Brevet FR2669555A1 — publié le 19920529

i DISPOSITIF DE CONDITIONNEMENT DE GAZ. L'invention concerne un dispositif pour conditionner un gaz; elle concerne plus particulièrement un disposi- tif régulateur ajustable, pilotable, de concentration en vapeur et de température d'un courant gazeux. Comme on le sait, pour l'essentiel, un dispositif de conditionnement de gaz comprend dans une enceinte ther- mostatée: une amenée de gaz, un dispositif saturateur d'évaporation et de mé- lange, une sortie du courant gazeux conditionné. Dans le document FR-A-2 558 737, on a proposé un dispositif générateur de gaz humide, dans lequel on mé- lange de l'air humidifié avec de l'air sec en vue de produire un gaz humide de référence, notamment pour le contrôle et le calibrage d'un hygromètre en exploitation industrielle, particulièrement adapté à la régulation en sidérurgie Selon ce document, l'humidificateur thermos- taté est constitué par une chambre de barbottage partiel- lement remplie d'eau à niveau constant, reliée d'une part25 par un diffuseur à l'arrivée de gaz humidifié, d'autre part, à une tubulure d'amenée d'eau à niveau constant, et enfin à une sortie Cette solution est parfaitement adap- tée aux faibles débits, notamment pour l'étalonnage d'une sonde ou d'un hygromètre Toutefois, du fait de la tech- nique même de barbottage, on ne peut pas utiliser ce dispositif pour le conditionnement de volumes importants, tels que des pièces, des ateliers ou des appareils de pulvérisation, qui nécessitent des débits conséquents, car de tels débits ne sont pas compatibles avec un sys-35 tème par barbottage. Par ailleurs, de plus en plus on cherche à produire de l'air conditionné dont la teneur en humidité est con- trôlée à un pourcent près, voire un pour mille Tel est notamment le cas pour les appareils de mesure. 5 Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir économiquement et efficacement ce résultat. Ce dispositif régulateur de conditionnement d'un courant gazeux, qui comprend dans une enceinte thermos- tatée, destinée à recevoir un liquide de transfert ther- mique, et immergé dans cette enceinte:. une amenée de gaz à une température programmée, reliée à une source de gaz comprimé; un saturateur de gaz pour amener un liquide de conditionnement au contact du gaz à conditionner; une tubulure de sortie de gaz conditionné reliant l'orifice de sortie du saturateur au volume à conditionner, se caractérise en ce que le saturateur est constitué par un conduit déprimogène à effet "Venturi,, associé à une chambre de vaporisation et de séparation de gouttelettes, alimentée en liquide à niveau constant, le conduit ven- turi comprenant dans l'ordre: un convergent relié à la tubulure d'amenée thermostatée un col, un divergent débouchant dans la chambre de vaporisation, ladite chambre de vaporisation présentant une tubulure reliant le liquide et débouchant dans le col du venturi, et présentant un orifice de sortie disposé au-dessus d'une chambre de sépa- ration liquide-gaz, elle-même située au dessus du niveau du liquide, et reliée à la tubulure de sortie. Dans une forme de réalisation pratique, le courant gazeux est de l'air comprimé, et le liquide humidifica- teur est de l'eau. Dans une forme de réalisation préférée, pour obtenir de l'air conditionné à hygrométrie contrôlée et program- mée, la tubulure d'amenée d'air sec est raccordée par un branchement disposé hors de l'enceinte thermostatée à une vanne mélangeuse pilotée, reliée à la tubulure de sortie10 de la chambre de vaporisation, ladite vanne mélangeuse étant reliée à son tour à la tubulure de sortie qui tra- verse l'enceinte thermostatée. Avantageusement, en pratique: le gaz comprimé est de l'air comprimé sec dont la source est reliée en série à la tubulure d'amenée par un premier détendeur, puis, par un moyen dessicant, par un second détendeur associé à une vanne, pour introduire