Brevet FR2895918A1 — publié le 20070713

L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant de mélanger dans l'atmosphère deux fluides dont l'un est amené sous pression par un tuyau d'alimentation et l'autre est amené à pression atmosphérique. Ce second fluide est le plus souvent de l'air présent en abondance sur le lieu du mélange. Il est connu que la réalisation d'un mélange de deux fluides nécessite le plus souvent une mise sous pression préalable de ceux-ci. Certains procédés connus de l'état de l'art consistent simplement à faire circuler les deux fluides dans un tuyau commun et à exploiter les effets des turbulences mécaniques pour réaliser le mélange. D'autres dispositifs connus consistent à amener dans une même enceinte les deux fluides sous pression, l'enceinte ayant une sortie débouchant dans l'atmosphère. Ces dispositifs portent le nom de buses lorsque la sortie est de faible dimension. Ces dispositifs connus utilisent souvent l'effet dit Venturi qui consiste à utiliser l'énergie cinétique d'un gaz sous pression débouchant d'un petit orifice pour créer une dépression aspirant l'autre fluide. Dans le cas de pistolets à peinture par exemple, l'énergie cinétique de l'air comprimé débouchant dans l'atmosphère crée une dépression en sortie de buse qui aspire le liquide chargé de pigments. Les systèmes mettant en oeuvre l'effet Venturi présentent l'avantage de n'imposer une mise sous pression qu'à un seul des deux fluides à mélanger, l'autre étant à pression atmosphérique. Ces dispositifs sont de faible performance car l'écart de pression entre celle du fluide ainsi aspiré et l'atmosphère est faible. Pour obtenir un mélange performant il convient d'effectuer le mélange sous une pression élevée eut égard à celle de l'atmosphère. Il convient donc d'amener les deux fluides sous pression avant d'en effectuer le mélange. Dans le cas par exemple des carburateurs de moteurs à combustion modernes sont injectés sous pression à la fois l'air et le carburant. Dans un autre exemple, celui de l'humidification de l'air par l'eau, il est courant d'alimenter les buses par un double système d'alimentation, l'une amenant l'eau sous pression et l'autre l'air comprimé. Mais alimenter sous pression les deux fluides conduit à des réalisations complexes car deux dispositifs de pressurisation et deux organes d'alimentations, généralement des tuyaux, sont nécessaires. L'invention porte sur un procédé et un dispositif permettant de mélanger de manière efficace dans l'atmosphère deux fluides dont un est amené sous pression et l'autre est amené à pression atmosphérique. Elle consiste à ponctionner une partie de l'énergie mécanique véhiculée par le fluide sous pression et à utiliser cette énergie ponctionnée pour élever la pression du deuxième fluide avant d'effectuer un mélange débouchant en final dans l'atmosphère. L'invention trouve une application notamment lorsque l'on veut vaporiser de l'eau dans l'air a fin d'humidification ou de climatisation. La description du procédé selon l'invention est faite en référence à la figure 1. Le fluide sous pression - désigné fluide primaire - est amené par le conduit (1). Le fluide à pression atmosphérique - désigné fluide secondaire - est amené par le conduit (2). Un récupérateur d'énergie (3) ponctionne une partie de l'énergie mécanique véhiculée par le fluide primaire, ce qui induit une diminution de sa pression ou de son débit. L'énergie récupérée est transmise sous forme mécanique, pneumatique ou électrique, par des moyens (5) au compresseur (4). Le compresseur (4) élève la pression du fluide secondaire entrant par le conduit (2) et ressortant par le conduit (7). Le fluide primaire véhiculé par le conduit (6) et le fluide secondaire véhiculé par le conduit (7) sont amenés dans une enceinte commune (8) dans laquelle se produit le mélange. Le mélange ainsi effectué sort du dispositif par l'orifice (9) qui débouche dans l'atmosphère. Le mélangeur (8) est couramment appelé buse lorsqu'il s'agit de mélanger un liquide avec un gaz, le plus souvent de l'eau avec de l'air. On parle dans ce cas de vaporisation. Selon un mode élaboré de l'invention, des vibrations mécaniques sont appliquées aux fluides transitant dans les conduits (6) et (7) respectivement, au moyen de générateurs de vibrations (10) et (11) respectivement, dans le but d'améliorer l'efficacité du mélange dans le mélangeur (8). Le spectre de vibration peut être choisi en fonction des fluides et de leurs débits. Les générateurs de vibrations (10) et (11) peuvent être réalisés par différents moyens connus de l'état de l'art, par exemple par une membrane ou une lame entrant en résonance sous l'effet de la circulation du fluide, par un dispositif en forme de sifflet, ou encore par un matériau piezo électrique alimenté par un dispositif électronique. Les avantages du procédé selon l'invention sont les suivants : • Le mélange des deux fluides peut se faire avec une bonne efficacité puisque les fluides sont présentés à l'entrée du mélangeur (8) à des niveaux de pressions que l'on peut choisir par conception bien supérieures à la pression atmosphérique présente en sortie du mélangeur (8) ; • La réalisation des dispositifs (1) et (2) amenant les fluides est facilitée puisqu'un seul des deux fluides est amené sous pression, l'autre étant à pression atmosphérique. Pour certaines applications