Brevet FR2737483A1 — publié le 19970207

DISPOSITIF PERFECTIONNE DE TRAITEMENT D'EAU PAR IRRADIATION ULTRAVIOLETTE L'invention concerne un dispositif perfectionné de traitement d'eau par irradiation ultraviolette. Elle s'applique en particulier pour le traitement d'eau de piscine. Le dispositif de traitement d'eau visé par l'invention est du type dans lequel plusieurs tubes d'irradiation sont répartis dans une circulation d'eau afin de soumettre celle-ci à un rayonnement ultraviolet permettant de la désinfecter et de tuer les microorganismes présents. Les dispositifs connus de ce type (brevets FR 2.307.575, DE 845.497, DE 3.624.169, US 4.267.455, US 5.320.749, FR 2.555.567, US 3.836.781) permettent de désinfecter, au moyen de tubes ultraviolets standards, des quantités d'eau significatives afin de traiter les eaux d'une piscine de taille courante. Il est à noter qu'il existe de nombreux dispositifs d'un autre type prévoyant un seul tube ultraviolet central, qui ne permettent généralement pas d'obtenir ce résultat en utilisant un tube de type standard (brevet FR 2.545.473, US 3.923.663...). Les dispositifs à plusieurs tubes ultraviolets répartis dans la circulation d'eau posent un problème technique qui est actuellement mal résolu, de sorte que leur utilisation reste en pratique très limitée. Il est en effet difficile avec ce type de dispositif d'obtenir une désinfection uniforme et efficace de l'eau, et ce, sans perte de charge excessive dans l'écoulement, ni multiplication trop importante des tubes ultraviolets (conduisant à une surconsommation électrique). Ainsi, certains des dispositifs connus du type précité comprennent des volumes de circulation d'eau dotés de chicanes ou composés de tubes en série, qui créent une bonne dispersion de l'eau, tout en assurant un temps de séjour de celle-ci suffisant pour obtenir un bon traitement. Toutefois, de tels dispositifs entraînent des pertes de charge élevées qui obligent à surdimensionner les pompes de mise en circulation (US 3.836.781). D'autres dispositifs suppriment ces pertes de charge en prévoyant une enceinte de traitement s'étendant le long d'un axe, qui est dépourvue de toute chicane, et, plus généralement, de tout système de dispersion de l'eau : dans ces dispositifs, l'eau circule selon une direction longitudinale dans l'enceinte (FR 2.307.575). Toutefois, ces dispositifs réalisent un traitement de désinfection peu satisfaisant car les filets d'eau restent parallèles à l'axe pendant leur séjour dans l'enceinte, conditionnant une très mauvaise dispersion et donc un traitement hétérogène : les filets qui sont éloignés des tubes ultra-violets subissent un traitement inefficace. D ' autres dispositifs prévoient au contraire une circulation circonférentielle du liquide. Par exemple, dans le brevet DE 3.624.169, le liquide est distribué à la périphérie de l'enceinte pour l'amener à tourner dans un volume annulaire dans lequel sont disposés un grand nombre de tubes d'irradiation. Toutefois, pour obtenir un traitement efficace, ces systèmes exigent une surconsommation énergétique comme l'ont démontré des études faites par TH. J. NIEUWSTAD et al. (Wat. Res. Vol. 25 NO 7 pp 775-793, 1991). D ' autres dispositifs à circulation circonférentielle produisent dans l'enceinte une circulation spiralée du type Vortex grâce à une arrivée tangentielle du liquide à la périphérie de l'enceinte à une extrémité de celle-ci (DE 845.497). Cependant, en régime permanent, la dispersion dans ce type d'écoulement est très mauvaise comme cela est bien connu pour les écoulements Vortex et les filets d'eau en forme de spirale ont tendance à demeurer à la même distance de l'axe sans se mélanger, conduisant au défaut déjà évoqué (traitement hétérogène). Il convient de souligner que l'uniformité du traitement est une condition essentielle d'efficacité pour ce type de dispositif. En effet, les rayons ultra violets n'ont aucun pouvoir rémanent et il est inefficace de désinfecter convenablement une partie de l'eau si une autre partie ne l'est pas car la prolifération