Brevet FR2831834A1 — publié le 20030509

La présente invention concerne un procédé simple pour réaliser un mélange homogène d'au moins deux fluides simultanément à la génération du flux du mélange réalisé. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de produire l'apport, puis le mélange, puis la mise en mouvement du mélange d'au moins deux fluides : chimie, environnement, etc. Les opérations d'injection du ou des fluides rapportés, de brassage, et éventuellement de génération du flux sont habituellement produites par plusieurs organes différents, d'où la présence de systèmes complexes et souvent onéreux en exploitation tels que pompes, turbines, compresseurs, mélangeurs statiques ou dynamiques. Le procédé proposé s'appuie sur un seul organe en mouvement ; par ailleurs, il limite les turbulences à l'intérieur des fluides au juste nécessaire pour produire le mélange recherché. Ce procédé représente une solution robuste, simple, fiable et peu gourmande en énergie. On appellera A le fluide utilisé comme base du mélange recherché, et B le fluide rapporté et mélangé dans le fluide A par le procédé. Selon un principe identique à celui qui permet de mélanger B dans A et de mettre en mouvement les deux fluides, il est possible de rapporter dans le flux de base A , et simultanément à B , d'autres fluides en plus de B . La présentation générale qui suit s'appuie sur l'hypothèse que seuls deux fluides A et B sont à mélanger, la généralisation à plus de deux fluides est précisée en fin du présent document. Le procédé comporte en première caractéristique un flux du fluide A généré par des actions localement combinées de surpression et de dépression à l'intérieur du fluide ; la génération du flux est réalisée en mode essentiellement laminaire ; la surpression et la dépression sont très mobiles et balaient une section du flux de fluide A . Le procédé comporte en deuxième caractéristique un fluide B initialement non mélangé avec le fluide A , la pression du fluide B est localement supérieure à la celle existant localement dans la zone déprimée du fluide A . Cette zone localement plus déprimée dans le fluide A sera qualifiée de zone de dépression . La zone contenant localement le fluide B à une pression supérieure à celle de la zone de dépression sera qualifiée de alimentation de B . Le procédé comporte en troisième caractéristique une mise en communication entre la zone en dépression du fluide A et la zone d'alimentation de B ; l'écart de pression entre les deux fluides produit un flux de transfert du fluide B vers la zone de dépression . Le flux de fluide B introduit dans la zone de dépression est essentiellement laminaire, et similaire en vitesse et en direction au flux du fluide A . Le procédé comporte en quatrième caractéristique une zone dans laquelle le fluide en surpression A et les fluides A et B en dépression sont mis en contact ; l'écart de pression induit une turbulence, laquelle turbulence produit le mélange local des fluides A et B . Le balayage rapide par la surpression et la dépression de la section du flux de fluide A permet d'obtenir un flux résultant constitué d'un mélange intime des fluides A et B . Selon un mode particulier de réalisation, ces actions peuvent être générées par au moins un obstacle profilé mis en rotation autour d'un axe ; cet obstacle est immergé dans le fluide A ; il est en rotation autour de son axe et balaie la section du flux recherché de fluide A ; il comprend deux faces actives pour le procédé ; il est conformé pour développer lorsqu'il est en rotation : - Sur une de ses faces une zone de pression dynamique supérieure à la pression statique locale du fluide A à l'endroit ou l'obstacle est situé ; cette surpression produit pour partie le déplacement du fluide A dans la direction souhaitée du flux du mélange de A et B ; cette face sera qualifiée de face en surpression ; le flux sur cette face est essentiellement laminaire. - Sur son autre face une zone qualifiée de zone de dépression , de pression dynamique inférieure à la pression statique existant localement dans le fluide B , et inférieure localement à la pression statique du fluide A , cette dépression produit pour autre partie le déplacement du fluide A dans la direction souhaitée du flux du mélange de A et B ; cette face sera qualifiée de face en dépression ; le flux sur cette face est essentiellement laminaire. La mise en communication des deux fluides A et B peut être réalisée par au moins un orifice aménagé sur la face en dépression , à une position adaptée de la zone en dépression pour optimiser les effets d'aspiration du fluide B et de mise en mouvement des deux fluides. Cet orifice communique à travers des corps creux avec la zone