Brevet FR2630668A1 — publié le 19891103

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION DE BILLES DE GLACE ET APPLICATION A LA PROJECTION DE CES BILLES DE GLACE POUR LES TRAITEMENTS DE SURFACE DESCRIPTION La présente invention concerne le traitement de surface par impacts de particules so-lides projetées sous pression sur un support à traiter. Elle concerne en particulier un traitement de surface à l'aide de billes de glace et la fabrication de ces billes de glace. qn connaît différentes méthodes de nettoyage de surfaces par projection de particules sur ces surfaces. Une première méthode consiste à projeter un jet de sable sous forte pression sur l'objet à traiter. D'autres matériaux similaires peuvent étre utilisés tels que : le corindon, la grenaille de fer, les billes de polyéthylène, ou le noyau de pêche concasse. Une deuxième méthode consiste à projeter un jet de particules de carboglace, c'est-à-dire d'un hybride carbonique, appelé glace sèche. Dans cette méthode, deux grandes masses sont divisées en fines particules par broyage, puis projetees sous pression sur la piece à traiter. Une troisième méthode consiste à projeter un jet multiphasique, c'est-å-dire liquide-solide, dans lequel des particules gelées sont entrapnées dans un courant de liquide froid et projetées sur l'objet à nettoyer. Dans ce cas, la glace est obtenue par broyage de pains de glace et le liquide est de l'eau sous pression. Ces méthodes ont de nombreux inconvénients qui sont les suivants. Dans le- cas de projection de particules de sable ou autres matériaux, le résidu solide1 plus ou moins contaminé ou pollué, occupe un volume important qui constitue, conjointement à la masse du résidu, un handicap pour son évacuation. Le procédé utilisant le carboglace implique des manipulations de volumes gazeux considérables engendrés par son changement d'état physique, de solide en gaz. De plus, l'obtention de particules de carboglace ou de glace par broyage entrain la confection inévitable, par ce système, de particules dont la géométrie est angulaire et ne permet pas d'avoir un lit tres fluide. Dans ce cas, il faut prendre en compte le fait que certaines d'entre elles sont parfois de la taille de poussières, et sont alors d'une efficacité dynamique réduite, souvent même inexistante.De plus, il faut apporter un soin particulier pour éviter leur dispersion lorsqu'elles sont contaminées ou polluées. Un autre inconvénient principal de ces méthodes est que l'on ne débouche jamais s-ur un système technologique où la totalité des opérations se fait en continuité, c'est-à-dire fabriquer, stocker e-t projeter les particules. Toutefois, l'utilisation d'un liquide congelé sous forme de particules, comme substitut aux matériaux couramment utilises dans les techniques de décapage ou de décontamination par jet sous pression, est séduisante. En effet, le volume résiduel solide obtenu, après filtration ou évaporation du liquide est sans commune mesure avec celui des procédés utilisant d'autres matériaux. Le but de la présente invention est donc de fournir un dispositif de fabrication et de projection de billes de glace, à des fins de nettoyage ou de décontamination, et ceci dans un seul systeme technologique, où la totalité des opérations se fait en continuité. A cet effet, le premier objet de l'invention est un procédé de fabrication de billes de-glace. Il consiste à disperser des gouttelettes d'eau dans une colonne de gaz froid. Les gouttelettes d'eau traversent par gravité cette colonne de gaz froid et se refroidissent pour se solidifier superficiellement, avant de tomber dans un bain de liquide réfrigérant, où elles se solidifient entierement sous forme de billes de glace. De préférence, le gaz froid et le liquide réfrigérant sont constitués d'un même corps en phase liquide et en phase gazeuse, à savoir de l'azote. Il est prévu de récupérer les billes de glace au fond du réceptacle dans lequel elles se sont solidifiées, au moyen par exemple d'une vis d'Archimède. Un deuxième objet principal de l'invention est la mise en oeuvre de ce procédé par un dispositif qui comprend une colonne d'échange alimentée en gaz froid par une arrivée et sur une