Brevet FR2788312A1 — publié le 20000713

SYSTEME POUR LA MISE EN DEPRESSION D'ENCEINTES PAR EXTRACTION DE GAZA HAUTE TEMPERATURE, Il est devenu d'usage courant dans les différentes branches de l'activité industrielle de mettre en dépression, par rapport à l'atmosphère, des enceintes de confinement et/ou des réacteurs, par extraction continue des gaz formés. Il est traditionnel de distinguer des niveaux de vide correspondant à des applications particulières comme par exemple le vide grossier, le vide moyen, le vide poussé et l'ultra vide. En dehors des applications nécessitant le vide poussé et l'ultravide - par exemple l'industrie électronique, la recherche spatiale, etc.. la pratique habituelle est située dans le domaine du vide grossier par exemple la distillation sous vide, la cristallisation, la déshydratation et celui du vide moyen - par exemple le dégazage des métaux, la distillation moléculaire, etc. !5 L'obtention des vides grossiers et moyens est basée sur l'utilisation d'ensembles de pompage dont les plus courants, pour les applications habituelles, sont les pompes à vide telles les pompes à vide à anneau liquide, les pompes roots - également les éjecteurs tels les éjecteurs à vapeur, les trompes à eau, en général complétés par des appareillages périphériques tels que cyclones de récupération, colonnes de lavage et condenseurs. D'une façon générale les systèmes de pompage présentent des limites d'utilisation liées au phénomènes de degazage des circuits, des appareils et des systèmes eux mêmes ainsi qu'au niveau de température des gaz à extraire. - Par exemple, les pompes à vide primaire à anneau d'eau sont limitées dans leur utilisation par le niveau de vide lié à la tension de vapeur de l'eau de l'anneau liquide et par la température des gaz à extraire qui doit être très inférieure à la température d'ébullition de I'eau de l'anneau liquide, - Par exemple les pompes à vide du type "roots" dont le fonctionnement à sec en température est limité par la réduction des jeux mécaniques de fonctionnement par incidence des effets de la dilatation, Par exemple les éjecteurs à vapeur ou les trompes à eau dont le volume de vapeur ou d'eau augmente de façon importante en fonction de la température avec pour conséquence une dilution pas toujours souhaitée des gaz extraits avec ensuite des opérations de traitement et/ou de séparation devenant rapidement pénalisantes. - L'utilisation de ces systèmes impliquent le refroidissement préalable des gaz extraits avant leur entrée dans le système de pompage, par exemple dans des condenseurs, ce qui induit la perte totale de la chaleur latente de ces gaz quand ceux ci doivent ensuite être remis en température, ce qui pénalise le bilan thermique. - Par ailleurs, les systèmes classiques utilisant les pompes à vide à anneau d'eau et les trompes à eau présentent l'inconvénient d'imposer des systèmes de sécurité - clapets anti retour, soupapes à fermeture rapide, etc. pour interdire la remontée de l'eau de l'anneau liquide et des circuits auxiliaires dans l'enceinte de confinement et/ou dans le réacteur lors de l'arrêt du pompage, qu'il soit volontaire ou accidentel, par remise à la pression atmosphérique avec des conséquences quelques fois catastrophiques, la dénivellation de sécurité, pour un vide poussé dans l'enceinte, entre le système de pompage et l'enceinte, ou le réacteur, étant de 10 mètres. - L'énergie de pompage, en conséquence du refroidissement des gaz pompés à l'intérieur du système, est complètement perdue. - dans les fonctionnement à vitesse variable, l'utilisation des liquides à bas point d'ébullition comme l'eau peut faire apparaître des phénomènes de cavitation pouvant provoquer des usures préjudiciables du rotor. Un objet de l'invention est de fournir un système de mise en dépression, par rapport à la pression atmosphérique, des enceintes et réacteurs par extraction des gaz à température élevée produits de façon continue ou discontinue, sans refroidissement d.e ces gaz avant leur entrée dans le système permettant ainsi la conservation de l'énergie thermique de ces gaz. Un autre objet de l'invention est de fournir un système de mise en dépression, par rapport à la pression atmosphérique, des enceintes et réacteurs par extraction des gaz à température élevée produits de façon continue ou discontinue, avec une sécurité lors des arrêts volontaires ou involontaires des systèmes de pompage, nettement accrue par rapport aux systèmes classiques. Un autre objet de l'invention est de fournir un système de mise en dépression, par rapport à la pression atmosphérique, des enceintes et réacteurs par extraction des gaz à température élevée produits de façon continue ou discontinue avec une bonne récupération de l'énergie de compression. Un autre objet de l'invention est de fournir un système de mise en dépression, par rapport à la pression atmosphérique, des enceintes et réacteurs par extraction des gaz à température élevée produits de façon continue ou discontinue et de mettre ces gaz à température élevée en surpression à la sortie de l'ensemble de pompage comme le ferait un compresseur volumétrique si ce dernier pouvait opérer sur des gaz éventuellement très chauds. Un autre objet de l'invention est de fournir un système de mise en dépression, par rapport à la pression atmosphérique, des enceintes et réacteurs par extraction des gaz à température élevée produits de façon continue ou discontinue en faisant varier le débit