ou se trouve le fluide B . A la mise en rotation de l'obstacle, le fluide B est aspiré à travers les corps creux et à travers l'orifice par la dépression produite dans la zone de dépression . Dans la zone ou les flux produits par la face en surpression et par la face en dépression se rejoignent, l'écart des pressions entre les deux flux produit une turbulence, laquelle turbulence mélange localement et intimement les fluides A et B . Le fluide B à mélanger avec le fluide A est donc réparti à la fois du fait de : - La rotation de l'obstacle dans le flux de fluide A , laquelle rotation génère une distribution spiralée du fluide B dans A , - La forme, la dimension et la position adaptée de l'orifice ou des orifices, - La turbulence qui se forme dans la zone ou se rejoignent les flux en surpression et en dépression. On obtient ainsi le mélange recherché du fluide de base A avec le fluide rapporté B , et la mise en mouvement de l'ensemble. Selon des modes particuliers de réalisation, ces obstacles peuvent être : - une ou plusieurs pales produisant un flux axial ; la figure 1 représente un dispositif à flux axial. - une ou plusieurs ailettes libres ou formant des canaux et produisant un flux centrifuge ; la figure 2 représente un dispositif à flux radial. Selon des modes particuliers de réalisation, l'aménagement de la surface en dépression pourra être : - Un seul orifice, de section importante, sur chaque obstacle. - Plusieurs orifices, de sections plus petites, répartis sur chaque obstacle afin de favoriser le mélange des fluides A et B - Un ou plusieurs orifices dotés de systèmes favorisant le niveau de dépression, utilisant par exemple l'effet Venturi. Selon des modes particuliers de réalisation, les corps creux permettant le transfert du fluide B vers le fluide A pourront être : - Les corps creux et en communication des organes techniques nécessaires pour la réalisation du procédé - Des matériels dédiés pour assurer le transfert du fluide B vers le fluide A , rajoutées aux organes techniques pleins. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé appliqué pourra nécessiter le mélange de plus de deux fluides ; sa mise en oeuvre pourra être réalisée par : - L'aménagement sur un même obstacle d'un nombre d'orifices alimentés par un nombre de circuits correspondant au nombre de fluides à rapporter. - La présence de plusieurs obstacles ou séries d'obstacles, chaque obstacle ou série d'obstacles étant aménagé pour permettre le transfert et l'aspiration de chaque fluide. Les figures annexées illustrent l'invention, appliquée au mélange et à la mise en mouvement du mélange de deux fluides : - La figure 1 représente un dispositif à deux pales à flux axial ; le fluide B passe à travers l'arbre creux avant d'être distribué via l'intérieur des pales creuses dans le fluide A . - La figure 2 représente un dispositif à quatre pales à flux radial ; le fluide B passe à travers l'arbre creux avant d'être distribué via l'intérieur des ailettes de la turbine dans le fluide A . A titre d'exemple non limitatif, le diamètre extérieur couvert par l'extrémité des obstacles pourra se situer entre un centimètre et dix mètres ; 1es orifices de passage du fluide B dans la zone en dépression produite par la rotation des éléments profilés pourront être de section comprise entre un centième de millimètre carré et un demi mètre carré. Selon un mode particulier d'application du procédé consistant à créer un flux axial de mélange d'un fluide A eau et d'un fluide B air, un dispositif peut être constitué d'une hélice à deux pales ; la projection de chacune de ces pales sur le cercle décrit par leurs extrémités couvre un angle compris ente 90 et 180 , suffisant pour éviter la création d'un anneau de gaz à l'intérieur duquel les pales ne pourraient avoir l'effet d'entraînement escompté sur l'eau ; le pas moyen de l'hélice est compris ente 50 et 150 millimètres, un pas plus important limitant la qualité du mélange du fait de la génération d'une hélicoïde dont le pas est trop important au regard de la turbulence produite, un pas plus faible ne permettant pas au mélange d'évacuer correctement la zone ou tourne l'hélice ; l'inclinaison des extrémités de pales par rapport à l'axe de rotation est décroissante depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite, avec un écart compris entre 5 et 15 , afin de créer une face en surpression et une autre en dépression avec une zone de dépression notable-chaque pale est dotée d'un orifice elliptique dont la surface est comprise entre un millième et un centième de la surface de la veine de flux produite ; ces orifices sont sur un rayon moyen situé au 2/3 du bord d'attaque de la pale et au 1/3 du bord de fuite