dans la tubulure d'amenée de l'air sec comprimé à débit20 constant; de manière connue, le liquide de transfert thermi- que (avantageusement de l'eau) de l'enceinte thermosta- tée, comprend une résistance électrique, un agitateur, un thermomètre et un moyen d'affichage et de programma- tion de la température de l'eau et de l'enceinte, le tout étant pilotable depuis l'extérieur; le moyen d'alimentation en eau de la chambre de vaporisation à niveau constant, comprend hors de l'en- ceinte thermostatée, en série, un vase d'expansion, une première vanne autorisant une légère fuite d'air, une réserve d'eau thermostatée par l'eau de l'enceinte, une seconde vanne pilotée, et une tubulure traversant l'en- ceinte thermostatée, reliée à un orifice débouchant dans la chambre de vaporisation, pour maintenir dans celle-ci un niveau constant; la tubulure de sortie présente en série une vanne mélangeuse pilotable, reliée à un serpentin disposé dans l'enceinte thermostatée; cette vanne mélangeuse est associée à une vanne légèrement ouverte, autorisant une légère fuite destinée à assurer dans tous les cas un débit minimum d'air dans le saturateur; la chambre de vaporisation à niveau constant com- porte une succession de plaques ou de grilles parallèles horizontales, comportant une pluralité d'orifices décalés d'une plaque ou d'une grille par rapport à l'autre; l'humidificateur étanche immergé dans l'enceinte, comporte des ailettes d'échange thermique avec le liquide de transfert thermostaté;15 la tubulure reliant la chambre de vaporisation et débouchant dans le col du venturi, présente des orifices opposés disposés horizontalement dans la section du col; l'orifice de sortie de la chambre de vaporisation est relié par un séparateur de gouttelettes de type cen- trifuge disposé dans l'enceinte au dessus dudit orifice, et dont la sortie de gaz saturé est reliée à la tubulure, le liquide séparé retournant ensuite par une autre tubu- lure dans le liquide par l'orifice situé au dessous du niveau constant. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif préféré de l'invention. La figure 2 est une représentation en coupe de l'en- semble étanche caractéristique de l'invention. La figure 3 est une représentation schématique d'une forme d'exécution simplifiée de l'invention. La figure 4 montre un détail d'exécution adapté aux réalisations exigeant de gros débits. Le dispositif conforme à l'invention pour produire de l'air conditionné à hygrométrie contrôlée et program- mée, comprend tout d'abord une source d'air comprimé ( 1) tel qu'un compresseur, une bouteille, etc, reliée par une tubulure à une vanne ( 2), puis à un détendeur ( 3) régulateur de la pression Ce détendeur ( 3) est relié à son tour à un ensemble dessicateur ( 4) hygroscopique connu, par exemple du type dénommé "VAN AIR" commercia- lisé par AUXITROL qui, de manière connue, présente une purge ( 5) Cet ensemble dessicateur ( 4) est rélié à son20 tour à un second détendeur ( 6), puis à un manomètre ( 7) et à une vanne ( 8), de manière à assurer un débit cons- tant d'air sec dans la tubulure d'amenée ( 21) (pression de l'air comprimé sec sur la vanne ( 1) compris entre six cents et mille K Pa. Le dispositif de conditionnement proprement dit désigné par la référence générale ( 10), comprend une enceinte ( 11) thermostatée, avantageusement calorifugée, remplie d'eau distillée ( 12) jusqu'à un niveau ( 13). Cette enceinte ( 11) est thermostatée par un moyen connu ( 14) comprenant essentiellement, immergés dans l'eau, une résistance électrique ( 15), un agitateur ( 16) associé à une pompe de circulation, un thermomètre ( 17) et un ap- pareil ( 18) d'affichage et de contrôle de programmation35 de la température, l'ensemble étant pilotable depuis l'extérieur. L'air comprimé sec débouche dans l'enceinte ( 11) par un orifice ( 20), puis est relié à une tubulure d'amenée ( 21) formant serpentin ( 22) immergé dans cette enceinte. Cette tubulure ( 21) et le serpentin ( 22) sont reliés par un raccordement en T ( 23) à deux autres tubulures, res- pectivement une tubulure immergée ( 24), et une autre tubulure non immergée ( 25), dirigée hors de l'enceinte ( 11) La tubulure immergée ( 24) est reliée à l'humidifi- cateur ( 30) caractéristique de l'invention. Cet humidificateur caractéristique étanche ( 30) détaillé à la figure 2, comprend essentiellement un con- duit déprimogène à effet venturi associé à une chambre de vaporisation ( 36) Le tube venturi est constitué dans15 l'ordre par un convergent ( 31) relié en amont ( 32) à la tubulure d'amenée d'air sec ( 24) immergée, puis en aval à un col ( 33) Ce col ( 33) est associé à un divergent ( 34) relié à son tour par un raccordement conique ( 35) à la chambre de vaporisation cylindrique caractéristique ( 36). Dans une forme de réalisation pratique, pour un conduit venturi de symétrie axiale, l'angle au sommet du conver- gent ( 31) est voisin de 210, alors que l'angle au sommet du divergent ( 34) est voisin de 7 . La chambre de vaporisation caractéristique ( 36) présente sur le fond ( 37) un orifice ( 38) relié par une tubulure ( 39) immergée dans l'enceinte ( 11) à un moyen d'alimentation en eau désigné par la référence générale ( 40) disposé hors de cette enceinte ( 11) Ce moyen d'ali- mentation en eau ( 40) est thermostaté par une tubulure ( 41) en serpentin, puisant l'eau ( 12) dans l'enceinte ( 11) Ce moyen d'alimentation en eau ( 40) disposé hors de l'enceinte, comprend essentiellement dans l'ordre un vase d'expansion et d'alimentation en eau ( 42), relié à une35 vanne manuelle ( 43), puis à un réservoir proprement dit ( 44) fermé, débouchant sur une vanne ( 45) pilotée électro-pneumatiquement, reliée à la tubulure immergée ( 39) La vanne ( 43) est légèrement ouverte de manière à assurer un certain débit de fuite d'air et donc un main- tien de l'eau ( 50) dans la chambre d'expansion ( 36) à un niveau constant ( 51). Selon une autre caractéristique de l'invention, l'eau ( 50) de la chambre de vaporisation ( 36) est reliée par une tubulure ( 52), tout d'abord à un filtre ( 56) à poussières destiné notamment à éviter le colmatage, puis au gicleur disposé dans le col ( 33) du venturi Le bas10 ( 53) de cette tubulure ( 52) est disposé en dessous du niveau ( 51), de manière à ce que le col ( 33) soit ali- menté en permanence en eau L'extrémité supérieure ( 54) de la tubulure ( 52) débouche exactement dans ce col ( 33) qui, à cet effet, présente deux orifice 7 S traversants15 opposés ( 55), disposés horizontalement en regard l'un de l'autre dans la section même du col ( 33) formant un gi- cleur Cet ensemble humidificateur ( 30): venturi et chambre de vaporisation ( 36), provoque ainsi une forte aspiration de l'eau ( 50) et une pulvérisation instantanée20 sous forme de fines gouttelettes dans la chambre ( 36). Avantageusement, l'humidificateur caractéristique ( 30) est usiné en bronze, et comporte des ailettes ( 60,61) destinées à faciliter l'échange thermique avec le liquide de transfert thermostaté ( 12). Dans une forme de réalisation pratique, la chambre de vaporisation ( 36) présente deux plaques horizontales (non représentées), percées d'orifices traversants dé- calés d'une plaque à l'autre, ou deux grilles appro- priées, et ce afin de provoquer le dépot sur ces plaques ou sur ces grilles des gouttes d'eau véhiculées par l'air saturé. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de vaporisation ( 36) présente au-dessus du niveau constant de l'eau ( 51) un orifice de sortie ( 65), par lequel va s'échapper l'air quasiment saturé en vapeur. 