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Ajutage d'écoulement de liquide:
L'invention a pour objet un ajutage d'écoulement à coefficient de débit variable, convenant plus particulièrement aux dispositifs utilisés pour répartir un liquide de façon sen- siblement uniforme sur une surface horizontale. Ces dispositifs comportent de multiples orifices qui peuvent être répartis soit sur des surfaces, soit sur des réseaux de canaux ouverts par le haut ou de'tuyauteries fermées aux extrémités. Les orifices peuvent être constitués par de simples perforations pratiquées dans le fond d'un réservoir de liquide ou dans le fond des canaux ou dans les tuyauteries, ou, comme c'est le cas dans le cadre de la présente invention, par des ajutages implantés dans les dites perforations.
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Le débit d'un ajutage est donné par l'expression
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Q , ms V2gH dans laquelle Q est le débit
S la section de sortie de l'ajutage
H la hauteur de liquide au-dessus de cette section' ou, dans le cas d'une tuyauterie noyée, la charge correspondante exprimée en hauteur de liquide. g l'accélération de la pesanteur m un coefficient de débit.
Le coefficient m varie suivant la forme de l'ajutage.
Pour un ajutage lisse conique ou cylindro-conique avec entrée évasée, m est très voisin de l'unité.
Pour obtenir un débit uniforme par tous les orifices, il est nécessaire que ceux-ci se trouvent sous une même charge ou pression statique, par exemple dans le cas d'un réservoir ou de canaux ouverts par le haut, sous une hauteur de liquide ayant partout la même valeur. En pratique cependant, la pression statique du liquide n'est pas égale pour tous les orifices, soit à cause de la perte de charge, soit à cause de la variation de la pression
2 dynamique (v/2g) du liquide circulant dans un chenal ouvert ou dans une tuyauterie noyée ou dénoyée, soit à cause de ces deux facteurs agissant simultanément.
Industriellement, on ne peut pas réaliser l'alimentation de tous les ajutages sous une pression statique identique et on doit admettre une certaine tolérance. En choisissant cette tolérance par exemple à ¯ 5% du débit et en tenant compte du fait que ce ' débit dans chaque tuyère est, comme indiqué ci'-dessus, proportionnel à la racine carrée de la pression statique du liquide au droit de la tuyère considérée, la variation de pression statique encore admissible entre les différents orifices pourra être de 10%.
Si, dans un dispositif de répartition de liquide à aju- tages multiples, à régime réglé pour un débit Q normal, on désire
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pour une raison quelconque réduire le débit de liquide, la variation de la hauteur ou de la charge de liquide au droit des différents ajutages va s'accroître et de la sorte provoquer ou accentuer l'inégalité de débit entre ces ajutages, comme le montre un exemple auquel se rapporte la Fig. 1 représentant un chenal ouvert 1, fermé à une extrémité, et supposé muni de deux ajutages 2.
En admettant que la longueur a des ajutages soit de 8 cm et qu'en régime stable à plein débit, la hauteur b du liquide au-dessus de l'entrée d'un ajutage soit de 40 cm, la hauteur de liquide au-dessus de la base de cet ajutage, H = a + b, sera de 48 cm.
Le débit de cet ajutage vaudra alors
Q = mS # 2 gH
Si ce débit diminue à Q' = Q/n, la charge H' mesurée n par rapport à la base de cet ajutage devient .
H' = H/n2 (a + b) n@
Par exemple, pour n = 2, correspondant donc à Q=Q/2, la charge se réduit à H' = ##### = 12 cm.
Il en résulte une hauteur de liquide dans le chenal b' = 4 cm n'atteignant donc qu'un dixième de b = 40 cm. De ce fait, la vitesse du liquide dans le chenal augmente de 5 fois. Comme la perte de charge dans ce chenal est proportionnelle au carré de la vitesse, elle sera donc 25 fois plus grande qu'en régime à plein débit et il en résultera une réduction notable de la charge sur le second ajutage et partant de là un accroissement de la différence de débit entre les deux ajutages.
Comme exposé ci-dessus, le débit d'un ajutage dépend du coefficient de débit m normalement invariable. Lorsque le débit total diminue, c'est-à-dire quand la pression statique au droit d'un ajutage devient plus petite, on,peut donc améliorer
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la répartition du liquide au moyen d'ajutages ayant un coefficient m variable et se modifiant dans le même sens que le débit. Il existe bien des ajutages comportant à cet effet des organes de réglage mécaniques, tels que par exemple des pointeaux susceptibles. de modifier la section de l'entrée, mais il serait difficile et onéreux de vouloir munir le grand nombre d'ajutages que comporte un dispositif de répartition de liquide, d'organes de réglage et de commandes pour les faire fonctionner avec la précision voulue.
En outre, on augmenterait considérablement les surfaces'exposées à la corrosion par des liquides et des gaz.
