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Procédé et dispositif de séparation aérodynamique de composants d'un courant gazeux.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de séparation par voie aérodynamique subsonique de composants existant sous forme condensée et/ou condensable dans un courant gazeux composants multiples.
Un premier objet de la présente invention est de fournir un procédé et un dispositif améliorés permettant de séparer par voie aérodynamique subsonique au moins une partie des composants condensables d'un courant gazeux à composants multiples.
Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé et un dispositif améliorés permettant de séparer par voie aérodynamique subsonique au moins une partie des aérosols solides et/ou liquides contenus dans un courant gazeux.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaitront de la description qui suit et des dessins annexes. Dans ceux-ci :
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La Fig. 1 montre une forme d'application avec chambre de séparation annulaire convergente-divergente.
La Fig. 2 montre une forme d'application avec chambre de séparation annulaire uniquement convergente.
La Fig. 3 montre une vue agrandie de la section AA dans la tuyère axisymétrique représentée à la Fig. 2.
La Fig. 4 montre une vue agrandie de la section BB dans la tuyère
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axisymétrique représentée à la Fig. 2.
Dans la présente spécification. le sens des termes"exergie", "exergétique", doit être entendu comme suit. L'exergie est la fraction de l'énergie calorifique d'un élément qui peut théoriquement être convertie integralement en énergie non calorifique. Par opposition, 1'anergie est la traction de l'énergie calorifique qui n'est pas convertible en une autre forme d'énergie. L'energie calorifique d'un élément est la somme de son exergie et de son anergie. Toute transformation thermodynamique qui se fait sans perte d'exergie est
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appelée ici iso-exergetique, et son rendement exergetique est égal à l'unité. Toute perte d'exergie se convertit en anergie, et provoque une chute du rendement exergétique.
Dans le procédé et dispositif selon l'invention, le. courant gazeux subit successivement une détente a des vitesses subsoniques élevées et une reeompression par deceleration, avec séparation inertielle des particules solides et/ou liquides préexistantes et/ou formées et/ou développées par condensation, la détente et la séparation se produisant de façon quasi iso-exergetique, la Separation des
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particules se produisant au cours de la détente par création au sein du courant gazeux en écoulement d'un gradient de concentration des particules dans le même sens que le gradient de pression au sein dudit courant, et l'extraction des particules séparées se faisant entre la fin de la détente et la fin de la recompression.
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Dans une forme particulière du procédé et du dispositif selon l'invention, la séparation des particules entamée au cours de la détente se prolonge au cours de la recompression.
Avantageusement, la recompression se fait de façon Quasi
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iso-exergétique.
De préférence, la séparation des particules se fait dans une chambre axìsymétrique de section annulaire délimitée par une paroi exterieure, une paroi intérieure, un ailettage déflecteur fixe transformant : le mouvement essentiellement axial du courant entrant dans la chambre en mouvement helico-spiral. et un ailettage redresseur fixe transformant
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le mouvement helio-spiral de l'écoulement avant la sortie de la chambre en mouvement essentiellement axial.
Avantageusement, les vitesses du courant gazeux en écoulement restent modestes en amont et en aval de la chambre de Separation.
Dans une forme particuliere du dispositif selon l'invention, celui-ei comprend : (a) une tuyère axisymétrique convergente-divergente, (b) un corps central coaxiaal avec la tuyère, profilé en forme de bulbe du côté entrée du courant gazeux et en forme de cône du côté sortie du courant gazeux, (o) un ailettage déflecteur fixe solidaire du corps. central et de la tuyère, (d) un ailettage redresseur fixe solidaire du corps central et de la tuyère.
Avantageusement, le corps central comporte, entre le bulbe d'entrée et le cône de sortie, un profil extérieur convergent-divergent dont le col se trouve dans une section proche de celle du col de la tuyère.
Dans une autre forme particulière du dispositif selon l'invention, le
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corps central comporte, entre le bulbe d'entrée et le cône de un profil extérieur
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Dans le procédé et le dispositif selon l'invention, le courant gazeux en écoulement ayant été progressivement déshomogénéisé en particules à séparer, la couche la plus enrichie en lesdites particules est écorcée par des moyens qui dérivent cette couche en la séparant de l'écoulement principal, dont elle représente une petite fraction.
