Brevet FR2781698A1 — publié le 20000204

GENERATEUR D 'AEROSOLS FONCTIONNANT DANS UNE LARGE GAMME DE PRESSIONS ET DE TEMPERATURES Domaine de l'invention L'invention concerne un générateur d'aérosols par pulvérisation mécanique d'un liquide à l'aide d'un élément rotatif entraîné, de préférence, par une turbine à paliers à air, à une vitesse de rotation réglable. Cette technique de production d'aérosols permet un fonctionnement dans une large gamme de pressions et de températures. D'une façon générale, l'invention s'applique à de nombreux types d'aérosols utilisables dans des domaines variés; en particulier, elle trouve des applications dans les domaines de l'agriculture, de la micro-électronique, du nucléaire, du médical, etc.. Etat de la technique Il existe, actuellement, de nombreux types de générateurs d'aérosols, utilisés en fonction des applications à mettre en oeuvre. En effet, les besoins en termes de conditions opératoires (température, pression, débit de gaz...) et de caractéristiques des aérosols à produire (diamètre médian, écart-type de la distribution granulométrique, débit massique...) diffèrent très largement d'un domaine d'applications à un autre. La demande en dispositifs de production d'aérosols utilisables dans plusieurs domaines d'applications est donc très importante. Un dispositif de production d'aérosols (ou générateur d'aérosols) permettant d'obtenir un aérosol ayant les caractéristiques données ci-dessous peut répondre à cette demande: diamètre médian du résidu sec de soluté variant entre 0,5 et 5 um, écart-type de la distribution granulométrique aussi faible que possible (soit inférieure à 1,6) et débit massique de production supérieur à 10 mg/h. Un générateur produisant de tels aérosols peut être utilisé, en particulier, dans une atmosphère représentative de celle régnant dans l'enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire. Dans ce cas, le générateur d'aérosols doit pouvoir fonctionner dans les conditions opératoires suivantes: * pression absolue comprise entre 1 et 7 bar, * température variant de 20 à 160 C; et * humidité relative élevée (c'està-dire pouvant aller jusqu'à 95 %). De telles conditions opératoires nécessitent, de plus, une mise en oeuvre du générateur d'aérosols relativement simple avec, notamment, peu de réglages in situ et une grande fiabilité. Des dispositifs de pulvérisation d'une solution liquide par une fontaine à ondes ultrasonores ou par forces centrifuges ont été proposés pour répondre à ces besoins. De tels dispositifs sont décrits dans les documents suivants: "Etude de la fragmentation commandée des jets liquides issus d'un disque en rotation et réalisation d'un générateur de gouttelettes mono dispersées", CHICHEPORTICHE J.M. Thèse de Doctorat de l'Université Pierre et Marie Curie, 1993; "Générateurs d'aérosols calibrés "PLUS" (Pulvérisation Liquide Ultrasonique), CHARUAU J., Radioprotection, vol. 26, n 2, p. 405-409, 1991; Les générateurs à fontaine ultrasonore sont difficiles à mettre en oeuvre pour des conditions opératoires différentes des conditions ambiantes et donc pour les conditions opératoires citées précédemment. Ces difficultés de mise en oeuvre sont décrites par DUCRET D., ROBLOT D. et VENDEL J. dans "Production d'aérosols en pression et en température ", llè journée d'Etudes sur les aérosols, COFERA, Paris, 1995. Quant aux dispositifs de pulvérisation d'une solution liquide par forces centrifuges engendrées par la rotation d'un disque, leur mise en oeuvre, pour des aérosols' de faibles dimensions, est liée à la capacité technologique d'obtenir des vitesses de rotation élevées. Des vitesses de rotation élevées peuvent être obtenues en utilisant une turbine à paliers à air associée à un générateur d'onde capillaire circulaire. Un tel dispositif produit, avec un débit massique élevé, des gouttes monodispersées dont les diamètres sont compris entre 100 et 1000 pim, comme décrit dans l'article de CHICHEPORTICHE J.M. et CHANAL P. Y., intitulé "Study of the controlled fragmentation of liquide jets generated from a spinning-disk and realization of a monodispersed droplets generator", Journal of Aerosol Science, vol. 25, supplément 1, 1994. Ce dispositif ne permet donc pas de produire des gouttelettes de solutions ayant un diamètre inférieur à 100 pin. Or, des aérosols dont le diamètre de résidu sec de soluté est compris entre 0,5 et 5 im ne peuvent être obtenus qu'à partir de gouttelettes de solutions ayant un diamètre inférieur à im. De plus, le fonctionnement de ce dispositif à une température élevée est trop délicat pour envisager une fabrication industrielle. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques décrites précédemment. A cette fin, elle propose un générateur d'aérosols par pulvérisation d'une solution liquide par forces centrifuges engendrées par la rotation d'un élément circulaire, classiquement appelé disque rotatif, permettant d'obtenir des gouttelettes d'environ 20 pm et fonctionnant dans une large gamme de pressions et de températures. De façon plus précise, l'invention concerne un générateur d'aérosols par pulvérisation d'un liquide à l'aide d'un élément rotatif, dont l'entraînement est assuré, de préférence, par une turbine à paliers à air. Ce générateur d'aérosols comprend un canal d'alimentation en liquide à pulvériser traversant axialement, de part en part, le dispositif d'entraînement de l'élément rotatif, et muni d'une extrémité apte à projeter le liquide hors du canal, autour de laquelle est positionné l'élément rotatif. Selon l'invention, la circulation d'air dans la turbine est, de préférence, réalisée par un circuit d'admission d'air et un circuit d'échappement réglables en pression indépendamment l'un de l'autre. Avantageusement, le circuit d'admission d'air dans la turbine comporte un détendeur assurant un ajustement de la pression d'alimentation en air pour régler la vitesse de rotation de l'élément rotatif et/ou le circuit d'échappement d'air de la turbine comporte une vanne micrométrique associée à un manomètre pour ajuster la pression de fonctionnement de la turbine aux conditions d'utilisation, assurant ainsi une bonne alimentation des paliers à air donc une rotation stabilisée. Selon un mode de réalisation de l'invention, le générateur d'aérosols comporte un tachymètre électromagnétique connecté à la turbine pour mesurer la vitesse de rotation de l'élément rotatif. Le circuit d'admission d'air peut comporter un canal d'admission principal pour alimenter en air les aubes de rotor de la turbine et au moins deux canaux d'admission secondaires pour alimenter en air les paliers de la turbine. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément rotatif comporte un bord à angle vif et un évidement central de forme conique. Le générateur d'aérosols de l'invention peut être implanté dans une enceinte de pulvérisation alimentée en air d'entraînement par un circuit aéraulique assurant le chauffage et le réglage du débit de l'air d'entraînement des gouttelettes produites. Brève description des figures - La figure 1 représente schématiquement le générateur d'aérosols de l'invention implanté dans une enceinte de pulvérisation; et - la figure 2 représente le générateur d'aérosols de l'invention avec son circuit de circulation d'air. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Sur la figure 1, on a représenté schématiquement le générateur d'aérosols conforme à l'invention, implanté dans une enceinte de pulvérisation, ce qui constitue une application particulière de l'invention. Sur cette figure 1, on a référencé 1 l'enceinte de pulvérisation, 10 le générateur d'aérosols et 2 les gouttelettes produites par ce générateur dans l'enceinte de pulvérisation. Cette enceinte de pulvérisation 1 comprend un circuit d'entraînement d'air 20 pour introduire de l'air comprimé dans l'enceinte 1 et un diffuseur d'air 3 qui assure la diffusion de cet air comprimé et qui permet, notamment, le transport des gouttelettes 2 hors de l'enceinte par l'ouverture 4. Le générateur d'aérosols de l'invention, référencé 10, comporte un dispositif d'entraînement traversé, de part en part, par un canal d'alimentation 13 autour duquel est positionné un élément rotatif 12. Comme cela sera décrit plus en détail par la suite, l'élément rotatif 12 est un support mécanique de forme sensiblement conique qui assure, par des mouvements de rotation, la transformation du liquide reçu en fines gouttelettes. Cet élément rotatif