Brevet FR3134386A1 — publié le 20231013

Aérateur de surface à turbine verticale descendante : A la différence des aérateurs actuels qui sont soit à turbine montante soit à éjection latérale, celui-ci permet de générer un nuage de bulles d’air sous la machine, ce sans cavitation. Le procédé utilisé repose sur la génération d’une turbulence conique spécifique de 30 à 40 degrés d’ouverture qui tout en entrainant la quantité requise de bulles d’air à une profondeur précise, les éloigne suffisamment des aubes hydrauliques. Figure 1. Cette machine d’aération est composée de trois éléments distincts permettant de séquencer le procédé, à savoir une turbine strictement hydraulique générant une turbulence conique de trente à quarante degrés d’ouverture environ, un système d’injection d’air reposant sur un effet centrifuge délivrant la quantité précise d’air sous forme de bulles calibrées au sommet du cône précité et enfin d’un système anti-cavitation isolant l’hélice de la surface et piégeant les bulles susceptibles de provoquer une cavitation ; la juxtaposition de ces trois éléments est indispensable et caractérisante du procédé. L’intégration de ces trois éléments permettant de supprimer toute cavitation, le rendement est nettement supérieur du fait de l’absence d’élévation d’eau, les échanges gazeux étant favorisés par la durée du transit des bulles d’air dans l’eau. Cet appareil est destiné à remplacer les aérateurs actuellement utilisés ou à équiper la machine faisant l’objet de notre brevet N° FR 2000351 du 13/01/2020. Aérateur de surface à turbine verticale descendante La présente innovation concerne un système hydraulique destiné à équiper soit notre système en cours de publication par l’INPI sous le numéro : FR2000351 du 16/07/2021, soit à fonctionner de façon autonome dans des plans d’eau. À la différence des systèmes existant qui sont soit à turbines montantes-l ’eau étant élevée - soit à turbine à éjection latérale - l’eau mélangée à des bulles d’air devant être éloigné de la turbine afin de prévenir toute cavitation -, le procédé qui va être décrit permet l’injection d’un mélange eau/air verticalement à des fins d’oxygénation. Le procédé repose sur le séquençage des différentes opérations, ce par la juxtaposition de trois éléments distincts intégrés dans la même machine. L’origine de la cavitation interdisant l’usage « vertical » des machines actuellement présentes sur le marché tient avant tout au procédé utilisé pour inclure l’air dans l’eau : soit un venturi. Pour créer un venturi, on doit accélérer fortement l’eau, puis la diriger dans une enceinte où elle décélère brutalement en présence d’air, cette enceinte pouvant être remplacée par une forte convergence des turbulences générées par les pales de la turbine, entrainant la création d’une zone de cisaillement où l’air est introduit. Ce procédé induit plusieurs problèmes comme la génération d’un courant étroit et violent d’où les bulles s’échappent rapidement ( donc à proximité immédiate de la turbine qu’elles font caviter), mais aussi la génération de bulles de toutes tailles —, la forte zone de cisaillement entrainant le fractionnement des plus grosses en bulles plus petites ; enfin l’évent d’amené d’air doit être implanté immédiatement à l’aval des aubes, ce qui provoque une remontée d’air dans les micro turbulences immanquablement présentes à cet endroit — d’où une forte dégradation des performances de la turbine et la création de toutes petites bulles qui restent très longtemps en suspension dans l’eau. Afin de pallier ces différents problèmes, nous n’utiliserons pas l’effet venturi comme unique méthode d’injection de l’air, et nous séquençons en trois temps le procédé : une turbine strictement hydraulique, un système d’injection d’air et un système anti-cavitation. Le procédé choisi consiste à générer une turbulence de forme conique s’évasant vers le bas, d’introduire en partie haute de ce cône la quantité précise d’air requis pour oxygéner l’eau sous la forme de bulles calibrées excluant impérativement les plus petites et enfin d’implanter en haut de la turbine un système anti-cavitation nécessaire pour isoler la machine de la surface. L’oxygénation de l’eau, dans le cas où la machine est implantée seule, se fait en plusieurs temps : l’air injecté commence par