Cette couche dérivée subit ensuite une séparation des constituants non gazeux qu'elle contient, et est soit renvoyée pour recyclage en un point approprié du courant principal situé en amont ou au début de la zone de détente de celui-ci, soit utilisée à toute autre fin.
Par rapport aux procédés et dispositifs connus, le procédé et le dispositif selon l'invention ont pour avantage essentiel un rendement exergétique considérablement plus élevé. En d'autres termes, le supplément de consommation énergétiQue necessaire, en plus de celle qui correspond au travail de Separation théorique, est relativement modeste, ce qui rend le procédé et le dispositif particulièrement avantageux en frais d'exploitation. Comme en outre les moyens nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention sont très simples et compacts, leur coût d'investissement est modeste également. ce qui permet un"temps de retour" très court de l'investissement nbeessaire.
La Fig. 1 illustre un cas d'application du procédé et dispositif selon l'invention. Le courant gazeux à traiter pénètre dans le plenum d'entrée t d'une tuyère axisymbtrique comprenant une chambre de séparation 2 délimitée par une paroi externe 3, une paroi interne 4. un ailettage déflecteur 7 et un ailettage redresseur 11. Entre le plenum d'entrée 1 et la chambre 2, la paroi interne 4 se prolonge par une paroi en forme de bulbe 5 solidaire de la paroi 6 du plenum d'entrée 1. La paroi externe 3 de la chambre 2 se prolonge par la paroi externe & du plenum d'entrée 1.
Entre la chambre de séparation 2 et les plenums de sortie 8 du courant principal et 9 du courant derive, la paroi interne de la chambre 2 se prolonge par une paroi cylindro-conique 10 solidaire de la paroi externe 12 du plenum de sortie < ) et de 1'écorceur 13. La paroi externe
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3 de la chambre 2 se prolonge par la paroi externe 12 du plenum 9, et l'écorceur 13 se prolonge par la paroi cylindrique 14 du plenum de sortie 8.
Le courant gazeux entre dans le plenum 1 selon une direction
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généralement parallèle à l'axe de la tuyère. 11 subit une première phase de détente accompagnée d'acceleration essentiellement axiale en raison du rétrécissement de la section de passage jusqu'au droit de l'ailettage déflecteur 7. Ce dernier, dans lequel le courant subit une seconde phase de détente, imprime au courant en écoulement un mouvement hélico-spiral centripète.
En d'autres termes, à la sortie de l'ailettage 7, chaque filet fluide a une vitesse comprenant une composante axiale, une composante radiale centripète, et une composante circonferentielle. Dans la partie de la chambre 2 dont la section se rétrécit dans le sens de l'écoulement, le courant en écoulement subit une troisième phase de détente jusqu'à la section 15,
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qui est la section minimale de passage du courant gazeux, c. ou la vitesse du courant atteint sa valeur la plus élevée. inférieure à la vitesse du son (nombre de Hach inferieur à l'unite).
L'accroissement de vitesse entre la section de sortie de l'ailettage 7 et la section 15 porte surtout sur les composantes axiale et circonférentielle de la vitesse, qui varient d'ailleurs d'un filet fluide à l'autre. La vitesse circonférentielle maximale est atteinte au voisinage de la paroi interne 4 au droit du col ou la composante radiale de la vitesse s'annule pour changer de sens en aval de la
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section 15. Depuis la section 15 du col de la chambre 2 jusqu' la section d'entree de l'ailettage redresseur 11, la section de passage du courant en écoulement augmente progressivement, ce qui entraine une deceleration de l'écoulement et une recompression concomitante du courant gazeux.
Cette décélération porte surtout sur les composantes axiale et circonférentielle de la vitesse de chaque filet fluide, de façon que ces composantes des vitesses de l'écoulement ä l'entree de l'ailettage redresseur 11 redeviennent du même ordre que les composantes correspondantes des vitesses de l'écoulement à la sortie de l'ailettage déflecteur 7, la direction de la composante radiale étant centrifuge au lieu d'être centripète.
