Brevet FR2642994A1 — publié le 19900817

La présente invention a pour objet un sélecteur destiné à séparer d'un flot de particules solides en suspension dans un courant de gaz les particules dont la grosseur est supérieure à une dimension prédéterminée et comportant des aubes directrices disposées suivant les génératrices d'un cylindre fictif, à axe vertical, et aptes a communiquer au courant de gaz chargé de particules, pénétrant dans ledit cylindre fictif, un mouvement de rotation autour de l'axe dudit cylindre fictif, un rotor placé à l'intérieur dudit cylindre fictif, dont l'axe coïncide avec celui du cylindre et qui est muni de pales verticales régulièrement réparties sur sa périphérie, et un orifice de sortie central disposé au-dessus ou au-dessous du rotor et par olY est aspiré le courant de gaz chargé des particules dont les dimensions sont inferieures à ladite dimension prédéterminée. Dans les sélecteurs de ce type, les particules en suspension dans le courant gazeux sont soumises a deux forces antagonistes : une force centrifuge résultant du mouvement de rotation et une force de traînée due a ltecoulement centripète du courant gazeux vers l'orifice de sortie centrale. La séparation des grosses particules se fait au niveau de la surface cylindrique extérieure du rotor. Si la répartition du courant gazeux sur toute la hauteur de la turbine est uniforme, il y a un seul diamètre de particule critique ou diamètre de coupure correspondant a une particule en équilibre sur la- surface extérieure du rotor.Les particules de diamètre supérieur au diamètre critique sont rejetées contre les aubes directrices par la force centrifuge et tombent par gravité dans une trémie collectrice placée sous les aubes; tandis que les particules de diamètre inférieur au diamètre critique sont entraînées par le courant gazeux à travers le rotor vers l'orifice de sortie central. En fait, dans les appareils connus, la coupure n est pas parfaite car, å cause des chocs divers, des rebonds des particules sur les aubes directrices et de la turbulence de 1 'écoulement, des particules dont les dimensions sont supérieures a la dimension critique pénètrent dans le rotor et sont entraînées avec les particules fines puisque la force centrifuge est plus faible à l'intérieur du rotor que sur sa périphérie alors que la force de trainée croît de la périphérie vers le centre du rotor. Le but de la présente invention est d'améliorer les performances d'un sélecteur du type décrit ci-dessus par des dispositions permettant de s'affranchir des turbulences de 1 'écoulement entre les aubes directrices et le rotor et dans le rotor et détendre la zone de coupure de telle sorte qu'elle occupe tout le volume balayé par les pales du rotor. Le sélecteur objet de la présente invention est caractérisé en ce que les aubes directrices sont orientables, en ce que les pales du rotor délimitent entre elles des canaux dont la largeur moyenne est inférieure à la longueur, comptée dans la direction d'écoulement du courant gazeux, en ce que la section droite desdits canaux croit de l'extérieur vers l'intérieur du rotor de telle sorte que les forces centrifuge et de trainée agissant sur les particules dont le diamètre est égal au diamètre de coupure s'équilibrent pratiquement sur toute la longueur desdits canaux, et en ce que des moyens sont prévus pour asservir l'orientation des aubes directrices à la vitesse de rotation du rotor de faÇon a maintenir la composante tangentielle de la vitesse dudit courant gazeux à la périphérie du rotor pratiquement égale a la vitessepériphérique du rotor. Comme dans tous les appareils de ce type, les aubes directrices et le rotor sont enfermés dans une enveloppe qui délimite, autour des aubes directrices, une chambre annulaire dans laquelle sont admis le courant gazeux et les matières a trier. Le courant gazeux peut être admis dans cette chambre tangentiellement ou parallèlement à l'axe de l'appareil, par le bas. Les matières premieres peuvent etre mises en suspension dans le courant de gaz avant son entrée dans ladite chambre ou introduites séparément, par le haut, dans l'espace entre le rotor et les aubes directrices. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, une trémie en forme de c8ne.inversé est placée sous le rotor et les aubes directrices, pour recueillir les particules dont les dimensions sont supérieures au diamètre de coupure, l'enveloppe est de révolution, concentrique au rotor et entoure aussi ladite trémie en ménageant autour d'elle un passage a section annulaire, et un conduit vertical est raccordé au bas de ladite enveloppe, sous ladite trémie et coaxialement à celle-ci, pour amener le courant gazeux chargé des particules à trier dans ladite chambre, à travers ledit passage; dans le plan ott ledit conduit débouche dans ladite enveloppe, le diamètre de cette dernière est nettement supérieur a celui dudit conduit de telle sorte que le ga chargé de particules soit soumis,- en entrant dans ladite enveloppe, à une détente favorisant la chute des particules lourdes au fond de 1 'enveloppe. Ledit conduit pourra se prolonger vers le haut au-dessus du fond de 1 'enveloppe et délimiter avec celle-ci un volume annulaire oà seront collectées les grosses particules séparées du courant d'air dans la zone de détente ainsi créée, le fond de ladite enveloppe étant, de préférence, incliné et muni à son point le plus bas d'un orifice d'évacuation desdites particules.Un ou plusieurs déflecteurs constitués par des anneaux plats ou tronconiques pourront etre fixés sur l'extérieur de ladite trémie pour dévier le courant gazeux et favoriser la séparation des grosses particules. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui suit et se préfère au. dessins l'accompagnant qui montrent, a titre d'exemple nonlimitatif, une forme de réalisation de l'invention et sur lesquels : La figure 1 est une coupe verticale d'un sélecteur réalisé conformément à l'invention; La figure 2 est une demi-vue en coupe par un plan horizontal, avec un détail à grande échelle, de l'appareil de la figure 1, La figure 3 est une section droite de deux pales du rotor de l'appareil, et La figure 4 est une vue en coupe verticale d'une autre forme de réalisation de l'invention. Le sélecteur représenté sur les dessins comprend une enveloppe 10 constituant le corps de l'appareil et formée d'une partie supérieure cylindrique, d'une partie intermédiaire en forme de tronc de cane inversé, d'une partie inférieure cylindrique se raccordant a la petite base du tronc de cône et d'un fond incliné comportant, a son point le plus bas, un orifice d'évacuation 12. Un conduit d'admission des gaz chargés des particules à trier 14 traverse le fond de l'enveloppe et se prolonge vers le haut approximativement Jusqu'au plan de jonction des parties intermédiaire et inférieure. Le conduit 14 est disposé coaxialement à l'enveloppe et son extrémité est évasée. A sa partie superieureX l'enveloppe est fermée par un couvercle 16 comportant une ouverture centrale au bord de laquelle est raccordé un conduit d'évacuation des gaz 18. Un rotor 20 est placé dans la partie supérieure de l'enveloppe, coaxialement a celle-ci. Il est fixé a l'extrémité inférieure d'un arbre vertical 22 monté, par l'intermédiaire de paliers à roulements, dans un support tubulaire 24 fixé sur le couvercle 16. l'arbre est accouplé t un groupe de commande 26 a vitesse variable permettant de faire tourner le rotor a la vitesse voulue. Le rotor 20 comporte un grand nombre de pales verticales 28 régulièrement espacées sur sa périphérie. Les extrémités inférieure et supérieure des pales sont fixées, respectivement, sur un disque 30, solidaire de l'arbre 22, et sur un anneau 32. Un joint à chicanes 34, solidaire du couvercle 16, assure ltétancheité entre ce dernier et le rotor. Le rotor est entouré par une rangée circulaire d'aubes directrices verticales 36 régulièrement espacées autour dti rotor. Ces aubes sont munies a leurs extrémités de pivots -S logés dans des trous d'un anneau supérieur 40 fixé sur 1 'extrémité supérieure de l'enveloppe et d'un anneau inférieur 42 monté sur le bord supérieur d'une trémie tronconique 44 placée sous le rotor, dans la partie tronconique de 1 'enveloppe, et supportée par des pieds 46 fixés sur 1 'enveloppe. Les pivots supérieurs sont munis de leviers 48 reliés entre eux par une cerce de telle sorte que, quelle que soit leur orientation, toutes les aubes forment le meme angle avec le plan radial respectif. Un actionneur agissant sur la cerce, permet de régler a distance l'orientation des aubes. Comme on le voit sur la figure 3, les pales 28 du rotor admettent comme plan