descendre dans le cône de turbulence, avec l’évasement du cône, le flux d’eau et de bulles mélangé ralenti progressivement. Lorsque la vitesse de remontée des bulles (qui est fonction de leur diamètre) le permet, ces bulles rentrent dans la turbulence et sont éjectées latéralement : on peut choisir la profondeur où cela intervient en faisant varier soit la taille des bulles, soit la vitesse d’éjection de l’eau par la turbine hydraulique et sa vitesse de décélération (fonction de l’angle du cône généré). Les bulles remontent alors en traversant le courant latéral alimentant la turbine. Fig.1. C’est donc l’évasement de ce cône qui éloigne les bulles de la turbine. Et c’est leur remontée homogène et rapide qui empêche qu’elles reviennent dans la turbine. L’eau rentrant dans le système est donc d’abord oxygénée par les bulles remontantes, puis pour une faible part lors du transit dans le cône de turbulence, l’oxygénation principale intervenant lorsque les bulles traversent la turbulence, le poids de la colonne d’eau présent à ce niveau induisant une sur- saturation. L’énergie mise en œuvre elle sert un peu à amener la quantité requise d’air à la profondeur voulu, mais avant tout à accélérer modérément un fort volume d’eau. Description des trois éléments constituant la machine : 1) La Turbine Hydraulique On l’implante en surface, la partie supérieure émergeant. Voir Fig.1 et 2. La turbine hydraulique doit accélérer suffisamment l’eau formant le cône descendant afin d’obtenir une sorte de cloche évasée vers le bas, infranchissable par les bulles d’air. Si l’eau circule ensuite dans un tube de réinjection (cf. brevet en cours cité précédemment), c’est la vitesse désirée dans ce tube qui détermine la vitesse initiale (VO) et le volume accéléré. Si la machine est installée seule, c’est la profondeur retenue pour la sortie des bulles qui conditionne la vitesse initiale. Les deux paramètres sont le pas de l’hélice et sa vitesse de rotation pour ce qui est de la vitesse initiale à laquelle l’eau sort de la turbine. La décélération dépend de l’angle d’ouverture du cône: en eau libre, avec injection d’air, cet angle est de 30° environ, mais la présence du fond du bassin induit d’une part l’éjection latérale de l’eau en mouvement, mais aussi une surpression en partie basse du cône conduisant à son évasement. On relève ainsi un angle de 60° dans les conditions limites d’installation de la machine décrite à titre d’exemple, avec 400 watts de puissance motrice et 550mm de profondeur de bassin. . Les calculs sont réalisés sur un cône de 40° d’ouverture moyenne, en utilisant la tangente de l’angle du demi-cône (soit 20°), dont le sommet est l’extrémité d’une pale. En ayant recours à des pales simplifiées, découpées dans une tôle plane, la vitesse en bout de pale doit être limitée. Au-dessus de 10 mètres par seconde il convient de recourir à des pales complexes (dont le profil est progressif afin d’avoir un pas constant) : À 1410 tr/min cela limite le diamètre de la turbine à 130mm, soit d’un rayon de 65mm avec des pales de 45mm (l’axe faisant 40mm de diamètre). A noter qu’en augmentant le nombre de pales installées, on augmente la poussée obtenue. Le calcul de la turbine doit être dimensionné en partant du cône souhaité, la tangente pour un angle de 20 est égale à 0,364. Le calcul est donc : 0,364 x h (hauteur du cône) = r, pour obtenir le rayon du disque décrit par le cône dans le plan perpendiculaire à la profondeur h il convient d’y ajouter le rayon de la turbine, on obtient r1 . La profondeur h étant celle retenue en fonction de l’implantation (comme la profondeur du bassin) pour la sortie des bulles. Ensuite on détermine la vitesse V1 (vitesse de remontée des bulles), puis on calcule le volume d’eau nécessaire : V1 x3,141 xr1 xr1, ce même volume devant être délivré par la turbine. Dans l’exemple de la machine de 400 w, installée dans un bassin de 1 mètre de profondeur, la turbine étant elle à 0,185 mètre de profondeur environ (les pales sont 15mm au-dessus) et les bulles délivrées faisant 6mm de diamètre (donc V1=0,20 mètre par seconde) On a :0,364x63 = 22,9 = r. Et r1 = r+6,5=29,4cm. Le disque a donc une surface de : 3,141 x 29,4 x 29,4=2715cm2. Pour y avoir 0,2m/sec de flux, cela nécessite 54,3litres par seconde. Avec un pas d’hélice de 19,5cm