FR2550469A1 - Injecteur de microbulles - Google Patents
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Abstract
INJECTEUR DE MICROBULLES. UNE PAROI DEFLECTRICE18 DEFLECHIT RADIALEMENT UN ECOULEMENT SORTANT SOUS PRESSION D'UN TROU D'INJECTION12 ET FORME D'EAU CONTENANT DE L'AIR DISSOUS A SATURATION, DE MANIERE A PROVOQUER UNE CAVITATION QUI EST LOCALISEE SUR LES BORDS DE CE TROU ET QUI ENGENDRE EN AVAL LES MICROBULLES DE GAZ SOUHAITEES. APPLICATION A LA SEPARATION DE MATERIAUX DE DENSITES DIFFERENTES PAR FLOTTATION.
Description
Injecteur de microbulles L'invention concerne un injecteur de microbulles
On entend ici par microbulles des bulles de gaz dans un liquide, lorsque le diamètre de ces bulles est compris entre 50 et 100 micromètres environ Il s'agit par exemple de bulles d'air au sein d'une masse d'eau. Le rôle de telles bulles peut être de faciliter la séparation de phases solides et liquides Des microbulles formées dans une première masse liquide peuvent par exemple être injectées dans une seconde masse liquide Ceci permet par exemple l'élimination des particules 10 solides de cette seconde masse liquide par flottation, c'est-à-dire par fixation de bulles à ces particules pour faire monter ces dernières à la surface du liquide d'o elles peuvent être éliminées mécaniquement.
De manière plus générale l'injection de microbulles dans un li15 quide peut permettre une modification de ses propriétés physico-chimiques.
Le procédé le plus connu pour produire des microbulles est de réaliser une électrolyse entre deux électrodes au sein du liquide, les microbulles étant formées d'un gaz libéré par l'électrolyse et 20 apparaissant sur l'une des électrodes Ce procédé est coûteux lorsque
le nombre de microbulles à produire est important.
On a par ailleurs proposé de réaliser un injecteur de microbulles qui comporte une source de liquide sous pression Le liquide choisi est susceptible de se vaporiser à la température ambiante et il 25 contient un gaz dissous Une paroi "d'in Jection" percée d'un
trou "d'injection" permet de former un écoulement de ce liquide à grande vitesse vers une enceinte contenant une deuxième masse liquide.
On provoque ainsi dans l'écoulement d'abord une baisse de la pression du liquide avec formation de vapeur mélangée dudit gaz puis une 30 remontée de pression en aval en raison d'un ralentissement de l'écoulement avec condensation brutale de la vapeur et formation de
microbulles du gaz.
Dans cet injecteur connu l'écoulement liquide en question prend naturellement la forme d'un jet rectiligne à partir du trou d'injec35 tion, et son ralentissement résulte de son freinage dans la masse -2
liquide dans laquelle il est injecté.
Cet injecteur connu ne présente un rendement énergétique acceptable que lorsque le jet est fin, ce rendement étant défini comme le rapport du nombre de bulles formées à l'énergie dépensée pour créer 5 le jet Plus précisément le trou d'in Jection doit présenter un petit diamètre, de préférence inférieur à 0,5 mm Il en résulte que le nombre de trous d'injection doit être grand si le nombre de bulles à former est grand, ce qui accrott l'encombrement de l'injecteur D'autre part le risque d'obstruction de ces petits trous par des impuretés solides 10 est important, ce qui entraine des interruptions de fonctionnement, sauf si on utilise des filtres très efficaces qui sont nécessairement coûteux. La présente invention a pour but la réalisation d'un injecteur de microbulles de fabrication simple, d'encombrement réduit, de 15 rendement énergétique élevé, de fonctionnement sûr avec un entretien facile, et fournissant un grand débit de microbulles de diamètres peu différents. Elle a pour objet un injecteur de microbulles comportant une source de liquide fournissant sous une pression d'injection un 20 liquide qui est susceptible de se vaporiser à la température ambiante sous une pression abaissée, au moins un gaz étant dissous dans le liquide fourni et une paroi "d'injection" percée d'un trou "d'injection" pour former un écoulement de ce liquide à grande vitesse vers une 25 enceinte contenant une masse liquide sous une pression finale intermédiaire entre lesdites pressions d'in Jection et abaissée, et pour provoquer ainsi dans l'écoulement d'abord une baisse de la pression du liquide avec formation de vapeur mélangée dudit gaz puis une remontée de pression en aval en raison d'un ralentissement de l'écoulement avec 30 condensation brutale de la vapeur et formation de microbulles du gaz, cet injecteur étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une paroi déflectrice disposée dans ladite enceinte devant le trou d'injection pour former un écoulement radial, cette paroi s'étendant sensiblement parallelement à la paroi d'injection dans diverses direc35 tions à partir de ce trou en laissant entre ces deux parois un intervalle de passage pour le liquide injecté, de manière à faire apparaître de la vapeur dans une poche de cavitation débutant sensiblement au bord du trou d'injection, et à faire croître rapidement la pression du liquide-en aval de cette poche par accrois5 sement progressif rapide de la section de passage du liquide dans ledit intervalle, cet accroissement de section résultant au moins en partie de l'augmentation du périmètre des cercles concentriques à l'axe du trou d'in Jection lorsqu'on s'éloigne de cet axe à partir du bord de ce trou. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant lesmêmes fonctions techniques Lorsqu'un 15 même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par
le même signe de référence.