de symétrie un plan contenant L'axe du rotor, et les canaux ménagés entre les pales ont une largeur qui croit de l'extérieur vers l'intérieur du rotor (Lî canaux.En appelant Fcl, Ftl les forces centrifuges et de X trainée à l'entrée d'un canal -et Fc2, Fut ces mêmes forces a la sortie du canal, cette condition de fonctionnement peut entre traduite par les relations Fcl = Ftî et Fc2 = Ft2 Le profil des pales peut etre facilement déterminé à partir de ces formules mathématiques traduisant l'egalitê des forces centrifuges et de trainée agissant -sur une particule de densité et de diamètre donnés, avec une vitesse donnée des gaz dans les canaux entre pales et une vitesse donnée du rotor. Les conditions d'équilibre pourront être satisfaites, avec un profil des pales donné, pour différents diamètres de coupure5 en adoptant des vitesses de rotation différentes pour le rotor. Pour éviter les chocs des particules sur les pales du rotor et surtout pour obtenir une vitesse du fluide homogène sur toute la largeur des canaux entre pales du rotor, il est important que la composante tangentielle Ut (figure 2) de la vitesse du gaz et des particules à la périphérie du rotor soit approximativement égale à la vitesse périphérique Vr du rotor. Pour maintenir cette condition dans tous les cas de fonctionnement du sélecteur, l'orientation des aubes 36 est réglée en fonction de la vitesse du rotor. Ce réglage peut entre effectué manuellement ou automatiquement au moyen de courbes ou de tableaux donnant 1 'ensemble des couples angle des aubes - vitesse du rotor pour différents débits et diamètres de coupure. Le fonctionnement du sélecteur décrit est le suivant Le courant de gaz chargé des particules à trier s'écoule de bas en haut dans le conduit 14. Lorsqu'il atteint 1 'extrémité supérieure du conduit, il est soumis à une detente brusque du fait de-la différence importante des diamètres du conduit et de 1 'enveloppe qui 1 'entoure à ce niveau. I1 en résulte une diminution de la vitesse du gaz qui permet aux particules les plus grosses de tomber au fond de l'enveloppe, dans 1 'espace annulaire ménagé entre l'extrémité du conduit et l'enveloppe, et d'etre évacuées par l'orifice 12. Un ou plusieurs déflecteurs 50 peuvent etre fixés sur la trémie 44, au-dessus du conduit 14, pour ampliorer cette séparation. Le courant de- gaz s'élève ensuite jusqu'à la partie supérieure de 1 'enveloppe t en conservant une vitesse pratiquement constante, puis s'écoule entre les aubes 36, qui lui communiquent un mouvement circulaire, et pénètre dans le rotor par les canaux ménagés entre les pales 28 Les particules dont les dimensions sont inférieures au diamètre de coupure sont entrainées dans le rotor par le courant gazeux et évacuées avec celui-ci par le conduit 18 qui est relié à l-'ouie d'aspiration d'un ventilateur å travers un dépoussiéreur permettant de séparer les particules du courant ga=e. Les particules dont les dimensions sont supérieures au diamètre de coupure sont maintenues à 1 'extérieur du rotor par la force centrifuge et tombent par gravité dans la trémie 44, à travers une fente annulaire ménagée entre le rotor et l'anneau 42. Si une de ces grosses particules pénètre accidentellement dans 1'un des canaux du rotor, elle sera rejetée vers 1 'extérieur puisque le profil de ces canaux est conçu pour que la force centrifuge s'exercant sur une telle particule excède la traînée sur toute la longueur du canal. Les particules recueillies dans la trémie 44 sont évacuées par le conduit 45. Comme on l'a indiqué plus haut, une partie au moins des particules à trier pourrait entre introduite par le haut dans l'espace entre les aubes 36 et le rotor pour etre mise en suspension dans le c-ourant gazeux circulant. La figure 4 montre un appareil permettant ce mode d'alimentation. Une partie ou la totalité des particules à trier est introduite par une ou plusieurs entrées 19 disposées au-dessus de l'anneau S 2 du rotor. Les particules tombent sur le rotor et sont projetées par la force centrifuge contre une jupe qui entoure l'anneau 32 puis tombent entre les aubes 36 et le rotor, à travers une fente annulaire ménagée entre la jupe et l'anneau, où elles rencontrent le courant gazeux amené par le conduit 14 et circulant radialement vers l'axe du rotor. Etant donné que le courant de gaz amené par