Brevet FR2800423A1 — publié le 20010504

La présente invention concerne une pompe aspirante#refoulante à piston immergée destinée à travailler dans un milieu liquide agité sans apport extérieur d'énergie et à récupérer 1'énergie dissipée par les mouvements du liquide pour s'actionner et pomper ce même liquide ou tout autre en provenance d'autres contenants. A ce jour, lorsqu'un pompage doit être effectué,on utilise des pompes actionnées soit manuellement soit mécaniquement avec selon le type des pompes différents couplages de moteurs eux mêmes mis en mouvement par des énergies thermiques ou électriques ou hydrauliques ou éoliennes ou autres. La nouveauté du système réside en la récupération de la ressource énergétique nécessaire à l'actionnement de la pompe aspirante- refoulante à piston directement dans l'énergie présente dans le milieu liquide agité dans lequel la pompe est plongée. L'avantage de l'utilisation de l'invention est de récupérer sous forme de quantité de liquide stockable en altitude une quantité appréciable de l'énergie dissipée par les mouvements d'un liquide à sa surface (pour l'alimentation en eau d'un réservoir de centrale électrique par exemple) ou d'utiliser directement le passage du fluide pompé pour actionner différents appareillages mécaniques hydrauliques, pneumatiques ou électriques ou de simplement transvaser un liquide. Pour baser notre explication de fonctionnement de ce type de pompe à piston à corps immergé, nous utiliserons les schémas annexes référencés de la planche 1/8 à 8/8 dont la liste exhaustive est: FTG.L planche li8:shéma descriptif et fonctionnel de ce type de pompe Çaf,3.'L planche 2i8:présentation des éléments constitutifs d'un schéma hydraulique dans le cas de l'utilisation directe de l'énergie récupérée par la pompe, -séquence aspiration d'amorçage. FIE.3 planche 3/8:présentation des éléments constitutifs d'un schéma hydraulique dans le cas de l'utilisation directe de l'énergie récupérée par la pompe, -séquence de position haute du piston(5) lors du gavage initial. FIG.4 planche 4/9:présentation des éléments constitutifs d'un schéma hydraulique dans le cas de l'utilisation directe de l'énergie récupérée par la pompe, -séquence de récupération de la course du piston (5) lors du gavage initial de la pompe. Fins. 5 planche 5i8:présentation des éléments constitutifs d'un schéma hydraulique dans le cas de l'utilisation directe de l'énergie récupérée par la pompe, -séquence i a u#lr .u'i'-3'tt- "S.:.s:aLt?.,C1^t':t-t mat- du dispositif moteur(15), FIG.6 planche 6/8:diverses fixations! 19) pour le maintien du corps de pompe (6) à une position fixe. PIG.7 planche 71/9:La pompe équipée de son système optionnel d'auto stabilisation du corps de pompe (6). FIG.8 planche 8/3:le corps de pompe ll...l équipé de son système de fixation à crémaillère pour optimiser le rendement de la pompe en milieu liquide très instable en niveau. A)Conditions nécessaires pour la mise en oeuvre de la pompe: figure FIG.iplanche 1/8: Ce procédé de récupération et de transformation d'énergie repose sur l'existence de deux milieux de :?i,'.L:t 1S'r' 1:?C i. r .E~ L.ti gazeux (i) (air par exemple),l'autre liquide (2) (eau par exemple) en contact direct par leur surface (3). L'agitation mécanique de leur surface de contact (3) créée par des forces de la nature comme le vent, les remous d'une chute d'eau,le mouvement perpétuel des vagues sur une étendue d'eau, le phénomène des marées ou des forces cinétiques comme l'accélération ou la déccélération de masses,etc engendrent la mobilité répétitive du niveau de la masse liquide (2) par rapport à la masse gazeuse (1). B)Système proposé: Un élément flottant (4) bateau,flotteur à la surface du liquide agité (2) recevra donc une poussée