sera appelé, dans toute la description, " disque rotatif ". De préférence, le dispositif d'entrainement de l'élément rotatif est une turbine à paliers d'air 11. C'est ce type de dispositif d'entraînement qui est représenté sur les figures annexées et décrit par la suite. L'axe de rotation du disque rotatif 12 est un cyclindre creux, de façon à ce que l'on puisse y insérer un canal d'alimentation 13 permettant la circulation de la solution liquide à pulvériser 16 depuis l'extérieur de la turbine jusqu'au disque rotatif 12. La taille des gouttelettes formées par le disque rotatif varie en fonction, notamment, de la vitesse de rotation du disque 12. Cette rotation du disque rotatif 12 est assurée par une circulation d'air dans l'ensemble turbine/disque, et, plus précisément, par la circulation d'air comprimé sur les aubes du rotor de la turbine et dans les paliers à air de la turbine, décrits plus précisement ultérieurement. Plus précisément, la circulation d'air dans la turbine consiste en un circuit d'admission d'air et un circuit d'échappement de l'air 18. Le circuit d'admission (ou circuit d'alimentation) en air 15 a pour rôle, d'une part, d'injecter de l'air comprimé sur les aubes du rotor de la turbine et, d'autre part, d'alimenter les paliers à air de la turbine. Un détendeur 15a et un manomètre 15b placés en début du circuit d'admission 15 permettent de modifier la pression d'alimentation en air dans la turbine et ainsi de régler la vitesse de rotation du disque. Le circuit d'échappement 18 assure l'évacuation de l'air hors de la turbine. Des moyens 18a et 18b de réglage de la pression d'échappement permettent d'ajuster la pression de fonctionnement de la turbine aux conditions opératoires. Dans l'application de la figure 1, o le générateur d'aérosols est inséré dans une enceinte de pulvérisation, un circuit aéraulique 20 peut être associé à l'enceinte 1. Ce circuit aéraulique 20 est conçu pour remplir deux fonctions concomitantes: le séchage des gouttelettes pulvérisées et l'entraînement de l'aérosol. Ce circuit aéraulique peut comporter un manomètre détendeur 21 qui permet d'adapter la pression d'entraînement en fonction des conditions opératoires du générateur d'aérosols, ainsi qu'une vanne de régulation 22 pour régler le débit d'air, lui-même mesuré par un rotamètre, référencé 23. La température de l'air d'entraînement peut ensuite être régulée entre 20 et 200 C par un réchauffeur électrique 24, équipé d'un régulateur PID (proportionnel-intégral-dérivée) qui permet une adaptation aux conditions opératoires. Le réglage du débit d'air résulte d'une optimisation entre le séchage des gouttelettes et la quantité d'air vecteur. En fonction des conditions opératoires, ce débit est compris entre 0,5 et 5 m3/heure. Sur la figure 2, on a représenté de façon plus précise le générateur d'aérosols de l'invention. Les références portées sur cette figure 2 qui sont identiques à celles de la figure 1 représentent des éléments identiques. Le générateur d'aérosols 10 comporte une turbine 11 traversée axialement, de part en part, par le canal d'alimentation 13 qui s'insère dans l'axe de rotation du disque qui est un cyclindre creux, le canal d'alimentation étant muni d'orifices de sortie latéraux. Ainsi, le liquide à pulvériser 16 est amené directement au centre du disque rotatif 12, ce qui assure une répartition régulière du liquide sur le disque 12 et donc une bonne homogénéité de la pulvérisation. Cette amenée directe du liquide 16 au centre du disque 12 permet également d'éviter l'encombrement de la partie supérieure au plan du disque, d'o une réduction des pertes par impaction des gouttelettes formées. Il convient, de plus, d'assurer un débit constant continu pour une gamme de valeur comprise entre 0,1 et 70 ml par minute, un débit de liquide stable étant nécessaire pour induire la formation d'un film liquide sur le disque, ce qui réduit la dispersion en taille des aérosols produits. En outre, ce système d'injection du liquide a l'avantage de ne nécessiter aucun réglage de positionnement, donc une plus grande facilité d'utilisation. Le disque rotatif 12 est lié à la turbine par l'intermédiaire d'un prolongement de l'axe de rotation, sous le disque. Ce