en volute (9t, la conduite d'entrée (3) injectant le matériau dans l'oeillard (8) de la roue (8), la volute (9) éjectant le matériau dans la conduite de sortie (5t, et en ce qu'il comprend au moins une conduite (22) injectant dans la volute (9) un jet (17,19,20,21) de gaz, la ou l'une (22) desdites conduites d'injection étant sensiblement alignée sur la conduite de sortie (S). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue a des ailettes droites. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue a des ailettes incurvées dans le sens contraire à celui de la rotation. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la roue est comprise entre 0 et environ 3000 trs/sec. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit de gaz injecté est compris entre 2 et @,5 m /min et est de préférence de l'ordre de 9,5 m3/min. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue a des ailettes droites et est entraînée à une vitesse d'environ 2500 trs/min, le gaz injecté étant de l'air introduit par la conduite (22) alignée sur la conduite de sortie avec un débit d'environ 9,S m3/min.