Brevet FR2710392A1 — publié le 19950331

Venturi à cavitation et tuyères multiples La présente invention concerne des limiteurs de débit et, en particulier, des limiteurs de débit comportant des venturi à cavitation. Les venturi à cavitation ont été utilisés depuis plusieurs années pour réguler et commander un débit de fluide dans une boucle ouverte. Pour une pression d'entrée fixe, le débit est constant sur une plage étendue de contre-pressions rencontrées en aval. Les venturi à cavitation ne comportent aucun composant mobile et sont par conséquent extrêmement fiables. En raison de ces caractéristiques, on les a utilisés dans les actionneurs, les dispositifs de commande de mélanges et de traitements, les fusées, les installations de sécurité et les centrales énergétiques. Un venturi à cavitation est un rétrécissement d'une voie de passage comportant typiquement une entrée et une sortie en forme de cône ainsi qu'une partie formant col, généralement rectiligne, entre l'entrée et la sortie. La partie de sortie est également connue comme le diffuseur. Lorsque le col est rétréci pour que la hauteur dynamique ou chute de pression au niveau du col soit égale à la différence de pression totale, le fluide qui traverse le col se vaporise à l'équilibre température-pression correspondant de saturation du fluide. La vapeur se recondense rapidement en aval du col, dans le diffuseur du venturi. En régime de cavitation, le débit dépend uniquement de la racine carrée de la différence entre la pression d'entrée et la pression de vapeur du fluide. Pour la plupart des fluides dans les applications pratiques, la pression de vapeur est bien inférieure à la pression d'entrée et peut être ignorée. Donc, le débit à travers le venturi n'est réglé que par réglage de la pression d'entrée (les variations de pression en aval n'affectent pas le débit). Les venturi à cavitation sont connus comme des dispositifs pour récupérer une pression élevée. La pression manométrique de sortie peut atteindre 85 à 90 % de la pression manométrique d'entrée. Toutefois, l'énergie cinétique fournie par l'écoulement de fluide est dissipée par le venturi en cavitations et se transforme généralement en énergie vibratoire. La fréquence acoustique naturelle des vibrations est proportionnelle à la vitesse du son dans le fluide qui s'écoule dans le venturi et est inversement proportionnelle à la longueur du diffuseur. L'énergie vibratoire peut poser de sérieux problèmes dans certaines applications, en particulier dans les centrales nucléaires où l'on utilise des venturi à cavitation pour limiter le flux de fluides sous haute pression entre les réacteurs nucléaires et les générateurs de vapeur et dans les dispositifs de sécurité. Les niveaux de bruit et les vibrations de canalisations qui en découlent sont plus sévères quand la pression manométrique de sortie est faible par rapport à la pression manométrique d'entrée et peuvent, dans certaines situations, provoquer une fissuration des soudures ou un endommagement des vannes. Ce problème a conduit à un sous-dimensionnement des canalisations dans certaines installations de centrales nucléaires, avec par conséquent une augmentation des coûts du fait des canalisations redondantes destinées à compenser le flux réduit à travers des tubes plus petits. I1 existe donc un besoin pour un limiteur de débit qui offre les avantages des venturi mais qui ne provoque pas les vibrations graves qui sont parfois associées à leur utilisation. Un objet de la présente invention est de proposer un limiteur de débit qui présente des caractéristiques de bruit inférieures à celles d'un limiteur de débit à venturi unique, pour des caractéristiques d'écoulement similaires. Un autre objet de la présente invention est de proposer un limiteur de débit pour une canalisation à fort débit qui présente des caractéristiques de bruit faibles. Encore un autre objet de la présente invention est de proposer un limiteur de débit approprié à une utilisation dans les réacteurs nucléaires, qui ait un coût plus faible que les limiteurs de débit traditionnels. Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints avec la présente invention grâce à un venturi à cavitation et à tuyères multiples (MNCV). Les venturi à cavitation de limitation du débit comportent en général une tuyère de venturi unique placée dans une canalisation. Un limiteur de débit d'après la présente invention comprend au contraire une plaque avec des première et seconde faces espacées et une pluralité de tuyères de venturi à cavitation, parallèles et espacées, qui s'étendent entre les faces. Chaque venturi à cavitation comporte une partie d'entrée qui s'ouvre sur la première face, une partie diffuseur qui s'ouvre sur la seconde face et une partie col entre l'entrée et le diffuseur. Tous les venturi de la plaque sont conçus pour avoir à peu près les mêmes caractéristiques d'écoulement. La plaque est conçue pour être placée de façon à limiter l'écoulement dans un tube unique. Du fait que de nombreux venturi de petite taille sont utilisés à la place du venturi unique traditionnel, on peut obtenir un débit équivalent avec des venturi plus courts. Ceci conduit à une élévation de la fréquence naturelle de vibration du limiteur de débit et provoque une chute de l'amplitude maximale des vibrations. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, prise en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un venturi à cavitation et tuyère unique placé dans une canalisation; la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un venturi à cavitation et tuyères multiples de la présente invention, placé entre deux tronçons de canalisation avec un accouplement par bride; la figure 3 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation de la présente invention qui comprend des moyens pour raccorder les tronçons de canalisation différents de ceux du mode de réalisation représenté à la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe d'un venturi à cavitation et tuyères multiples de la présente invention dont une tuyère a été bouchée pour limiter le débit de fluide à travers la plaque. Si on se rapporte maintenant à la figure 1, un limiteur de débit de l'art antérieur, globalement désigné par la référence 1, utilise un venturi à cavitation 3 avec une seule tuyère. Le sens de passage du fluide est indiquée par une flèche. Le venturi 3, qui présente généralement une symétrie axiale, comporte une partie d'entrée 5 qui s'ouvre dans un tronçon de canalisation 7. La partie d'entrée 5 fait un angle au sommet a et se rétrécit en direction d'une partie col 9. La partie col 9 a un diamètre d et une longueur Lt. La partie col 9 s'ouvre en son extrémité opposée sur une partie diffuseur 11 divergente faisant un angle au sommet B, partie qui s'ouvre quant à elle sur un tronçon de canalisation 13. La longueur totale du venturi-tuyère est L. Le débit limité à cavitation maximale Q qui traverse un venturi à cavitation est donné par l'expression dans laquelle d représente le diamètre de la partie col, Cd un coefficient de sortie proche de 1, p la masse volumique du fluide, p1 la pression d'entrée et P2 la pression de col. Dans des conditions de cavitation, P2 est égale à la pression de vapeur du fluide à la température correspondante du fluide. Par conséquent, le débit en régime de cavitation ne dépend pas de la pression aval p3 mais uniquement de la pression amont pl. Le coefficient de restitution R est un indicateur de la chute de pression minimale et une mesure de la capacité du venturi à la transformation de l'énergie. n est défini par pS p? (2) Pi - R ne dépend pas de la géométrie du venturi et est essentiellement fonction du demi-angle au sommet p/2 du diffuseur, de la longueur Lt du col, du diamètre d du col et, dans une moindre mesure, de la géométrie de l'entrée. R peut atteindre 0,85 à 0,9 dans les venturi à cavitation. Le limiteur de débit de la présente invention, au lieu de placer dans l'écoulement d'un fluide contenu dans une canalisation un venturi à cavitation et tuyère unique, met en place dans le trajet de circulation du fluide une plaque comportant plusieurs tuyères de venturi à cavitation. L'utilisation d'un venturi à cavitation avec tuyères multiples en tant que limiteur de débit permet d'utiliser des tuyères plus courtes que celles utilisées dans la configuration à tuyère unique représentée à la figure 1 tout en donnant les mêmes caractéristiques d'écoulement. Du fait que les tuyères sont plus courtes, le bruit vibratoire et sonore associé à leur utilisation est fortement réduit par rapport à celui