bactérienne dans cette dernière partie atteint rapidement l'ensemble du liquide (surtout en période chaude pour les eaux de piscine). Ainsi, on constate que peu d'appareils de désinfection par ultra-violets sont effectivement utilisés de nos jours en raison des difficultés précitées, d'autres types de traitement leur étant préférés (traitement aux produits chlorés par exemple) et ce, malgré les avantages considérables que présente le principe d'un traitement ultra-violet : pas d'addition de produits chimiques, grande commodité de mise en oeuvre, consommations énergétiques théoriques de faibles valeurs (densité énergétique de l'ordre de 0,03 watt par cm2 de section de circulation d'eau). La présente invention se propose de fournir une solution simple au problème de traitement de l'eau par irradiation ultraviolette. Elle vise un dispositif du type comprenant plusieurs tubes ultraviolets répartis dans une circulation d'eau et a pour objectif essentiel d'assurer un traitement efficace et uniforme de l'eau, sans perte de charge pénalisante, et ce, avec une consommation énergétique modérée, compatible avec une exploitation à grande échelle notamment dans le secteur piscinier. A cet effet, le dispositif de l'invention comprend une enveloppe cylindrique fermée à ses deux extrémités par des flasques, un tube central s'étendant le long de l'axe de l'enveloppe en vue de délimiter avec celle-ci un volume annulaire de circulation d'eau, au moins trois tubes de rayonnement de lumière ultraviolette s'étendant le long de l'enveloppe et répartis dans le volume annulaire de circulation d'eau, et des manchons en un matériau transparent aux ultraviolets, portés par les flasques et disposés autour de chaque tube de rayonnement selon la présente invention, ce dispositif se caractérise en ce que (a) le tube central comprend un tronçon amont d'alimentation en eau à traiter, ledit tronçon amont d'alimentation étant pourvu d'un embout de raccordement axial traversant le flasque de façon à guider l'eau à traiter le long de l'axe de l'enveloppe selon une direction sensiblement longitudinale, ledit tronçon amont d'alimentation étant fermé à l'intérieur de l'enveloppe par un obturateur à une distance -1- du flasque telle que 1 > 0,25 D où D est le diamètre interne de l'enveloppe, ledit tronçon amont d'alimentation étant doté, entre le flasque et l'obturateur, de moyens de distribution d'eau vers le volume annulaire de circulation, adaptés pour délivrer l'eau dans ce volume avec une vitesse ayant, dans un plan perpendiculaire à l'axe, une composante radiale (Cr) et une composante tangentielle (Ct), (b) le tube central comprend un tronçon aval de prélèvement de l'eau traitée, ledit tronçon aval de prélèvement étant pourvu d'un embout de raccordement axial traversant le flasque de façon à guider l'eau traitée le long de l'axe de l'enveloppe selon une direction sensiblement longitudinale, ledit tronçon aval de prélèvement étant fermé à l'intérieur de l'enveloppe par un obturateur à une distance -1'- du flasque telle que 1' > 0,25 D, ledit tronçon aval de prélèvement étant doté, entre le flasque et l'obturateur, de moyens de passage de l'eau vers l'âme creuse dudit tronçon, (c) le tube central comprend un tronçon médian situé entre les tronçons amont et aval, ledit tronçon médian ayant une longueur L telle que 0,7 (1 + 1') s L ledit tronçon médian présentant un diamètre externe -d- tel que 0,2 D s d Ainsi, dans le dispositif de l'invention, l'eau à traiter est distribuée à une extrémité de l'enceinte dans la zone proche de l'axe de celle-ci de façon que les filets d'eau aient une vitesse avec une composante à la fois radiale et tangentielle ; de préférence, les composantes radiale et tangentielle satisfont à la relation Ct 0,4 s C s 2,5 Cr Le refoulement engendré par la ou les pompes à travers le tronçon amont d'alimentation et le prélèvement de l'eau dans le sens centripète à travers le tronçon aval confèrent en outre, à cette vitesse, une composante longitudinale (le long de l'axe de l'enceinte) assurant un