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La description qui précède détaille les modifications qui se produisent dans le constituant principal du courant gazeux, c. a. d. le gaz proprement dit. Les particules non gazeuses préexistantes et/ou engendrees en cours de détente par la condensation, suivent des trajectoires d'autant plus proches de celles des filets gazeux que leurs dimensions sont plus petites. Lorsque ces dimensions sont proches du micromètre, il s'agit d'aérosols dont la séparation inertielle nécessite l'application d'un champ de force centrifuge très élevé pendant un laps de tempe surfisant.
Un tel champ est creé par l'silettage défleeteur 7 et a'amplifie considérablement dans la section de la chambre 2 située entre la sortie de l'ailettage 7 et le col 15. Au sein de ce dernier, le champ de force centrifuge atteint son maximum au voisinage de la paroi interne 4, et diminue sensiblement lorsqu'on s'écarte de cette dernière pour se rapprocher de la paroi externe 3. L'existence du
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champ de force centrifuge dans chaque section annulaire de passage de l'écoulement dans la chambre 2 a pour conséquence de créer un gradient de pression radial centrifuge au sein même de la section.
Si la vitesse du gaz en écoulement peut atteindre une valeur proche de celle
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du son près de la paroi interne du col 15 de la chambre 2, elle s'en écarte progressivement pour atteindre une valeur sensiblement moindre pres de la paroi externe du col de la chambre 2.
Les particules solides et/ou liquides présentes, et ! ou engendrées par la détente, dans le courant gazeux subissent une centrifugation qui commence dans l'ailettage 7, qui s'intensifie considérablement pour
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atteindre son maximum au droit du col 15, puis s'affaiblit très progressivement pour cesser à la sortie de l'ailettage redresseur 11.
L'effet de la centrifugation dans l'ailettage déflecteur 7 et dans la chambre 2 est de créer une vitesse relative radiale centrifuge des particules par rapport à la vitesse du courant gazeux, et ce pendant tout le parcours des particules dans la chambre 2. Le procédé selon l'invention tel Qu'illustré par 1a Fig. 1 permet donc de faire remonter par les particules le gradient de pression radial qui existe
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en tout point de la chambre 2. Du de ce déplacement relatif au sein de l'écoulement. la plupart des particules ainsi centrifugées atteignent la couche extérieure du courant en ecoulement, dans laquelle elles s'accumulent et peuvent coalescer.
Le champ centrifuge i dans cette couche extérieure qui longe la paroi 3 jusqu'au droit de l'écorceur 13 qui dérive cette couche du courant principal vers le plenum de sortie 9 qui amene ce courant dérivé à une chambre de collecte.
Dans le procédé on peut agir sur plusieurs paramètres pour modifier les performances selon les applications. On premier parametre est le nombre de Mach maximum admis dans la chambre 2. Un second paramètre est le rapport des rayons extérieur et interieur des sections annulaires de passage de l'eeoulement chambre 2. Un troisième paramètre est la longueur de la chambre de Separation 2.
11 est clair que le travail absorbé par le procédé sous forme de perte de pression du courant gazeux entre le plenum d'entrée et celui de sortie sera d'autant plus grand que le travail théorique de séparation est grand. Comme le montre la Fig. 1, l'écoulement est organisé de façon à permettre une centrifugation maximale des particules à séparer, tout en réduisant dans toute la mesure du possible les pertes de pression parasites. Par exemple, les pertes dues aux tourbillons engendrés par les ailettages 7 et 11 sont minimisées grâce à la localisation de ces ailettages à des endroits où les vitesses sont relativement faibles. De même, le passage de la détente a la recompression du courant gazeux se fait instantanément au sein du col 15.