et une vitesse de rotation de 1410 tr/min on a V 0=4,52, le diamètre de la turbine devant être de 130mm comme on l’a vu. La longueur et la surface des pales déterminent la puissance absorbée, car conditionnant le volume d’eau mise en mouvement. Cela peut permettre d’ajuster la puissance exacte absorbée par le moteur électrique. Elle est de 400 watts (+/-10%) dans l’exemple décrit dans les figures. On doit utiliser un axe de gros diamètre d’une part parce que l’on y insert l’injecteur d’air décrit plus loin, d’autre part parce qu’en supprimant la partie centrale de l’hélice on a un pas plus homogène des aubes et enfin pour atténuer la zone de cisaillement naturellement présente à l’aval de fait de l’épaisseur des pales (plus elles sont longues, plus elles doivent être épaisses). Cet axe est un tube lisse de diamètre constant, afin d’éviter toute convergence amplifiant la zone de cisaillement aval. La surface du disque décrite par son diamètre en centimètre carré est de 1/30 de la puissance en w/h installée — ou proche si on utilise des tubes standards. Enfin les pales sont implantées suffisamment loin du rebord inférieur de la turbine pour que les turbulences présentes à l’aval immédiat de celles-ci aient le temps de se combler avant l’introduction de l’air. Une distance de quinze fois l’épaisseur de la tôle utilisée pour les confectionner est retenue entre la base des pales et les injecteurs d’air. Il faut au minimum 3 pales pour obtenir une poussée régulière. En effet on a en pratique 3 turbulences (soit autant que de pales) empruntant des trajectoires en spirales concentriques qui forment le cône destiné à contenir les bulles. Lorsque les bulles parviennent à s’introduire dans ces turbulences formant le cône, précisément dans les interstices séparant ces spirales, elles freinent brutalement l’écoulement de l’eau ce qui entraine une éjection rapide des bulles emprisonnées dans le cône et ces bulles commencent alors à remonter (V1). Le débit de turbine recherché est de 350 à 500 litres d’eau brassés par watt absorbé (par heure). La vitesse d’éjection de l’eau par la turbine doit être de 4 à 5 mètres par seconde. Avec une même puissance motrice on peut soit accélérer beaucoup d’eau modérément, comme dans un bassin peu profond, soit accélérer plus fortement moins d’eau, par exemple pour envoyer le flux eau/bulles plus profondément. En partie haute, au-dessus de la surface donc, l’axe de la turbine s’emboite sur une entretoise soudée à l’arbre moteur. C’est cet arbre qui reçoit la puissance motrice par un accouplement en surface, le moteur étant « hors d’eau » . En partie basse de l’arbre moteur, un filetage standard reçoit l’ensemble boulon/rondelle qui y solidarise le système d’injection d’air. . L’ensemble tourne, afin de prévenir tout risque de désolidarisation de la machine, les assemblages sont collés. Au cône formé par l’eau éjectée par le bas correspond un autre cône inversé correspondant à l’arrivée d’eau. L’ensemble formant une sorte de diabolo dont la partie étroite est occupée par les pales motrices. Seule l’eau transitant à ce niveau (en rouge Fig.1) peut provoquer une cavitation, l’air qui en serait responsable pouvant soit remonter dans des turbulences générées par les pales, mais cela est exclu, car les pales, fines, sont implantées nettement en amont de l’injecteur d’air. Soit cet air peut aussi venir du haut: soit qu’il s’introduise le long de l’axe de la turbine, ce qui sera exclu par la plaque anti-cavitation décrite plus loin, soit qu’il arrive sous forme de petites bulles transportées par l’eau - d’où la nécessité d’avoir recours à un système d’injection d’air spécifique. En l’état cette turbine est impropre à l’insertion d’air et est sujette à une forte cavitation parce que’ implantée proche de la surface - l’eau n’arrivant que latéralement. 