d'Archimède d'intensité variable qu'il pourra transmettre sous forme de force tirante ou poussante grâce à sa liaison mécanique démontable au piston (5) de l'ensemble du système de pompe aspirante refoulante comprenant: -un cylindre ou corps de pompe (6) munit dans sa partie inférieure démontable d'un système de clapet d'aspiration (Sa)et munit dans sa partie supérieure démontable d'un système de clapet de refoulement (8c), -un piston (5) se déplaçant à l'intérieur du corps de pompe (6) et munit d'un système de clapet anti-retour d'admission compression ( 8 b ) entre ses faces aspirante et refoulante, -les guidages (5a) du piston (5)(colon nettes, colonnes ou rails dont le nombre et la réparti on dépendent du dimensionnement de la pompe ) extérieurs au corps (6) et utilisant ce dernier comme support pour le montage des ensembles de bagues. patins ou systèmes de roulettes de guidage ajustables (5b).Le montage mécanique inverse non représenté avec les guides (5b)(bagues;patins ou roulettes) solidaires du flotteur (4) et les colonnes,colonnettes ou rails (Sa) fixés sur le corps il--,) est aussi possible. -le guidage (Se) de la tige du piston par des systèmes de bagues,patins ou roulettes de guidage ajustables montés sur les flasques supérieure et inférieure du corps (6) au niveau du passage de la tige du piston(5).L'étanchéité entre la tête du piston (5! ,sa tige et le corps (6) est assurée par des joints dont les logements , les tailles ,les matières et les profils sont adaptés à l'utilisation.(non représenté). -un système de rappel à ressort(ou autre) (7) du piston (5) extérieur en appui entre la base démontable du piston (5) et la partie inférieure démontable du corps de pompe (6), -un ensemble de fixation (19) unitaire ou multiple(non représenté) du corps de pompe (6) optimisant l'amplitude des courses du piston(5) dans le corps (6) différentes versions en accord avec l'utilisation de la pompe C)Fonctionnement: Tout fluide présent à l'entrée du système de clapet d'aspiration ( 8 a ) sera transmis à la sortie du système de clapet de refoulement ( 8 c ) selon les mouvements de va et vient du piston (5) guidé par le système de guidage (5a) -(5b) -(5c) dans le corps de pompe (6) lui même immobilisé par son système de fixation (19) unitaire ou multiple(non représenté) .mouvements résultants de l'action du système de rappel à ressort ou autre (7) du piston (5) et de l'action de la poussée d'archimède sur l'élément flottant (4) provoquée par l'agitation de la surface (3) du liquide (2) et de la fermeture et de l'ouverture du système de clapet anti-retour (8b) embarqué sur la tête du piston(5). La pompe décrite ci dessus et dont une petite étude énergétique est inclue ci-dessous présente donc l'énorme avantage de fonctionner sans apport d'énergie combustible ou électrique et est utilisable dans tout liquide dont la surface est en mouvement pour transférer ce liquide ou tout autre. Calcul de récupération d'énergie: a)cas d'une pompe de petite capacité volumique: Eléments du cylindre ou corps (6): Diamètre(en mètres) du piston (5) (variable): 0.1 Course du piston (5) (en mètres! (variable) :O,O5 Volume comprimé maximum théorique (en mètres cubes):O,0003927 Eléments du flotteur: Volume utile du flotteur: coefficient de compression(variable):10 Déplacement de fluide correspondant en mètres cubes : 0 ? Q039E7 Diamètre du flotteur(en mètres): 0,31 Densité du liquide(variable):l Force moyenne exercée par le flotteur sur sa course en kGf:l,9635 Travail moyen fourni par le flotteur sur sa course en kGf.m:O,098 Travail en Joules:O,963 Hypothèse nombre de courses du piston par minute(variable):15 Travail fourni sur une heure en Joulss;866 Volume de liquide déplacé en une heure (mètres cubes):O,353 b) Cas d'une pompe de grosse capacité volumique: Eléments du cylindre ou corps (6): Diamètre(en mètres) du piston (5) (variable) :3 Course du piston (5) (en mètres)(variable):1,5 Volume comprimé maximum théorique(en mètres cubes); 10,605 Eléments du flotteur: Volume utile du flotteur: Coefficient de compression(variable):10 Déplacement de fluide correspondant en mètres cubes:!