extrémité supérieure de Laquelle est disposé un injecteur d'eau utilisant un grand nombre de trous, et un réceptacle supportant la colonne d'échange et comportant une rampe d'amenée du liquide réfrigérant, un cane de réception des billes de glace dans sa partie inférieure et un orifice d'évacuation des billes de glace au fond du cône. La réalisation du dispositif prévoit que les parois de la colonne et du réceptacle sont constituees de deux parois en acier inoxydable, l'espace entre les deux parois étant rempli d'une mousse de polyuréthane. Il est également prévu d'utiliser un débitmètre pour régler le debit de l'eau dans l'injecteur d'eau. Un troisieme objet principal de l'invention est un dispositif de fabrication et de projection de billes de glace utilisant le dispositif de fabrication de billes de glace précédemment décrit. Il comprend - une vis d'extraction, dont une première extrémité est placée en-dessous de l'orifice du réceptacle pour évacuer du réceptacle les billes de glace, - une arrivée de gaz froid à une deuxième extrémité de la vis d'extraction, pour pousser les billes de glace dans un premier conduit flexible, - une buse de projection des -billes de glace placée au bout du premier conduit flexible, et possédant une arrivée de gaz froid pour projeter des billes de glace. De préférence, la vis d'extraction est inclinée et a un conduit de récupération du liquide réfrigérant pour le renvoyer dans le réceptacle. Elle peut être du type vis d'Archimède de forme pure. Il est prévu que les deux amenées de gaz froid à l'extrémité supérieure de la vis d'extraction et à la buse de projection, soient fournies par un même distributeur. Il est prévu également dans ce cas, d'utiliser une cuve de stockage du liquide réfrigérant reliée à un évaporateur pour fournir le gaz froid sous pression nécessaire à alimenter le distributeur, et reliée à la rampe d'amenée du liquide réfrigérant dans le réceptacle. Le refroidisseur de gaz est alors placé à ta sortie de l'évaporateur. L'invention et ses caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit, illustrée des deux figures suantes : - la figure 1 représente un schéma des dispositifs selon l'invention, - la figure 2 représente un schéma des dispositifs selon L'invention équipés de moyens de production du liquide réfrigérant et du gaz froid. L'invention permet de fabriquer un matériau liquide gelé sous forme solide, qui puisse ensuite etre véhiculé et projeté par un gaz sur un objet à traiter. Le procédé et les dispositifs selon l'invention sont decrits simultanément. Le principe de l'invention consiste à obtenir, par une première phase, des billes de glace partielLement congelées, par dispersion d'un spectre de gouttelettes d'eau dans une colonne à échange, par contact direct avec un corps réfrigérant. La deuxième phase du refroidissement est la solidification définitive, qui s'effectue dans un bain de Liquide réfrigérant, placé en-dessous de la colonne à échange. En référence à la figure 1, l'obtention de billes de glace s'effectue au moyen du dispositif de fabrication selon L'invention, représenté sur la gauche de cette figure. Le dispositif est alimenté en eau par un tuyau 1, dont le débit est réglé par un débitmètre 3. Ce tuyau 1 aboutit à un injecteur 2, placé à l'extrémité supérieure du dispositif. Cet injecteur est muni d'un grand nombre de trous 4, par lesquels se forme le spectre de gouttelettes destine à produire les billes de glace. Le spectre du diamètre des gouttelettes peut être ajusté par'le choix préalable du diametre de perçage des trous 4. La partie supérieure du dispositif est constituée pLus précisément d'une colonne d'échange 6. Cette colonne a une hauteur d'environ 2 m, et possede une arrivée d'air froid, repérée 7. La colonne d'échange 6 est placée sur un réceptacle 8, prolongeant celle-ci à son extrémité inférieure. Ce réceptacle 8 possède une rampe 12 pour amener le Liquide réfrigérant à l'intérieur du dispositif. Sous cette rampe 12, le fond du réceptacle est formé d'un cône 10 au fond duquel se trouve un bain 11 de liquide réfrigérant et où se rassemblent les billes de glace déjà formées. Le réceptacle possède en outre, au fond de ce c8ne 