La figure 1 représente une vue d'un premier mode de réalisation de l'in Jecteur selon l'invention, en coupe par un plan passant par
l'axe de cet in Jecteur.
La figure 2 représente une vue d'un deuxième mode de réalisation de l'injecteur selon l'invention en coupe par deux plans passant par
l'axe central de cet injecteur, selon la ligne II-II de la figure 3.
La figure 3 représente une vue de l'injecteur de la figure 2 en
coupe par un plan perpendiculaire à l'axe central de cet injecteur, 25 selon la ligne III-III de la figure 2.
Conformément à la figure 1 un injecteur de microbulles comporte
une source de liquide sous pression, contenant au moins un gaz dissous.
Le liquide fourni par cette source contient ledit gaz dissous à une concentration non sensiblement différente de la concentration de 30 saturation de ce gaz sous la pression de la source.
La source est par exemple constituée par une pompe 2 et par un dispositif d'engazage 4 qui reçoit de l'air par une entrée 6 et de
l'eau ordinaire par une entrée 8 Ce dispositif est d'un type connu.
La pression appliquée à l'eau est de 6 bars environ D'une 35 manière générale la pression de la source est définie en fonction de la -4 pression dans l'enceinte De préférence, la pression de la source est
supérieure à trois fois la pression dans l'enceinte.
Cet injecteur comporte en outre une paroi "d'in Jection" 10 percée d'un trou "d'injection" 12 pour former un écoulement de ce 5 liquide à grande vitesse vers une enceinte 14 contenant une masse
liquide 16.
Le diamètre du trou est par exemple de 2 mm et la masse liquide
est constituée par de l'eau.
Conformément à l'invention, l'in Jecteur comporte en outre une 10 paroi défleetrice 18 disposée dans l'enceinte 14 devant le trou d'injection pour former un écoulement radial Cette paroi s'étend sensiblement parallelement à la paroi d'injection dans toutes les directions à partir de ce trou en laissant entre ces deux parois un
petit intervalle de passage 22 pour le liquide injecté.
Ceci aboutit à faire apparaître de la vapeur dans une poche de cavitation débutant sensiblement au bord du trou d'injection en raison de la baisse de pression qui accompagne l'accélération de l'écoulement La pression du liquide augmente rapidement en aval de cette poehe par suite de l'accroissement de la section de passage du 20 liquide dans l'intervalle 22 Cet accroissement résulte en partie de l'augmentation du périmètre des cercles concentriques à l'axe 20 du
trou d'injection lorsqu'on s'éloigne de cet axe.
De préférence le trou d'injection est sensiblement ciculaire et l'épaisseur de l'intervalle de passage entre les parois d'injection et 25 de déflection au bord du trou d'injection est inférieure au quart du
diamètre de ce trou de manière que la vitesse d'écoulement du liquide injecté atteigne sa valeur maximale au voisinage de ce bord alors que l'écoulement est radial L'épaisseur de l'intervalle de passage du liquide sur les bords du trou d'injection est par exemple de quelques 30 dixièmes de millimètre.