le fluide secondaire est l'air ambiant ce qui facilite encore plus la réalisation ; • L'utilisation d'un dispositif selon l'invention est facilitée par le fait que le fonctionnement se pilote par le contrôle du débit du seul fluide primaire ; • Le transformateur d'énergie (3) qui ponctionne une partie de l'énergie véhiculée par le fluide dans le conduit (1) peut assurer de surcroît une fonction de régulation de pression en fournissant une pression régulière en (6) même si la pression en (1) est irrégulière ; • Les moyens (3), (4), (5) peuvent être réalisés de manière à générer les vibrations dans les fluides dans les conduits (6) et (7), ce qui évite de prévoir des moyens spécifiques (10) et (11) pour créer ces vibrations. • Il est possible d'effectuer des mesures à l'entrée du conduit (2), par exemple de température ou d'humidité, afin d'effectuer une régulation de débit fonction des valeurs mesurées. Nous allons présenter trois exemples de réalisations selon l'invention, en référence aux figures 2, 3 et 4. Selon une première réalisation de l'invention présentée par la figure 2, le fluide primaire est introduit par le conduit (1) à haute pression. Le mouvement du fluide actionne une turbine (3) qui entraîne un axe (5). Les pales de la turbine (3) peuvent être conçues de manière a induire des vibrations mécaniques sur le fluide, ce qui assure la fonction (10). Pour cela il est possible par exemple de réaliser des pâles présentant des aspérités ou des rainures, ou simplement de concevoir une turbine en forme de roue à aubes. Il est possible de concevoir une turbine (3) de grande inertie afin de maintenir une pression sensiblement régulière au niveau du conduit (6). L'axe (5) actionne un compresseur rotatif (4) dont la fonction est d'élever la pression du fluide secondaire (2) prélevé à pression atmosphérique. Le fluide secondaire ainsi comprimé ressort par le conduit (7). Les pales du compresseur (4) peuvent être conçues de manière à provoquer des vibrations mécaniques dans le fluide secondaire. Les fluides primaire et secondaire sous pression, et soumis le cas échéant à des surpressions vibratoires, sont amenés dans la buse de mélange (8) qui dispose d'un orifice (9) débouchant dans l'atmosphère. Selon une seconde réalisation de l'invention illustrée par les figures 3 et 4, les fonctions de récupération d'énergie (3), de compression (4) et de transmission (5) sont réalisées au moyen d'un piston placé à l'intérieur d'un cylindre. Le piston sépare le cylindre en deux chambres (13) et (15) à l'intérieur desquelles transitent les fluides respectivement primaire et secondaire. Le piston est soumis à la force de rappel d'un ressort. Le fonctionnement de cette seconde réalisation de l'invention s'effectue de manière cyclique, chaque cycle étant composé de deux phases expliquées ci-après en référence respectivement aux figures 3 et 4. Dans la figure 3, représentant la première phase, une vanne (12) en position fermée empêche le fluide primaire (1) de pénétrer dans la chambre (13), et une vanne (18) ouverte autorise le fluide secondaire à pénétrer dans la chambre (15). Le ressort (5) supposé comprimé se détend et pousse le piston (3) vers le bas, ce qui conduit à refouler le fluide primaire présent dans la chambre (13) vers le conduit (6) en passant à travers la valve (14) ouverte. Le mouvement du piston (4) aspire le fluide secondaire et le fait pénétrer dans la chambre (15) via une soupape (18). La soupape (18) est conçue de telle manière qu'elle permet l'introduction dans la chambre (15) du fluide secondaire par le conduit (2) mais pas sa sortie par le même conduit (2). Durant cette première phase de fonctionnement la soupape (17) est maintenue fermée. Dans la figure 4, représentant la seconde phase de fonctionnement, l'ouverture de la vanne (12) et la fermeture de la vanne (14) permet au fluide (1) de remplir la chambre (13). Le piston (4) est alors poussé par le fluide primaire sous pression, le ressort se comprime, et le fluide secondaire introduit dans la chambre (15) durant la phase précédente est évacué vers le conduit (7) via la vanne (17) ouverte, la vanne (18) étant fermée. L'alternance des première et seconde phases fait que les fluides primaire et secondaire sont amenés alternativement sous pression, et ce de manière cyclique, au sein de la buse de mélange (8). L'ouverture et la fermeture des vannes est pilotée par un dispositif de contrôle externe à l'invention, non représenté sur les figures. La période des cycles se traduit directement en période des vibrations mécaniques appliquées aux fluides pour faciliter leur mélange. Selon une variante de cette seconde réalisation, le piston et le ressort sont remplacés par une simple membrane élastique étanche placée à l'intérieur du cylindre. Le dispositif fonctionne correctement dès lors que la période des cycles d'ouverture et de fermeture des vannes est choisie de manière compatible avec l'élasticité et l'inertie de la membrane. Une membrane rigide imposera des périodes courtes alors qu'une membrane souple autorisera des périodes relativement longues. Une troisième forme de réalisation de l'invention est présentée en référence aux figures 5 et 6, qui présente chacune une phase du fonctionnement. Cette réalisation met en oeuvre deux pistons et un ressort. L'intérêt par rapport au second mode de réalisation