prolongement est fixé sur la turbine par un dispositif de pince biconique. Le canal d'alimentation 13 est lié à l'ensemble turbine-disque par un dispositif de fixation, référencé 9, qui assure également le centrage du canal par rapport à l'axe de rotation du disque. Le disque 12 est entraîné en rotation par l'intermédiaire du rotor 8 et des paliers à air lla et llb de la turbine 11, ceux-ci fonctionnant grâce à une circulation d'air comprimé. Celle-ci consiste en un circuit d'admission d'air 15 et un circuit d'échappement d'air 18. Le circuit d'admission d'air 15 comporte, dans la turbine 11, un canal principal 19a qui alimente les aubes du rotor 8 de la turbine et deux canaux secondaires 19b et 19c qui alimentent les paliers lla et llb de la turbine. L'air comprimé nécessaire au fonctionnement de la turbine 11 est donc injecté par le circuit d'admission 15 dans le canal principal 19a qui débouche sur les aubes du rotor de la turbine; l'air s'évacue ensuite par le circuit d'échappement 18. Les canaux secondaires 19b et 19c du circuit d'admission (ou circuit d'alimentation) assurent l'alimentation des paliers à air lla et llb, ceux-ci contrecarrant les efforts axiaux et radiaux du rotor. Ce circuit d'air assure ainsi une bonne alimentation des paliers à air de la turbine et donc une rotation fiable quelle que soit la pression de fonctionnement. Le circuit d'admission d'air comprimé comporte aussi un détendeur 15a, éventuellement associé à un manomètre 15b, permettant de régler la pression d'admission d'air dans la turbine. Le circuit d'échappement d'air 18 comporte un manomètre 18b associé à une vanne micrométrique 18a pour régler la pression de sortie de l'air de la turbine. Cet ensemble de réglage des pressions 15a et 18a/18b permet de régler la vitesse de rotation du disque 12 et ainsi de modifier la taille des gouttelettes de l'aérosol. En particulier, pour maintenir une alimentation suffisante des paliers à air, quelle soit la pression de fonctionnement de la turbine, la pression du circuit d'échappement 18 est réglée par l'intermédiaire de la vanne micrométrique 18a et du manomètre 18b, à une valeur au moins égale à celle de la pression de fonctionnement. En d'autres termes, la vitesse de rotation du disque 12 est contrôlée par le réglage d'un écart de pression entre l'admission et l'échappement du circuit d'air de la turbine. Pour des utilisations de ce générateur en pression, la pression d'échappement est fixée à une valeur au moins égale à la pression de fonctionnement. Ensuite, la pression d'admission est ajustée pour obtenir la vitesse de rotation souhaitée. La vitesse de rotation du disque 12 est mesurée au moyen d'un tachymètre électromagnétique formé d'un bobinage 14 et d'un circuit d'analyse du signal 17; le fonctionnement de ce tachymètre électromagnétique est le suivant: le courant induit par la rotation du rotor ferromagnétique, préalablement mis en présence d'un champ magnétique, est amplifié, par un amplificateur 17b qui reçoit en entrée la tension issue du bobinage 14 et une tension d'alimentation 17a de 0 - 12 volts; le courant amplifié est alors visualisé sur un oscilloscope 17d pour vérifier l'absence de parasites et la stabilité du signal sinusoïdal. Un fréquencemètre 17c permet de mesurer la fréquence du signal issu de l'amplificateur 17b; celle-ci est, en effet, directement égale à la vitesse de rotation du disque 12. La vitesse de rotation du disque 12 peut ainsi être réglée entre 1000 et 6000 tours par seconde avec une bonne stabilité (+ ou - 10 tours/sec) et cela, quelle que soit la pression variant de 0 à 10 bars et pour une température de fonctionnement allant de 20 à C. Le disque de rotation 12 du dispositif est, en fait, simplement un support mécanique assurant le transfert de l'énergie centrifuge de la turbine vers le liquide à pulvériser. Etant donné les grandes vitesses de rotation nécessaires à la formation de fines gouttelettes, le disque doit être de petit diamètre; ce diamètre peut être d'environ 8 mm. En outre, un bon équilibrage des masses autour de l'axe de rotation est nécessaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, ce disque de rotation 12 est réalisé en acier inox, par usinage dans la masse, avec