La Fig. 2 illustre un autre cas d'application du procédé et dispositif selon l'invention. Le courant gazeux à traiter pénètre dans le plenum d'entree 16 d'une tuyère axisymétrique comprenant une chambre de séparation 17 délimitée par une paroi externe 18, une paroi interne 19, un ailettage déflecteur 22 et un ailettage redresseur 26. Dans le plenum d'entrée 1b, la paroi interne 19 de la chambre 17 se prolonge
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faitpar une paroi en forme de bulbe 20 solidaire de la paroi 21 du plenum d'entrée Ib. La paroi externe 18 de la chambre 17 se prolonge par la paroi externe 21 du plenum d'entrée 16.
La Fig. 3 montre une vue agrandie de la section AA dans la tuyère axisymétrique représentée it la Fig. 2.
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La Fig. 4 montre une vue agrandie de la section BB dans la tuyère axisyfnetrique représentée à la Fig. 2.
Entre la chambre de séparation 17 et les plenums de sortie 23 du courant prineipal et 24 du courant derive, la paroi interne de la chambre 17 ae prolonge par une paroi conique 19 solidaire de la paroi externe 18 du plenum de sortie 24 et de l'écorceur 28. La paroi externe 18 de la chambre 17 se prolonge par 1a paroi externe 27 du plenum 24, et l'écorceur 28 se prolonge par la paroi tronconique 29 du plenum de sortie 23.
Le courant gazeux entre dans le plenum 16 selon une direction
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généralement parallele a de la tuyère. 11 subit une première l'axephase de détente accompagnée d'acceleration essentiellement axiale en raison du rétrécissement de la section de passage jusqu'au droit de l'ailettage deflecteur 22. Ce dernier, dans lequel le courant subit une seconde phase de détente, imprime au courant en écoulement un mouvement hélio-spiral centripète illustré par la trajectoire 31 d'un filet fluide. En d'autres termes, à la sortie de l'ailettage 22, tous les filets fluides ont une vitesse comprenant une composante axiale, une composante radiale centripète, et une composante circonférentielle.
Dans la chambre 17, la section se rétrécit dans le sens de l'écoulement et le courant en écoulement subit une troisième phase de détente jusqu'à la section 30 d'entrée de l'ailettage redresseur 26, qui est la section minimale de passage du courant gazeux, c. a. d. celle où la vitesse du courant atteint sa valeur la plus élevée, toutefois inférieure ä la vitesse du son (nombre de Mach inférieur à 1'unité). L'accroissement de vitesse entre la section de
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sortie de l'ailettage 22 et la section 30 porte sur chacune des trois composantes de la vitesse, qui varient d'ailleurs d'un filet fluide à l'autre. La vitesse circonférentielle maximale est atteinte en tout point de la section 30.
Depuis la section 30 de la chambre 17 i jusqu'à 1a section de sortie de l'ailettage redresseur 2b, la section de passage du courant en écoulement augmente progressivement, ce qui entrain une deceleration de l'écoulement et une recompression concomitante du courant gazeux. Cette décélération porte surtout sur les composantes axiale et circonférentielle de la vitesse de chaque ) filet fluide, de façon que ces composantes des vitesses de l'écoulement ä la sortie de l'ailettage redresseur 26 soient comparables aux composantes correspondantes des vitesses de l'écoulement à l'entrée de l'ailettage déflecteur 22.
La description qui precede détaille les modifications qui se produisent dans le constituant principal du courant gazeux, c. a. d. le
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gaz proprement dit. Comme dans la Fig. 1, les particules non gazeuses préexistantes et/ou engendrées en cours de détente par la condensation, suivent des trajectoires d'autant plus proches de celles des filets gazeux que leurs dimensions sont plus petites. Comme dans la Fig. 1, lorsque ces dimensions sont proches du micromètre, il s'agit d'aerosols dont la séparation inertielle nécessite l'application d'un champ de force centrifuge très élevé pendant un laps de temps suffisant.
Un tel champ est créé par l'ailettage déflecteur 22 et s'amplifie encore dans la partie de la chambre 17 située entre la sortie de l'ailettage 22 et la section d'entree 30 de l'ailettage redresseur 26.
