Brevet FR2705038A1 — publié le 19941118

L'invention concerne des dispositifs destinés à permettre un mélange homogène de deux ou plusieurs consti- tuants liquides en une composition uniforme. L'invention concerne plus particulièrement le brassage et le mélange de5 matières liquides de revêtement, o les matières peuvent être formées de deux ou plus de deux constituants qui sont initialement séparés, et elles sont mélangées jusqu'à ce que l'on obtienne une consistance uniforme au point d'application ou à proximité de celui-ci. L'applicateur pour des matières de revêtement du type général est habituellement un pistolet de pulvérisation ou autre dispositif similaire, et le véhicule de distribution pour amener les matières de revête- ment à l'applicateur est habituellement un système de pompage à mouvement alternatif. Il existe un grand nombre de liquides qui sont utiles dans l'industrie et qui sont formés par le dosage et le mélange de plusieurs constituants liquides différents avant l'application. Ces liquides comprennent, entre autres, divers types de peintures, de pâtes d'étanchéité et d'adhé- sifs, ces liquides étant habituellement stockés dans des récipients pour constituants, et les divers constituants étant dosés et mélangés pendant le processus d'application. Du matériel de pompage de liquides peut être raccordé au récipient pour constituants individuels, et le matériel de pompage peut être commandé de façon à aspirer une proportion prédéterminée de constituants des récipients respectifs pour les distribuer par une conduite unique de distribution de liquides. Des collecteurs statiques de mélange sont habituel- lement placés dans le trajet d'écoulement de la conduite de distribution de liquides afin de provoquer une turbulence dans l'écoulement des liquides respectifs et de mélanger ainsi efficacement les divers constituants en un liquide homogène devant être amené à l'applicateur. Des installations industrielles utilisent souvent des pompes à mouvement alternatif qui aspirent dans les récipients à constituants respectifs, les pompes étant couplées et entrainées par un moteur unique à mouvement alternatif afin de soutirer les constituants liquides des récipients respectifs en une proportion uniforme. La proportion appropriée peut être choisie par une sélection appropriée de la capacité de distribution des pompes, par une commande des courses respectives des mouvements alternatifs des pompes ou par d'autres dispositifs de dosage de liquide. Les constituants liquides sont ensuite transportés le long d'une conduite unique d'alimentation jusqu'à un applicateur, bien qu'un ou plusieurs dispositifs de mélange soient habituellement insérés dans la conduite de distribution pour assurer un mélange approprié des liquides dosés. La présente invention n'a pas trait aux disposi- tifs de mélange précités, y compris des collecteurs statiques de mélange et d'autres dispositifs similaires, qui sont principalement utilisés pour engendrer une turbulence dans le trajet d'écoulement de liquide afin d'assurer un mélange complet des constituants liquides. Des mélangeurs de ce type général mélangent de façon homogène les constituants liqui- des, mais n'ont pas la capacité de redistribuer des consti- tuants liquides qui peuvent s'écouler par les conduites de distribution dans des proportions de mélange incorrectes; autrement dit, un mélangeur statique provoque une turbulence pour mélanger ainsi une composition liquide en un point dans l'espace le long de la conduite de distribution, suivant toutes proportions de mélange dont la composition liquide est formée en ce point de mélange. Un problème particulier nait de l'utilisation de pompes, en particulier de pompes à mouvement alternatif, lesquels problèmes sont mis en évidence lors des transitions à partir de la mise en marche, à l'arrêt et à l'inversion de course. Le volume de liquide distribué par une pompe lors de la mise en marche initiale, ou lors d'un arrêt, peut modifier la proportion optimale de mélange des divers constituants distribués. Similairement, lorsque le sens de la course d'une pompe à mouvement alternatif change, il en résulte habituel- lement une brusque chute de pression et une pointe de pression aboutissant à une condition transitoire de distribu- tion de liquide. Ces conditions transitoires du liquide provoquent une variation des caractéristiques de distribution en volume uniforme du système