-06 Diamètre du flotteur(4)(en mètres):9,48 Densité du liquide(variable):! Force moyenne exercée par le flotteur sur sa course en k8f:530i4 Travail moyen fourni par le flotteur sur sa course en kEf.m:79551 Travail en joules:780108 Hypothèse nombre de courses du piston par minute (variable):6 Travail fourni sur une heure en Joules:280839012 Volume de liquide déplacé en une heure(mètres cubes):3817 D)Extension du système: Reportons nous à la figure FIG.2 planche 2i8,nous trouvons: -un système hydraulique d'éléments réunis sous le repère (SI) comprenant un réservoir naturel ou artificiel (13) contenant un fluide (12) dans lequel plonge la tuyauterie d'aspiration (11);un Élément filtrant (10) destiné a filtrer le fluide ( i S ) suivant sa nature;un t-i système anti-retour (9) proche du point d'alimentation du circuit pour en éviter le désamorçage; -une pompe aspirante#refoulante constituée comme nous l'avons vue précédemment d'un flotteur (4). d'un cylindre (6) et de ses systèmes de clapets (8a) et (8c),d'une union mécanique rigide ou souple (19) unitaire ou multiple (non représenté) du corps de pompe (6) avec le fond naturel ou artificiel (20) du réservoir naturel ou artificiel du fluide (2),d'un piston (5) et de ses guidages (5a)et(5b)et (5c) (non représenté) équipé d'un système anti-retour (8c) monté entre ses deux faces,d'un ressort ou autre système de de rappel (7) du piston ( 5 ) : -un système d'exploitation du travail produit par la pompe réuni sous le repère (SE) et constitué d'un système anti-retour (14) assurant La fermeture de la colonne du fluide en sortie de 3ompe:d'une utilisation ou d'un élément moteur(15) transformant le passage du fluide en énergie mécanique ou autre;d'une tuyauterie de refoulement (16) alimentant un réservoir naturel ou artificiel (18) en fluide après utilisation(17). ) Fonctionnement du système: Voir planches de schémas 2/8 à 5/8. Figure Zizi plancheS/8-séquence aspiration d'amorçage: L'application de la poussée d'Archimède sur l'élément flottant (4) entrai ne un cycle d'aspiration du liquide'1S) entre la tuyauterie (11) et l'élément anti-retour (8b) et simultanément un cycle de refoulement entre les éléments anti-retour (8b) et (Se) lorsque la pression du liquide entre les éléments anti-retour (8b) et (8c) est supérieure à la pression 3 n i s t a n t e à la sortie du clapet (8c). figure FIG.3 planche3/8 -séquence de position laute du piston(5) lors du gavage initial. figure 3- t. . : planche 4/8:-séquence de récupération '.'--5 la course du piston (5) lors du gavage initial de la pompe. Lorsque la poussée d'Archimède appliquée à l'élément flottant (4) est inférieure à la force du ressort ou système de rappel (7),le piston (5) sous l'action du ressort ou système de rappel (7) = t de l'ouverture de l'élément anti-retour (8b) regagne la base du corps de pompe (6) permettant l'alimentation en fluide de la cavité située entre les éléments anti-retour (8b) et (8c).La séqence aspiration /refoulement est prête à être de nouveau répétée. figure FIG.5 planche5/8:-séquence d'aspiration et refoulement, actionnement du dispositif moteur(15). =)Adao±at;o-n. de l'immobilisation du corps de pompe (6) selon différents montages du système (19): Evolution de la nature du dispositif: 1)(19) FIG.6 planche6/8: -Support mécanique unitaire ou multiple (non représenté), rigide reposant sur le fond du contenant du liquide (2) B)(19a) FIG.6 planche 6/8: -Ancrage unitaire ou multiple (non représenté) 3)(19b) FIG.6 planche 6/8: -Support fixe unitaire ou multiple (non représenté) ,rigide,monté sur un élément flottant ou non dans le liquide (2) et ne provenant pas du fond du contenant du liquide (2). 