10, un orifice 14 prévu pour évacuer les billes de glace. Le fonctionnement de ce dispositif de fabrication de billes de glace est le suivant. L'injecteur 2 disperse en haut de la colonne d'échange 6 un sp-ectre de gouttelettes d'eau, tombant par gravite dans la colonne d'échange, et représenté par des flèches. Au contact direct du gaz froid, ces gouttelettes se congèlent partiellement et superficiellement. Elles chutent par gravité dans la colonne d'échange 6, et tombent ainsi dans le bain 11 de 'liquide réfrigérant se trouvant dans le câne 10 du réceptacle 8, où elles se solidifient complètement et descendent par gravité en bas dú c8ne 10. Dans le but d'exploiter ces billes de glace, l'invention prévoit d'évacuer les billes de glace au moyen d'une vis d'extraction 16, dont une première extrémité 17 est placée -au-dessous de l'orifice 14 du réceptacle 8. De manière préférentielle, la vis d'extraction est inclinée, de façon à remonter les billes de glace à l'extérieur du dispositif de fabrication, à un niveau au moins supérieur à celui du bain de liquide réfrigérant à l'intérieur du réceptacle 8. Conjointement à cette inclinaison de la vis d'extraction 16, il est prévu un conduit de récuperation 22 dans la paroi du réceptacle, reliant la partie supérieure de la cavité dans laquelle se trouve la vis d'extraction 16 avec l'intérieur du réceptacle 8, pour récupérer le liquide réfrigérant en le renvoyant dans le bain 11 à l'intérieur du réceptacle 8.Le conduit de récupération 22 est muni d'une grille 23, en un matériau de même nature que la paroi du réceptacle, et située à l'extrémité dudit conduit 22 débouchant dans la cavité, dans laquelle se trouve la vis d'extraction 16. La grille 23 sépare le liquide réfrigérant à recycler des billes de glace en cours d'extraction. La rotation de la vis d'extraction est assurée au moyen d'un moteur 18, placée de préférence à l'extrémité supérieure 19 de cette vis d'extraction 16. Le dispositif de projection selon l'invention se complète d'une arrivée de gaz froid 20 à La deuxième extrémité 19 de la vis d'extraction 16, pour pousser les billes de glace dans un premier conduit flexible 24. La projection proprement dite des billes de glace est réalisée au moyen d'une buse de projection 26, placée au bout du premier conduit flexible 24. Cette buse de projection 2-6 possède une arrivée de gaz froid 28, alimentée par un deuxième conduit flexible 44, afin d'effectuer la projection des billes de glace. Il est prêférabe d'utiliser le même corps, par exemple de l'azote, pour constituer à la fois Le gaz froid et le liquide réfrigérant. Dans ce but, et en référence à la figure 2, on peut équiper le dispositif selon L'invention d'une cuve de stockage 32 du corps réfrigérant, à savoir de l'azote. Ce dernier sort de cette cuve 32 à l'état liquide, et est amené dans un évaporateur 34, pour fournir le gaz froid sous pression nécessaire à alimenter l'entrée 7 à l'intérieur de la colonne d'échange 6 et les arrives de gaz froid 20, à L'extrémité supérieure 19 de la vis d'extraction 16, et à l'entrée 28 de la buse 26. Le refroidissement du gaz issu de l'évaporateur 34 est réalisé à l'aide d'un refroidisseur 36 placé à la sortie de cet évaporateur 34.Ce refroidisseur est alimenté par le même corps à l'état liquide et issu directement de La cuve de stockage 32. Cette dernière alimente également directement la rampe 12 à l'intérieur du réceptacle 8. Il est possible d'utiliser un unique distributeur 30 du gaz froid pour alimenter l'arrivée 20 à l'extrémité supérieure 19 de la vis d'extraction 16 et l'arrivée 28 de la buse de projection 26. La suite de la description est consacrée à des précisions concernant le procédé selon l'invention et à des détails de réalisation des dispositifs de fabrication et projection de billes selon l'invention. Le tuyau d'arrivée d'eau 1 peut etre réalisé au moyen d'un tube de cuivre équipé d'une vanne de type GACHOT à boule (un quart de tour). Le débitmètre 3 peut être du type à flotteur KHRONE mesurant une plage de débits de 25 à 250 litres d'eau par heure. L'injecteur 2 peut être réalise par un reservoir en PVC (polychlorure de vinyle) percé de quatre-vingts trous 4 