déplacement d'ensemble de l'eau à l'intérieur de l'enceinte depuis l'amont vers l'aval. On obtient ainsi un écoulement turbulent dans le volume annulaire de circulation, écoulement turbulent qui se conserve tout le long de l'enceinte grâce aux paramètres dimensionnels relatifs du tronçon amont d'alimentation, du tronçon aval de prélèvement et du tronçon médian. L'eau se déplace dans son ensemble parallèlement à l'axe sans chicanes, ni autres systèmes de dispersion, de sorte que la perte de charge engendrée dans le volume annulaire demeure réduite. On réalise ainsi un traitement désinfectant sur chaque partie du liquide avec une densité énergétique proche de la densité théorique quelques tubes ultraviolets de type standard suffisent pour obtenir cette densité énergétique avec des consommations énergétiques modérées. En pratique, le nombre de tubes ultraviolets sera compris entre trois et six, régulièrement répartis autour du tube central dans le volume annulaire de circulation d'eau ; ce nombre peut avantageusement être prévu égal à trois. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de distribution du tronçon amont d'alimentation de même que les moyens de passage du tronçon aval de prélèvement comprennent une pluralité de lumières décalées les unes par rapport aux autres d'une part, le long de l'axe desdits tronçons, d'autre part, autour dudit axe. Chaque lumière du tronçon amont d'alimentation est avantageusement pourvue d'une ailette de guidage de l'eau de façon à incliner le jet de sortie par rapport à la direction radiale. Cet agencement très simple permet d'ajuster le rapport Ct/Cr à la valeur désirée sans introduire de pertes de charge sensibles dans l'écoulement. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit en référence aux dessins lesquels présentent, à titre d'exemple non limitatifs, un mode de réalisation d'un dispositif de traitement d'eau conforme à l'invention ; sur ces dessins - la figure 1 est une coupe axiale longitudinale dudit dispositif, - la figure 2 en est une coupe transversale par un plan AA' perpendiculaire à l'axe, - les figures 3, 4, 5 et 6 sont des coupes partielles transversales du tronçon amont d'alimentation par des plans B, C, D, E décalés le long de l'axe, - la figure 7 est une vue partielle en perspective de ce tronçon amont d'alimentation. Le dispositif représenté à titre d'exemple aux figures est destiné à être intercalé sur la circulation d'eau d'une piscine en aval des pompes et du filtre en vue d'assurer une désinfection de l'eau sans ajout de produit chimique. Bien entendu, il est toujours possible de combiner cette désinfection avec d'autres types de traitement, en particulier en cas de nécessité d'un traitement de choc de l'eau. Le dispositif comprend une enveloppe cylindrique en acier inoxydable 1 dont la surface interne la est polie de façon à posséder de bonnes propriétés réfléchissantes à l'égard des rayons ultraviolets. Cette enveloppe est fermée à ses deux extrémités par deux flasques 2 et 3 qui possèdent chacun une gorge annulaire dans laquelle pénètre une extrémité de l'enveloppe avec interposition d'un joint d'étanchéité. Le long de l'axe de l'enveloppe, le dispositif est pourvu d'un tube central 4 en acier inoxydable, présentant trois tronçons : un tronçon amont d'alimentation 5, un tronçon médian 6 et un tronçon aval de prélèvement 7. Ces trois tronçons possèdent le même diamètre externe en vue de former une surface externe cylindrique continue 4a. Cette surface externe est polie de façon à posséder de bonnes propriétés réfléchissantes à l'égard des rayons ultraviolets. En l'exemple représenté, le tronçon médian 6 est creux de façon à alléger le dispositif. Des obturateurs internes 20 et 21 séparent le tronçon médian des tronçons amont et aval ; en l'exemple ces obturateurs ont une forme générale hémisphérique à concavité tournée vers le tronçon amont ou le tronçon aval. Ils sont constitués par des pièces rapportées, soudées dans le tube central 4. (I1 est à noter que le tronçon médian 6 du tube central est creux en