4)(19c) FIG.7 planche 7/8: -Système d ' autost ab i 1 i sa t i on , un i t a i r e ou multiple (non représenté) du corps de pompe (6) via l'utilisation d'un frein au déplacement montant du corps de pompe utilisant une surface liée à l'élément(6) et un ensemble anti-retour (8d).Blocage du système anti-retour à la montée,ouverture à la descente. 5)(19d%!G.S planche 9/8: -Montage unitaire ou multiple (non représenté) de blocage en position du corps de pompe z) par l'ensemble à crémaillère (!9d) au moyen du cliquet (19f) du chariot (19e) relâché par l'action de la came (5d) liée aux mouvements du piston(5).Le chariot (1ge) peut coulisser verticalement sur le corps (6) de la pompe grâce à un guidage limité par butées de manière à permettre le déblocage sans effort du cliquet (!9f% par action de la came (5d) sur le levier (19h) pivotant sur un axe porté par le corps (6) et agissant sur une butée portée par le chariot (19e).Le chariot (19e) se déplace le long de la crémaillère (19d) et est guidé par 4 roulettes (19g) positionnées aux 4 angles de l'ensemble (19d) comportant des glissières de roulement verticales(un seul angle est représenté sur la figure).Le chariot (19f) reste en position bloquée tant que le piston (5) n'a pas effectué sa course ascendante totale,déblocage sur la fin de la course du piston (5) par le relâchement du cliquet (19f) poussé par la came (5d) et pendant la descente du corps de la pompe(6).Ce système permet au corps de pompe (6) d'accompagner les grands débattements de la surface (3) du liquide (2) en évitant ainsi la position fine haute du piston (5) ou la pompe est bloquée.Ce système est couplable aux dispositifs (19),(19b) exposés précédemment. S'avantage du système: Le système hydraulique présenté à l'avantage en récupérant une énergie gratuite : -d'obtenir une énergie hydraulique capable d'activer un actionneur (15) qui produira de l'énergie mécanique électrique. hydraulique, pneumatique. thermique ou naturelle(évaporation).On note que dans ce cas les réservoirs (12) et (18) ne sont généralement qu'un seul et même réservoir. -de déplacer un fluide d'un contenant (12) à un autre contenant (17) d'autant plus facilement si l'on supprime l'élément moteur (15). H applications du procédé figure FIG.2 planche 2/8,exemples{liste non limitative): 1) Générateur d'eau douce pour pays maritimes ou bateaux au mouillage: a%Mode forcé: Si l'on considère l'élément(15)comme un ensemble générateur d'énergie électrique couplé une pompe aspirant de 1' eau à adoucir couplée à un système de distillation. b)Mode par évaporation: En supprimant l'élément (15) et en utilisant directement le système pour aspirer l'eau à adoucir via le filtre (10) en la libérant dans un distillateur. 2)Générateur électrique: l'élément (15) est un générateur électrique chargeant ou non des batteries. 3)Pompe d'irrigation; A partir d'eau douce et d'une rivière animée en supprimant l'élément moteur (15). Aspiration via le filtre (10) et utilisation après le clapet (14). 4) Générateur d'énergie mécanique simple : Si l'élément (15) est un moteur hydraulique ou un ver in . 5)Compensateur de niveau pour roulis et tangage des fluides lors de leur transport en t a n k : à partir du niveau du liquide le plus haut,on compense le niveau le plus bas en alimentant la zone basse à partir du niveau haut par pompage. Si l'on suppose le tank rectangulaire,cela signifie l'utilisation de 4 ensembles de flotteurs et pompes situés au 4 angles du réservoir,chacun aspirant localement le fluide et le délivrant au point qui lui est opposé diagonalement. 