EP4355493B1 - Dispositif autonome de génération de mousse viscosée - Google Patents

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EP4355493B1
EP4355493B1 EP22741339.0A EP22741339A EP4355493B1 EP 4355493 B1 EP4355493 B1 EP 4355493B1 EP 22741339 A EP22741339 A EP 22741339A EP 4355493 B1 EP4355493 B1 EP 4355493B1
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foam
cage
pipe
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balls
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Fabien FRANCES
Pierre VENDITTI
Célia LEPEYTRE
Agnès GRANDJEAN
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • B01F2215/0418—Geometrical information
    • B01F2215/0431—Numerical size values, e.g. diameter of a hole or conduit, area, volume, length, width, or ratios thereof

Definitions

  • the present invention relates to a self-contained viscosified foam generating device.
  • viscosified foams i.e. those enriched with a gelling agent which increases the physical stability of the foams and makes them less likely to flow on even very inclined or vertical surfaces. These two characteristics allow the foam to act for a sufficient time on the surface to be treated which they cover. Examples are given in FR 2 841 802 A1 .
  • One of their disadvantages is that they are difficult to produce from a foaming solution in the liquid state, precisely because of the high viscosity of this solution.
  • Foam generating devices are generally designed for conventional foams, and they are not suitable for viscose foams. In particular, they do not allow a high expansion of the foam produced to be guaranteed in a sustainable manner, i.e. a low liquid fraction in the foam (for example less than 10% by volume); a lower expansion has the disadvantage of using an excess of liquid products for the same volume of foam, and of producing fewer small, more durable bubbles.
  • WO 2013/067401 A2 An example of a foam generating device is described in WO 2013/067401 A2 ; this device is partially portable, but it is designed for ordinary foams used against fires.
  • FR2889085 A1 And WO2019/011513 A1 describe mixers of foam constituents, capable of producing the latter in projection devices such as those in the documents mentioned above.
  • These mixers comprise beds of solid bodies composed of superimposed layers; the foam constituents are forced to flow through the beds, and they mix in the interstices of the solid bodies to form the foam.
  • the compact beds described in these documents are nevertheless not very suitable for producing foams with high expansion.
  • This device where compressed gas is used both to produce the foam and to suck the foaming liquid out of its tank, eliminates the need for a power supply to the device, which requires either the use of an external supply via cables or a heavy battery.
  • the flow rate of the sucked liquid, conditioned by the energy supplied to the pump, is proportional to the pressure of the compressed gas, and the flow rate of the compressed gas used to produce the foam is also proportional to this pressure.
  • the stability of the foam expansion i.e. the value of its liquid fraction, is therefore guaranteed without any adjustment.
  • the mixer integrated into the device is well suited to produce a foam with the required qualities.
  • the balls being in small numbers in the cage and of much smaller dimensions than the cage, do not form superimposed layers but, on the contrary, remain free and perform independent and significant movements, capable of giving a high foam expansion.
  • the invention is well suited to the generation of foams containing a gelling agent.
  • a branch 16 of the second conduit 14 ends at an orifice 17 for setting the rotor of the pneumatic pump 5 into motion (possibly via a second regulator 43 to independently adjust the pressure at this location).
  • the branch 16 leaves the second conduit 14 just downstream of the main regulator 4 and therefore transports slightly compressed air at constant pressure (7 bars for example).
  • the pressure gauge 3 is connected by a pressure measurement conduit 20 to the second conduit 14, upstream of the main regulator 4, and it therefore makes it possible to measure the pressure of the gas at the outlet of the bottle 2 and to evaluate the filling of the latter.
  • the frame 8 carries the tank 1, the bottle 2, the main regulator 4, the pneumatic pump 5, the first conduit 11 and the second conduit 14.
  • the frame 8 may be vertical and belong to a backpack carried by the operator of the device; the frame 8 may also be a rolling cart, for example.
  • the foam ejection end 7 is not fixed to the frame 8, but it is located at the end of a flexible lance 21, which the operator holds.
  • the lance 21 extends between the end 7 on the one hand, and the junction 15 on the other hand.