5 Cet orifice de sortie ( 65) de l'air saturé est disposé juste en-dessus d'une chambre annulaire ( 66), puis est reliée par une tubulure ( 67) immergée à une vanne mélan- geuse ( 70) pilotée, disposée par exemple hors de l'enceinte ( 11), et est reliée également à la tubulure10 d'amenée d'air sec ( 25) non immergée Si on souhaite travailler à haute température, il est préférable alors que la vanne mélangeuse ( 70) soit également immergée dans l'enceinte ( 11). Pour de grands débits dans le saturateur ( 30) (voir figure 4), on place entre l'orifice ( 65) et la tubulure ( 67) un séparateur de gouttelettes de type centrifuge ( 100), disposé dans l'enceinte ( 11) au dessus de l'ori- fice ( 65), et dont la sortie ( 101) de gaz saturé est reliée à la tubulure ( 80) Le liquide séparé retourne ensuite par la tubulure ( 102) dans le liquide ( 50) par l'orifice ( 103) situé au dessous du niveau constant ( 51). La vanne mélangeuse ( 70) est avantageusement asso- ciée à une autre vanne ( 71), destinée à maintenir une légère fuite pour assurer la remontée de l'eau dans la tubulure ( 52) La vanne mélangeuse ( 70) est reliée en- suite par une tubulure ( 72) à un serpentin ( 73) immergé, lequel est relié par une nouvelle tubulure ( 74) au volume ( 75) à conditionner disposée hors de l'enceinte ( 11). e z 2669555 Le dispositif de conditionnement de gaz selon l'in- vention fonctionne de la manière suivante. L'air comprimé ( 1) est mis en température en traver- sant l'enceinte thermostatée ( 11) Son passage forcé dans le venturi ( 31,33,34) provoque l'aspiration de l'eau ( 50) contenue dans la chambre de vaporisation ( 36) par le biais de la canalisation ( 52) et de son filtre ( 56). L'eau qui débouche alors dans le col ( 33) de ce venturi10 sature l'air qui le traverse Cet air, après s'être dé- chargé des gouttes d'eau les plus lourdes sur les plaques horizontales de la chambre de vaporisation ( 36), quitte cette dernière par l'orifice ( 65) et la canalisation ( 67) jusqu'à atteindre la vanne mélangeuse ( 70) Cette vanne15 ( 70) est pilotée de sorte que l'air qui s'en échappe en ( 72) ait une hygrométrie déterminée En effet, pour une position précise de cette vanne ( 70), correspond une humidité d'air stable Si on veut contrôler avec plus de précision le fonctionnement, on peut mesurer la tempéra-20 ture et l'humidité dans le volume à conditionner ( 75) et on maintient la consigne à 0,1 % d'humidité relative par de petites impulsions sur cette vanne ( 70). Dans une forme d'exécution non représentée, le dis- positif de conditionnement automatisé selon l'invention comprend en outre: un appareil de mesure de la température et de concentration en vapeur de gaz conditionné ( 75); un système à microprocesseur équipé d'une carte multifonctions entrées/sorties, numériques/analogiques, et un logiciel spécifique de contrôle et de pilotage des éléments pilotables, tels que ( 2,6,8,14,45,70), gérant les consignes programmées de température et de concentra- tion en vapeur. L'eau pulvérisée dans le col ( 33) est en partie évaporée dans le divergent ( 34) et la chambre ( 36), et l'excès retombe dans le réservoir ( 37) L'apport de cha- leur nécessaire à cette évaporation est réalisé par le 5 corps conducteur de l'humidificateur ( 30) muni d'ailettes ( 60,61) d'échange Comme déjà dit, la séparation des gouttelettes et un complément d'évaporation est obtenu par passage à travers des chicanes (plaques, grilles) situées dans la chambre ( 36) L'air saturé produit ( 67)10 est alors mélangé à l'air sec ( 25) dans une vanne mélan- geuse pilotable ( 70) pour produire l'air conditionné ( 75) Si une légère fuite d'air en ( 43) permet un ba- layage et le maintien du niveau d'eau constant ( 51) dans la chambre ( 36), une autre fuite contrôlée ( 71) permet15 également de maintenir un léger débit nécessaire à la pulvérisation lorsque l'on désire de l'air relativement sec. L'air contenu dans la chambre ( 36) exerce une pres- sion supérieure à la colonne d'eau contenue respective- ment dans la tubulure ( 39) et dans le réservoir ( 44). Comme la vanne ( 43) autorise un léger débit de