vue de l'alléger ; il pourrait le cas échéant être prévu plein, la partie pleine jouant le rôle d'obturateurs). Le tronçon amont d'alimentation 5 est pourvu d'un embout de raccordement 8 en l'exemple en PVC, qui est vissé à l'extrémité dudit tronçon grâce à un filetage ménagé autour de ladite extrémité et à un taraudage ménagé dans l'embout 8. De plus, cet embout 8 est extérieurement fileté pour permettre de le raccorder de façon étanche au conduit de circulation d'eau sortant du filtre de l'installation. Le flasque 2 est percé dans sa zone centrale de façon qu'il entoure l'embout 8 et soit porté par celui-ci comme le représente la figure 1, avec interposition d'un joint d'étanchéité 9. Un écrou 10 vissé autour de l'embout 8 maintient ce flasque 2 serré contre l'enveloppe 2. A l'autre extrémité de l'enceinte, le tronçon aval de prélèvement 7 est agencé de façon analogue, avec son embout de raccordement 11 et l'écrou de serrage 12 qui maintient le flasque 3 contre l'enveloppe 1. L'embout 11 est destiné à être raccordé au conduit de circulation vers la piscine. Une telle structure permet un montage et un démontage simple et rapide du dispositif. L enveloppe 1 et le tube central 4 délimitent un volume annulaire de circulation d'eau qui s'étend entre les deux flasques 2 et 3 et qui contient en l'exemple trois tubes de rayonnement de lumière ultraviolette 13, 14, 15 répartis à 1200 autour de l'axe. Ces tubes de type standard sont en particulier du type de ceux distribués sous l'appellation "lampe fluorescente germicide" ayant un pic d'émission à 253,7 nm, une puissance de 15 watts et un diamètre de 26 mm. Chaque tube de rayonnement est entouré d'un manchon de protection tel que 16 en polycarbonate transparent aux ultraviolets, qui est porté par les flasques 2 et 3. A cet effet, ces flasques sont ajourés d'ouvertures de diamètre correspondant, au jeu près, au diamètre externe des manchons 16, lesquels sont enfilés à friction dans celles-ci, avec interposition de joints d'étanchéité tels que 17. Ces dispositions permettent un montage et un démontage simple et rapide sans outils. Chaque tube de rayonnement 13, 14 ou 15 est maintenu dans son manchon 16 par ses culots d'extrémité au moyen de bagues de centrage telles que 18 ; celles-ci sont disposées à frottement dur autour desdits culots et insérées à frottement doux dans le manchon correspondant de façon à pouvoir coulisser dans celui-ci. Il est ainsi possible de changer très rapidement un tube ultraviolet déficient sans démontage du dispositif. Des plots classiques de connexion électrique tels que 19 permettent de brancher les tubes sur une source d'alimentation électrique. Il est à noter que les tubes ultraviolets et leurs connexions électriques sont parfaitement isolés de la circulation d'eau. L'alimentation de l'eau à traiter est réalisée par le tronçon amont d'alimentation 5 qui comprend à cet effet des moyens de distribution d'eau vers le volume annulaire de circulation ; ces moyens sont en l'exemple composés d'une pluralité de lumieres de distribution telles que 22 associées à des ailettes de guidage telles que 23. En l'exemple, les lumières 22 sont réparties le long du tronçon dans quatre plans transversaux B, C, D, E correspondant aux coupes de figures 3, 4, 5 et 6. Chaque plan contient trois lumières circulaires angulairement décalées à 1200 autour de l'axe. D'un plan au plan voisin, les lumières sont angulairement décalées de 900 comme le montrent ces figures. Chaque lumière de distribution 22 est associée à une ailette de guidage 23 qui est disposée à l'extérieur du tronçon de façon à former un angle a par rapport à la direction radiale ; cet angle est en pratique compris entre 300 et 60 , avantageusement de l'ordre de 400 à 450. Comme le schématise la perspective de la figure 7, les ailettes 23 sont en l'exemple constituées par de petites plaquettes rectangulaires pour faciliter leur fabrication. Ces ailettes peuvent le cas échéant, être conformées en demi-cylindre pour épouser le bord des lumières 22. A l'autre extrémité du tube