le conduit 14 ne transporte pas de grosse particule, il n'est pas prévu un dispositif de collecte et d'évacuation des grosses particules au bas de l'enveloppe 10, comme dans l'appareil de la figure 1. Au lieu d'être admis axialement par le bas, comme dans les appareils décrits, le courant de gaz pourrait être admis tangentiellement dans l'enveloppe, au niveau des aubes 36. Dans la forme de -réalisation. représentée sur les dessins, l'augmentation de section droite, de 1 'entrée,à la sortie, des canaux ménagés entre les pales du rotor est réalisé exclusivement par augmentation de leur largeur. On pourrait envisager d'augmenter aussi leur hauteur en remplaçant la partie périphérique, plane, du disque 30 et l'anneau plan 32 par des anneau tronconiques se faisant face par leur grande base. I1 est bien entendu que ces modifications et toute celles résultant de la substitution de moyens techniques équivalents entrent dans le cadre de l'invention. REVENDZCATIONS 1. Sélecteur à air comportant des aubes directrices disposées suivant les génératrices d'un cylindre fictif, à axe vertical, et aptes à communiquer à un courant de gaz chargé de particules pénétrant dans ledit cylindre fictif un mouvement de rotation autour de l'axe dudit cylindre fictif, un rotor placé coaxialement à l'intérieur dudit cylindre fictif et muni de pales verticales régulièrement réparties sur sa périphérie, et un orifice de sortie central par o est aspiré le courant de gaz chargé des particules dont les dimensions sont inférieures à une dimension prédéterminée, caractérisé en ce que les aubes directrices ( sont orientables, en ce que les pales (28) du rotor délimitent entre elles des canaux dont la section droite croît de l'extérieur vers'l'intérieur du rotor, de telle sorte que les forces centrifuges et de trainée agissant sur les particules dont les dimensions sont égales à ladite dimension prédéterminée s'équilibrent pratiquement sur toute la longueur desdits canaux, et en ce que des moyens sont prévus pour asservir l'orientation des aubes directrices (36) å la vitesse de rotation du rotor de façon à maintenir la composante tangentielle de la vitesse dudit courant de gaz a la périphérie du rotor pratiquement égale à la vitesse périphérique du rotor 2. Sélecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales (28) du rotor sont profilées de telle sorte que la largeur desdits canaux croît de l'extérieur vers l'intérieur du rotor. 3. Sélecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une trémie (44) en forme de c8ne inversé placée sous les aubes directrices (7.6) et le rotor pour recueillir les particules séparées du courant de gaz dont les dimensions sont supérieures à ladite dimension prédéterminée, un enveloppe de révolution (10) entourant les aubes directrices et la trémie et un conduit vertical pour L'amenez du courant de gaz chargé des particules à trier (14) qui est raccorde a la partie inférieure de ladite enveloppe, le conduit, la trémie et l'enveloppe étant coaxiaux, et en ce que, dans le plan où ledit conduit débouche dans 1 'enveloppe, le diamètre de cette dernière est nettement supérieur à celui dudit conduit, de sorte que le gaz chargé des particules est soumis, en entrant dans ladite enveloppe, à une détente favorisant la chute des particules lourdes au fond de l'enveloppe qui est munie de moyens (12) pour l'évacuation desdites particules. 4. Sélecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit conduit (14) se prolonge vers le haut au-dessus du fond de l'enveloppe (10) et délimite avec celle-ci un volume annulaire où sont collectées les particules lourdes. 5. Sélecteur selon la revendication 1, 2,3 OU 4, caractérise par un ou plusieurs déflecteurs annulaires (50) fiés extérieurement sur ladite trémie (44), à une certaine distance au-dessus de l'extrémité supérieure dudit conduit (14). 6. Sélecteur selon la revendication 1 ou A caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe (10) entourant lesdites aubes directrices (s6) et délimitant avec celle-ci une chambre d'admission annulaire pour le courant de gaz, des moyens ( pour introduire une partie au moins des particules à trier par le haut entre le rotor et les aubes directrices (36) et des moyens (14) pour admettre le courant de gaz dans ladite chambre soit tangentiellement, soit par le bas.