d'extraction par variation de la vitesse de rotation du rotor sans avoir les inconvénients des phénomènes de cavitation. Un autre objet de l'invention est de fournir un système de mise en dépression, par rapport à la pression atmosphérique, des enceintes et réacteurs par extraction des gaz à température élevée produits de façon continue ou discontinue en permettant la mise en pression des gaz à haute température de façon semblable aux compresseurs volumétriques. L'invention répond à tous ces objets et propose un système de pompage des enceintes et réacteurs o transitent et/ou sont formés, de façon continue ou discontinue, des gaz dont la température n'est limitée que par des considérations liées aux enceintes et réacteurs et non pas au système selon l'invention, composé d'un ensemble de pompage à anneau liquide dont le liquide est un alliage métallique fusible, par exemple et sans être limitatif, du type alliage de WOOD, alliage de D'ARCET, etc.. liquides à basse température (72 C et 96 C), à forte densité, dont la viscosité est équivalente à celle de l'eau, stable à toute température supérieure à la température de fusion, à température d'ébullition très élevée, dont le volume ne diminue pas à la solidification. Les objets, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après: Le système pour la mise en dépression par rapport à la pression atmosphérique d'enceintes et réacteurs o sont formés des gaz à température pouvant être élevée et supérieure à la température de fusion de l'alliage fusible utilisé dans l'anneau liquide comprend: - Un corps de pompe à vide à anneau liquide et d'un rotor excentré selon la conception classique des pompes primaires à anneau liquide classiques, d'un anneau liquide formé par l'alliage fusible maintenu à l'état liquide à une température inférieure à celle des gaz pompés, d'un réservoir tampon o est récupéré l'alliage fusible liquide entraîné dans la rotation du rotor, d'un système de mise à la température de fusion de l'alliage fusible, ou du maintien de cette température lors des arrêts momentanés du système, d'un moteur d'entraînement du rotor, d'un calorifugeage de l'ensemble pompe et réservoir. L'invention sera maintenant décrite en référence à un mode de réalisation avantageux de l'invention donné à titre d'exemple. Le corps de pompe sera réalisé selon le dessin classique des corps de pompes primaires à anneau liquide en un matériau compatible au plan de la résistance mécanique avec les contraintes liées à la température d'extraction des gaz, à leur nature éventuellement corrosive et à la pression des gaz que l'on souhaite en sortie du système. Le rotor sera réalisé selon le dessin classique des rotors des pompes primaires à anneau liquide en un matériau répondant aux critères de tenue mécanique et à la corrosion des gaz à température élevée. Le rotor tourne sur les paliers standards du corps de pompe caractérisés en ce que ces paliers sont déportés en dehors du stator et sont refroidis. L'étanchéité au niveau des paliers est obtenue par des garnitures, par exemple des garnitures à tresses graphitées. Le rotor est entraîné par un moteur électrique ou hydraulique, de préférence à vitesse variable et à fort couple au démarrage, la préférence, sans être limitative, étant au moteur hydraulique enfermé dans un carter étanche, raccordé au corps de pompe de façon étanche et refroidi pour éviter la surchauffe des composants hydrauliques. Le réservoir tampon reçoit l'alliage fusible à la sortie du corps de pompe. Ce réservoir est réalisé en un matériau compatible avec la température et la nature de l'alliage fusible. Il est muni d'un ensemble de mise en température, comme par exemple, sans être limitatif, d'électrodes plongeant dans la masse de l'alliage fusible ou un serpentin chauffé à la vapeur d'eau, les tuyauteries des circuits de raccordement du réservoir au corps de pompe étant pourvues d'un système de chauffage, cordons chauffant électriques par exemple ou serpentin chauffé à la vapeur d'eau. Le réservoir, muni d'une tuyauterie de purge en point bas, est dimensionné pour recevoir la totalité de l'alliage fusible en circulation. L'ensemble corps de pompe - réservoir - tuyauteries est calorifugé pour limiter les déperditions calorifiques, entrer dans le cadre de la réglementation de sécurité sur la température admissible des surfaces extérieures pouvant être en contact avec les opérateurs et conserver à l'intérieur du système l'énergie de compression des gaz et de mise en rotation de l'anneau liquide. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des 2 figures annexées représentant des plans simplifiés du système selon l'invention. La figure 1 montre l'ensemble du système dans son principe o l'on voit en (1) le corps de pompe avec à l'intérieur le rotor (2) et l'anneau liquide (7).L'aspiration des gaz est faite par l'ouverture (9) et le refoulement par l'ouverture (10).L'ouverture d'aspiration des gaz est placée de telle sorte que lors des arrêts de la pompe l'alliage fusible liquide provenant de l'anneau liquide et du réservoir couvre complètement la section de telle sorte que l'alliage fusible liquide remonte sous l'action de la pression atmosphérique dans la tuyauterie d'aspiration (15) d'une hauteur fonction de sa densité et de la pression dans l'enceinte. La hauteur de cette tuyauterie d'aspiration est définie pour que l'alliage fusible liquide ne se déverse pas dans l'enceinte d'o sont extraits les gaz à haute