de 0,5 mm de diamètre pour obtenir un spectre de diamètre moyen de 1,5 mm. En général le diamètre des trous 4 sera choisi entre 0,1 mm et 1 mm. La colonne d'échange est un cylindre en acier inoxydable à double paroi 40, 41, d'une hauteur de 2 m, dont le diamètre intérieur est de l'ordre de 400 mm et te diamètre extérieur de 500 mm. L'espace entre ces deux parois 40 et 41 est rempli par injection d'un matériau isolant 45, tel que la mousse de polyuréthane. Ceci représente donc une épaisseur d'isolation supérieure à 50 mm. Le réceptacle 8 supportant cette colonne d'echange 6 est fabriqué dans le même matériau. Il possède également une double paroi 42, 43, maintenant l'isolation, qui est du mène type que celle de la colonne 6, et dont l'épaisseur est également supérieure à 50 mm. La rampe 12 d'amenée du liquide réfrigérant est de préférence métallique et circulaire. Après une chute de 2,50 m environ, les gouttelettes d'eau ne sont pas totalement solidifiees. Elles tombent dans le bain 11 de liquide réfrigérant en cours de solidification. Un grand nombre d'entre elles se scindent alors en deux demi-sphères pendant la fin de leur solidification. Ce phénomene s'explique par l'expansion volumique résultant du changement d'état physique de l'eau en glace. Les billes de -glace ainsi obtenues sont entrafnées par la vis d'extraction 16 qui est de préférence une vis d'Archimede de forme pure. A l'extrémité supérieure 19 dé cette vis d'extraction 16, les billes sont aspirées par l'effet venturi produit par le débit d'azote refroidi à 1300K, souks une 6 pression de 10 Pa, arrivant en 28. En référence à la figure 2, l'azote gazeux est refroidi en amont dans un refroidisseur 34, qui permet, à partir de l'azote liquide à 770K, d'obtenir de l'azote gazeux à 1330K. La fabrication des billes de glace s'effectue en-dessous de La température de 1930K, ceci pour éviter le phénomène de coalescence des billes de glace. La hauteur de 2,50 m environ de la colonne d'échange 6 permet aux gouttelettes d'eau la solidification d'une croûte suffisante, pour avoir une bonne résistance mécanique, et une température de surface inférieure à cette température de coalescence. L'utilisation d'une vis d'Archimède 16 de forme pure, ne possédant pas de volume mort, permet un écoulement continu du lit de billes de glace. Le moteur 18 d'entrainement de la vis 16 peut etre un motoréducteur à engrenage CLER, à vitesse de rotation variable, afin de pouvoir faire varier le débit d'extraction des billes de gLace. A l'extrémité supérieure 19 de la vis d'extraction 16, les billes de glace sont aspirées et poussées par l'effet venturi généré par le grand débit de gaz froid arrivant en 28 dans la buse 26, et poussées par te gaz arrivant en 20. Le tube flexible 24 amenant Les billes de glace dans la buse 26 peut être un tube flexible Cryoflex 200, distribué par les établissements Tift, et isolé thermiquement. Ce sont des flexibles du même type qui peuvent être utilisés pour véhiculer les gaz froids à l'entrée 20, à l'extrémité de la bille d'extraction 16 et à l'entrée 28 de la buse de projection 26. La buse elle-même peut cotre du type CAR 303, distribuée par les établissements CARBORID. Les billes de glace obtenues au moyen de l'invention peuvent avoir un diamètre compris entre 0,5 et 2 mm. La vis d'extraction 16 est de préférence inclinée à un angle de 450, et ainsi tangente à la paroi du c8ne 10. La poussée du gaz froid, puis la dépression produite dans la buse de projection 26 entrassent les billes de glace dans le courant de gaz froid du premier conduit flexible 24 et les projettent à une pression de 7x10 Pa. Un des principaux avantages du procédé et du dispositif selon l';nvention est que cette derniere débouche sur la conception d'un appareil intégral. En effet, l'appareil permet de fabriquer sur place des billes de glace et de les projeter contre les objets à traiter. Les très basses températures mises en jeu permettent d'utiliser des liquides ou des solutions différentes, suivant le domaine de traitement à effectuer, pourvu que ceux-lF aient un point de cristallisation supérieur à la température de liquéfaction de liquide réfrigérant. De plus, les masses de résidus que l'on dégage de l'utilisation de ce procédé, après fusion de la glace et filtration, sont négligeables par rapport à un procédé tel que le sablage. L'invention s'applique au nettoyage ou à la decontamination par projection de natériaux. De plus, les billes peuvent contenir un produit chimique mélangé à l'eau avant introduction dans l'appareil et avant congélation. Ce produit chimique peut être choisi de façon à compléter l'attaque mécanique par un traitement chimique de passivation par exemple, ou par un traitement de d-ésinfection dans le cas d'un nettoyage bactérioLogique. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de billes de glace, caractérisé en ce qu'il consiste à disperser par gravité un spectre de gouttelettes d'eau dans une colonne (6) de gaz froid, pour que les gouttelettes d'eau traversent par gravité ladite colonne de gaz froid et se refroidissent pour se solidifier superficiellement, avant de tomber dans un bain (11) de liquide réfrigérant, où elles se solidifient entièrement sous forme de billes de glace. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz froid et le liquide réfrigérant sont constitués d'un même corps respectivement en phase liquide et en phase gazeuse. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit corps est de l'azote. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les billes de glace sont extraites en continu du bain de liquide réfrigérant (11). 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : - une colonne d'échange (6) alimentée engaz froid par une arrivée (7) et sur une extrémité supérieure de laquelle est dispose : - un injecteur d'eau (2) utilisant un grand nombre de trous (4) pour créer un spectre de gouttelettes dans la colonne d'échange (6), et - un réceptacle (8) supportant la colonne d'échange (6) comportant une rampe (12) pour amener le liquide réfrigérant, un cône (10) de réception des billes de glace, et un orifice (14) d'évacuation des billes de glace au fond du cône (10). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la colonne d'echange (6) et le réceptacle (8) sont constitués chacun de deux parois métalliques en acier inoxydable (40, 41, 42, 43), entre lesquelles est inséré un matériau isolant (45), tel que le polyuréthane. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un débitmètre (3) placé en amont d'un injecteur (2), pour régler le debit de formation des gouttes d'eau. 8. Dispositif de fabrication et de projection de billes de glace utilisant un dispositif de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend - une vis d'extraction (16), dont une première extrémité (17) est placée en-dessous de l'orifice (14) du réceptacle (8) pour évacuer du réceptacle (8) les billes de gl.ace, - une arrivée de gaz froid (20) placée à une deuxième extrémité (19) de la vis d'extraction (16), pour pousser les billes de glace dans un premier conduit flexible (24), et - une- buse de projection (26) des billes de glace placée au bout du premier conduit flexible (24), et possédant une arrivée de gaz froid (28) pour projeter des billes de glace. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la vis d'extraction (16) est inclinez par rapport à l'horizontale et en ce que le réceptacle (8) est percé d'un conduit de récupération (22) du liquide réfrigérant, pour envoyer ce liquide réfrigérant dans le bain (11 > du réceptacle (8). 10. Dispositif selon La revendication 8 ou 9, caracterise en ce que la vis d'extraction est une vis d'Archimède de forme pure. 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de stockage (32) du liquide réfrigérant reliée à un évaporateur (34) pour fournir le gaz froid sous pression nécessaire à l'alimentation d'un distributeur (30) et de l'arrivée (7) de gaz froid dans la colonne d'échange (6). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un refroidisseur (36) du gaz froid, placé à la sortie de l'évaporateur (34). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un distributeur (30), alimenté par le refroidisseur (36), et fournissant le gaz froid sous pression à une entrée (20) placée à la deuxième extrémité (19) de la vis d'extraction (16) et à l'entrée (28) de la buse (26).