Brevet FR2814736A1 — publié le 20020405

La présente invention concerne un générateur d'ozone basé sur la dynamique des fluides, qui comprend principalement un tube d'écoulement rapide, un tube de formation d'ozone refroidi par air et un mélangeur liquidegaz comprimé-liquide. L'ozone présente l'avantage de ne laisser aucun résidu et par conséquent il n'existe aucune limite supérieure de dose autorisée lors de son utilisation. Depuis ces dernières années, l'ozone a remplacé graduellement le chlore et le peroxyde d'hydrogène en tant qu'agent désinfectant et agent oxydant amélioré. Cependant, étant donné que l'ozone à haute concentration est très explosif et se décompose en moins d'une heure sauf s'il est stocké dans un gel de silicone à une température extrêmement basse, l'ozone doit être produit sur place. Lorsqu'on utilise de l'ozone, il est nécessaire de disposer d'un système de production d'ozone et d'un système d'alimentation en gaz ainsi que d'un système de refroidissement. Lorsque l'ozone est appliquée au traitement de l'eau, il faut prévoir un mélangeur gaz-liquide pour dissoudre l'ozone dans l'eau. Cependant des mélangeurs gaz-liquide classiques présen- tent les inconvénients de fournir une faible vitesse de dissolution du gaz et de présenter une fuite de gaz. Le tube de Venturi utilisé habituellement contient deux tubes ayant des diamètres différents, l'orifice d'entrée du gaz se situant au niveau de la jonction des deux tubes et étant un point de dimensionnement et par conséquent l'aspiration efficace s'effectue uniquement sur une très petite surface, et le débit du gaz aspiré dans le tube de Venturi n'est pas obtenu de façon satisfaisante. D'autre part, étant donné que des dispositifs et accessoires sont requis pour la production d'ozone, le coût de cette production d'ozone est élevé. Tous ces facteurs conduisent à l'impossibilité d'employer de l'ozone pour un usage domestique. La présente invention met à profit les principes de la dynamique des fluides pour concevoir un système innovant d'alimentation en gaz, par rapport aux tubes de Ven- turi classiques, et possède un débit plus élevé d'aspiration de gaz et dans lequel les fonctions de production d'ozone, de refroidissement et de dissolution du gaz peuvent être combinées dans un dispositif pour former un générateur d'ozone basé sur la dynamique des fluides. Le générateur d'ozone selon la présente invention non seulement simplifie le fonctionnement lors de la production d'ozone, mais réduit également fortement le coût de cette opération et par conséquent permet d'utiliser l'ozone d'une manière étendue. La présente invention concerne un générateur d'ozone basé sur la dynamique des fluides, qui comprend principalement un tube d'écoulement rapide, un tube de formation d'ozone refroidi par air, et un mélangeur liquidegaz comprimé-liquide, le tube d'écoulement rapide appliquant le principe de la dynamique des fluides, c'est-à-dire que la vitesse d'écoulement d'eau est différente lorsque les écoulements d'eau circulent sur des surfaces ayant des pentes différentes. La différence de vitesse conduit à une différence de pression et par conséquent assume la fonction d'aspiration d'air. Le tube d'écoulement rapide selon la présente invention présente des caractéristiques consistant en un rendement élevé d'aspiration d'air et un volume compact. Le tube de formation d'ozone refroidi par air com- prend un ensemble de tubes inoxydables servant à guider le gaz (air ou oxygène) de manière à produire un trajet fermé de circulation du gaz, une brosse inoxydable pour une décharge dans le tube, et les avantages résident dans le fait que le rendement de production d'ozone est élevé et que la quantité de chaleur entraînée par la circulation de gaz réduit fortement la température du tube de formation d'ozone. Le mélangeur liquide-gaz comprimé-liquide est installé à la sortie du tube d'écoulement rapide et est équipé d'une pompe raccordée pour le pompage de l'eau et par conséquent l'application d'une pression au gaz (ozone) dissous dans le mélangeur. Une telle installation empêche le gaz de s'échapper de l'eau sous la forme de bulles, ce qui accroît la vitesse de dissolution du gaz et favorise l'applicabilité de la présente invention. Le générateur d'ozone basé sur la dynamique des fluides, qui comprend le tube d'écoulement rapide, le tube de formation d'ozone refroidi par air et le mélangeur liquide-gaz comprimé-liquide, non seulement est efficace et efficient pour la production d'ozone, mais présente également un volume compact et est d'une