de distribution, et lorsque deux ou plus de deux pompes à mouvement alternatif sont raccordées entre elles dans un système de distribution de plusieurs constituants, les conditions transitoires respecti- ves des liquides peuvent apparaître à des instants diffé- rents. Il en résulte des volumes de liquide ayant des proportions des constituants qui ne sont pas uniformément constantes dans les conduites de distribution de liquide, mais avec des volumes de liquide entremêlés qui peuvent être dans des proportions impropres, résultant des conditions transitoires de distribution décrites ci-dessus. Lorsqu'elle est visualisée dans une conduite de distribution de liquide, cette activité donne un écoulement uniforme de constituants liquides mélangés qui sont dans des proportions appropriées, dans lequel sont entremêlés des "bouchons" intermittents de constituants mélangés dans des proportions incorrectes. L'utilisation de mélangeurs statiques dans une conduite de distribution de liquide a pour effet de mélanger complètement les constituants parcourant les conduites, mais ne corrige pas des proportions de constituants en dehors de paramètres souhaités. Généralement, les divers constituants liquides tendent à parcourir les conduites de distribution en volumes mélangés uniformément, mais sans corriger des tronçons de 5 volume qui peuvent être incorrectement proportionnés. Les problèmes de proportionnement exigent une forme différente de brassage des volumes de liquides au passage du liquide dans les conduites de distribution. L'invention distribue de façon homogène des liquides sur la longueur du trajet de parcours dans une conduite de distribution de liquides, de façon à brasser les liquides plus complètement sur le trajet longitudinal parcouru. Par conséquent, si une concentration de volume particulière d'un liquide est incorrectement proportionnée, l'appareil répartit les erreurs de proportions longitudina- lement dans les conduites de distribution de liquide pour les mélanger avec un plus grand volume de liquide. Le dispositif comporte un tronçon de conduite de distribution qui est formé en un trajet hélicoidal d'une section transversale prédéter- minée, les rayons intérieur et extérieur de l'hélice présen- tant une dimension notablement plus grande que la largeur de la section transversale du trajet. L'aire de la section transversale du trajet hélicoïdal d'écoulement définit un "rayon hydraulique" qui peut être calculé et qui, dans la forme préférée de réalisation, est inférieur à 0,04. Ceci amène le liquide se déplaçant le long du côté extérieur du trajet à se déplacer sur une distance beaucoup plus grande, dans le dispositif, que le liquide parcourant le côté intérieur du trajet, ce qui étend longitudinalement l'effet de proportionnement du liquide passant dans le dispositif. La vitesse du liquide parcourant le dispositif est maintenue sensiblement constante, ce qui a pour effet d'intégrer le proportionnement du liquide sur un plus grand volume de liquide s'écoulant à travers le dispositif. Un objet principal de l'invention est de procurer un dispositif pour intégrer les proportions de plusieurs constituants liquides sur un volume d'écoulement accru de liquide.5 Un autre objet de l'invention est de mélanger des débits d'écoulement volumique de liquides afin de réduire les disparités affectant les proportions de liquide tandis que le liquide proportionné passe dans une conduite de distribution de liquide.10 Un autre objet de l'invention est de fournir un mélange homogène et proportionné de façon uniforme de plusieurs constituants liquides devant être distribués à une destination commune. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue de côté avec coupe partielle du dispositif selon l'invention; la figure 1A est une vue isométrique partielle en bout d'une partie de l'invention; la figure 2 est une vue à échelle agrandie, en coupe, d'une partie du trajet d'écoulement de l'invention; la figure 3A est une vue en coupe transversale simplifiée du trajet d'écoulement; et la figure 3B montre une représentation simplifiée du trajet d'écoulement le long d'un seul tour de l'hélice. En référence d'abord à la figure 1, l'intégra- teur 10 de liquides est représenté par une vue de côté avec coupe partielle. L'intégrateur 10 comporte un corps tubu- laire extérieur 12 dans lequel est emboitée étroitement une tige cylindrique 15. La tige 15 présente une gorge