6)Utilisation en pompage simple avec suppression de l'élément (15):remplissage à partir de la mer de bassins à des régimes importants comptables en m 3 / s car le dimensionnement de la pompe peut être important, dans la vue de produire de l'électricité par centrales hydrauliques. 1)Réalisation: Il va sans dire que différentes capacités de pompes sont réalisables. Nous donnons à la suite une série de solutions non limitatives ni restrictives dans leur emploi avec les différentes versions possibles.(Le croisement des caractéristiques des petites ou grandes pompes comme le piston et la chambre de forme circulaire ou non,les matériaux employés,le guidage par rails ou par colonnes, l'utilisation de clapets à membrane,à volet,à bille ou à boisseau, rappelés ou non,pilotés ou non,les solutions de démontage des flasques du corps de pompe(6), d'assemblage de l'ensemble du piston (5), d'étanchéité sont applicables à tous les modèles). Selon les tailles et la -fonction des pièces réalisées,des matériaux différents seront employés mais ils devront en principe résister à l'action des agressions chimiques de 1'eau et du sel. En considérant l'inox comme matériau applicable idéalement à tous les cas de figure nous citerons pour les modèles de capacités comptables en litres ou dizaines de litres,la possibilité de réaliser la pompe et ses accessoires en matière plastique technique ou en composite tout comme son flotteur. Des modèles de capacités plus importantes (en centaines de litres) obligeront à l'emploi de 1 ' inox . Pour les modèles dont la capacité est estimable en mètres cube, le mariage de l'inox et du béton armé est envisageable pour la réalisation des différents éléments y compris le flotteur et les pièces ou supports d'immobilisation du corps (6). Une forme rectangulaire carrée ou quelconque du corps de pompe est envisageable(au lieu de circulaire),la tête du piston prenant aussi dans ce cas cette forme rectangulaire, carrée ou quelconque plus facile à réaliser en grandes dimensions.Les colonnettes de guidage (Sa) et les bagues de guidage (5b) du piston (5) et de son flotteur(4) par rapport au corps(6) seront alors remplacées par des poutres coulissant dans des guidages à roulettes fixés sur le corps de la pompe (6). L'installation d'une pompe de gros modèle suppose un ou plusieurs massifs bétonnés (19) (non représentés) d'amarrage du corps(6) . L'amplitude du mouvement des fluides où sera immergée la pompe sera déterminante pour le choix de la course du piston(5),de son diamètre , de sa forme et de son système de guidage (5a)et(5b)et(5c).Le système de rappel (7) du piston(5} n'est pas toujours utile si le corps (6) est fixe et le poids de l'ensemble piston (5) flotteur(4) est relativement important.Une variante de réalisation est possible pour le couplage de l'élément flottant(4) car celui-ci peut être de n'importe quelle nature : flotteur,bateau ou barge.La fonctionnalité mécanique d'assemblage des guides(5a) et de la tige du piston (5) pour assurer le bon parallélisme de l'ensemble :.:' #r' assurée par un plateau ou chape monté en lieu et place du flotteur(4).Cette chape servira alors simplement de point d'amarrage pour le flotteur(4);le bateau ou la barge dans cette variante de présentation de la pompe(non représenté), Si nous nous reportons maintenant aux calculs précédents,nous mesurons aussi toute l'importance de la taille du flotteur(4) dont le rapport de surface avec le piston(5) détermine la pression susceptible d'être délivrée par la pompe.Si ce flotteur(4) est trop . t important, le passage de 2 trains de vagues rapprochés sur le liquide (2) peut limiter la course du piston(5) et