  • the mixer 6 is located on the path of the mixture of liquid and compressed air between the junction 15 and the end 7, and it is shown in Figure 2 . It comprises two flat grids 28 following one another in the bore 24 of a cylindrical wall and occupying its entire section, two sealing joints 29 to which the grids 28 are respectively fixed and which serve as support for the wall of the bore 24, and spherical and rigid balls 30 free to move between the grids 28.
  • the sealing joints 29 serve to hold the grids 28 in place and to form between them a cage 31, still delimited by the wall of the bore 24, and in which the balls 30 are retained. They also force all the fluids circulating in the bore 24 to pass through the interior of the cage 31.
  • This type of mixer comprising balls, or more generally solid bodies, free in a cage crossed by the previously mixed fluids has proven to be very effective in producing foams with a well-defined and possibly high expansion, i.e. with a low liquid fraction. It is particularly suitable for the manufacture of viscosified foams.
  • the cage 31 can be 10 to 400 mm long, 10 to 100 mm in diameter, and the balls 30 2 to 20 mm in diameter. Free and independent movements, of large amplitude, of the balls 30 being sought to give a high expansion, a very low filling of the cage 31 by the balls 30 is sought.
  • the balls 30 do not form superimposed layers at rest. They are 1 to 40 in number, with a diameter 2 to 10 times smaller than the diameter of the cage 31; more advantageously, 4 to 8 times smaller than this diameter; and at best, about 5 times smaller.
  • FIG. 3 shows that the end 7 is attached to the front end of a barrel of a gun 32 held by the operator, the rear end of which is joined to the lance 21.
  • the operator opens the lance 21 and triggers the projection of foam by pressing a trigger 35 of the gun 32.
  • FIG. 4 illustrates a possible arrangement of the equipment on chassis 8, where a spare tank 1' is still shown, used when the first (tank 1) has been emptied.
  • the device Since the device is free from any servitude, that is to say, any supply from the outside, the operator can put it on or transport it without constraint to remote or inaccessible places. He grasps the lance 21 by the gun 32 and presses the trigger 35 when he is in front of the surface to be covered with foam.
  • the opening of the lance 21 allows the compressed air to flow through the second conduit 14. A portion of the flow passes through the pneumatic pump 5, starts it up and is used to draw an invariable flow, proportional to the flow of air passing through the pump 5, of the foaming solution from the tank 1.
  • the pumped foaming solution and the main flow of compressed air, which is directed towards the lance 21, converge at the junction 15, upstream of the mixer 6.
  • Foam expansion obtained approximately 16.7 (approximately 100 liters of foam produced for 6 liters of foaming solution consumed).
  • the balls 30 could be replaced by another solid body freely movable in the cage 31, and their number could also be different, only one solid body being possible.

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Description

  • L'invention présente a trait à un dispositif autonome de génération de mousse viscosée.
  • Elle trouvera utilité notamment dans des travaux de décontamination ou de dépollution, dans lesquelles des mousses doivent être appliquées sur de vastes surfaces pouvant être fortement inclinées ou verticales, appartenant par exemple à des bâtiments, ou dans des volumes quasiment clos, éventuellement peu accessibles, et se maintenir sur ces surfaces pendant un temps assez long pour agir sur les produits polluants, sans couler ou se dégrader d'une autre manière.
  • On apprécie pour cela les mousses dites viscosées, c'est-à-dire enrichies en un agent gélifiant qui accroît la stabilité physique des mousses et les rend moins aptes à s'écouler sur des surfaces même très inclinées ou verticales. Ces deux caractéristiques permettent à la mousse d'agir pendant un temps suffisant sur la surface à traiter qu'elles couvrent. Des exemples sont donnés dans FR 2 841 802 A1 . Un de leurs inconvénients est qu'elles sont difficiles à fabriquer à partir d'une solution moussante à l'état liquide, précisément à cause de la viscosité élevée de cette solution. Les appareils générateurs de mousses sont généralement prévus pour des mousses classiques, et ils ne conviennent pas aux mousses viscosées. Ils ne permettent en particulier pas de garantir de façon durable un foisonnement élevé de la mousse produite, c'est-à-dire une faible fraction liquide dans la mousse (par exemple inférieure à 10 % en volume) ; un foisonnement plus faible a notamment l'inconvénient de dépenser un excès des produits liquides à même volume de mousse, et de donner moins de petites bulles plus durables.