2) Le Système d’Injection d’Air : Il est nécessaire d’avoir recours à un système complémentaire, car on a délibérément atténué tant les cisaillements que la dépression, naturellement présents à l’aval de ce type d’installation. En plus de centrer et bloquer la turbine hydraulique sur l’arbre moteur, ce système doit réaliser trois opérations : – Éjecter hors du système l’eau qui s’y introduit à l’arrêt et qui est donc présente au démarrage. – Permettre l’introduction de la quantité requise (pour l’oxygénation) d’air dans la turbulence conique générée par la turbine hydraulique. – Introduire l’air sous forme de bulles au calibre choisi et homogène. Toute inclusion de petites bulles susceptibles d’être ramenées au contact de la turbine étant exclue ; de même les bulles trop grosses sont susceptibles de se fragmenter et donc d’en générer des plus petites. Le procédé retenu repose sur un effet centrifuge provoqué par la trajectoire des canalisations amenant l’air : En ayant recours à des tubes pour délivrer l’air, on peut provoquer cet effet en leur faisant adopter une courbe rentrante ; les sorties d’air sont implantées à la périphérie puis les tubes sont rapidement ramenés contre l’arbre moteur où ils sont fixés avant de remonter contre cet arbre jusqu’en surface. Au démarrage cela provoque l’expulsion quasi instantanée de l’eau présente dans les canalisations du fait de la densité élevée de l’eau. . Une fois cette eau partie, la force centrifuge complète celle de la dépression naturellement présente sous l’axe de gros diamètre afin d’y délivrer un flot de bulles. On a aussi un effet venturi lié au déplacement rapide des buses dans l’eau ; afin de l’atténuer, on utilise un moteur à rotation relativement lente soit 1410 tours minute dans l’exemple cité. En pratique l’expérimentation a montré que la vitesse d’éjection de l’air, dans les conditions d’installation décrites, est d’environ les deux tiers de la vitesse de déplacement des buses liée à la rotation de celles-ci. C’est le diamètre et le nombre de canalisations d’amenée d’air qui conditionnent la quantité d’air effectivement délivrée. Cette quantité est déterminée par la quantité d’oxygène que l’on souhaite fixer multipliée par le coefficient de fixation: Dans la machine faisant l’objet du brevet N FR106072 cette quantité est de 5 à 7 grammes par watt absorbé avec un coefficient supérieur à 75 pour 100. Dans le cas où la machine est utilisée seule, on espère fixer jusqu’à 3 grammes par watt avec 50 pour cent de fixation, ce qui revient donc à peu près au même quant au volume d’air nécessaire. Dans la machine de 400 watts décrite, cela nécessite l’injection de 10 mètres cubes d’air à l’heure (soit plus de 2000 grammes d’oxygène), soit un volume moitié moindre que celui des turbines à éjection latérale actuellement distribuées. Le débit maximum d’air recherché est donc d’environ 25 litres par watt de motorisation. C’est le diamètre de ces canalisations qui détermine le diamètre des bulles libérées et la vitesse de rotation donc de déplacement des buses qui forment les bulles qui sont d’abord allongées. Il en résulte un chapelet de bulles d’un diamètre homogène et légèrement plus gros que celui des tubes d’injection amenant l’air. Selon la littérature la forme et la vitesse de remontée sont homogènes entre 2 et 10 millimètres de diamètre ; on a donc choisi des tubes de 4,6 millimètres libérant un chapelet de bulles homogènes de 5 à 6 millimètres de diamètre ayant une vitesse de remontée de 20 centimètres par seconde, dans l’eau, pour la machine de 400 watts. À cette vitesse, les bulles remontent trop vite pour être ramenées dans la turbine en traversant le courant afférant. Leur sortie du cône intervenant environ à 80 centimètres sous la surface, soit lorsque le courant a suffisamment ralenti, soit la vitesse (V1) déjà évoquée. Ces bulles restent donc plusieurs secondes sous l’eau. La quantité d’air (à 20 % d’oxygène) nécessaire à l’oxygénation de l’eau (en mg/l, soit en partie pour million) est très faible, ce système est donc peu consommateur en énergie, mais très sensible à l’environnement : profondeur d’immersion ou turbulences parasites. La profondeur d’immersion doit être constante, et il n’est pas souhaitable de caréner la turbine, on doit aussi éviter l’introduction de tout corps étranger ou risque d’encrassement. La profondeur d’immersion peut être utilisée pour ajuster le débit d’air : dans la machine de 400 watts elle est de 190 millimètres +/-5 mm (pour 10 mètres cubes d’air et 8 tubes d’injections), mais en la faisant varier de plus ou moins 20 millimètres on fait varier de plus ou moins 25 pour cent le débit d’air. En pratique le système d’injection de l’air se compose d’un disque métallique qui s’emboite précisément à la base de la turbine. Ce disque est percé en son centre afin d’être boulonné à l’arbre moteur, ce qui centre et solidarise la turbine sur l’arbre moteur. À la périphérie de ce disque, on perce autant de réserves qu’il est prévu de tubes d’arrivée d’air en veillant à les répartir régulièrement. On soude ou colle ces tubes au niveau de ces réserves, puis on les ramène contre l’arbre moteur où ils sont fixés ; ils cheminent ensuite dans la turbine afin de dépasser du niveau de la surface de l’eau. Lors du montage les différents éléments sont enduits de silicone afin d’éviter toute fuite parasite. 