La paroi déflectrice 18 est légèrement inclinée en regard de la
paroi d'injection 10 de manière à provoquer un accroissement supplémentaire de la section de passage du liquide lorsqu'on s'éloigne de cet axe 20, autour duquel l'ensemble de l'injecteur, source mise à part, 35 présente une symétrie de révolution.
Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 2 et 3 et utilisant la même source de liquide, l'injecteur comporte un grand nombre de trous d'injection TI, par exemple 36, de manière à permettre d'injecter un grand nombre de microbulles par seconde, Plus précisément il comporte: un tube d'entrée TE recevant le liquide sous pression de ladite source et présentant la forme d'un cylindre de révolution autour d'un axe central AC, la paroi latérale cylindrique de ce tube constituant 10 ladite paroi d'injection et étant percée d'un ensemble de plusieurs trous d'in Jections TI répartis sur sa surface, et un tube déflecteur TD entourant coaxialement le tube d'entrée en
laissant un intervalle de passage annulaire IP.
Ce tube déflecteur constitue ladite paroi déflectrice devant 15 chacun des trous d'injection TI Il est percé d'un ensemble de plusieurs trous de sortie TS répartis sur sa surface pour permettre la sortie du liquide injecté dans cet intervalle de passage Ces trous de sortie sont situés à distance des trous d'injection Leur ensemble fournit au liquide une section de sortie totale multiple (au moins 20 double) de la section de passage offerte au liquide dans l'intervalle de passage autour de l'ensemble des trous d'injection La section de sortie en question est bien entendu, pour chaque trou de sortie, la plus petite de deux sections de passage, l'une étant la section dans l'intervalle de passage sur le bord du trou, l'autre étant la section 25 du trou Cette disposition a pour but que la section de passage limitant le débit du liquide injecté soit limitée autour des trous
d'injection et non au voisinage des trous de sortie.
De préférence l'épaisseur dudit intervalle de passage est inférieure au dixième du diamètre des trous d'injection TI et 30 l'ensemble des trous de sortie TS présente une section de passage
totale supérieure à celle de l'ensemble des trous d'injection.
De préférence encore, les trous d'injection TI ont un diamètre
individuel compris entre 2 et 10 mm, par exemple 3 mm, et ils sont régulièrement répartis sur au moins une zone de la surface latérale du 35 tube d'entrée TE, par exemple sur toute cette surface Quant à l'inter-
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valle de passage entre le tube d'entrée TE et le tube déflecteur TD, il a une épaisseur sensiblement constante comprise entre 0,1 et 0,5 mm.
par exemple 0,15 mm.
Ces choix résultent du fait que le taux de vide, c'est-à-dire le 5 rapport du volume total des bulles à, celui du liquide, est d'autant plus grand que l'intervalle IP est plus étroit et que les trous d'injection TI ont un diamètre plus petit, mais qu'un intervalle trop étroit ou des trous trop petits créent des risques importants d'obstruction. Les trous de sortie TS sont régulièrement répartis sur toute lazone du tube déflecteur TD en regard des trous d'injection, et sont par exemple intercalés entre ces trous d'injection sur toute la surface
latérale des tubes TE et TD.
Les trous d'injection sont par exemple répartis en étages se 15 succédant régulièrement selon la longueur de l'axe central AC et sont répartis à chaque étage selon une succession angulaire régulière tout autour de cet axe, et des trous de sortie sont eux aussi répartis en étage au sein de chacun desquels ils forment une succession angulaire de même pas que celle des trous d'injection avec un décalage angulaire 20 d'un demi pas Les pas axiaux des deux successions d'étages sont les
mêmes, les étages des trous de sortie étant en coincidence comme représentés avec ceux des trous d'injection, ou décalés d'un demi pas axial.
Les trous de sortie ont un diamètre de 10 mm environ.
De préférence un guide de sortie GS est fixé sur le tube 25 déflecteur TD en regard de chaque trou de sortie TS pour orienter le flux liquide sortant de ce trou et contenant des microbulles selon une
direction voisine de celle de l'axe central AC.
