Brevet FR2707974A1 — publié le 19950127

AERATEUR D'EAU La présente invention concerne un aérateur d'eau permettant d'enrichir un écoulement d'eau en oxygène. En période d'étiage, notamment l'été, le débit de certains cours d'eau diminue considérablement et ces cours d'eau s'appauvrissent en oxygène. Cet appauvrissement en oxygène est dû, d'une part, à la diminution des turbulences du cours d'eau et, d'autre part, à l'élévation de la température de l'eau qui diminue la capacité de l'eau à diluer l'oxygène. Pour que la flore et la faune du cours d'eau puissent subsister, on doit enrichir l'eau en oxygène artificiellement. I1 existe d'autres cas où l'on souhaite oxygéner un écoulement d'eau, comme par exemple en sortie des stations d'épuration. Les cours d'eau sont souvent munis de barrages qui sont ou étaient destinés à exploiter l'énergie de l'eau (anciens moulins à eau...). Les barrages permettent de créer des réservoirs d'eau et d'oxygéner l'eau qui franchit les barrages. Toutefois, en période de faible débit, seulement un mince filet d'eau franchit les barrages. Ce même filet est rapidement échauffé par le soleil et correspond, de plus, à la couche superficielle la plus chaude de l'eau des retenues. Cet échauffement de l'eau qui franchit les barrages est néfaste pour la faune et la flore et diminue l'efficacité d'oxygénation déjà limitée des turbulences provoquées par la chute. Le brevet américain 3 108 146 décrit un aérateur mécanique pour des lacs ou des bassins d'eau, comprenant une hélice entraînée par moteur. Les pales de l'hélice comprennent, de leur côté amont par rapport à l'écoulement qu'elles provoquent, des orifices communiquant avec l'atmosphère. Lorsque l'hélice est entraînée en rotation, l'air atmosphérique est aspiré sous forme de bulles par le côté amont des pales, où il se forme une dépression. Un inconvénient d'un tel aérateur est qu'il consomme une quantité d'énergie non négligeable. En outre, un tel aérateur doit être submergé et nécessite un entretien régulier pour contrôler le moteur. Cet entretien est fastidieux car il faut sortir l'aérateur de l'eau. Un objet de la présente invention est de prévoir un aérateur efficace d'écoulement d'eau, qui ne consomme aucune énergie. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel aérateur qui ne nécessite aucun entretien ou seulement un entretien minime facile. Ces objets sont atteints grâce à un aérateur d'eau comprenant une turbine à écoulement axial passive disposée dans une canalisation recevant un écoulement d'eau, la turbine comprenant un rotor muni d'une chambre reliée de manière étanche à l'atmosphère et des pales dont les côtés aval par rapport au sens de l'écoulement sont munis d'orifices communiquant avec la chambre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'eau fournie à la canalisation provient d'une retenue créée par un barrage disposé sur un cours d'eau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la canalisation comprend une entrée placée en profondeur dans la retenue. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la canalisation comprend une sortie munie d'un diffuseur à accroissement de section progressif peu après la turbine. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le diffuseur comprend des chicanes de manière à allonger le chemin parcouru par l'eau avant de sortir de la canalisation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la canalisation est un siphon pontant le barrage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'aérateur est disposé dans la partie la plus élevée dudit siphon. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'entrée de la canalisation est réalisée dans la partie basse du barrage. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1A et lB représentent un mode de réalisation d'aérateur selon la présente invention la figure 2 représente un exemple d'installation d'aérateur selon la présente invention ; et la figure 3 représente un autre exemple d'installation d'aérateur selon la présente invention. A la figure 1A, un aérateur selon l'invention comprend une turbine à écoulement axial 10 (par exemple de type Kaplan) montée dans une canalisation 12 dans laquelle circule, selon une flèche F, l'eau à aérer. La turbine 10 est passive, c'est-à-dire qu'elle n'est couplée ni à un générateur ni à un moteur. Elle tourne sous la seule action de la circulation d'eau selon la flèche F. La turbine 10 comprend des pales 10-1 montées sur un rotor 10-2. Le rotor 10-2 est guidé en rotation dans un boîtier 14 fixé à la canalisation 12 par des montants 16. Pour cela, par exemple, le boîtier 14 est un tube muni à l'intérieur de roulements qui guident l'axe du rotor 10-2. Le rotor 10-2 comprend une chambre étanche qui communique avec l'atmosphère par l'intermédiaire d'un tuyau 18 relié au boîtier 14. L'étanchéité du boîtier 14 et du rotor 10-2 est obtenue par des joints classiques. La figure 1B représente une vue agrandie et en coupe d'une pale 10-1 de la turbine. La pale est munie d'une pluralité de perçages radiaux 20 qui communiquent avec la chambre du rotor 10-2, et donc avec l'air atmosphérique par l'intermédiaire du boîtier 14 et du tuyau 18. Le côté aval de la pale 10-1 est muni d'une pluralité d'orifices 22 qui communiquent avec les passages 20. Dans l'exemple représenté, la pale 10-1 est à pas variable. (La pale pourrait aussi être à pas fixe car on ne cherche pas à obtenir un bon rendement d'entraînement de la turbine). La pale est formée, par exemple, à partir d'une tôle plate que l'on vrille après avoir percé les perçages 20 et les orifices 22. Cette pale est ensuite soudée sur le rotor 10-2 qui a préalablement été percé d'orifices correspondant aux perçages 20. Dans une fabrication de série, la turbine est de préférence moulée, les perçages 20 et les orifices 22 étant obtenus à l'aide de noyaux. Lorsqu'un écoulement est créé dans la canalisation 12 selon la flèche F, la turbine se met à tourner selon une flèche R. Il se forme alors, du côté aval des pales, une dépression qui aspire l'air atmosphérique par les orifices 22 et répartit l'air aspiré sous forme de bulles 24 dans la colonne d'eau en aval de la turbine. I1 est important, pour augmenter l'efficacité de l'oxygénation de l'eau, que les bulles 24 restent en contact avec l'eau le plus longtemps possible. Ce contact prolongé est favorisé par la trajectoire hélicoïdale des bulles 24 dans la colonne d'eau en mouvement. Cette trajectoire est imposée par la rotation des orifices 22. La trajectoire est, bien entendu, aussi prolongée si l'on augmente la longueur de la canalisation 12 en aval de la turbine 10. Pour améliorer encore l'oxygénation, les bulles 24 doivent être aussi nombreuses et aussi petites que possible (de manière à augmenter la surface d'échange air/eau). Pour cela, les orifices 22 sont nombreux et leur diamètre est petit. Le diamètre des orifices 22 peut être optimisé en fonction du diamètre de la turbine. Par exemple, ces orifices 22 ont un diamètre de 4 mm pour une turbine de 45 cm de diamètre. La figure 2 représente un premier exemple d'installation d'un aérateur selon la présente invention dans un cours d'eau. Comme on l'a précédemment indiqué, les cours d'eau sont souvent munis de barrages 30 qui permettent d'aérer l'eau qui les franchit. L'efficacité de ces barrages est toutefois, comme on l'a précédemment indiqué, très limitée. Dans la figure 2, un aérateur selon l'invention est monté à la partie la plus élevée d'un siphon pontant le barrage 30. La partie amont de la canalisation 12 communique avec l'eau retenue par un entonnoir 12-1 qui puise l'eau, de préférence, à la partie la plus profonde de la retenue. L'eau à la partie profonde de la retenue est la plus froide ; plus l'eau est froide, plus sa capacité à dissoudre l'oxygène est élevée. En outre, l'écoulement d'eau dans la canalisation 12 est peu exposé à l'échauffement par le soleil. La partie aval de la canalisation 12 est reliée à un diffuseur 12-2 qui débouche dans l'eau se trouvant au pied du barrage 30. Pour améliorer l'efficacité de l'aération, on prolonge le trajet de l'eau dans le diffuseur 12-2 en prévoyant, comme cela est représenté, un système à chicanes. En outre, la section du diffuseur 12-2 augmente progressivement dès la sortie de la turbine 10 de manière