  • Un exemple d'un dispositif de génération de mousse est décrit dans WO 2013/067401 A2 ; ce dispositif est partiellement portatif, mais il est conçu pour des mousses ordinaires utilisées contre les incendies.
  • US5623995 A , US2010/175897 A1 et CN110251865 A décrivent d'autres dispositifs de génération et de projection de mousse.
  • FR2889085 A1 et WO2019/011513 A1 décrivent des mélangeurs des constituants de la mousse, aptes à fabriquer cette dernière dans des dispositifs de projection tels ceux des documents mentionnés plus haut. Ces mélangeurs comprennent des lits de corps solides composés de couches superposées ; les constituants de la mousse sont contraints de s'écouler à travers les lits, et ils se mélangent dans les interstices des corps solides en formant la mousse. Les lits compacts décrits dans ces documents sont néanmoins peu aptes à donner des mousses au foisonnement élevé.
  • Un objet de l'invention est de fabriquer des mousses, notamment des mousses spéciales à foisonnement élevé, de façon fiable, à un débit important, au moyen d'un générateur adapté et dont le fonctionnement est stable.
  • D'autres objets de l'invention sont :
    • de pouvoir transporter l'appareil sans difficulté dans des endroits peu accessibles et dépourvus de toute source d'approvisionnement, par exemple en eau ou en électricité ;
    • d'offrir certains avantages de sécurité à l'opérateur.
  • D'après une définition générale, l'invention est relative à un dispositif de génération de mousse, comprenant :
    • ∘ un réservoir d'un liquide moussant,
    • ∘ une bouteille de gaz comprimé,
    • ∘ un premier conduit sortant du réservoir et traversant une pompe pneumatique en étant connecté à des orifices d'aspiration et de refoulement de ladite pompe pneumatique,
    • ∘ un deuxième conduit sortant de la bouteille et traversant un détendeur, le premier conduit et le deuxième conduit se joignant à une jonction,
    • ∘ un conduit de transport d'un mélange du liquide moussant et du gaz comprimé s'étendant entre la jonction et une extrémité d'éjection de mousse,
    • ∘ un mélangeur du liquide moussant et du gaz comprimé, dans lequel la mousse est formée, et situé sur le conduit de transport du mélange entre la jonction et l'extrémité d'éjection,
    • le deuxième conduit comprenant une bifurcation menant à un orifice de mise en marche de la pompe pneumatique,
    • caractérisé en ce que le mélangeur comprend :
      • ∘ une paroi cylindrique ouverte aux deux extrémités axiales et parcourue par le mélange entre lesdites extrémités axiales,
      • ∘ une cage formée dans la paroi cylindrique, et
      • ∘ au moins un corps solide libre de mouvement dans la cage, l'au moins un corps solide consistant en 1 à 40 billes, construites en matériaux rigides, et
    • en ce que la cage fait 10 à 400 mm de longueur, 10 à 100 mm de diamètre, et les billes font 2 à 20 mm de diamètre,
    • un remplissage de la cage parles billes étant tel que les billes ne forment pas, au repos, de couches superposées,
    • le diamètre des billes étant de 2 à 10 fois inférieur au diamètre de la cage, de préférence de 4 à 8 fois inférieur au diamètre de la cage.