hélicoïdale continue 20 qui s'étend sur toute la longueur transversale de la tige 15. Les extrémités respectives de l'intégrateur 10 comportent des raccords 13, 14 destinés à être reliés par vissage à une conduite de distribution de liquide. Le raccord 14 est représenté en coupe, illustrant l'ouverture centrale 16 qui le traverse; le raccord 13 est traversé par une ouverture centrale similaire, auquel cas l'ouverture centrale est alignée en contact d'écoule-5 ment de liquide avec une extrémité respective de la gorge hélicoïdale 20. La figure lA montre une vue isométrique en bout de la tige 15, illustrant une ouverture 16a qui est alignée en contact d'écoulement de liquide avec l'ouverture centrale 16. La surface extrême 15a de la tige 15 est une10 surface plate destinée à porter contre la surface inté- rieure du raccord 14. Un liquide arrivant en s'écoulant dans l'ouverture centrale 16 est guidé jusque dans la gorge hélicoïdale 20 en passant par l'ouverture centrale 16a. La gorge hélicoïdale est usinée autour de l'axe 11 de la tige 15, ayant un rayon extérieur (ROD) et un rayon intérieur (RID) mesurés à partir de l'axe 11. La gorge hélicoïdale 20 présente une largeur (W) en section transversale qui est avantageusement une dimension uniforme sur toute l'étendue de la gorge, ou qui s'évase légèrement vers l'extérieur dans certaines formes de réalisation. L'évasement vers l'extérieur devrait avantageusement ne pas être supérieur à environ 2 -3 . La figure 2 montre une coupe à échelle agrandie suivant le cercle 2-2 de la figure 1. La figure 3A est un schéma simplifié de l'aire de la section transversale d'une gorge 20; la figure 3B montre une vue simplifiée d'une gorge qui a été "déroulée" sur un tour d'hélice et qui est représentée sous la forme d'un plan plat. Les flèches de la figure 3B indiquent l'écoulement de liquide dans la gorge 20. En référence aux figures 3A et 3B, l'aire A1 de la section transversale du trajet hélicoïdal dans l'intégrateur 10 de liquides est déterminée par l'équation A1 = WH o W est égal à la largeur de la gorge hélicoïdale 20 et H est égal à la hauteur de la gorge hélicoïdale 20. Cependant, H est déterminé par l'équation H = ROD - RID Par conséquent, l'aire de la section transversale de la gorge 20 est déterminée par l'équation Ai = W(RoD - RID) Le volume de liquide occupant un tour de la gorge hélicoïdale 20 est déterminé par une multiplication de 1 'aire montrée sur la figure 3B par la largeur W de la gorge 20;10 l'aire montrée sur la figure 3B est déterminée par l'équation A2 = 7r (RD2 - RID2) Le volume de liquide occupant un tour d'hélice de la gorge 20 peut alors être déterminé par l'équation V1 = W.A2 V1 = W T (ROD - RiD2 Le volume total de liquide dans l'intégrateur 10 de liquide est déterminé en multipliant le volume d'un tour d'hélice de la gorge 20 par le nombre de tours, N, soit VTOT = N.V1 Etant donné qu'une fonction importante de l'intégrateur 10 de liquide est de mélanger des volumes de liquide s'écoulant ensemble dans une conduite de distribution et en particulier de mélanger un "bouchon" d'un volume de liquide ayant pu être mal proportionné par suite des condi- tions transitoires indiquées précédemment, il est important que la capacité totale du volume de l'intégrateur 10 de liquide soit plus grande que le volume total distribué par le système de pompage durant l'une des séquences transitoires. Le volume total de l'intégrateur 10 est avantageusement choisi de façon à être au moins double du volume distribué par le système de pompage durant un intervalle d'inversion de la pompe. Si un écoulement à vitesse constante parcourt l'intégrateur 10 de liquide, il apparait que le trajet parcouru par le liquide à proximité immédiate du diamètre extérieur de la gorge hélicoïdale est très supérieur à la longueur du trajet adjacent au diamètre intérieur de la gorge hélicoïdale. Par conséquent, en supposant une vitesse d'écou- lement constante, le liquide s'écoulant à travers l'intégra- teur 10 à proximité du diamètre extérieur sera en retard par rapport au liquide s'écoulant à travers l'intégrateur de10 liquide à proximité du diamètre intérieur, de sorte que tout volume incrémentiel de liquide entrant simultanément dans l'intégrateur de liquide quitte cet intégrateur 10 en étant séparé à la fois dans le temps et dans l'espace. En fait, le liquide parcourant le diamètre extérieur finit par se15 mélanger avec du