central, le tronçon aval de prélèvement 7 comporte des lumières analogues telles que 24 en vue du passage de l'eau dans le sens centripète depuis le volume annulaire de circulation vers l'âme creuse dudit tronçon. Ces lumières sont de préférence réparties et la même façon mais il n'est pas nécessaire qu'elles soient associées à des ailettes. On a représenté à la figure 3 la décomposition de la vitesse de l'eau dans un plan transversal perpendiculaire à l'axe de l'enceinte et à la figure 6 la décomposition de cette vitesse dans l'espace. A la sortie de chaque lumière 22, la vitesse Vp dans le plan perpendiculaire à l'axe de l'enceinte présente une composante radiale Cr et une composante tangentielle Ct telles que Ct 0,4 s - s 2,5 Cr En l'exemple, les ailettes forment un angle a d'environ 40 à 450, le rapport Ct/Cr étant d'environ 0,8 à 1. En outre, l'eau se déplace depuis l'amont vers l'aval à l'intérieur du volume annulaire, avec une vitesse longitudinale fonction du débit de circulation. Les conditions de distribution et de prélèvement ci-dessus décrites et les paramètres du dispositif définis ci-après conditionnent un régime d'écoulement caractérisé par un bon mélange des filets d'eau et par une répartition des temps de passage à des distances données des tubes ultraviolets, statistiquement à peu près identique pour chaque molécule d'eau. On obtient de la sorte une irradiation homogène de l'eau, tout en introduisant une perte de charge réduite dans le volume annulaire de circulation. Les paramètres dimensionnels du dispositif qui permettent de conserver le régime sus-évoqué tout le long de l'enveloppe sont les suivants (1) 1 > 0,25 D et préférentiellement 1 = 0,85 D à 0,90 D où 1 est la distance séparant le flasque 2 et l'obturateur 20, et D le diamètre interne de l'enveloppe, (2) 1' > 0,25 D et préférentiellement 1' = 1 = 0,85 D à 0,90 D où 1' est la distance séparant le flasque 3 et l'obturateur 21, (3) 0,7 (1 + 1') s L s 3 (1 + 1') et préférentiellement L = 1 à 1,1 (l + l') où L est la longueur du tronçon médian entre les deux obturateurs, (4) 0,2 D s d s 0,45 D et préférentiellement d = 0,25 D à 0,30 D où d est le diamètre externe du tube central. Si comme indiqué, les tubes ultraviolets sont des tubes standards de diamètre égal à 26 mm, le diamètre D de l'enveloppe pourra être choisi égal à environ 160 à 170 mm. Le dispositif de l'invention bénéficie d'une structure remarquablement simple, lui conférant un coût réduit de réalisation et permettant des montages et démontages rapides. Il assure, en régime normal, un traitement de désinfection de l'eau homogène et efficace en l'absence de toute addition de produits chimiques, avec une consommation énergétique faible (correspondant à celles des trois tubes de 15 watts), sans nécessiter une augmentation de la puissance de la pompe de circulation compte tenu de la faible perte de charge introduite. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de traitement d'eau par irradiation ultraviolette, comprenant une enveloppe cylindrique (1) fermée à ses deux extrémités par des flasques (2, 3), un tube central (4) s'étendant le long de l'axe de l'enveloppe en vue de délimiter avec celle-ci un volume annulaire de circulation d'eau, au moins trois tubes de rayonnement de lumière ultraviolette (13, 14, 15) s'étendant le long de l'enveloppe et répartis dans le volume annulaire de circulation d'eau, et des manchons (16) en un matériau transparent aux ultraviolets, portés par les flasques et disposés autour de chaque tube de rayonnement, ledit dispositif étant caractérisé en ce que (a) le tube central comprend un tronçon amont d'alimentation en eau à traiter (5), ledit tronçon amont d'alimentation étant pourvu d'un embout de raccordement axial (8) traversant le flasque (2) de façon à guider l'eau à traiter le long de l'axe de l'enveloppe selon une direction sensiblement longitudinale, ledit tronçon amont d'alimentation étant fermé à l'intérieur de l'enveloppe par un obturateur (20) à une distance -1- du flasque (2) telle que 1 > 0,25 D