température, interdisant ainsi l'arrivée de l'air ambiant dans cette enceinte et permettant de supprimer les appareillages de protection des systèmes classiques tels que clapets anti - retour, soupapes à fermeture rapide, etc. La circulation de l'alliage fusible liquide vers le réservoir tampon (3) est faite au refoulement des gaz par l'ouverture (10). Le réservoir tampon comporte un système chauffage (5) réalisé soit sous forme d'électrodes, soit sous une forme préférée de réalisation par un serpentin chauffé à la vapeur d'eau. Les tuyauteries de purge et raccordement (11), (12), (13), (14), sont de la même façon munies de moyen de chauffage (6) tels que rubans électriques ou, sous une forme préférée de réalisation, de serpentins chauffés à la vapeur d'eau. Le réservoir tampon, les tuyauteries et le corps de pompe sont entièrement enfermés dans un calorifuge (4) déterminé pour conserver sans déperdition l'énergie thermique et garantir une température de la surface extérieure compatible avec la réglementation du travail. Des mesures de températures dans le réservoir, non représentées, permettent d'ajuster l'apport d'énergie thermique pour la mise en fusion de l'alliage fusible ou éviter la surchauffe. Enfin l'ensemble réservoir - tuyauteries est équipé d'une tuyauterie (11) pour faciliter la purge du liquide et permettre le renouvellement du métal. La figure 2 montre certains détails constructifs de réalisation. Les garnitures d'étanchéité (15), dans une forme préférée de réalisation sans être limitative, conçues en tresses graphitées de conception classique sont portées par l'arbre du rotor ( 2) tournant sur des paliers (17) de conception classique enfermés dans un carter étanche. Le rotor est entraîné par un moteur (18) qui dans une forme préférée de réalisation, mais sans être limitative, est un moteur hydraulique enfermé dans un carter étanche raccordé au corps de pompe par joint d'étanchéité. L'axe du rotor est muni d'un capteur de torsion, non représenté, pour éviter la mise en route du moteur si l'alliage fusible n'est pas entièrement liquide. La vitesse du moteur est régulée à partir de la mesure du niveau de dépression obtenu dans l'enceinte dont on extrait les gaz par un système classique non représenté sur le dessin. REVENDICATIONS 1- Système pour la mise en dépression par rapport à la pression atmosphérique d'enceintes diverses, fours et réacteurs pour l'extraction à débit variable des gaz à haute température formés de façon continue ou discontinue, sans refroidissement de ces gaz, avec une sécurité accrue par rapport aux remontées de pression lors des arrêts de pompage et autorisant la conservation de l'énergie thermique de ces gaz et celle apportée dans le système pour son fonctionnement caractérisé en ce que: a - il comporte une structure de pompe à vide à anneau liquide o le liquide de l'anneau (7) est un alliage fusible liquide à viscosité équivalente à celle de l'eau, à bas point de fusion inférieur à la température des gaz à extraire, à température d'ébullition supérieure à la température des gaz à extraire, permettant un fonctionnement à vitesse variable sans cavitation. b - il comporte un réservoir tampon (3) de l'alliage fusible liquide o ce liquide est maintenu à une température supérieure à la température de solidification par un système de chauffage approprié (5). c - il comporte un ensemble de tuyauteries et circuits auxiliaires (1 1), (12), (13), (14), (15) maintenu à une température supérieure à la température de solidification par un système de chauffage approprié (6). d - il comporte un calorifugeage (4) des composants du système pour les conserver à une température supérieure à la température de fusion. 2 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il permet de faire varier la vitesse de rotation du rotor (2) pour faire varier le débit d'extraction sans risque de cavitation et comportant un moteur d'entraînement (18) du rotor (2) de la pompe enfermé dans une enceinte étanche refroidie, permettant également un fort couple d'entraînement au démarrage. 3 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce la densité élevée de l'alliage fusible liquide de l'anneau liquide permet des remises à la pression atmosphérique du système lors des arrêts de la pompe sans risque de remontée de pression, d'origine atmosphérique, et du liquide de l'anneau dans l'enceinte, le four ou le réacteur en dépression. 4 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le calorifugeage (4) de l'ensemble des composants permet de conserver l'énergie thermique des gaz extraits ainsi que l'énergie apportée par le moteur (18) du rotor (2) pour la mise en mouvement de l'anneau liquide (7)et la compression des gaz - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il permet la mise à haute pression des gaz à haute température sans les refroidir au préalable. 6 - Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que la régulation de vitesse du rotor est gérée à partir de la mesure de la pression de l'enceinte, four ou réacteur dont on extrait les gaz. 7 - Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que la mise en route du moteur (1 8) n'est possible que quand la température de l'alliage fusible dans l'ensemble du système est à une température garantissant la fusion totale de l'alliage. 8 - Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que la régulation du couple de fonctionnement du rotor (2) est obtenue à partir de capteurs de torsion.