Au sein de cette dernière section 30, le champ de force centrifuge atteint son maximum et disparait ensuite pendant la traversée de l'ailettage redresseur 26. L* existence du champ de force centrifuge dans chaque section annulaire de passage de l'écoulement dans la chambre 17 a pour conséquence de créer un gradient de pression radial centrifuge au sein même de la section. La vitesse du gaz en écoulement peut atteindre une valeur proche de celle du son au droit de la section 30.
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Les particules solides et/ou liquides présentes, etfou engendrées par la détente, dans le courant gazeux subissent une centrifugation qui commence dans l'ailettage 22, qui a une intensité considérable dans la chambre 17 pour atteindre son maximum au droit de la section 30, puis disparaît dans l'ailettage redresseur 26.
L'effet de la centrifugation dans l'ailettage déflecteur 22 et dans la chambre 17 est de créer une vitesse relative radiale centrifuge des particules par rapport à la vitesse du courant gazeux, et ce pendant tout le parcours des particules dans la chambre 17. Le procédé selon l'invention tel qu'illustré par la Fig. 2 permet donc de faire remonter par les particules le gradient de pression radial qui existe en tout point de la chambre 17. Du fait de ce déplacement relatif au sein de l'écoulement, la plupart des particules ainsi centrifugées migrent vers la couche extérieure du courant en beoulement, dans laquelle elles s'accumulent et peuvent coalescer.
Le champ centrifuge maintient les particules dans cette couche extérieure qui longe la paroi 18 jusqu'au droit de l'écorceur 28 qui dérive cette couche du courant principal vers le plenum de sortie 24 qui amène ce courant dérivé une chambre de collecte.
Dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention illustrée par la Fig. 2, on peut agir sur plusieurs paramètres pour modifier les performances selon les applications. Un premier paramètre est le nombre de Mach maximum admis dans la chambre 17. Un second paramètre est le rapport des rayons extérieur et intérieur des sections annulaires de passage de l'écroulement dans la chambre 17. Un troisième paramètre est la longueur de la chambre de séparation 17.
11 est clair que, tout comme dans l'application illustrée par la Fig. 1, le travail absorbé par le procédé sous forme de perte de pression entre le plenum d'entrée et celui de sortie sera d'autant plus grand que le travail théorique de séparation est grand. Dans l'application selon la Fig. 2 comme dans celle selon la Fig. 1, l'écoulement est organisé de façon à permettre une centrifugation
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maximale des particules à séparer, tout en réduisant dans toute la mesure du possible les pertes de pression parasites. Les pertes tourbillonnaires dues aux ailettages 22 et 26 sont plus élevées, mais chaque filet fluide peut subir une détente jusqu'à un nombre de Mach proche de l'unite, ce qui permet une condensation plus poussée que dans l'application illustrée à la Fig. 1.
Dans la Fig. 1, l'ailettage déflecteur 7 et l'ailettage redresseur 11 sont tous deux situés entre des plans perpendiculaires à l'axe de la tuyère. Dans la Fig. 2, l'ailettage déflecteur 22 et l'ailettage redresseur 2 & sont tous deux situés entre des cylindres à génératrices rectilignes parallèles a l'axe de la tuyère. Dans le procédé et dispositif selon l'invention, ces dispositions de l'ailettage déflecteur d'une part, de l'ailettage redresseur d'autre part, ne sont pas limitatives : chacun de ces ailettages peut être disposé de toute manière généralement quelconque qui respecte le caractère quasi iso-erergétique des écoulements qui caractérise l'invention.
Lorsque la Separation selon l'invention doit se faire dans un courant gazeux qui ne contient aucune particule ni centre de nucléation préexistant, à l'état solide ou liquide, il est nécessaire d'ensemencer et/ou de traiter le courant gazeux de toute manière connue pour y introduire de tels centres de nucléation qui permettent à la condensation de se produire en regime subsonique.
Il faut noter que la préexistence d'aérosols solides ou liquides dans le courant gazeux à traiter favorise la condensation sur les particules en cause et la croissance concomitante de leur taille, ce qui améliore leur rendement de Separation dans le procédé et le dispositif selon l'invention.