' L'ajutage suivant la présente invention convient plus particulièrement aux dispositifs à ajutages multiples pour la répartition de liquides et offre l'avantage de posséder un coeffi- cient de débit m variabl, tout en étant dépourvu de toute pièce mécanique mobile ou de pièce formant obstacle dans la veine d'écoulement.
A cet effet l'ajutage conforme à l'invention comporte dans la zone convergente en aval de l'entrée, au moins une ouver- ture latérale qui est située au niveau dit "neutre". A ce niveau, la pression statique du liquide à l'intérieur de l'ajutage corres- pond, à débit normal de l'ajutage, en substance à la pression du gaz à l'extérieur de l'ajutage, de manière que cette ouverture ne laisse passer ni du liquide de l'intérieur vers l'extérieur, ni du gaz de l'extérieur vers l'intérieur de l'ajutage. Par contre, à débit réduit, du gaz peut pénétrer par l'ouverture à l'intérieur de l'ajutage et modifier de ce fait son coefficient de débit, ce qui a pour conséquence d'augmenter la pression statique au-dessus de l'ajutage et d'améliorer ainsi la répartition du liquide entre les différents ajutages.
L'ajutage suivant l'invention peut posséder au niveau neutre une seule ouverture latérale, ou 'plusieurs trous répartis avantageusement sur toute la circonférence, ou une fente circu- laire interrompue par des ponts reliant la partie inférieure à la
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partie supérieure. Les trous peuvent aussi être situés dans plu- sieurs plans parallèles, rapprochés du niveau neutre. Ils peuvent être circulaires, ovales ou polygonaux, ou encore être allongés horizontalement ou verticalement. ,
Le dessin annexa représente à titre d'exemple plusieurs formes d'exécution de l'invention.
La Fig. 1 montre; une coupe transversale d'un chenal avec un ajutage courant, cette figure ayant servi ci-dessus à démon- trer l'augmentation de la perte de charge lors d'une réduction du débit dans un dispositif habituel;
Les Figs. 2 à 5 sont des coupes d'ajutagessuivantl'invention;
La Fig. 6 est une représentation graphique montrant l'augmentation de la pression statique au-dessus d'un ajutage suivant l'invention et la modification du coefficient d'écoulement lors- qu'on réduit le débit, et -La-Fig. 7 montre schématiquement un tuyau fermé à 2 ajutages
Un ajutage suivant l'invention doit posséder une entrée évasée 3 convenablement profilée, suivie d'une partie conique 4 et, éventuellement, d'une partie cylindrique 5, dont le diamètre correspond au diamètre de sortie de la partie conique 4.
Les di- mensions et proportions des différentes parties doivent évidement être celles d'un ajutage assurant un écoulement régulier non perturbé du liquide, et, bien entendu, l'ajutage 2 représenté sur la Fig. 1 et les ajutages 6 suivant les Figs. 2 à 5 ne sont que des exemples, d'ajutages pouvant convenir.'
Extérieurement, l'ajutage peut être pourvu d'une partie filetée 7 permettant de le fixer par vissage dans le fond plat d'un réservoir ou d'un chenal ouvert vers le haut, ou dans un conduit fermé et noyé, ainsi que, avantageusement, d'une portée 8 limitant son enfoncement de manière que l'entrée évasée 3 affleure la face intérieure de la paroi du réservoir, ou chenal, ou conduit fermé.
Conformément à l'invention, l'ajutage comporte dans la partie conique convergente 4 au moins une ouverture latérale, mais
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de préférence plusieurs ouvertures réparties sur la circonférence.
Ces ouvertures peuvent par exemple être des trous ronds 9 (Fig. 2), ou être constituées par une fente circulaire 10 (Fig. 3) inter- rompue par des ponts 11 reliant l'aval de l'ajutage à l'amont, ou être des trous 12 (Fig. 4) de préférence aplatis, situés dans des plans parallèles rapprochés ou encore des trous 13 (Fig. 5) allongés verticalement. Ces trous se trouvent à un niveau n dit "neutre", ou à proximité immédiate de ce niveau.
A débit normal de l'ajutage, la pression statique à .l'intérieur de l'ajutage est au niveau neutre n sensiblement égale à la pression du gaz à l'extérieur de l'ajutage, en pratique dans bien des cas sensiblement égale à la pression atmosphérique de l'air entourant la partie saillante de l'ajutage. A cause de la pression identique régnant de part et d'autre de ces ou- vertures, il n'y passe ni liquide de l'intérieur vers l'extérieur, ni gaz de l'extérieur vers l'intérieur, au moins pas en quantités notables, et l'ajutage se comporte comme s'il ne possédait pas d'ouvertures.
Il possède un coefficient d'écoulement m constant, très près de l'unité et, comme décrit ci-dessus pour un ajutage courant, l'équilibre voulu s'établit entre le débit Q nominal et la pression statique au-dessus de l'ajutage, assurant une répartition équitable du liquide entre les différents ajutages restant dans les limites des tolérances choisies.