liquide arrivant plus tard le long du diamètre intérieur, alors que le liquide entrant le long du diamètre intérieur finit par se mélanger avec du liquide arrivé plus tôt le long du diamètre extérieur, l'ensemble servant à mélanger longitudinalement le volume de liquide parcourant la conduite de distribution. Par conséquent, une variation affectant la proportion de tout volume incrémentiel de liquide finit par être mélangée ou étendue sur la longueur de la conduite de distribution, ce qui intègre la variation de proportion sur un volume considérable du liquide. Plus la différence entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur de la gorge 20 est grande, plus le temps de retard et donc plus la capacité de mélange sont importants; de la même manière, plus le nombre de tours de la gorge hélicoïdale est grand, plus le temps de retard est important. L'analyse précédente suppose une vitesse d'écou- lement constante du liquide dans l'intégrateur 10 de liquide, et il est donc important que les paramètres nominaux pour la construction de l'intégrateur 10 de liquide soient maîtrisés de façon qu'une vitesse d'écoulement constante soit établie, soit avec précision, soit en approximation étroite. Il est également important que la largeur des gorges 20 soit maintenue aussi faible qu'il est possible en pratique pour éviter un "cheminement préférentiel" du fluide uniquement dans la partie médiane de la gorge. Par ailleurs, la largeur de la gorge 20 doit être assez grande pour permettre un débit d'écoulement raisonnable du liquide sans chute de pression globale excessive. Les travaux de Osborne Reynolds ont montré que la détermination de l'état laminaire ou turbulent de l'écoule- ment d'un liquide dans un conduit dépend du diamètre du conduit, de la masse volumique et de la viscosité du fluide en écoulement, et de la vitesse d'écoulement. La valeur numérique d'une combinaison sans dimension de ces quatre variables est connue sous le nom de "nombre de Reynolds", qui15 est le rapport des forces dynamiques d'un écoulement massique à la contrainte de cisaillement due à la viscosité. Les calculs du nombre de Reynolds sont utiles pour déterminer des caractéristiques d'écoulement dans des canaux ayant une section transversale circulaire. Dans des calculs portant sur des canaux d'écoulement à section transversale non circulai- re, on a inventé une expression qui est le "rayon hydrauli- que"; le rayon hydraulique (RH) est défini comme étant: Aire de la section transversale d'écoulement RH = Périmètre mouillé Dans le calcul de nombres de Reynolds pour des canaux de section transversale non circulaire, le diamètre équivalent est substitué au diamètre du cercle, et le diamètre équivalent est défini comme étant quatre fois le rayon hydraulique (RH). Ce diamètre équivalent ne s'applique pas aux canaux d'écoulement o la largeur du canal d'écoule- ment est très faible par rapport à sa longueur, mais on a constaté que le rayon hydraulique (RH) était un paramètre utile en liaison avec la présente invention. Ceci semble être vérifié du fait que le rayon hydraulique est un indice de l'étendue de la surface limite du canal en contact avec le fluide s'écoulant dans le canal. Dans la présente invention, il est important que la largeur du canal d'écoulement soit maintenue aussi faible que possible pour éviter un chemine- ment préférentiel dans la partie médiane de la gorge, mais la gorge doit être suffisamment large pour minimiser la chute globale de pression. Pour évaluer l'efficacité de l'invention dans un mélange longitudinal de différents constituants liquides, on a construit trois dispositifs expérimentaux dans le canal d'écoulement de chacun desquels on a injecté deux consti- tuants colorés. La largeur et la profondeur du canal étaient modifiées dans chaque cas, le rayon hydraulique était calculé dans chaque cas, et le mélange de l'écoulement longitudinal était évalué de façon empirique. Expérience n 1 Largeur du canal = W = 0,06 Hauteur du canal = H = 0,5 Aire du canal = Ai = 0,03 Rayon hydraulique = RH = 0, 027 Expérience n 2 W = 0,09 H = 0,7 A1 = 0,063 RH = 0,040 Expérience n 3 W = 0,125 H = 0,5 A1 = 0,062 RH = 0,05 Dans le cas de l'expérience n l, le dispositif produisait un bon mélange de l'écoulement liquide longitudi- nal, mais avec une chute de pression élevée dans l'ensemble du canal d'écoulement. Dans l'expérience 2, le mélange35 longitudinal de l'écoulement