associé à la configuration avec tuyère unique de débit équivalent. La figure 2 montre un mode préféré de réalisation du limiteur de débit de la présente invention, appelé MNCV, destiné à être utilisé dans l'industrie nucléaire et globalement désigné par la référence 15. Le limiteur de débit MNCV comprend une plaque 17 placée entre des brides opposées 19. Les brides 19 et la plaque 17 sont maintenues ensemble dans une position fixe par des dispositifs de fixation comme des boulons 21 serrés sur des écrous 23. Un joint d'étanchéité 25 est réalisé entre les brides 19 et la plaque 17 au moyen de joints toriques ou de quelque autre moyen d'étanchement approprié. Chaque bride 19 est fixée à un tronçon de canalisation 27 par une soudure 29. La plaque 17 est alésée pour fournir une pluralité de venturituyères à cavitation disposés en parallèle. Chaque tuyère 31 est essentiellement une version à plus petite échelle de la tuyère représentée à la figure 1. Le débit Q à travers la configuration de tuyères multiples de la figure 2 est simplement n fois le débit de chaque tuyère tel que calculé par l'équation 1 dans laquelle n représente le nombre de tuyères 31 dans la plaque 17. Une estimation grossière du nombre de tuyères nécessaires pour donner le même débit qu'un venturi à cavitation et tuyère unique, plus gros mais de proportions identiques, est donnée par l'expression dans laquelle dl est le diamètre de la partie col de l'un des venturi à cavitation du limiteur de débit de l'invention et n le nombre total de venturi percés dans la plaque du limiteur MNCV. Un nombre typique de tuyères dans un limiteur de la présente invention peut être compris entre trois et trente-six, voire davantage. Le nombre choisi dépendra de la taille de la canalisation, de la pression différentielle dans le limiteur et de la fréquence acoustique naturelle du diffuseur. Les modes fi de fréquences naturelles d'un diffuseur de longueur Ld dans un fluide ayant une vitesse c de propagation du son sont: ic fi = i=l,2,3... (4) 2Ld Par conséquent, pour diminuer les amplitudes des vibrations, il est avantageux de concevoir les venturi-tuyères pour qu'ils aient un premier mode de fréquence naturelle aussi élevé que possible, dans les limites de la réalisation industrielle et des coûts. La figure 3 est une vue en coupe d'une autre possibilité de réalisation du limiteur de la présente invention, globalement désigné par la référence 33. Dans cette variante, la périphérie extérieure de la plaque 17 a été façonnée pour donner des fixations de soudure 35 en ses extrémités opposées en vue d'un soudage aux tronçons de canalisation (non représentés), ce qui donne un type de montage plus permanent. Une partie d'entrée typique a une forme conique avec un angle au sommet a d'environ 200 et des bords arrondis pour minimiser les pertes d'entrée. Suivant une autre possibilité, la partie d'entrée peut être complètement arrondie avec un rayon r qui est approximati vement égal au diamètre de col dl (figure 3). L'angle au sommet d'un diffuseur typique se situe dans une fourchette de 6 à 10 environ. Le diamètre de sortie du diffuseur vaut typiquement environ deux à trois fois le diamètre du col. Ce rapport sera déterminé par le coefficient requis de restitution de pression, R. Quand on souhaite une restitution importante, c'est-à-dire par exemple R = 0,9, la partie conique 37 du diffuseur se termine par une partie de diffuseur 39 curviligne avec dp/dx = const. Le diamètre y de la partie curviligne 39 du diffuseur est donné par l'expression dans laquelle y1 et y2 sont respectivement le diamètre d'entrée et le diamètre de sortie de la partie curviligne 39 du diffuseur; x est la position axiale le long de la partie curviligne 39 du diffuseur en prenant pour origine l'entrée de la partie curviligne du diffuseur; et L2 est la longueur de la partie curviligne du diffuseur. Des dimensions typiques pour donner un coefficient de restitution élevé à un limiteur MNCV tel que celui représenté à la figure 3 sont r = dl ; Lt = 0,4 dl ; L1 = 7,5 dl - 10 dol ; y1 = 2 d1; Y2 3 dl et L2 = 3,8 y1. La transition entre les parties conique 37 et curviligne 39 du diffuseur doit être douce avec le même angle de tangence (ss/2) au niveau du point A. Les conditions aux limites au niveau du point A donnent