Brevet FR2873938A1 — publié le 20060210

BUSE D'ARROSAGE L'invention concerne une buse d'arrosage, notamment une buse d'arrosage pour des installations de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples. La distillation à effets multiples (MED, multiple effect distillation) est, à côté de la distillation par détentes successives, l'une des deux principales méthodes industrielles de dessalement de l'eau de mer imitant le cycle naturel de l'eau (évaporation-condensation-pluie). Cette méthode met à profit la chaleur de condensation, libérée lors de la condensation d'une première quantité de vapeur d'eau, pour vaporiser de l'eau de mer et générer ainsi de nouveau de la vapeur d'eau susceptible d'être condensée, etc... Cette succession d'évaporations et de condensations n'est possible qu'à condition que la pression de vaporisation diminue suffisamment à chaque étape pour permettre un abaissement correspondant de la température de vaporisation. Une installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples comprend ainsi une multitude de chambres ou cellules de distillation juxtaposées, appelées effets , qui fonctionnent à des pressions et températures décroissantes du premier au dernier effet. Le premier effet, qui est aussi le plus chaud, est alimenté par de la vapeur d'eau se condensant à une température généralement comprise entre environ 60 et 70 C (vapeur de chauffe). La condensation de cette vapeur chaude dans l'échangeur de chaleur du premier effet libère de la chaleur de condensation. Cette chaleur de condensation fournit l'énergie de vaporisation (chaleur latente d'évaporation) nécessaire pour transformer en vapeur une partie de l'eau de mer s'écoulant en film mince sur l'autre face de l'échangeur de chaleur. La vapeur d'eau ainsi formée peut être utilisée pour alimenter l'échangeur de chaleur d'un deuxième effet de conception similaire au premier mais fonctionnant à une température et une pression plus basses. Pour qu'une telle installation à effets multiples fonctionne avec un bon rendement et sans perturbations, il est essentiel de garantir un écoulement régulier de l'eau de mer d'alimentation en film mince sur la plus grande surface externe possible des tubes échangeurs de chaleur, généralement rassemblés en faisceaux, c'est-à-dire une aspersion homogène de ces tubes. Or, la pulvérisation d'un milieu liquide en fines 2873938 2 gouttelettes suppose généralement le passage de ce liquide sous pression à travers des orifices de faibles dimensions ou à travers des chambres de turbulence contenant des éléments déflecteurs internes formant obstacle à l'écoulement du fluide. On comprendra facilement qu'un tel mécanisme de pulvérisation est problématique pour des milieux liquides naturels tels que l'eau de mer, contenant un grand nombre d'impuretés insolubles (algues, plancton, sable) susceptibles de boucher ces orifices. Une filtration poussée préalable du milieu liquide prélevé implique une perte de charge importante préjudiciable au bon rendement de l'installation et crée en outre un coût de fonctionnement lié à la nécessité de nettoyer régulièrement les éléments filtrants. Une autre approche pour disperser finement et de façon homogène un liquide naturel tel que l'eau de mer sans le faire passer par des obstacles ou des orifices de faibles dimensions est décrite dans la demande française de la Demanderesse, publiée sous le numéro FR 2 811 916. La buse d'arrosage décrite dans cette demande comprend une chambre de turbulence cylindrique dans laquelle le fluide d'arrosage est mis en rotation selon un écoulement tourbillonnaire principal. La conformation particulière en gradins de la face supérieure de la chambre de turbulence crée une série de vortex secondaires portés par le tourbillon principal, l'ensemble tourbillonnaire remplissant la chambre de turbulence de telle sorte que le cône d'arrosage formé par le diffuseur est un cône plein. Le risque de bouchage d'une telle buse, exempte d'obstacles ou d'orifices de faibles dimensions, peut être totalement éliminé par une simple filtration grossière n'impliquant pratiquement aucune perte de charge ni coût de nettoyage. Bien que cette buse permette en principe une dispersion homogène de l'eau de mer sans risque de bouchage ni perte de charge, ce dispositif, dans les conditions réelles de fonctionnement avec injection du fluide sous pression dans une enceinte sous vide partiel, s'est avéré en partie insatisfaisant car il fournit un débit d'arrosage instable présentant des pulsations plus ou moins régulières impossibles à corriger. La Demanderesse a par conséquent poursuivi ses recherches pour améliorer l'hydrodynamique de la buse du type décrit ci-dessus. Ces recherches ont abouti à une buse d'arrosage comportant, en