fuite d'air, il s'établit un courant inversé eau-air dans le conduit ( 39) Le réservoir ( 44) peut se remplir de ma- nière complémentaire à partir du vase d'expansion ( 42), après la fermeture de la vanne pilotée ( 45) et l'ouver- ture des vannes ( 43) et ( 46) On peut ainsi alimenter la chambre de vaporisation ( 36) de la quantité d'eau néces- saire pour arriver au niveau constant ( 51), affleurant30 l'extrémité supérieure de l'orifice ( 38). La figure 3 montre comme déjà dit un exemple de réalisation simplifié de l'invention Les parties com- munes aux figures 1,2 et 3 ont conservé les mêmes réfé- rences. il Dans cette forme de réalisation, l'air sous pression ( 1) est détendu à une pression de consigne par son pas- sage dans un détendeur régulateur de pression piloté ( 6) avant l'entrée ( 20) de l'enceinte thermostatée ( 11) La 5 tubulure d'amenée d'air sec ( 24) est intégralement reliée à l'humidificateur étanche ( 30), et l'orifice de sortie d'air saturé ( 65) est intégralement relié à une tubulure ( 80, 67) associée en série à un détendeur ( 81), puis à un manomètre ( 82) et une vanne ( 83), et toujours en série au serpentin immergé ( 73) relié à son tour au volume ( 75) à conditionner Dans une variante, l'ensemble détendeur ( 81)/vanne ( 83) peut être remplacé par un régulateur de débit. Dans cette forme de réalisation, le fonctionnement de l'installation est particulièrement stabilisé en dé- bit d'air constant Les variations d'humidité de l'air en sortie ( 75) sont directement liées, à la pression et la température dans l'humidificateur ( 30), et la températu-20 re et pression d'utilisation Cette forme d'utilisation complètement réversible, peut également servir à déshumi- difier l'air pour le conditionnement de salles par exemple, ou peut être utilisée pour des gaz comprimés autres que l'air, et d'autres liquides que l'eau Cette solution est particulièrement avantageuse, car elle con- duit à de l'air contrôlé calculable à partir de lois physiques connues, puisque tout passe par le venturi ( 33) Or quelque soit l'humidité demandée, le débit est toujours constant dans la chambre de vaporisation ( 36). Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport à ceux connus et commercialisés à ce jour On peut citer: une bonne compacité et un faible encombrement; la possibilité d'obtenir de grands débits, ce que ne permettait pas la solution décrite dans le préambule; un fonctionnement autonome; une souplesse de fonctionnement; une programmation et une gestion du conditionne- ment par micro-ordinateur ou automate programma- ble. De la sorte, ce dispositif peut être utilisé avec succès pour le conditionnement de tout volume ou de toute enceinte nécessitant un degré hygrométrique contrôlé et programmé avec précision, tel que par exemple dans les appareils de mesure, notamment de laboratoires, ou dans les pistolets de pulvérisation, par exemple de peinture,20 de mélanges gaz et solvants, etc REVENDICATIONS 1/ Dispositif régulateur de conditionnement d'un courant gazeux, comprenant dans une enceinte thermostatée ( 11) destinée à recevoir un liquide de transfert thermi- que ( 12), immergés dans cette enceinte ( 11): une amenée ( 21,22) de gaz à une température pro- grammée, reliée à une source ( 1) de gaz comprimé; un saturateur ( 30) de gaz pour amener un liquide de conditionnement ( 50) au contact du gaz ( 1) à conditionner; À une tubulure de sortie ( 67,72, 73,74,80) de gaz conditionné reliant l'orifice de sortie du satura- teur au volume ( 75) à conditionner, caractérisé en ce que le saturateur ( 30) est constitué par un conduit déprimogène à effet venturi, associé à une chambre de vaporisation ( 36) et de séparation de gouttelettes, alimentée en liquide ( 50) à niveau cons- tant ( 51), le conduit venturi comprenant dans l'ordre: un convergent ( 31) relié ( 32)à la tubulure d'amenée ( 24) thermostatée; un col ( 33), un divergent ( 34) débouchant dans la chambre de vaporisation ( 36), ladite chambre de vaporisation ( 36) présentant une tubulure ( 52) reliant le liquide ( 50) et débouchant dans le col ( 33) du venturi, et présentant un orifice de sortie ( 65) disposé au-dessus d'une chambre de séparation liquide- gaz ( 66), elle-même située au dessus du niveau ( 51) du liquide ( 50), et reliée à la tubulure de sortie ( 67,72,73,74,80). 