était excellent, et la chute globale de pression n'a pas semblé excessive. Dans l'expé- rience 3, le mélange longitudinal de l'écoulement était relativement mauvais, alors que la chute de pression était minimale. On a déterminé, d'après ce qui précède, que5 l'invention se comporte de façon satisfaisante lorsque le rayon hydraulique est inférieur ou égal à 0, 04, et que des valeurs de rayon hydraulique supérieures à 0,04 donnent un mélange d'écoulement longitudinal insatisfaisant. Au cours d'un autre essai, la rainure d'écoule- ment de l'expérience a été construite dans un intégrateur complet, donnant les résultats de l'exemple suivant: EXEMPLE: On a conçu un intégrateur typique destiné à être utilisé dans un système de distribution de liquide pour la pulvérisation d'une peinture ayant une viscosité d'environ 50.10-3 Pa.s; la peinture est de nature légèrement thixo- trope et s'écoule à un débit compris entre 0,38 et 1,9 litre par minute. On a conçu un intégrateur de liquide ayant les paramètres physiques suivants: ROD = 1,00 RID = 0,30 W = 0,09 N = 10 La capacité volumique de l'intégrateur précédent est de 42,2 cm3. Ce modèle donne un coefficient de temps de retard de 3,33; autrement dit, le liquide s'écoulant le long du diamètre extérieur met, pour atteindre la sortie, 3,33 fois le temps mis par le liquide s'écoulant le long du diamètre intérieur. Par conséquent, l'intégrateur construit selon cette conception traite convenablement un volume d'écoulement en transit de 20 cm3. Les calculs précédents supposent une largeur uniforme W de la gorge 20; dans des applications pratiques, la gorge 20 peut être réalisée de façon à être légèrement plus grande à son rayon extérieur qu'à son rayon intérieur pour tenir compte des caractéristi- ques d'écoulement d'un fluide non newtonien. Enfin, suivant d'autres caractéristiques avantageuses, éventuellement combinées: - la gorge hélicoïdale a une largeur W, en section transversale, sensiblement inférieure à la hauteur H, en section transversale, de cette gorge; - la gorge est suffisante pour permettre le stockage d'au moins 29,5 à 148 cm3 de liquide dans celle-ci; - lorsque l'intégrateur de liquide pour mélanger ensemble des volumes incrémentiels de liquides s'écoulant en avance et en retard l'un par rapport à l'autre dans une conduite de distribution de liquide, comporte un trajet hélicoïdal fermé (20) ayant une aire rectangulaire en section transversale; des moyens (13, 14) pour raccorder des extrémités respectives du trajet hélicoïdal d'écoulement dans ladite conduite de distribution de liquide, en un montage d'écoulement de liquide en série, la largeur W de l'aire de la section transversale est choisie suffisamment faible pour engendrer une chute de pression sensiblement uniforme du liquide sur ladite largeur dans un liquide s'écoulant le long du trajet hélicoïdal; - la hauteur H du trajet de liquide est suffisamment grande pour engendrer une vitesse d'écoulement de liquide sensiblement constante dans le liquide s'écoulant le long du25 trajet hélicoïdal. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'intégrateur de liquide décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. w REVENDICATIONS 1. Intégrateur de liquide destiné à mélanger ensemble des volumes de liquides s'écoulant en avance et en retard, l'un par rapport à l'autre, dans une conduite de distribution de liquide, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (12) traversé par une ouverture axiale; des moyens (13, 14) proches des extrémités respectives de l'ouverture axiale pour raccorder de façon étanche le corps dans la conduite de distribution de liquide; un élément rapporté (15) remplissant sensiblement l'ouverture axiale et présen- tant une gorge hélicoïdale (20) s'étendant autour d'une surface extérieure, des extrémités respectives de la gorge hélicoïdale étant en contact d'écoulement de liquide avec des extrémités respectives de l'ouverture axiale, la gorge hélicoïdale ayant une aire et une largeur, en section transversale, de manière à donner un rayon hydraulique (RH) inférieur ou égal à 0,04. 2. Intégrateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la gorge hélicoïdale a une section transver- sale sensiblement rectangulaire. 3. Intégrateur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la largeur et la hauteur de la gorge hélicoïdale sont choisies de manière à établir une vitesse d'écoulement constante.