3) Système Anti-Cavitation : C’est l’implantation verticale en surface qui le rend indispensable d’une part parce que l’eau n’arrivant que latéralement il se forme un vortex le long de l’axe de la turbine susceptible d’introduire de l’air, et d’autre part parce que des bulles circulant sous la surface — ce d’autant plus qu’une pellicule de poussières ou grasse s’y trouve, par exemple à la suite de la distribution d’aliments — pourraient être aspirées dans le système. Or comme on l’a vue précédemment (Fig.1) seule l’eau de surface alimente la partie centrale du « diabolo » et doit donc être exempte de toute bulle. La lame d’eau afférente doit donc circuler hors du volume délimité par un cône de 60° d’ouverture ayant pour sommet le centre du disque d’injection et pour base la plaque anti-cavitation, ce qui détermine les dimensions minima de cette plaque. On préfère une forme rectangulaire afin de limiter l’accélération du courant afférant qui tourne en pratique dans le même sens que la turbine, chaque angle générant une turbulence. On a recours à une simple plaque ou tôle susceptible d’absorber la dépression présente le long de l’axe de la turbine. Cette plaque est percée en son centre pour laisser passer la turbine qui la traverse. On laisse délibérément du jeu pour éviter tout frottement. Deux encoches opposées permettent le passage de l’entretoise, cela permettant accessoirement de sécuriser la turbine lors d’un désaccouplage éventuel, la turbine restante suspendue à la plaque au lieu de couler. Sa surface minimum étant celle du vortex susceptible de se former en son absence (bien que l’on ait intérêt à la prévoir plus grande), il découle de cette surface un ralentissement suffisant du flux alimentant la machine (le cône supérieur formant le « diabolo » est très aplati du fait de l’implantation en surface) pour que d’éventuelles bulles ramenées vers la turbine ne puissent redescendre sous la plaque anti-cavitation. Elle doit être légèrement immergée (environ 30 mm), d’une part pour que de l’eau puisse circuler au-dessus afin de combler la dépression induite au niveau du jeu laissé entre la plaque anti-cavitation et l’axe de la turbine, d’autre part pour piéger entre cette plaque et la surface ou la base du flotteur, les éventuelles bulles circulant sous la surface ou contre la base du flotteur. Cette plaque est fixée à la structure supportant le moteur et . Implantation et Performances : Cette turbine peut être installée sur la machine faisant l’objet de notre brevet FR106072. Ses débits d’air et d’eau sont compatibles avec ceux de cette machine, et la profondeur d’immersion de la turbine est compatible avec celle requise. Un simple châssis métallique fixé sur la structure permet de fixer le moteur en partie haute, et la plaque anti-cavitation en dessous comme montré sur la . Elle peut aussi être utilisée seule dans des bassins peu profonds, soit de quelques dizaines de centimètres à deux ou trois mètres, au-delà il faut avoir recours à un tube de réinjection comme dans le brevet précédemment cité afin d’arrêter la décélération du flux. On l’installe sur un flotteur stable, muni de deux amarres opposées faute de quoi l’installation tourne sur elle-même. . La turbine générant une contre-poussée ascendante, l’installation doit avoir un poids minimum (d’environ 60 kilogrammes par cheval mis en œuvre). L’enfoncement qui en résulte permet d’écarter l’écume et stabilise l’ensemble. Le puits central doit posséder un rebord sur sa partie inférieure pour prévenir tout recyclage des bulles présentes contre la face immergée du flotteur. L’air introduit dans la machine transitant par ce puits, il est possible d y’installer un évent ainsi qu’un volet fermant l’arrivée