installation facile. Le générateur d'ozone selon la présente invention est par conséquent approprié pour une utilisation journalière, comme par exemple pour désinfecter de l'eau potable et pour le lavage des fruits et des légumes. De façon plus précise l'invention concerne un tube d'écoulement rapide, caractérisé en ce qu'il comporte : un tube extérieur possédant une extrémité amont et d'une extrémité aval essentiellement à l'opposé de l'extrémité amont et dans lequel l'extrémité amont possède au moins une entrée pour l'eau et l'extrémité aval possède au moins une sortie pour l'eau ; un tube intérieur disposé axialement à l'intérieur du tube extérieur entre les extrémités amont et aval de manière à former un conduit d'écoulement, ces tubes définissant entre eux un trajet d'écoulement de liquide, le tube intérieur comprenant un premier tube conique et un second tube conique qui sont disposés en vis-à-vis et à distance l'un de l'autre de manière à définir entre eux un interstice d'aspiration de gaz de sorte que le conduit d'écoulement forme un col tel que le trajet d'écoulement est le plus rétréci au niveau de l'interstice d'aspiration de gaz, le tube intérieur contenant en outre une chambre formée en lui, qui est raccordée au conduit d'écoulement par l'intermédiaire de l'interstice d'aspiration de gaz de manière à former un trajet de circulation de gaz à partir d'une source de gaz extérieure ; et une soupape antiretour prévue dans la chambre de manière à permettre au gaz de circuler dans un sens depuis le tube intérieur en direction du tube extérieur par l'intermédiaire de l'interstice d'aspiration de gaz. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier tube conique possède une tête conique, et la base de cette tête conique est orientée vers l'entrée pour l'eau (122) du tube extérieur, et le second tube conique (Ib) possède un diamètre qui diminue, puis reste constant depuis l'extrémité amont en direction de l'extrémité aval. L'invention concerne en outre un tube de formation d'ozone refroidi par air, caractérisé en ce qu'il comporte : un tube de quartz comportant une extrémité plate fermée et une extrémité ouverte ; une brosse inoxydable disposée dans le tube de quartz et connectée électriquement à une source d'énergie électrique pour servir d'électrode ; et un ensemble à tube de circulation de gaz disposé dans le tube de quartz pour former un passage pour le gaz, permettant au gaz situé à l'extérieur du tube de quartz de circuler depuis l'extrémité ouverte en direction de l'extrémité fermée du tube de quartz en passant par le tube de circulation de gaz, puis de revenir à l'extrémité ouverte du tube de quartz, par l'intermédiaire de l'électrode. L'invention concerne en outre un dispositif de production d'ozone basé sur la dynamique des fluides, caractérisé en ce qu'il comprend : un tube d'écoulement rapide du type indiqué pré- cédemment ; et un tube de formation d'ozone, refroidi par air, du type mentionné précédemment, installé dans le second tube conique du tube intérieur, dont l'extrémité plate est tournée vers l'interstice formé entre les premier et second tubes coniques. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble de production d'ozone basé sur la dynamique des fluides comprend en outre : un récipient étanche à l'air, possédant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure ; une canalisation d'entrée raccordant le récipient depuis son extrémité inférieure à la sortie d'eau du tube rapide en permettant ainsi le transfert du liquide et du gaz arrivant depuis le tube rapide, dans le récipient ; une canalisation de sortie raccordée à l'extrémité inférieure du récipient, en permettant ainsi l'introduction d'eau à l'extérieur du récipient. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ciaprès prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente la structure interne d'une forme de réalisation préférée d'un tube d'écoulement rapide selon la présente invention ; - la figure 2 représente la structure interne d'une forme de réalisation préférée d'un tube de formation d'ozone refroidi par air selon la présente invention, qui est installé dans le tube d'écoulement rapide ; - la figure 3a représente un schéma du tube d'écoulement rapide branché en série avec une pompe, et un mélangeur liquide-gaz comprimé-liquide qui lui est raccordé ; et - la figure 3b représente un schéma du tube d'écoulement rapide branché en parallèle avec la pompe et un mélangeur liquide-gaz comprimé-liquide qui y est raccordé. Comme cela est représenté sur la figure li le