par la, l'action de la pompe. REVENDICATIONS !)Pompe aspirante refoulante à piston immergée fonctionnant sans apport d'énergie artificielle électrique,mécanique ou thermique caractérisée: - en ce qu'elle récupère une partie de l'énergie mécanique dissipée par l'agitation du liquide dans lequel elle est immergée. -et en ce que tout fluide présent à l'entrée d'un système de clapet d'aspiration (Sa) est transmis à la sortie d'un système de clapet de refoulement ( 8 c ) selon les mouvements de va et vient d'un piston (5) guidé par un système de guidage (5a)-'5b)-(5c) dans un corps de pompe (6) lui même immobilisé par son système de fixation (!'?),mouvements résultants de l'action d'un système de rappel (7) du piston (5) et de l'action de la poussée d'archimède sur un élément flottant (4) provoquée par l'agitation de la surface (3) du liquide (2) et de la fermeture et de l'ouverture du système de clapet anti retour (8b) embarqué sur la tg te du piston(5). 2)Pompe selon la revendication 1 caractérisée par un élément flottant (4) accouplé par une liaison mécanique démontable au piston (5). 3)Pompe selon la revendication 1 caractérisée par un corps de pompe (6) munit : -d'une partie inférieure démontable fixée au corps (6) portant un système de clapet d'aspiration (Sa); d'une partie supérieure démontable fixée au corps (6) portant un système de clapet de refoulement (8c); -d'un système de guides ( 5 b ) et (5c). 4)Pompe selon la revendication 1 caractérisée par un piston (5) munit -d'un système de clapet anti-retour d'admission compression (8b) entre ses faces aspirante et refcu 1 an te ; -d'une partie inférieure démontable pour l'assise d'un système de rappel (7). 5 ) Pompe selon la revendication 1 caractérisée par des guidages (5a) du piston (5) extérieurs au corps de pompe (6). 6)Pompe selon la revendication 1 caractérisée par un système de rappel (7) du piston (5) extérieur au corps de pompe (6). 7)Pompe selon la revendication 1 caractérisée par un ensemble évolutif de fixation (19) du corps de pompe (6). 8)Pompe selon la revendication 1 et la revendication 7 caractérisée par un premier système de fixation (19) du corps (6) constitué par un support mécanique rigide reposant sur le fond du contenant (20) du liquide (2). 9).Pompe selon la revendication 1 et la revendication 7 caractérisée par un deuxième système de fixation (19 a) du corps (6) constitué par un système d'ancrage. 10).Pompe selon la revendication 1 et la revendication 7 caractérisée par un troisième système de fixation (19b) du corps (6) constitué par un support rigide monté sur un élément flottant ou non dans le liquide (2) et ne provenant pas du fond du contenant (20) du liquide (2). il).Pompe selon la revendication 1 et la revendication 7 caractérisée par un quatrième système de fixation (19c) du corps (6) caractérisé - en ce que cette fixation du corps (6) accompagne le niveau du liquide (2) optimisant ainsi le rendement de la pompe ; - et en ce qu'à la montée du piston (5) une jupe équipée de clapets anti-retour (8d) bloque le mouvement de montée du corps de pompe (6) et libère la descente de ce même corps Ce) sous l'action du système de rappel (7). 12) Pompe selon la revendication i ,la revendication 7,la revendication 8,la revendication 10,caractérisée par un cinquième système de fixation du corps (6) caractérisé: - en ce que cette fixation du corps (6) accompagne le niveau du liquide (2) et est couplable aux dispositifs (i9),(i9b) exposés précédemment : - en ce que l'action d'une came (5d) du piston (5) sur un levier (19h) permet le coulissage du corps de pompe (6) sur un chariot (19e) et la libération d'un cliquet (19f) permettant le déplacement du chariot (19e) munit de 4 roulettes (19g) le long d'une crémaillère (19d).