tant que moyen mécanique pour créer les tourbillons secondaires, non pas 2873938 3 des gradins tels que décrits dans FR 2 811 916, mais des sillons radiaux disposés de façon particulière, sans symétrie de rotation par rapport à l'axe central de la chambre de turbulence. La présente invention a par conséquent pour objet une buse d'arrosage comportant une chambre de turbulence essentiellement cylindrique avec une paroi supérieure et une paroi inférieure, un conduit d'arrivée du liquide d'arrosage débouchant dans la chambre de turbulence selon une direction provoquant un écoulement tangentiel du liquide dans la chambre de turbulence, et un diffuseur, en forme de pavillon de trompette s'élargissant vers le bas, coaxial par rapport à la chambre de turbulence, caractérisé par le fait que la paroi supérieure de la chambre de turbulence comporte, sur sa face interne, une dépression centrale ainsi qu'un certain nombre de sillons disposés radialement dans un premier secteur correspondant au début du chemin d'écoulement tangentiel du liquide d'arrosage dans la chambre de turbulence, l'autre secteur, complémentaire du secteur, étant exempt de sillons. Bien que particulièrement utile dans des installations de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples, la buse de la présente invention peut être utilisées dans toutes les applications où il s'agit de disperser finement, sans risque de bouchage, un milieu liquide faiblement visqueux selon un cône de dispersion plein. Dans la description ci-après, on utilisera à plusieurs reprises les adjectifs horizontal et vertical qui n'ont de sens que dans la mesure où la buse d'arrosage qu'il s'agit décrire a une orientation déterminée dans l'espace. Pour les fins de la description, cette orientation spatiale est telle que l'axe central de la chambre de turbulence et du diffuseur est un axe vertical et les parois inférieure et supérieure de la chambre de turbulence cylindrique sont chacune dans un plan horizontal, perpendiculaire à cet axe central vertical. Dans cette position, la direction d'écoulement du liquide dans le conduit d'arrivé est également située dans un plan sensiblement horizontal. La chambre de turbulence de la buse d'arrosage selon l'invention a de préférence la forme d'un cylindre relativement plat, c'est-à-dire d'un cylindre ayant une hauteur inférieure au diamètre de la base. Le rapport de la hauteur de la chambre de turbulence au diamètre des 2873938 4 parois inférieure ou supérieur est de préférence compris entre 0,6 et 0,8 et en particulier entre 0,65 et 0,75. Dans la buse de la présente invention, le liquide d'arrosage est injecté dans la chambre de turbulence selon une direction tangentielle sensiblement horizontale. Le liquide injecté ainsi sous pression s'écoule tangentiellement à l'enveloppe du cylindre (chambre de turbulence) et forme un tourbillon principal. La force centrifuge de ce tourbillon principal, en l'absence de dépression centrale et de sillons dans la paroi supérieure de la buse, donnerait lieu à une dispersion du liquide selon un cône creux, arrosant uniquement les bords d'une zone circulaire. Les sillons et la dépression centrale prévus dans la paroi supérieure de la buse selon l'invention ont pour fonction de créer des turbulences secondaires et de diminuer l'importance relative du tourbillon principal, en amenant une partie du liquide vers la zone centrale de la chambre de turbulence. La Demanderesse, dans le cadre des très nombreux essais hydrodynamique réalisés pour aboutir à la présente invention, a constaté avec surprise qu'une disposition des sillons selon une symétrie de révolution ne permettait pas une dispersion parfaitement régulière du liquide et donnait systématiquement lieu à un défaut d'arrosage dans une zone excentrée. Par contre, lorsque les sillons sont prévus uniquement dans un secteur donné de la paroi supérieure de la chambre de turbulence, on obtient un cône d'arrosage plein permettant une humidification régulière de l'ensemble de la zone d'arrosage circulaire. Ce secteur présentant des sillons radiaux doit couvrir au moins la moitié de la surface de la paroi supérieure et doit correspondre au début du chemin d'écoulement tangentiel du liquide d'arrosage dans la chambre de turbulence. Un deuxième secteur exempt de sillons, complémentaire au premier secteur, correspond à la fin du chemin d'écoulement tangentiel du liquide d'arrosage dans la chambre de turbulence. Ce deuxième secteur exempt de sillons couvre de préférence un angle a compris entre 180 et 90 , de préférence entre 150 et 120 . Le nombre et les dimensions des sillons radiaux situés dans le premier secteur ont une grande influence sur le comportement hydrodynamique de la buse d'arrosage selon l'invention. En