tube d'écoulement rapide 10 comprend principalement un tube extérieur 12 et un tube intérieur (non désigné par une référence), le tube extérieur 12 ayant d'une manière générale une forme cylindrique dont l'intérieur est creux, et dont une extrémité est l'entrée pour l'eau 122 (côté amont), tandis que son autre extrémité est pourvue d'au moins une sortie pour l'eau 34 (côté aval). Le tube intérieur comprend un premier tube conique 14 et un second tube conique 16. Le premier tube conique 14 possède une tête conique et une base, la tête conique étant tournée vers l'entrée pour l'eau 122 du tube extérieur 12 ; le second tube conique 16 est un tube conique dont le diamètre extérieur diminue graduellement depuis le côté amont en direction du côté aval et qui comporte une extrémité de grande taille et une extrémité de petite taille. La base du premier tube conique 14 est disposée dans une position située à côté de l'extrémité de grande taille du second tube conique 16 et définit par rapport à ce tube un petit interstice G servant à former un interstice d'aspiration du gaz. Le premier tube conique 14 et le second tube conique 16 s'adaptent conjointement au tube extérieur 12 pour former un conduit d'écoulement de forme annulaire, qui se rétrécit graduellement, puis s'élargit le long de son axe et forme un col au niveau du conduit d'écoulement. La base du premier tube conique 14 et l'extrémité de grande taille du second tube conique 16 sont disposés à proximité l'une de l'autre et définissent un interstice G d'aspiration du gaz à proximité du col. Lorsque l'eau pénètre par l'intermédiaire de l'entrée pour l'eau 122, dans le tube d'écoulement volant 10, la différence des vitesses d'écoulement entre P1 et P3 fait apparaître une différence de pression P2 (le col) et l'aspiration du gaz en P4 (alimentation en gaz). Le gaz aspiré franchit le point PE et ensuite l'interstice G d'aspiration du gaz, formé entre le premier tube conique 14 et le second tube conique 16, et se mélange à l'eau après sa sortie au niveau de Pg. Une soupape antiretour 18 est prévue dans le trajet entre l'interstice d'aspiration de gaz G et l'alimentation extérieure en gaz de sorte que le fluide circulant entre le tube extérieur 12 et le tube intérieur ne peut pas pénétrer dans le second tube conique 16 par l'intermédiaire de l'interstice G. Dans le tube d'écoulement rapide 10, étant donné que l'interstice G est formé entre les tubes coniques 14, 16, le gaz est aspiré à partir de l'interstice G et est évacué par l'écoulement d'eau. Le tube de Venturi, qui est habituellement utilisé, est une combinaison de deux tubes ayant des diamètres différents. Le gaz dans le tube de Venturi est aspiré au niveau du point où les deux tubes se rejoignent, et la zone d'aspiration couverte est essentiellement un point. Au contraire, la zone d'aspiration couverte dans la présente invention est de forme annulaire et son effet est nettement meilleur que celui du tube de Venturi. Conformément aux calculs expérimentaux, pour la même puissance d'entrée, le débit du gaz aspiré dans le tube d'écoulement rapide est quatre fois supérieur à celui du tube de Venturi. Sur le côté gauche de la figure 1 on a représenté une soupape antiretour 18 qui est installée en un emplacement de réunion du premier tube conique 14 et du second tube conique 16. La soupape antiretour 18 comprend principalement un ressort 184 (formé de préférence d'un matériau inoxydable) et d'une bille en Téflon 182. Une extrémité du second tube conique 16, qui est la plus proche du premier tube conique 14, est utilisée de manière à former un renfoncement conique. Un trou traversant P5 est formé au niveau de la pointe du renfoncement conique. Le ressort 184 repousse la bille de Téflon 182 de manière à bloquer le trou traversant P et empêche une pénétration de l'eau à l'intérieur du second tube conique 16 par l'intermédiaire du trou traversant P5. A l'instant où la vitesse d'écoulement est supérieure à un certain niveau, la force d'aspiration appliquée en P2 est suffisamment élevée pour s'opposer à la force du ressort 184 de sorte que le gaz refoule la bille de Téflon 182 à partir du renfoncement conique et par conséquent le gaz pénètre dans l'écoulement d'eau par l'intermédiaire de PE. Sur la figure 2 on a représenté un tube de forma- tion d'ozone refroidi par air 30, qui est installé dans le tube d'écoulement rapide 10. Le tube de formation d'ozone refroidi par air 30 comprend principalement un tube de quartz 302, une brosse inoxydable 304 et des tubes d'écoulement de gaz 308, le tube