Plus particulièrement, un guide de sortie GS est formé à chaque étage de trous de sortie par une paroi tronconique de révolution autour 30 de cet axe avec une petite base circulaire fixée sur le tube de sortie à distance des trous de sortie de cet étage, les guides de sortie tronconiques des étages successifs présentant tous sensiblement un même demi angle au sommet inférieur à 45 ,
Ce demi angle au sommet est par exemple voisin de 20 .
La figure 3 fait de plus apparaltre des séparateurs de Jet SJ -7 réunissant radialement chaque guide de sortie GS au tube déflecteur TD, et se succèdant angulairement, entre les trous de
sortie TS.
L'injecteur comporte encore un cône de réception CR de révolu5 tion autour de l'axe central AC, entourant l'ensemble des guides de sortie GS et présentant un angle au sommet de même sens et non supérieur à celui de ces guides pour guider l'ensemble des écoulement sortant des trous de sortie selon une direction moyenne parallèle à
l'axe central AC vers l'enceinte EC.
L'in Jecteur comporte enfin un déflecteur tronconique général DG
de révolution autour de l'axe central AC, avec sa petite base se raccordant à la paroi latérale du tube déflecteur TD en aval des guides de sortie GS et avec un demi angle au sommet de même sens et supérieur à celui de ces guides pour répartir dans l'enceinte EC l'écoulement 15 sortant du cône de réception CR.
Le tube déflecteur TD est monté de manière à pouvoir tourner autour de l'axe central AC par rapport au tube d'entrée TE pour permettre le nettoyage des trous d'injection TI et de l'intervalle de passage entre ce tube TD et le tube d'entrée TE Cette rotation est 20 permise sans perte d'étanchéité grâce à deux joints toriques JE et JF disposés en amont des trous d'injection et de sortie entre d'une part le tube déflecteur TD et un bâti de support fixe BS et d'autre part
entre ce tube déflecteur et le tube d'entrée TE.
C'est par l'intermédiaire de ce déflecteur général que l'on peut 25 faire tourner facilement le tube déflecteur TD.
L'in Jecteur qui vient d'être décrit permet d'obtenir un taux de
vide de 1 % avec des bulles de diamètre voisin de 0,1 mm.
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Claims (8)
1/ Injecteur de microbulles comportant une source de liquide ( 2, 4) fournissant sous une pression "d'injec5 tion" un liquide susceptible de se vaporiser à la température ambiante sous une pression abaissée, un gaz étant dissous dans le liquide fourni, et une paroi "d'injection" ( 10) percée d'un trou "d'injection" ( 12) pour former un écoulement de ce liquide à grande vitesse vers une 10 enceinte ( 14) contenant une masse liquide ( 16) sous une pression "finale" intermédiaire entre lesdites pressions d'injection et abaissée, et pour provoquer ainsi dans l'écoulement d'abord une baisse de la pression du liquide avec formation de vapeur mélangée dudit gaz puis une remontée de pression en aval en raison d'un ralentissement de 15 l'écoulement avec condensation brutale de la vapeur et formation de microbulles du gaz, cet injecteur étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une paroi déflectrice ( 18) disposée dans ladite enceinte devant le trou d'injection pour former un écoulement radial, cette paroi, 20 s'étendant sensiblement parallelement à la paroi d'injection dans diverses directions à partir de ce trou en laissant entre ces deux parois un intervalle de passage ( 22) pour le liquide injecté, de manière à faire apparaître de la vapeur dans une poche de cavitation débutant sensiblement au bord du trou d'injection, puis à faire 25 croftre rapidement la pression du liquide en aval de cette poche par
accroissement progressif de la section de passage du liquide dans ledit intervalle, cet accroissement de pression résultant au moins en partie de l'augmentation du périmètre des cercles concentriques à l'axe ( 20) du trou d'injection lorsqu'on s'éloigne de cet axe à partir 30 du bord de ce trou.
2/ Injecteur selon la revendication 1, dans lequel le liquide fourni par ladite source ( 2, 4) est de l'eau et contient ledit gaz dissous à une concentration voisine de la concentration de saturation sous la
pression d'injection.
-9 3/ Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le trou d'injection est sensiblement ciculaire et l'épaisseur de l'intervalle de passage ( 22) entre les parois d'injection ( 10) et de déflection ( 18) au bord de ce trou est inférieure au quart du diamètre 5 de ce trou de manière que la vitesse d'écoulement du liquide injecté atteigne sa valeur maximale au voisinage de ce bord alors que
l'écoulement est radial.