effet, un nombre insuffisant ou excessif de sillons se traduit respectivement par un excès ou par un défaut d'arrosage dans la périphérie de la zone d'arrosage. La Demanderesse a constaté qu'un nombre de sillons égal à 2873938 5 3, 4, 5, 6 ou 7, de préférence égal à 4, 5 ou 6 et en particulier égal à 5, donnait les meilleurs résultats en termes d'homogénéité d'arrosage. Dans un mode de réalisation préféré de la buse d'arrosage selon l'invention, le conduit d'arrivée a une section transversale sensiblement rectangulaire au moins dans la partie où il débouche dans la chambre de turbulence. En amont de cette zone à section rectangulaire, le conduit d'arrivée a avantageusement une section transversale circulaire et un filetage permettant de fixer la buse sur l'alimentation en liquide d'arrosage. Dans la zone à section rectangulaire, une face verticale du conduit d'arrivée est située de préférence dans un plan tangent à l'enveloppe du cylindre de la chambre de turbulence. La hauteur de cette face verticale et de la face opposée à celle-ci est a peu près égale à la moitié de la hauteur totale de la chambre de turbulence, autrement dit le rapport de la hauteur (dimension verticale) de la section transversale du conduit d'arrivé à la hauteur de la chambre de turbulence cylindrique est de préférence compris entre 0,7 et 0,3, de préférence entre 0,4 et 0,6. La dimension horizontale (largeur) du conduit d'arrivée est de préférence voisine du rayon de la chambre cylindrique, autrement dit le rapport de la largeur de la section transversale du conduit d'arrivée au rayon (r) de la chambre de turbulence est compris entre 0,8 et 1,1, de préférence entre 0,9 et 1. Le liquide d'arrosage est ainsi injecté dans la chambre de turbulence sur une largeur a peu près égale au rayon de la chambre de turbulence. Comme indiqué ci-dessus, dans cette première zone d'écoulement, la paroi supérieure de la chambre de turbulence comporte un certain nombre de sillons disposés radialement et se rejoignant au centre de la paroi. Le premier de ces sillons est de préférence sensiblement parallèle à l'axe du conduit d'arrivé ou forme avec celui-ci un angle aigu (R) inférieur ou égal à 20 , de préférence inférieur ou égal à 10 . Les autres sillons sont disposés radialement à une même distance angulaire les uns des autres à l'image des pétales d'une corolle de fleur, à ceci près qu'ils ne couvrent pas la totalité du disque formé par la paroi supérieure mais uniquement un premier secteur de celui-ci. L'effet visuel est comparable à celui d'une corolle de fleur à laquelle on aurait arraché les pétales sur une partie de sa circonférence. 2873938 6 Les sillons, pour être efficaces, doivent avoir une certaine profondeur par rapport à la hauteur globale de la chambre de turbulence. Des sillons trop plats n'arrivent en effet pas à perturber efficacement le tourbillon principal du liquide d'arrosage et à s'opposer à la force centrifuge de celui-ci. Des sillons trop profonds, au contraire, entraîneraient une centralisation excessive du liquide d'arrosage aboutissant à un excès de liquide au centre du cône d'arrosage. La Demanderesse a constaté que l'on obtenait généralement un cône d'arrosage plein d'une régularité satisfaisante pour un rapport de la profondeur des sillons à la hauteur totale de la chambre de turbulence (= profondeur des sillons + hauteur libre) compris entre 0,2 et 0,5, de préférence entre 0,25 et 0,35. On entend par profondeur des sillons ici la profondeur maximale des sillons au niveau de leur extrémité périphérique. Cette profondeur décroît vers le centre de la corolle de sillons en raison de la dépression centrale qui touche l'ensemble de la surface de la paroi supérieure, c'est-à-dire aussi bien le secteur comportant des sillons que le secteur dépourvu de sillons. La profondeur des sillons peut ainsi être réduite de plus de la moitié entre leur extrémité périphérique et l'endroit où les sillons se rejoignent en une zone centrale creuse. La largeur des sillons est de préférence similaire à la profondeur maximale de ceux-ci. On peut définir plus précisément un rapport préféré de la largeur à la profondeur maximale compris entre 0,8 et 1,2, et en particulier entre 0,9 et 1,1. L'eau d'arrosage quitte la chambre de turbulence par le diffuseur prévu dans la paroi inférieure de la chambre de turbulence. Ce diffuseur est coaxial par rapport à la chambre de turbulence. Le rapport du diamètre interne de ce diffuseur au diamètre interne de la chambre de turbulence est de préférence compris entre 0,2 et 0,4, en particulier entre 0,25 et 0,35. Le diffuseur comprend une partie essentiellement cylindrique, située entre la chambre de turbulence et la partie en forme de pavillon de trompette du diffuseur. Le rapport de