réside dans les capacités offertes ici de concevoir des dispositifs de mélanges de fluides nécessitant des débits ou des pressions différents. Le mouvement vers le bas du piston est présenté par la figure 5 tandis que la remontée de ce dernier est décrite dans la figure 6. Dans la figure 5, une vanne fermée (12) empêche le fluide primaire (1) de pénétrer dans la chambre (13). Le ressort (5) se détend en repoussant le piston (3) vers le bas. Ce dernier refoule le fluide primaire dans le conduit (6) en passant à travers la valve (14) qui est ouverte. Le mouvement vers le bas du piston (4) ouvre la soupape (18) afin de remplir la chambre (15) du fluide (2). La soupape (17) est fermée pour éviter toute fuite du fluide secondaire (2) pressurisée dans le conduit (7). Dans la figure 6, l'ouverture de la vanne (12) et la fermeture de la vanne (14) permet au fluide (1) de remplir la chambre (13) afin de repousser le piston (4) vers le haut et comprimer dans la chambre (15) le fluide (2) grâce à la vanne (17) qui pressurise le conduit (7) alimentant la buse de mélange (8). La pression du fluide primaire (1) est supposée suffisante pour repousser le piston (4) malgré l'action contraire du ressort (5). Le mouvement alternatif des pistons (3) et (4) crée de surcroît des impulsions vibratoires dans les fluides ce qui favorise leur mélange. Une variante de ce troisième mode de réalisation consiste à remplacer les pistons et ressort par des membranes élastiques étanches reliées mécaniquement entre elles. Les trois réalisations indiquées ci-avant ne sont pas limitatives, d'autres réalisations étant permises dans le cadre de la même invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mélange de deux fluides avant rejet dans l'atmosphère, l'un étant amené à pression atmosphérique l'autre étant amené sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce qu'une partie de l'énergie cinétique du fluide amené sous pression supérieure à la pression atmosphérique est extraite et utilisée pour élever la pression de l'autre fluide avant d'effectuer le mélange. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide à pression atmosphérique est l'air ambiant et le fluide à pression supérieure à la pression atmosphérique est de l'eau. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des vibrations mécaniques sont appliquées aux deux fluides avant leur mélange afin d'augmenter l'efficacité de celui-ci. 20 4. Dispositif de mélange de deux fluides avant rejet dans l'atmosphère, l'un étant amené à pression atmosphérique l'autre étant amené sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce qu'une partie de l'énergie cinétique 25 du fluide amené sous pression supérieure à la pression atmosphérique est extraite et utilisée pour élever la pression de l'autre fluide avant d'effectuer le mélange. 5. Dispositif de mélange de deux fluides selon la revendication 4 30 caractérisé en ce que l'extraction d'énergie du fluide amené sous pression supérieure à la pression atmosphérique s'effectue au moyen d'une turbine entraînée par celui-ci, l'arbre de ladite turbine ainsi mis15en rotation servant à entraîner un compresseur placé sur le trajet du fluide à pression atmosphérique, ce qui a pour effet d'élever la pression de celui-ci. 6. Dispositif de mélange de deux fluides selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'extraction d'énergie du fluide amené sous pression supérieure à la pression atmosphérique s'effectue au moyen de deux pistons de diamètres différents, mécaniquement solidaires entre eux, fermant chacun une chambre à l'intérieur de laquelle transite l'un des fluides, d'un ressort rappelant les pistons à une position de repos, de vannes placées en entrée et en sortie de chacune des chambres, et d'un dispositif de contrôle de l'ouverture et de la fermeture des vannes. 7. Dispositif de mélange de deux fluides selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'extraction d'énergie du fluide amené sous pression supérieure à la pression atmosphérique s'effectue au moyen d'une membrane élastique placée dans une cavité, ladite membrane séparant la cavité en deux chambres à l'intérieur desquelles transitent respectivement l'un et l'autre des fluides, de vannes placées en entrée et en sortie de chacune des chambres, et d'un dispositif de contrôle de l'ouverture et de la fermeture des vannes. 8. Dispositif de mélange de deux fluides selon la revendication 4 caractérisé en ce que la récupération de l'énergie du fluide amené sous pression supérieure à la pression atmosphérique s'effectue au moyen de deux membranes élastiques de diamètre différents, les membranes étant reliées entre elles par une liaison mécanique rigide, chaque membrane refermant une chambre à l'intérieur de laquelle transite l'un des fluides, de vannes placées en entrée et en sortie de chacune des chambres, et d'un dispositif de contrôle de l'ouverture et de la fermeture des vannes. 9. Dispositif de mélange de deux fluides selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend une source de vibrations mécaniques qui sont appliquées aux deux fluides avant leur mélange afin d'améliorer l'efficacité de celui-ci. 10. Dispositif de mélange de deux fluides selon la revendication 9 caractérisé en ce que la source de vibrations mécaniques est réalisée par les cycles d'ouverture et de fermeture des vannes.10