A débit réduit de l'alimentation du réservoir, du chenal ou d'un conduit fermé et noyé, la pression statique au-dessus d'un ajutage diminue, et une dépression se crée dans le liquide au niveau n par rapport à la pression extérieure. Cette dépres- sion fait entrer du gaz à l'intérieur de l'ajutage, ce qui a pour conséquence de réduire le coefficient de débit m en fonction de la quantité d'air se mélangeant à l'intérieur de l'ajutage au liquide.
Les ouvertures latérales ont donc pour effet de réaliser par un moyen de très grande simplicité des ajutages à coefficient de débit variable, et un coup d'oeil sur la formule indiquée plus
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haut fait comprendre qu'il en résulte, par une réduction de m, un accroissement de la pression statique au-dessus des ajutages, donc une amélioration dans la répartition du liquide sur les dit. férents ajutages.
Le graphique annexé (Fig. 6) représente le résultat dressais comparatifs, entrepris à l'aide de deux ajutages ident- ques quant à leur longueur (a = 8 cm) et leur diamètre (S = 2,26 cm).
L'un des ajutages est sans ouvertures latérales, tandis que l'autre est pourvu de 8 trous d'un diamètre de 0,5 cm (Fig. 2).
L'abscisse du graphique indique le débit Q en ordre décroissant de 4,5 à 2 m3/h et les ordonnées représentent l'une la hauteur b du liquide mesurée dans un chenal, exprimée en centimètres, et l'autre le coefficient de débit m.
La courbe 14 montre la hauteur b de la colonne d'eau lorsqu'on diminue le débit Q au-dessus d'un ajutage courant, sans ouvertures latérales. Comme déjà exposé à titre d'exemple et montré sur la Fig. 1, b se réduit au dixième quand on diminue Q de moitié. Ainsi, pour Q = 4,5 m3/h, b atteint 40 cm, et seule- ment 4 cm pour Q = 2,25 m3/h. Si on voulait réduire Q à 2 m3/h, on constaterait que l'écoulement par l'ajutage devient instable à cause de la formation de vortex. Le coefficient de débitm est invariable et reste pour tous les débits Q voisin de 1, comme indiqué sur le graphique par la ligne interrompue horizontale.
Dans le cas de l'ajutage pourvu d'ouvertures latérales, b est représenté par la courbe 15. Pour le débit nominal de Q = 4,5 cm3/h, la hauteur b est comme dans le cas précédent de 40 cm, puisque, à ce débit, il y a égalité de pression au niveau n et le gaz ne,peut pas entrer par les ouvertures. De ce fait, le coefficient de débit m est également voisin de 1. Si on réduit le débit Q, une dépression s'établit au niveau n et augmente au fur et à mesure de la diminution de Q. La quantité de gaz aspirée augmente évidemment avec la,diminution de Q, ce qui réduit la valeur de m comme le montre la courbe 16. Pour un débit Q = 2,25 m,
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m atteint 0,73.
Il en résulte une atténuation notable de la diminu- tion de b et lorsque le débit Q a été réduit de moitié, b atteint encore 10 cm, donc 2,5 fois la hauteur de la colonne d'eau du cas ' de l'ajutage sans ouvertures latérales. Il en résulte une réparti- tion fortement améliorée du liquide sur les différents ajutages.
Il est encore possible de mesurer la hauteur de la colonne pour Q = 2,0 m3/h (environ 7 cm pour m = 0,68), et de constater que cette fois la hauteur de la colonne d'eau est encore loin de celle où, sans ouvertures latérales, l'écoulement par l'ajutage devient instable.
L'ajutage suivant l'invention décrit ci-dessus permet également d'améliorer la répartition du liquide dans le cas où les ajutages sont placés sur des tuyauteries noyées.
La Fig. 7 montre un tuyau noyé fermé à une extrémité et comportant deux ajutages A et B.
La différence de pression totale du liquide entre les sections a et b situées immédiatement en amont des ajutages A et B peut s'écrire, suivant la loi de Bernouilli
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où Pa et Pb sont les pressions statiques dans les sections a et b va et vb les vitesses dans la tuyauterie dans les mêmes sections # Pab la perte de charge entre les 2 sections.
Les débits des ajutages A et B dépendent des pressions statiques au droit de chacun d'eux, soit pratiquement de Pa pour l'ajutage A et de Pb pour l'ajutage B.
La rapport de ces débits dépend du rapport Pb qui b vaut, d'après l'expression ci-dessus:
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'Lorsque les débits diminuent, l'ajutage de l'inventior a un coefficient de débit qui se réduit également et il s'ensuit, comme indiqué ci-dessus, que pour un débit déterminé la pression statique au droit de l'ajutage doit être plus élevée en particulier dans l'exemple ci-dessus la valeur de Pb est majorée.
Il en résulte d'après l'expression ci-dessus que la rapport Pa/Pb se rapproche de l'unité et on obtient donc une meilleure répartition du débit.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes d'exécution qui ont été décrites et représentées à titre d'exem- ple, et on ne sortirait pas de son cadre en y apportant des modifications.