un évidement central de forme conique favorisant le centrage et la répartition du liquide sur l'ensemble du disque et un bord à angle vif favorisant la formation de ligaments; les avantages relatifs à cette formation de ligaments sont décrits par J.M. CHICHEPORTICHE dans l'article intitulé "Etude de la fragmentation commandée des jets liquides issus d'un disque en rotation et réalisation d'un générateur de gouttelettes mono dispersées", déjà cité précédemment. La géométrie du tachymètre 14/17, ainsi que la géométrie et la connectique des circuits d'admission et d'échappement de l'air selon l'invention sont optimisées, d'une part, pour limiter l'encombrement du dispositif et, d'autre part, pour éviter la présence d'obstacles au-dessus du plan horizontal de la turbine afin de réduire les risques d'impaction des gouttelettes produites. Ce générateur d'aérosols de l'invention peut être utilisé dans des études liées aux réacteurs nucléaires o les conditions de fonctionnement sont délicates (pression absolue de 1 à 7 bar, température de 20 à 160 C et taux de vapeur d'eau élevé), ou pour le traçage particulaire qui consiste à déterminer le comportement des aérosols dans des espaces confinés ou ventilés, ou bien dans des techniques de vélocimétrie laser par imagerie de particules qui permettent d'étudier des écoulements complexes de fluide, ou encore dans des tests de système d'épuration des effluents gazeux industriels, réalisés in situ. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit; elle embrasse toutes les variantes et, en particulier, la mise en oeuvre de dispositifs d'entraînement de l'élément rotatif, autres que les turbines à paliers à air précédemment décrites. REVENDICATIONS 1. Générateur d'aérosols par pulvérisation d'un liquide à l'aide d'un élément rotatif (12), caractérisé en ce qu'il comprend un canal (13) d'alimentation en liquide à pulvériser (16) traversant axialement, de part en part, le dispositif d'entraînement de l'élément rotatif, et muni d'une extrémité apte à projeter le liquide hors du canal, autour de laquelle est positionné l'élément rotatif. 2. Générateur d'aérosols selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement de l'élément rotatif est une turbine à paliers à air (11). 3. Générateur d'aérosols selon la revendication 2, caractérisé en ce que la circulation d'air dans la turbine est réalisée par un circuit d'admission d'air (15) et un circuit d'échappement d'air (18), réglables en pression indépendamment l'un de l'autre. 4. Générateur d'aérosols selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'admission d'air comporte un détendeur (15a) assurant un ajustement de la pression d'alimentation en air de la turbine pour régler la vitesse de rotation de l'élément rotatif. 5. Générateur d'aérosols selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit d'échappement d'air (18) comporte des moyens aptes à ajuster la pression de fonctionnement de la turbine. 6. Générateur d'aérosols selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens aptes à ajuster la pression de fonctionnement de la turbine sont constitués d'une vanne micrométrique (18a) associé à un manomètre (18b). 7. Générateur d'aérosols selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un tachymètre électromagnétique (14, 17) connecté à la turbine pour mesurer la vitesse de rotation de l'élément rotatif. 8. Générateur d'aérosols selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le circuit d'admission d'air (15) comporte un canal d'admission principal (19a) pour alimenter en air les aubes de rotor de la turbine et au moins deux canaux d'admission secondaires (19b, 19c) pour alimenter en air les paliers de la turbine. 9. Générateur d'aérosols selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément rotatif (12) comporte un bord à angle vif et un évidement central de forme conique. 10. Dispositif de pulvérisation d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'aérosols selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 implanté dans une enceinte de pulvérisation (1) alimentée en air pour entraîner les gouttelettes par un circuit aéraulique (20) assurant le chauffage et le réglage de débit de cet air d'entraînement.