la hauteur de la partie essentiellement cylindrique à la hauteur de la partie en forme de pavillon de trompette est de préférence compris entre 0,1 et 0,5, en particulier entre 0,2 et 0,4. L'invention a en outre pour objet une installation de dessalement d'eau de mer par distillation comportant au moins une buse d'arrosage 2873938 7 telle que décrite ci-dessus. Cette installation de dessalement est de préférence une installation à effets multiples telle que décrite dans l'introduction. Dans une telle installation chaque effet comporte au moins une buse d'arrosage selon l'invention, disposée(s) au dessus des tubes échangeurs de chaleur dans lesquels a lieu la condensation de vapeur d'eau qui fournira l'énergie nécessaire pour l'évaporation de l'eau de mer pulvérisée par les buses d'arrosage. La buse d'arrosage selon l'invention peut toutefois également être utilisée dans d'autres procédés industriels tels que des procédés de dépollution des fumées ou de traitement des eaux. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective de la buse d'arrosage selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en section transversale de la buse de la figure 1 selon le plan horizontal comprenant l'axe A-A' montrant la face intérieure de la paroi supérieure de la chambre de turbulence, - la figure 3 est une vue en section transversale de la buse de la figure 1 selon le plan vertical perpendiculaire à l'axe A-A', et - la figure 4 est une vue en perspective par le dessous de la surface interne de la paroi supérieure de la chambre de turbulence d'une buse d'arrosage selon l'invention. La figure 1 montre une buse selon l'invention avec une chambre de turbulence 1 ayant une forme essentiellement cylindrique, plus particulièrement la forme d'un cylindre plat dont la hauteur est légèrement inférieure au diamètre de sa base. Dans cette chambre de turbulence 1 débouche un conduit d'arrivée du liquide d'arrosage 3 disposé selon un axe A-A' sensiblement horizontal. Dans la partie qui précède immédiatement l'embouchure dans la chambre de turbulence, le conduit d'arrivée du liquide d'arrosage a une section rectangulaire. Une des quatre faces de cette partie du conduit d'arrivée 3 est située dans le plan tangent à l'enveloppe du cylindre de la chambre de turbulence, particularité qui est mieux visible sur la figure 2 décrite en détail ciaprès. A son extrémité distale, le conduit d'arrivée du liquide d'arrosage a une section circulaire et comporte un filetage extérieur 2873938 8 permettant de le fixer par vissage dans le système d'alimentation en liquide d'arrosage. La chambre de turbulence comporte une deuxième ouverture, circulaire, située au centre de la paroi inférieure 2b de la chambre de turbulence, où prend naissance le diffuseur 5 du liquide d'arrosage. Ce diffuseur 5 est parfaitement coaxial par rapport à la chambre de turbulence. Il est constitué d'une première partie, supérieure, essentiellement cylindrique et d'une deuxième partie en forme de pavillon de trompette. Sur cette figure 1 la surface externe de la paroi supérieure 2a est parfaitement plane et ne reflète aucunement la géométrie particulière de sa surface interne expliquée en détail en référence aux figures 2, 3 et 4 ci-après. La Demanderesse entend toutefois également protéger des buses où la forme de la surface extérieure de la paroi supérieure 2a reflète au moins partiellement la géométrie de la face intérieure, avec les parties en creux correspondant aux parties en saillie sur la face opposée et inversement. La figure 2 montre la disposition particulière des sillons dans la surface interne de la paroi supérieure 2a de la buse selon l'invention. Cette surface comporte au total cinq sillons 6 arrondis à leurs extrémités. Ces cinq sillons définissent un premier secteur 4a d'un angle complémentaire à l'angle a. Ce premier secteur 4a correspond au début du chemin d'écoulement du liquide d'arrosage arrivant par le conduit 3. Le deuxième secteur 4b est exempt de sillons et a ici un angle a égal à 155 . Le premier sillon 6a forme ici un angle aigu R de 12 avec l'axe du conduit d'arrivé mais peut éventuellement être parallèle à cet axe (8 = 0). Le secteur 4b exempt de sillons ainsi que les quatre surfaces triangulaires séparant les sillons ne sont pas des surfaces horizontales mais des surfaces pentues vers le centre de la paroi 2a. Cette pente, invisible sur cette figure 2 du fait de la perspective par le dessous, apparaît clairement sur les figures 3 et 4 ci-après. La figure 3 est une vue en section transversale, depuis le point A', de la chambre de turbulence. Sur cette figure apparaît clairement la section transversale du conduit d'arrivée du liquide d'arrosage 3. Pour des raisons de clarté de la représentation, les sillons