4/ In Jecteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un tube d'entrée (TE) recevant le liquide sous pression de ladite source ( 2, 4) et présentant la forme d'un eylindre de révolution autour d'un axe central (AC), la paroi latérale cylindrique de ce tube constituant ladite paroi d'injection et étant percée d'un ensemble de plusieurs trous d'in Jections (TI) répartis sur sa surface, et un tube déflecteur (TD) entourant coaxialement ce tube d'entrée en laissant un intervalle de passage annulaire (IF), ce tube déflecteur constituant ladite paroi déflectrice devant chacun des trous d'in Jection (TI) et étant percé d'un ensemble de plusieurs trous de sortie (TS) répartis sur sa surface pour permettre la sortie du 20 liquide injecté dans cet intervalle de passage, ces trous de sortie étant situé à distance des trous d'injection et leur ensemble fournissant au liquide une section de sortie totale multiple de la section de passage totale offerte au liquide dans l'intervalle de passage autour
de l'ensemble des trous d'injection.
5/ In Jecteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'épaisseur dudit intervalle de passage (IP) est inférieure au dixième
du diamètre des trous d'injection (TI).
6/ In Jecteur selon la revendication 5, dans lequel le liquide fourni par ladite source est de l'eau, caractérisé en ce que la pression d'injection est supérieure à trois fois la pression dans ladite enceinte, les trous d'injection (TI) ont un diamètre individuel comprise entre 2 et 10 mm, les trous d'in Jection sont régulièrement répartis sur au moins une zone de la surface latérale du tube d'entrée (TE), l'intervalle de passage entre le tube d'entrée (TE) et le tube déflecteur TD a une épaisseur sensiblement constante comprise entre 0,1 et 0,5 m, et les trous de sortie (TS) sont régulièrement répartis sur toute la zone du tube déflecteur (TD) en regard des trous d'injection.
7/ Injecteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le tube déflecteur (TD) est monté de manière à pouvoir tourner autour dudit axe central (AC) par rapport au tube d'entrée (TE) pour permettre le nettoyage des trous d'injection (TI) et de l'intervalle 10 de passage entre ce tube (TD) et le tube d'entrée (TE).
8/ Injecteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un guide de sortie (GS) fixé sur le tube déflecteur (TD) en regard de chaque trou de sortie (TS) pour orienter le flux liquide sortant de ce trou et contenant des mierobulles selon 15 une direction voisine de celle de l'axe central (AC).
9/Injecteur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les trous de sortie (TS) sont répartis en étages se succédant régulièrement selon la longueur de l'axe central (AC) et sont répartis à chaque étage selon une succession angulaire régulière tout autour de 20 cet axe, un guide de sortie (GS) étant formé à chaque étage par une paroi tronconique de révolution autour de cet axe avec une petite base circulaire fixée sur le tube de sortie à distance des trous de sortie de cet étage, les guides de sortie tronconiques des étages successifs 25 présentant tous sensiblement un mme demi angle au sommet inférieur
à 45 ',
des séparateurs de Jet (SJ) réunissant radialement chaque guide de sortie (<S) au tube de sortie (TS), et se succèdant angulairement chacun entre les deux trous de sortie successifs de l'étage de ce 30 guide, de manière à orienter les écoulements en sortie de ces trous selon des génératrices d'un mime cône avant toute rencontre des écoulement sortant de deux trous successifs, un c 6 ne de réception (CR) de révolution autour de l'axe central (AC) entourant l'ensemble des guides de sortie (GS) et présentant un angle 35 au sommet de même sens et non supérieur à celui de ces guides pour guider l'ensemble des écoulement sortant des trous de sortie selon une direction moyenne parallèle à l'axe central (AC) vers ladite
enceinte (EC).
/ Injecteur selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un déflecteur tronconique général (DG) de révolution
autour de l'axe central (AC), avec sa petite base se raccordant à la paroi latérale du tube déflecteur (TD) en aval des guides de sortie (GS) et avec un demi angle au sommet de même sens et non supérieur à celui de ces guides pour répartir dans ladite 10 enceinte (EC) l'écoulement sortant du c 8 ne de réception (CR).
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