2/ Dispositif de conditionnement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la chambre de vaporisation ( 36) présente un moyen d'alimentation ( 40) en liquide à niveau constant ( 51), constitué par un vase d'expansion ( 42), une première vanne ( 43) autorisant une légère fui- te, une réserve de liquide fermée ( 44) thermostatée et une seconde vanne pilotée ( 45), cet ensemble thermostaté disposé hors ou dans l'enceinte ( 11) étant relié par une tubulure ( 39) qui traverse l'enceinte ( 11) et est reliée10 à un orifice ( 38) débouchant dans la chambre de vaporisa- tion ( 36) à niveau constant ( 51). 3/ Dispositif de conditionnement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'extrémité de la tubulure ( 52) reliant par l'intermédiaire d'un filtre ( 56) la chambre de vaporisation ( 36) au col ( 33) du venturi, comporte deux orifices traversants ( 55) dis- posés au regard et horizontalement dans la section du col ( 33). 4/ Dispositif de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chambre de vaporisation ( 36) à niveau constant ( 51) comporte une succession de grilles ou de plaques horizontales compor-25 tant une pluralité d'orifices décalés d'une plaque par rapport à l'autre. / Dispositif de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'orifice de sortie ( 65) de la chambre de vaporisation ( 36) est relié par un séparateur ( 100) de gouttelettes de type centri- fuge disposé dans l'enceinte ( 11) au dessus dudit orifice ( 65) et dont la sortie ( 101) de gaz saturé est reliée à la tubulure ( 80), et en ce que le liquide séparé, re- tourne par la tubulure ( 102) dans le liquide ( 50) par l'orifice ( 103) situé au dessous du niveau constant ( 51). 6/ Dispositif de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tubulure d'amenée ( 22) de gaz sec est raccordée par un branchement ( 23) à une seconde tubulure ( 25) reliée par une vanne mé- langeuse pilotée ( 70) à la tubulure de sortie ( 67) de gaz saturé de la chambre ( 36) de vaporisation, ladite vanne mélangeuse ( 70) étant reliée en série à son tour à une tubulure thermostatée ( 73) reliée à la tubulure de sortie ( 74). 7/ Dispositif de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz com- primé ( 1) est préalablement réglé en pression à l'entrée par un moyen pilotable ( 6) et est intégralement introduit dans le convergent ( 32) du venturi, et en ce que le gaz saturé ( 80) issu de la chambre de vaporisation ( 36) est détendu à débit constant ( 80,81,83). 8/ Dispositif de conditionnement selon les reven- dications 1,6 et 7, caractérisé en ce que le gaz ( 1) à conditionner est de l'air comprimé et en ce que le li- quide de conditionnement ( 50) est de l'eau. 9/ Dispositif de conditionnement selon les reven- dications 1,6,7 et 8, caractérisé en ce que la source d'air comprimé ( 1) est reliée à la tubulure d'amenée ( 21) en série par un détendeur ( 3), un moyen dessicant ( 4) et un second détendeur ( 6) pour amener dans la tubulure ( 21) de l'air sec à débit constant. / Dispositif de condtionnement selon les reven- dications 6 ou 7, automatisé, comportant: un appareil de mesure de la température et con- centration en vapeur de gaz conditionné ( 75); un système à microprocesseur équipé d'une carte multifonctions entrées/sorties, numériques/ana- logiques; un logiciel spécifique de contrôle et pilotage des éléments pilotables ( 2,6,8,14,45,70) gérant les consignes programmées de température et de con- centration en vapeur. -t