de quartz 302 possédant une extrémité fermée de façon étanche et étant utilisé en tant que diélectrique pour la décharge. La brosse inoxydable 304, qui sert d'électrode, est installée dans le tube de quartz 302. L'alimentation et délivrée par une source d'énergie à haute tension est appliquée à la brosse inoxydable 304 par l'intermédiaire de l'électrode 306 et provoque une micro-décharge entre la surface extérieure du tube de quartz 302 et une surface intérieure du tube d'écoulement rapide lOi une région dans laquelle l'ozone est produit. Lorsque l'eau circule sur l'extérieur du tube d'écoulement rapide 10, l'air ou l'oxygène nécessaire pour produire l'ozone est aspiré à partir de la source d'alimentation en gaz en P4 et est guidé par le tube d'écoulement de gaz 308 de manière à atteindre l'extrémité fermée de façon étanche, et entraîne la chaleur produite dans le tube de quartz 302. L'air ou l'oxygène revient alors par l'intermédiaire de la région de micro-décharge à l'extérieur du tube de quartz 302, où l'ozone est produite, puis traverse la soupape antiretour 18 en PE et l'interstice G d'aspiration du gaz et se mélange à l'eau. L'eau a également un effet de refroidissement sur la zone de micro-décharge. Sur les figures 3a et 3b on a représenté un mélangeur liquide - gaz comprimé - liquide 20, dont la fonction est d'accroître la quantité d'ozone dissoute dans l'eau et de réduire la quantité de bulles de gaz dans l'écoulement d'eau. Le mélangeur comprend principalement un récipient 302, une canalisation d'entrée pour l'eau/le gaz 204 et une canalisation de sortie pour l'eau 206. Le récipient 202 est un récipient étanche à l'air, dont une extrémité est fermée de façon étanche et dont l'autre extrémité possède deux ouvertures, dont l'une est pourvue d'une canalisation d'entrée pour l'eau/le gaz 204 et dont l'autre est équipée d'une canalisation de sortie de l'eau 206. L'eau contenant de l'ozone et refoulée par le tube d'écoulement rapide 10 est transférée au récipient 202 par l'intermédiaire de la canalisation d'entrée pour l'eau /le gaz 204. Le gaz non dissous dans l'eau sort de cette canalisation et crée une pression à la partie supérieure à l'intérieur du récipient 202. Lorsque le mélangeur atteint l'état d'équilibre, la pression totale est légèrement inférieure à la somme de la pression de pompage et de la pression atmosphérique. Etant donné que la quantité de gaz dissous dans l'eau augmente avec la pression au-dessus de la surface de l'eau, le mélangeur selon la présente invention contribue à accroître la vitesse de dissolution du gaz. En outre la pression facilite l'évacuation d'eau hors du récipient 202. Lorsque l'équilibre de pression est atteint, le niveau de sortie de la canalisation d'entrée pour l'eau/ le gaz 204 est un niveau plus élevé que la surface de l'eau, ce qui réduit la quantité de bulles de gaz sortant de la canalisation de sortie de l'eau 206. D'autre part, une soupape de détente de pression 210 est installée à proximité de la partie supérieure du mélangeur 20, à des fins de sécurité. Le mélangeur 20 peut être en outre pourvu d'un manomètre 208 de sorte que l'opérateur peut contrôler aisément la pression à l'intérieur du mélangeur 20. Le tube d'écoulement rapide 10 est raccordé à la pompe 40 selon un raccordement direct ou un raccordement de dérivation. Normalement le raccordement direct est approprié pour un système d'écoulement ouvert, dans lequel un pompage est habituellement réalisé par une pompe à pression élevée de refoulement. Qu'il s'agisse d'un raccordement direct ou d'un raccordement de dérivation, une soupape de régulation 44 et un filtre 42 en forme de y sont prévus. La soupape de régulation 44 est utilisée pour adapter la pression appliquée par la pompe 40 et règle un écoulement pénétrant dans le tube d'écoulement rapide 10 de sorte qu'on peut obtenir le débit approprié d'aspiration de gaz. Le treillis en acier inoxydable situé à l'intérieur du filtre en forme de y empêche que des particules pénètrent dans le tube d'écoulement rapide 10. Les particules circulent en suivant le trajet de dérivation au niveau de la partie inférieure du filtre 42 en forme de y. Le résultat d'une expérience, dans lequel un prototype de tube d'écoulement rapide d'un diamètre de 5 cm et d'une longueur de 30 cm fonctionne avec un raccordement de dérivation avec une pompe de 2 CV, montre qu'on peut obtenir un débit de gaz de 6 litres/minute. L'expérience prouve également qu'un tube d'écoulement rapide ayant ces dimensions est très approprié pour une utilisation