où D est le diamètre interne de l'enveloppe, ledit tronçon amont d'alimentation étant doté, entre le flasque (2) et l'obturateur (20), de moyens de distribution d'eau vers le volume annulaire (22, 23), adaptés pour délivrer l'eau avec une vitesse ayant, dans un plan perpendiculaire à l'axe, une composante radiale (Cr) et une composante tangentielle (Ct), (b) le tube central comprend un tronçon aval de prélèvement de l'eau traitée (7), ledit tronçon aval de prélèvement étant pourvu d'un embout de raccordement axial (11) traversant le flasque (3) de façon à guider l'eau traitée le long de l'axe de l'enveloppe selon une direction sensiblement longitudinale, ledit tronçon aval de prélèvement étant fermé à l'intérieur de l'enveloppe, par un obturateur (21) à une distance -1'- du flasque telle que 1' > 0,25 D, ledit tronçon aval de prélèvement étant doté, entre le flasque (3) et l'obturateur (21), de moyens de passage de l'eau vers l'âme creuse dudit tronçon (24), (c) le tube central comprend un tronçon médian (6) situé entre les tronçons amont et aval, ledit tronçon médian ayant une longueur L telle que 0,7 (1 + 1') s L ledit tronçon médian présentant un diamètre externe -d- tel que 0,2 D s d 2/ - Dispositif de traitement d'eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de distribution du tronçon amont d'alimentation sont adaptés pour délivrer l'eau avec une vitesse ayant une composante radiale (Cr) et une composante tangentielle (Ct) telle que Ct 0,4 s C s 2,5 Cr 3/ - Dispositif de traitement d'eau selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de distribution du tronçon amont d'alimentation (5) de même que les moyens de passage du tronçon aval de prélèvement (7) comprennent une pluralité de lumières (22, 24) décalées les unes par rapport aux autres, d'une part, le long de l'axe desdits tronçons, d'autre part, autour dudit axe. 4/ - Dispositif de traitement d'eau selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque lumière (22) du tronçon amont d'alimentation est pourvue d'une ailette (23) de guidage de l'eau adaptée pour incliner le jet de sortie par rapport à la direction radiale. 5/ - Dispositif de traitement d'eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque ailette de guidage (23) est fixée à l'extérieur du tronçon amont d'alimentation de façon à former par rapport à la direction radiale un angle a compris entre 300 et 600. 6/ - Dispositif de traitement d'eau selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'enveloppe cylindrique (1) et le tube central (4) sont en acier inoxydable, l'enveloppe présentant une surface interne (la) polie réfléchissante et le tube central, une surface externe (4a) polie réfléchissante. 7/ - Dispositif de traitement d'eau selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le tronçon amont d'alimentation (5), le tronçon médian (6) et le tronçon aval de prélèvement (7) du tube central possèdent le même diamètre externe en vue de former une surface externe cylindrique continue. 8/ - Dispositif de traitement d'eau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque tube de rayonnement (13, 14, 15) est maintenu dans son manchon (16) par ses culots d'extrémité au moyen de bagues de centrage (18) insérées à coulissement dans ledit manchon. 9/ - Dispositif de traitement d'eau selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant entre trois et six tubes de rayonnement ultraviolet de type standard, régulièrement répartis autour du tube central dans le volume annulaire de circulation d'eau. 10/ - Dispositif de traitement d'eau selon la revendication 9 comprenant trois tubes standards de rayonnement ultraviolet disposés à 120 dans le volume de circulation d'eau. 11/ - Dispositif de traitement d'eau selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les embouts de raccordement (8, 11), sont vissés autour des deux extrémités du tube central (4), les flasques (2, 3) étant portés par lesdits embouts de raccordement et maintenus serrés contre l'enveloppe (1) par des écrous (10, 12) vissés autour desdits embouts.