l'équation dy/dx = tan('3/2), laquelle donne à son tour L2. Par exemple, pour y1 = 2 dl et y2 = 3 d1 comme représenté à la figure 3 et pour ss = 6 , la longueur L1 de la partie conique du diffuseur vaut 9,5 dl. La longueur de la partie curviligne L2 vaut environ 7,6 dl. Le demi-angle oy au point B vaut environ 21,70 pour cette configuration. La perte de pression totale Dp dans le limiteur MNCV est donnée par l'expression Dp = Pi - P2 = Kpv2/2 dans laquelle P1 et P2 sont les pressions amont et aval du limiteur, K est le coefficient total de perte de pression, p est la densité du fluide et v la vélocité du fluide dans la partie col. K est égal à la somme des coefficients individuels de perte de pression entre l'entrée et la sortie K= K1 +K2 + K3 + K4+K5 (6) Le coefficient K1 de perte entre l'entrée et le col vaut typiquement de 0,02 à 0,03. K2, le coefficient de perte dû à l'élargissement dans la partie conique 37 du diffuseur est donné par l'expression K3, le coefficient de perte dû aux frottements de surface à l'interface entre la surface et le fluide est donné par: expression dans laquelle f est un facteur de frottement qui dépend de la rugosité de la surface et du nombre de Reynold et est compris entre 0,015 et 0,012. K4 est le coefficient de perte de la partie curviligne du diffuseur et est donné par: K5 est le coefficient de perte de pression de la sortie du limiteur, donné par: expression dans laquelle n est le nombre de venturis et D est le diamètre de la canalisation placée en aval. Avec la géométrie représentée à la figure 3, il est possible d'obtenir un coefficient de perte total K = 0,12. Le coefficient R de restitution de la pression vaut simplement 1 - K = 0,88 ce qui donne un rendement de limiteur de 88%. On peut régler les caractéristiques de l'écoulement dans le limiteur de l'invention par divers procédés. Par exemple, on peut percer des tuyères supplémentaires dans la plaque 17 pour augmenter le débit. On peut agrandir chaque tuyère 31 pour augmenter également le débit. Pour diminuer le débit, on peut boucher une ou plusieurs tuyères 31 à l'aide d'un bouchon 41, comme représenté à la figure 4. Le bouchon 41 peut être maintenu en place de manière à être amovible par fixation, à l'aide d'un moyen approprié, à un élément 43 introduit sur le côté opposé de la tuyère. On peut réaliser cette fixation grâce, par exemple, à un boulon qui traverse le bouchon 41 et l'élément 43 et est immobilisé en une extrémité par un écrou. L'efficacité du limiteur de la présente invention à réduire les vibrations sonores a été démontrée expérimentalement lorsqu'on a remplacé un venturi à cavitation et tuyère unique par un limiteur MNCV de la présente invention ayant des caractéristiques d'écoulement similaires. Le limiteur à tuyère unique de l'expérience avait un diamètre de col de 28 mm et une longueur totale de 340 mm. Le limiteur MNCV qui l'a remplacé comportait trente-deux tuyères. Chaque tuyère de ce limiteur avait un diamètre de col de 6,1 mm et une longueur totale de 56 mm. La pression d'entrée était la même dans les deux cas, 1,1 MPa (11 bars). Le limiteur à tuyère unique présentait un niveau de bruit sonore d'environ 110 dBa. Le limiteur MNCV a abaissé le niveau de bruit jusqu'à environ 80 dBa. Lors d'un second essai expérimental, on a testé deux venturis équivalents de 15,25 cm (6 pouces) dans une installation de production d'énergie nucléaire. L'un n'avait qu'une seule tuyère tandis que l'autre était un limiteur à tuyères multiples de la présente invention. Le débit de coupure et les pressions étaient les mêmes pour chacun d'eux. En régime de cavitation, le venturi à tuyère unique a provoqué des vibrations dans les canalisations d'une amplitude allant jusqu'à + 3 mm et un niveau de bruit sonore de 105 dBa. Quelques vannes de ventilation et drainage de 2 cm (3/4 de pouces) se trouvant dans la canalisation avec le venturi à tuyère unique ont commencé à s'ouvrir et un boulon a commencé à se desserrer sur un actionneur destiné à une vanne de commande placée en aval. Le limiteur MNCV de la présente invention, installé à la place du précédent dans des conditions similaires, n'a produit aucune vibration d'amplitude mesurable dans la canalisation, même d'un niveau de quelques microns. Le niveau de bruit sonore blanc était