de la pale, cette situation représentant la zone de dépression maximale sur la face en dépression ; ces orifices sont situés sur un diamètre de 60 % à 90 % du diamètre extérieur des pales, afin d'éviter l'arrivée de gaz dans le tourbillon produit par les extrémités de pales, lequel tourbillon mélangé à du gaz désamorcerait l'hélice. Selon un mode particulier d'application industrielle du procédé consistant en l'aération d'eau polluée, tel que décrit en figure 3 : le fluide A est l'eau contenant une forte pollution organique, le fluide B est l'air atmosphérique ; un arbre creux (2) en rotation entraîne une hélice à deux pales (5) du type ce celles décrites au paragraphe précédent, équipées chacune d'un orifice situé au tiers arrière des profils ; ces orifices de forme elliptique sont situés sur un diamètre moyen de 80 % du diamètre extérieur de l'hélice ; l'air (1) est aspiré à travers l'arbre creux, puis les pales creuses, puis les orifices elliptiques ; l'hélice aspire aussi le liquide (4) ; un flux de mélange homogène de liquide et de fines bulles (7) est produit avec une consommation énergétique faible ; ce flux est dirigé dans un tube vertical de fort diamètre (6) vers le fond de la cuve, puis il remonte dans l'espace (8) situé entre les parois de la cuve et le tube avant d'être de nouveau aspiré par 1'hélice ; 1'augmentation de pression de ce mélange au fond du bassin améliore significativement le taux de dilution de l'oxygène dans l'eau. REVENDICATIONS 1-Procédé pour produire un flux de mélange d'au moins deux fluides, dont A fluide de base et B un des fluides rapportés, caractérisé par : - Des actions localement combinées de surpression et de dépression à l'intérieur du fluide A en vue de générer ce flux essentiellement laminaire -Le balayage par la surpression et la dépression, très mobiles, d'une section du flux de fluide A . ; - La présence d'une zone de dépression dynamique dans A , de pression localement inférieure à la pression statique locale du fluide A et à une zone de pression locale du fluide à rapporter B , cette dernière zone étant appelée alimentation de B ; - La mise en communication de la zone de dépression dynamique locale et de la zone alimentation de B , tel que le flux de fluide B introduit dans la zone de dépression est essentiellement laminaire, et similaire en vitesse et en direction au flux du fluide A . - La présence d'une zone dans laquelle le fluide en surpression A et les fluides en dépression A et B sont mis en contact ; la turbulence induite produit le mélange local des fluides A et B . - Le balayage rapide par la surpression et la dépression de la section du flux de fluide A permet d'obtenir le flux résultant constitué d'un mélange intime des fluides A et B . 2-Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication nO l, caractérisé par la présence d'au moins un obstacle en rotation autour d'un axe pour produire les actions localement combinées de surpression et de dépression, et assurer le flux et le mélange recherché. 3-Dispositif selon la revendication n 2, caractérisé par l'injection simultanée de deux fluides ou plus dans le fluide A par des obstacles disposant chacun de deux ou plusieurs orifices, chaque orifice ou groupe d'orifices sur un même obstacle étant dédié à un fluide rapporté particulier. 4-Dispositif selon la revendication n 2, caractérisé par l'injection simultanée d'au moins deux fluides dans le fluide A , par des obstacles disposant chacun d'au moins un orifice, la totalité des orifices de chaque obstacle étant dédié à un fluide particulier. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications n 2 à n 4, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs pales en rotation produisent un flux axial du mélange des fluides. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications n 2 à n 4, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs ailettes en rotation produisent un flux radial du mélange des fluides. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications n 2 à n 6, caractérisé par la présence d'orifices simples de types trous ou fentes, uniques ou multiples, sur les faces en dépression des obstacles. 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications n 2 à n 7, caractérisé en ce que des aménagements fixés sur les faces en dépression des obstacles augmentent la dépression dynamique, pour améliorer le niveau d'aspiration des fluides rapportés dans le fluide A . 9-Utilisation du procédé selon la revendication n l ou du dispositif selon l'une quelconque des revendications n 2 à n 8 pour l'aération des eaux polluée d'un bassin, le fluide A étant de l'eau contenant une forte pollution organique, et le fluide B étant de l'air.