d’air. Dans certaines conditions, à savoir de grosses machines ayant d’importants tubes de réinjection, il peut être nécessaire de démarrer l’installation sans air, et d’amorcer ainsi le système avant de n’introduire de l’air qu’une fois que suffisamment d’énergie cinétique y soit accumulée. On obtient un résultat identique avec un démarrage progressif de la machine. La plaque anti-cavitation est fixée 3 centimètres sous le flotteur. Une protection anti-intrusion constituée d’un châssis supportant un grillage adapté est indispensable, cette protection ne doit pas interférer avec le cône de turbulence, seule la face inférieure devant être traversée par le flux éjecté. Voir . L’installation de cette machine dans un plan d’eau se traduit par la formation d’un nuage de bulles d’air en dessous. Une vaste - soit plusieurs mètres - turbulence se met en place : l’eau arrive latéralement en surface, puis est accélérée et mélangée aux bulles d’air. Fig.1. L’eau s’écoule ensuite contre le fond du bassin avant de revenir vers la turbine. L’oxygène n’est plus l’élément limitant, on en injecte en abondance. Un rendement potentiel de deux à trois grammes par watt absorbé est envisageable : – On n’élève pas d’eau, elle est seulement brassée, ce qui est la principale source d’économie d’énergie. – Les bulles séjournent plusieurs secondes dans l’eau, ce qui favorise les échanges gazeux. – En oxygénant le bassin par le fond, on profite d’une relative sursaturation : Dans un bassin d’élevage de truites arc-en-ciel classique, l’eau (à 14/15 C° environ) contient 10 mg/litre d’oxygène à l’arrivée d’eau, si on place l’aérateur dans le bassin lorsque ce taux a chuté à 5 mg/l, on peut fixer 5 grammes d’oxygène par mètre cube traité. Mais comme notre machine envoie les bulles au fond — à 1 mètre le plus souvent — on pourra monter à 11 mg/l du fait de la pression de la colonne d’eau, et les poissons pourront extraire 6 mg/l au lieu de 5, soit 20 % de plus. – En brassant beaucoup d’eau, plus du double que ce qui est élevé par les machines actuelles, le facteur principal déterminant le rendement effectif, c’est la quantité d’oxygène consommée dans la machine, fonction de la quantité de poissons installés dans la turbulence générée par la machine. À l’inverse un aérateur classique (1 CV) qui élève 100 tonnes d’eau par heure ne pourra pas fixer plus de 500 grammes d’oxygène par heure dans les conditions décrites plus haut. On peut ajouter trois autres avantages significatifs : – Notre machine est utilisable en toutes saisons, y compris par temps de gel. – Seul le ronronnement du moteur est audible, en lieu et place du bruit de cataractes produit par les machines actuelles. – Les poissons s’agglutinent autour des aérateurs actuels, « tétant » l’oxygène en surface. A contrario, les poissons se désintéressent totalement de la nôtre : après quelques minutes de fonctionnement, les poissons colonisent le courant longeant le fond du bassin puis se répartissent progressivement dans tous le volume disponible. Il n’y a plus de stress perceptible, plus d’agressivité ni de contact entre eux, ce qui diminue les risques pathogènes et améliore l’indice de consommation. Domaines d’applications : Cette machine a été développée pour équiper celle décrite dans notre brevet N° FR2000351. Les différents tests réalisés dans des bassins piscicoles ont démontré une efficacité sans rapport avec les équipements actuels. On peut parler de rupture technologique. Dans des formats plus importants, cette machine peut remplacer les aérateurs utilisés dans les systèmes d’épuration, mais aussi au niveau des rejets dans le milieu naturel — en particulier urbain — car elle est très silencieuse. Une machine de 250 watts serait adaptée aux bassins conchylicoles ou aux petits bassins piscicoles. Munie d’un tube canalisant l’eau à la profondeur voulue, cet aérateur est particulièrement adapté aux élevages en cages suspendues. Enfin on peut l’installer dans tous les milieux sujets aux problèmes d’eutrophisation ou d’asphyxie pour peu qu’ils soient d’une profondeur compatible. -1) : Description du principe général de fonctionnement. -2) : Exemple de châssis porteur. -3) : Plan d’une turbine type de 400 watts. VO= 4,52 mètres par seconde à 1410 trs/min. -4) : Plan d’une installation autonome