présents sur une partie de la paroi supérieure 2a ont été omis sur cette figure. La paroi 2a comporte une dépression centrale 7 qui couvre ici la 2873938 9 totalité de sa surface. La présente invention englobe toutefois également des modes de réalisation ou une zone périphérique de la surface interne de la paroi supérieure 2a est parfaitement horizontale et comporte une dépression centrale d'une taille relativement plus limitée que sur cette figure 3. La dépression 7 correspond ici à une concavité de la surface interne de la paroi supérieure 2a mais peut tout aussi bien être un creux en forme de cône, tronqué ou non, avec une pente constante sur toute la longueur des sillons. La figure 4 est une synthèse des figures 2 et 3 montrant à la fois la disposition des cinq sillons et la dépression centrale dans la surface interne de la paroi supérieure. Sur cette figure, la pente de la dépression centrale est une pente droite d'une valeur telle que la profondeur des sillons diminue environ de moitié entre leur extrémité périphérique et le point où chaque sillon rejoint le ou les sillon(s) voisin(s). 2873938 10 REVENDICATIONS 1. Buse d'arrosage comportant une chambre de turbulence (1) essentiellement cylindrique avec une paroi supérieure (2a) et une paroi inférieure (2b), un conduit d'arrivée (3) du liquide d'arrosage débouchant dans la chambre de turbulence selon une direction provoquant un écoulement tangentiel du liquide dans la chambre de turbulence, et un diffuseur (5), en forme de pavillon de trompette s'élargissant vers le bas, coaxial par rapport à la chambre de turbulence, caractérisé par le fait que la paroi supérieure (2a) de la chambre de turbulence comporte, sur sa face interne, une dépression centrale (7) ainsi qu'un certain nombre de sillons (6) disposés radialement dans un premier secteur (4a) correspondant au début du chemin d'écoulement tangentiel du liquide d'arrosage dans la chambre de turbulence, l'autre secteur (4b), complémentaire du secteur (4a), étant exempt de sillons. 2. Buse d'arrosage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le rapport de la hauteur de la chambre de turbulence au diamètre des parois inférieure ou supérieur est compris entre 0,6 et 0,8 de préférence entre 0,65 et 0,75. 3. Buse d'arrosage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'angle (a) du secteur (4b) exempt de sillons est compris entre 180 et 90 , de préférence entre 150 et 120 . 4. Buse d'arrosage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le nombre de sillons (6) est égal à 3, 4, 5, 6 ou 7, de préférence égal à 4, 5 ou 6 et en particulier égal à 5. 5. Buse d'arrosage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la section transversale du conduit d'arrivée (3), dans la partie où il débouche dans la chambre de turbulence, est sensiblement rectangulaire, une face du conduit d'arrivée étant située dans un plan tangent à l'enveloppe du cylindre de la chambre de turbulence. 6. Buse d'arrosage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le rapport de la largeur (dimension horizontale) de la section transversale du conduit d'arrivée au rayon (r) de la chambre de turbulence est compris entre 0,8 et 1,1, de préférence entre 0,9 et 1. 2873938 11 7. Buse d'arrosage selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que le rapport de la hauteur (dimension verticale) de la section transversale du conduit d'arrivé à la hauteur de la chambre de turbulence cylindrique est compris entre 0,7 et 0,3, de préférence entre 0,4 et 0,6. 8. Buse d'arrosage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le premier sillon (6a) forme avec l'axe du conduit d'arrivée un angle aigu ((3) inférieur ou égal à 20 0, de préférence inférieur ou égal à 10 0. 9. Buse d'arrosage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le rapport de la profondeur des sillons (6) à la hauteur totale de la chambre de turbulence (1) est compris entre 0,2 et 0,5, de préférence entre 0,25 et 0,35. 10. Buse d'arrosage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le diffuseur (5) comprend une première partie (5a) essentiellement cylindrique et une deuxième partie (5b) en forme de pavillon de trompette. 11. Installation de dessalement d'eau de mer par distillation comportant au moins une buse d'arrosage selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Installation de dessalement d'eau de mer selon la revendication 11, caractérisée par le fait qu'il s'agit d'une installation à effets multiples et que chaque effet comporte au moins une buse d'arrosage, disposée(s) au dessus et arrosant des tubes échangeurs de chaleur dans lesquels a lieu la condensation de vapeur d'eau fournissant l'énergie nécessaire pour l'évaporation de l'eau de mer pulvérisée par les buses d'arrosage.