de 82 dBa. Pour des applications dans les installations de production d'énergie nucléaire, il est préférable de concevoir le limiteur MNCV dans des paramètres particuliers de construction. Par exemple, lorsque le limiteur est installé dans une canalisation d'un circuit hydraulique qui comprend des canalisations s'étendant entre une source de chaleur (le réacteur nucléaire) et un échangeur de chaleur (le générateur de vapeur) avec une pompe qui fait circuler de l'eau à une pression d'au moins 13,8 MPa (2000 psi - 135 bar) environ et une température d'au moins 2600C (5000F) environ, il est souhaitable de concevoir la partie diffuseur de chaque tuyère pour qu'elle ait une fréquence acoustique naturelle d'environ 20 kHz au moins. Le coefficient de restitution R doit être d'au moins 0,85 à 0,9 environ. La longueur totale de chaque tuyère doit de préférence être comprise entre environ sept et dix fois le diamètre du col d. La partie diffuseur de chaque tuyère aura de préférence un diamètre maximal qui vaut deux à trois fois environ le diamètre du col d. Pour ces paramètres, le débit de fluide dans le limiteur en régime de cavitation doit atteindre un niveau général de pression sonore inférieur à environ 90 dBa, la valeur de 75 dBa pouvant être atteinte. n doit également être possible d'atteindre, avec un flux de fluide en régime de cavitation qui traverse le limiteur de l'invention, des niveaux de contraintes dans les canalisations, dues aux vibrations dans ces canalisations, qui sont en-dessous des valeurs normalisées données par la spécification ANSI/ASME OM-1982, intitulée " Requirements for Preoperational and Initial Start-up Vibration Testing of Nuclear Power Plant Piping Systems" (incluse ici à titre de référence) indépendamment de la pression d'entrée et du débit du limiteur MNCV. REVENDICATIONS 1. Venturi à cavitation et tuyères multiples (MNCV) placé dans un circuit hydraulique, le circuit comprenant des canalisations qui s'étendent entre une source de chaleur et un échangeur de chaleur et comportant un moyen de pompage pour faire ciculer de l'eau à une pression d'au moins 13,8 MPa (135 bars) environ et une température d'au moins environ 260"C, caractérisé en ce que le MNCV est placé dans l'une des canalisations et est caractérisé par une pluralité de tuyères de venturi (31) disposées parallèles dans une plaque unique (17), chaque tuyère comprenant une partie d'entrée et une partie diffuseur ainsi qu'une partie col entre celles-ci. 2. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tuyère de venturi de ladite pluralité a une fréquence acoustique naturelle dans l'eau en régime de cavitation qui est approximativement égale à une fréquence prédéterminée. 3. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 2, caractérisé en outre en ce que chaque tuyère de venturi de ladite pluralité a une longueur qui est approximativement égale à une longueur prédéterminée L. 4. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence prédéterminée vaut au moins 20 000 Hz environ. 5. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 4, caractérisé par un coefficient de restitution valant au moins environ 0,85. 6. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport de la longueur L au diamètre d de la partie col de chaque tuyère est compris entre environ 7 et environ 10. 7. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie diffuseur de chaque tuyère a un diamètre maximal D qui vaut environ deux fois d. 8. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendi cation 7, caractérisé en ce que l'écoulement du fluide à travers le MNCV produit un son de moins de 90 dBa environ, indépendamment de la pression d'entrée et en présence d'un régime de cavitation dans la partie diffuseur de chaque tuyère. 9. Venturi à cavitation et tuyères multiples selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'écoulement du fluide en régime de cavitation à travers le MNCV produit dans les canalisations des contraintes, dues aux vibrations des canalisation,s qui sont en-dessous des valeurs normalisées données par la spécification ANSI/ASME OM1982, intitulée " Requirements for Preoperational and Initial Start up Vibration Testing of Nuclear Power Plant Piping Systems", indépendamment de la pression d'entrée et du débit du limiteur.