que la pression de l'écoulement aval augmente rapidement, ce qui augmente l'efficacité de l'aération. La partie la plus élevée d'un tel siphon est celle où la dépression est la plus importante. Ainsi, en montant l'aérateur dans cette partie la plus élevée, comme cela est représenté, la quantité d'air aspiré et injecté dans l'eau est la plus élevée possible. Bien entendu, l'aérateur reste efficace même si on le monte plus bas, ce qui peut s' avérer nécessaire pour éviter des phénomènes de cavitation avec des hauteurs de chute élevées. Le siphon de la figure 2 est amorcé, par exemple, à l'aide d'une petite pompe à vide, motorisée ou à main, reliée à la partie la plus élevée du siphon, ou bien à l'aide d'un petit siphon auxiliaire, couramment appelé "hydro éjecteur". La figure 3 représente un deuxième exemple d'installation d'un aérateur selon l'invention. L'exemple de la figure 3 s'applique à des barrages 30 particulièrement hauts où il n'est pas économique de prévoir un siphon, car celui-ci devrait être muni d'un diffuseur particulièrement long. Dans la figure 3, l'aérateur commu nique avec le fond de l'eau retenue par un entonnoir 12-1 directement formé à la partie inférieure du barrage 30 et traversant celui-ci. Le débit obtenu dans un aérateur selon l'invention dépend du diamètre de la canalisation 12, du pas des pales 10-1, et de la hauteur de chute. Le débit de l'aérateur est choisi, de préférence, égal au débit nominal du cours d'eau en période de faible débit, de manière que toute l'eau s'écoule par l'aérateur. On peut, bien entendu, installer plusieurs aérateurs pour obtenir un débit élevé. Le pas des pales 10-1 de la turbine est choisi en fonction de la vitesse de l'écoulement dans la canalisation 12. Cette vitesse dépend du débit et du diamètre de la canalisation 12. Il n'est pas nécessaire de réaliser un pas précis, car on ne cherche pas à obtenir un bon rendement de la turbine. En pratique, on prévoit, par exemple, plusieurs diamètres normalisés de canalisation et des turbines avec un seul pas de pale. Un aérateur selon 1 invention est particulièrement simple à fabriquer et ne comporte pas d'éléments électriques. De ce fait, il ne nécessite pratiquement aucun entretien. Si un entretien s' avérait nécessaire, l'aérateur est directement accessible, ce qui facilite considérablement cet entretien. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier, notamment en ce qui concerne d'autres installations possibles de l'aérateur. L'invention a été décrite dans le cadre d'une installation sur barrage, mais elle s'applique à tout écoulement provoqué par une différence de pression entre amont et aval. REVENDICATIONS 'il 1. Aérateur d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend une turbine à écoulement axial (10) passive disposée dans une canalisation (12) recevant un écoulement d'eau, la turbine comprenant un rotor (10-2) muni d'une chambre reliée de manière étanche à l'atmosphère et des pales (10-1) dont les côtés aval par rapport au sens de l'écoulement sont munis d'orifices (22) communiquant avec la chambre. 2. Aérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau fournie à la canalisation (12) provient d'une retenue créée par un barrage (30) disposé sur un cours d'eau. 3. Aérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la canalisation (12) comprend une entrée (12-1) placée en profondeur dans la retenue. 4. Aérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la canalisation (12) comprend une sortie munie d'un diffuseur (12-2) à accroissement de section progressif peu après la turbine. 5. Aérateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le diffuseur (12-2) comprend des chicanes de manière à allonger le chemin parcouru par l'eau avant de sortir de la canalisation (12). 6. Aérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la canalisation (12) est un siphon pontant le barrage (30). 7. Aérateur selon la revendication 6, caracterisé en ce qu'il est disposé dans la partie la plus élevée dudit siphon. 8. Aérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée (12-1) de la canalisation est réalisée dans la partie basse du barrage (30).