type. – Puissance 400 watts, moteur IP55 tournant à 1410 trs/min. – Flotteur de 600 mm par 600 mm, épaisseur 250 mm. – Huit tubes d’amenés d’air de 4,6 mm de diamètre, injectant environ 10 mètres cubes d’air à l’heure. – Poids total 30 kilogrammes : Moteur 7 kg, flotteur avec insert en béton 19 kg et grille de protection et divers 4 kg. – VO=4,52 m/sc et V1=0,2 m/sc. Profondeur de sortie des bulles : entre 800 et 1000 mm. Débit : Plus de 195 mètres cubes par heure ; le volume total mis en mouvement étant nettement supérieur (voir les flèches bleues Fig.1). Légendes des Figures : Fig.1 « Description du procédé » – Turbine installée verticalement en surface avec plaque anti-cavitation. – Turbulences générées par la machine, en rouge le flux entrant exempte de bulles, en vert le flux sortant formant le cône à 40° environ. En bleu, le vaste remous avec la trajectoire des bulles d’air. – Vitesse sortie de turbine (V0). – Vitesse sortie/remontée des bulles (V1). « Exemple de support pour installation brevet n° 102072 » a) : moteur électrique. b) : support en tubes soudés. c) : plaque anti-cavitation. d) : turbine. « Éléments constituant la turbine » a) : arbre moteur (tube métallique dont le diamètre intérieur est égal au diamètre de l’arbre du moteur utilisé). b) : entretoise avec rondelle anti-remontée d’eau. c) : filetage bas. d) : turbine (tube lisse de gros diamètre). e) : pales en tôle. f) : disque d’injection. g) : tubes d’injection. h) : boulon/rondelle assemblant le tout. « installation type pour salmoniculture ». Éjection des bulles à environ 800 mm sous la surface. Moteur de 400 watts, 1410 trs/min, IP 55. (7,5 kg). Flotteur, 19 kg, 600x600mm.Epaisseur, 250 mm. Diamètre puits central de 125 mm. Insert béton de 2 centimètres. PEHD moulé ou Polystyrène ou tôle alu. V0= 4,52 (mètres par seconde) et V1= 0,2 (mètre par seconde). a) : moteur. b) : flotteur. c) :2 tiges filetées de 10 mm de diamètre (structurent l’ensemble). d) : turbine en Inox 316 : Longueur hors tout 405 mm, axe turbine tube de 305 mm de long et 40 mm de diamètre. Arbre en tube de 14 mm de diamètre intérieur, 400 mm de long. Diamètre turbine 130 mm, disque d’injection d’air, pales et entretoise en tôle de 1 mm. Tubes d’amenée d’air en PEHD 4,6 mm de diamètre intérieur. Le pas de la turbine est de 195mm. e) : plaque anti-cavitation (30 mm sous flotteur, 95 mm sous surface), environ 500x400x3mm. Tôle alu de 3 mm. f) : châssis métallique supportant la grille de protection (3,5 kg), 500 mm de diamètre minimum et 500 mm de long. Aérateur de surface à turbine verticale descendante : A la différence des aérateurs actuels qui sont soit à turbine montante soit à éjection latérale, celui-ci permet de générer un nuage de bulles d’air sous la machine, ce sans cavitation. Le procédé utilisé repose sur la génération d’une turbulence conique spécifique de 30 à 40 degrés d’ouverture qui tout en entrainant la quantité requise de bulles d’air à une profondeur précise, les éloigne suffisamment des aubes hydrauliques. Figure 1. Cette machine d’aération est composée de trois éléments distincts permettant de séquencer le procédé, à savoir une turbine strictement hydraulique générant une turbulence conique de trente à quarante degrés d’ouverture environ, un système d’injection d’air reposant sur un effet centrifuge délivrant la quantité précise d’air sous forme de bulles calibrées au sommet du cône précité et enfin d’un système anti-cavitation isolant l’hélice de la surface et piégeant les bulles susceptibles de provoquer une cavitation ; la juxtaposition de ces trois éléments est indispensable et caractérisante du procédé. L’intégration de ces trois éléments permettant de supprimer toute cavitation, le rendement est nettement supérieur du fait de l’absence d’élévation d’eau , les échanges gazeux étant favorisés par la durée du transit des bulles d’air dans l’eau. Cet appareil est destiné à remplacer les aérateurs actuellement utilisés ou à équiper la machine faisant l’objet de notre brevet N° FR 2000351 du 13/01/2020. Caractéristiques techniques de la turbine hydraulique mise en œuvre : - Organisée autour d’un axe implanté verticalement et dont l’extrémité supérieure dépasse au-dessus de la surface, l’air introduit dans le système y transitant. - Cet axe est un tube lisse au diamètre