domestique. Bien que l'on ait indiqué la forme de réalisation représentative et des détails pour illustrer la présente invention, il apparaîtra aux spécialistes de la technique que différents changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir du cadre de l'invention. LISTE DES REFERENCES 10 Tube d'écoulement rapide 12 Tube extérieur 122 Entrée pour l'eau 124 Sortie pour l'eau 14 Premier tube conique 16 Second tube conique 18 Soupape antiretour 182 Bille en Téflon 184 Ressort 20 Mélangeur liquide-gaz comprimé-liquide 202 Récipient 204 Canalisation d'entrée pour l'eau/le gaz 206 Canalisation de sortie pour l'eau 208 Manomètre 210 Soupape de détente de pression 30 Tube de formation d'ozone refroidi par air 302 Tube de quartz 304 Brosse en matériau inoxydable 306 Electrode 308 Tube d'écoulement de gaz 40 Pompe 42 Filtre en forme de y 44 Soupape de régulation G Interstice REVENDICATIONS 1. Tube de formation d'ozone refroidi par air, caractérisé en ce qu'il comporte : un tube de quartz (302) comportant une extrémité plate fermée et une extrémité ouverte ; une brosse inoxydable (304) disposée dans le tube de quartz (302) et connectée électriquement à une source d'énergie électrique pour servir d'électrode ; et un ensemble à tube de circulation de gaz (308) disposé dans le tube de quartz (302) pour former un passage pour le gaz, permettant au gaz situé à l'extérieur du tube de quartz de circuler depuis l'extrémité ouverte en direction de l'extrémité fermée du tube de quartz en passant par le tube de circulation de gaz (308), puis de revenir à l'extrémité ouverte du tube de quartz, par l'intermédiaire de l'électrode. 2. Dispositif de production d'ozone basé sur la dynamique des fluides, caractérisé en ce qu'il comprend : un tube d'écoulement rapide (10) comportant : - un tube extérieur (12) possédant une extrémité amont et une extrémité aval essentiellement à l'opposé de l'extrémité amont et dans lequel l'extrémité amont possède au moins une entrée pour l'eau (122) et l'extrémité aval possède au moins une sortie pour l'eau (124) ; - un tube intérieur (14, 16) disposé axialement à l'intérieur du tube extérieur (12) entre les extrémités amont et aval de manière à former un conduit d'écoulement, ces tubes définissant entre eux un trajet d'écoulement de liquide, le tube intérieur (14, 16) comprenant un premier tube conique (14) et un second tube conique (16) qui sont disposés en vis à vis et à distance l'un de l'autre de manière à définir entre eux, un interstice d'aspiration de gaz de sorte que le conduit d'écoulement forme un col tel que le trajet d'écoulement est le plus rétréci au niveau de l'interstice d'aspiration de gaz, le tube intérieur (14, 16) contenant en outre une chambre formée en lui, qui est raccordée au conduit d'écoulement par l'intermédiaire de l'interstice d'aspiration de gaz de manière à former un trajet de circulation de gaz à partir d'une source de gaz extérieur ; et - une soupape anti-retour (18) prévue dans la chambre de manière à permettre au gaz de circuler dans un sens depuis le tube intérieur (14, 16) en direction du tube extérieur (12) par l'intermédiaire de l'interstice (G) d'aspiration de gaz ; et en ce qu'il comprend : un tube (30) de formation d'ozone, refroidi par air, selon la revendication li installé dans le second tube conique (16) du tube intérieur, dont l'extrémité plate est tournée vers l'interstice (G) formé entre les premier et second tubes coniques (14, 16). 3. Dispositif de production d'ozone basé sur la dynamique des fluides selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un mélangeur liquide-gaz comprimé-liquide (20) qui comprend : un récipient (202) étanche à l'air, possédant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure ; une canalisation d'entrée (204) raccordant le récipient depuis son extrémité inférieure à la sortie d'eau du tube rapide (10) en permettant ainsi le transfert du liquide et du gaz arrivant depuis le tube rapide (10), dans le récipient (202) ; une canalisation de sortie (206) raccordée à l'extrémité inférieure du récipient, en permettant ainsi l'introduction d'eau à l'extérieur du récipient. 4. Dispositif de production d'ozone basé sur la dynamique des fluides selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier tube conique (14) possède une tube conique, et la base de cette tête conique est orientée vers l'entrée pour l'eau (122) du tube extérieur (12), et que le second tube conique (16) possède un diamètre qui diminue, puis reste constant depuis l'extrémité amont en direction de l'extrémité aval.