constant, ce afin d’éviter tout flux divergeant ou convergeant ainsi que toute turbulence parasite. - Le diamètre de cet axe est proportionnel à la puissance en watt par heure mise en œuvre ; son calcul est : Surface du disque délimité par son diamètre (en centimètres carrés) égal à un-trentième de la puissance en watt par heure mise en œuvre. Ou proche de cette valeur si l’on a recours à des tubes standards. Outre l’espace nécessaire à l’implantation du système d’injection d’air, cela permet d’optimiser la réalisation des pales motrices. - La turbine possède au minimum trois pales implantées à quinze fois l’épaisseur de la tôle dont elles sont faites au-dessus des injecteurs d’air. Cela afin d’exclure toute remontée d’air susceptibles de dégrader les performances de la turbine, tout en ayant une poussée homogène. - La vitesse de rotation mesurée en bout de pale doit être inférieure ou égale à 10 mètres seconde. Cela pour permettre l’usage de pales simplifiées, découpées dans une tôle plane, tout en générant une poussée compatible avec la turbulence désirée. - Le pas des pales doit permettre l’éjection de 350 à 500 litres par heure et par watt de motorisation à une vitesse verticale de 5 à 4 mètres par seconde pour générer la turbulence conique spécifique. Le nombre et la surface des pales installées permettant d’adapter les performances (le diamètre étant limité). Cela afin d’entrainer les bulles à la profondeur choisie, tout en brassant le maximum d’eau. L’injection d’air dans la turbulence précitée repose sur un dispositif spécifique conjuguant trois forces au niveau supérieur du cône entrainant les bulles d’air vers le fond. Organisé autour d’un disque obstruant la base de l’axe de la turbine hydraulique qu’il centre et solidarise à l’arbre moteur. Pour ce faire ce disque est percé en son centre afin d’y recevoir le boulon le bloquant sur l’arbre moteur. -A la périphérie de ce disque sont régulièrement aménagées des réserves où sont fixés les tubes d’amené d’air. -Ces tubes remontent jusqu’à la surface en cheminant entre l’arbre moteur et le tube formant l’axe de la turbine. -Ils empruntent une courbe rentrante en partie basse en étant rapidement ramenés contre l’arbre moteur auquel ils sont fixés, ceci afin de générer un effet centrifuge indispensable à la purge du système puis à l’éjection d’un volume d’air compatible avec le volume d’oxygène que l’on souhaite fixer. - C’est le diamètre retenu de ces tubes qui conditionne le diamètre des bulles générées, tout en garantissant leur homogénéité. Ce diamètre conditionne d’une part la profondeur où elles commencent à remonter, mais aussi leur propension à être ramenées par le courant afférant au contact de la turbine. - C’est le nombre, ajouté au diamètre, de ces tubes qui permet de dimensionner le débit d’air potentiel de la machine. - L’implantation en aval immédiat de l’axe de la turbine hydraulique permet de profiter de la dépression relative qui règne à cet endroit. - C’est le déplacement dans l’eau résultant de la rotation qui génère le chapelet de bulles, ce en complément des deux effets précédents. Un système anti-cavitation spécifique doit être implanté en partie haute de la turbine : - Il doit absorber la dépression qui se forme autour de l’axe car l’eau n’arrive que latéralement du fait de l’implantation en surface, ce pour prévenir toute intrusion d’air. Il est donc découpé dans une plaque ou une tôle suffisamment résistante et percé en son centre afin de ne pas entrer en contact avec la turbine qui le traverse. - Sa surface minima est celle du vortex susceptible de se former, à savoir celle de la base d’un cône de 60° d’ouverture ayant pour sommet le centre du disque de l’injecteur d’air, cette base devant être immergée de quelques centimètres. Afin de piéger d’éventuelles bulles d’air revenant vers la turbine tout en comblant la dépression naturellement présente au niveau du percement permettant le passage de la turbine, cette plaque est légèrement immergée, ce à une profondeur constante d’où la nécessité de la fixer au support de l’installation. On préfère une forme anguleuse afin de contrarier la rotation du flux rentrant, et une surface suffisante pour prévenir tout risque d’intrusion de bulles sous la plaque (cette surface devant être adaptée en fonction du milieu).