  • Ce dispositif, où le gaz comprimé est utilisé à la fois pour fabriquer la mousse et aspirer le liquide moussant hors de son réservoir, permet de se passer du besoin d'une alimentation électrique du dispositif impliquant soit la servitude d'un approvisionnement extérieur par des câbles, soit une batterie lourde. Le débit du liquide aspiré, conditionné par l'énergie fournie à la pompe, est proportionnel à la pression du gaz comprimé, et le débit du gaz comprimé servant à fabriquer la mousse est aussi proportionnel à cette pression. La stabilité du foisonnement de la mousse, c'est-à-dire de la valeur de sa fraction liquide, est donc garantie sans aucun réglage. Le mélangeur intégré au dispositif est bien adapté pour produire une mousse ayant les qualités requises. Les billes étant en petit nombre dans la cage et de dimensions bien inférieures à celle-ci, n'y forment pas de couches superposées mais restent au contraire libres et accomplissent des mouvements indépendant et importants, aptes à donner un foisonnement élevé de la mousse.
  • Selon divers perfectionnements optionnels de cette conception :
    • le dispositif comprend un manomètre de mesure de pression du gaz comprimé dans la bouteille ;
    • le conduit de transport du mélange comprend une lance souple ;
    • le dispositif comprend une manette de commande unique, disposée sur la lance, d'ouverture de la lance et d'éjection de la mousse ;
    • la cage est délimitée par deux grilles se succédant dans la paroi cylindrique ;- le dispositif est monté sur un châssis portatif ou un chariot roulant, et complètement indépendant, en service, d'approvisionnements extérieurs, notamment d'électricité ou de fluides.
  • L'invention est bien adaptée à la génération de mousses contenant un agent gélifiant.
  • L'invention sera maintenant décrite dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages, au moyen des figures suivantes, qui en illustrent une réalisation particulière, données à titre purement illustratif :
    • la Figure 1 est un schéma d'une réalisation de l'invention ;
    • la Figure 2 représente le mélangeur ;
    • la Figure 3 représente l'extrémité de la lance de projection ;
    • la Figure 4 illustre un agencement concret de la réalisation.
  • Se reportant à la figure 1, l'appareil comprend un réservoir 1 de solution moussante à l'état liquide, une bouteille 2 d'air comprimé, un manomètre 3, un détendeur 4 principal, une pompe pneumatique 5, un mélangeur 6, une extrémité 7 d'éjection de mousse, et un châssis 8. Un premier conduit 11 relie un orifice de sortie du réservoir 1 à un orifice d'aspiration 12 de la pompe pneumatique 5 ; il ressort de la pompe pneumatique 5 par son orifice de refoulement 13, traverse le mélangeur 6 et aboutit à l'extrémité 7. Un deuxième conduit 14 relie un orifice de sortie de la bouteille 2 au détendeur 4 principal, puis conflue au premier conduit 11 à une jonction 15 réalisée entre l'orifice de refoulement de la pompe pneumatique 5 et le mélangeur 6. Une bifurcation 16 du deuxième conduit 14 aboutit à un orifice 17 de mise en mouvement du rotor de la pompe pneumatique 5 (via éventuellement un deuxième détendeur 43 pour régler indépendamment la pression à cet endroit). La bifurcation 16 quitte le deuxième conduit 14 juste en aval du détendeur 4 principal et transporte donc de l'air faiblement comprimé à pression constante (7 bars par exemple). Le manomètre 3 est relié par un conduit de prise de pression 20 au second conduit 14, en amont du détendeur 4 principal, et il permet donc de mesurer la pression du gaz à la sortie de la bouteille 2 et d'évaluer le remplissage de celle-ci.
  • Le châssis 8 porte le réservoir 1, la bouteille 2, le détendeur 4 principal, la pompe pneumatique 5, le premier conduit 11 et le deuxième conduit 14. Comme le montre la figure 4, le châssis 8 peut être vertical et appartenir à un sac à dos porté par l'opérateur du dispositif ; le châssis 8 peut aussi être un chariot roulant, par exemple. L'extrémité 7 d'éjection de mousse n'est pas fixée au châssis 8, mais elle se trouve au bout d'une lance 21 souple, que tient l'opérateur. La lance 21 s'étend entre l'extrémité 7 d'une part, et la jonction 15 d'autre part.
  • Le mélangeur 6 est situé sur le trajet du mélange de liquide et d'air comprimé entre la jonction 15 et l'extrémité 7, et il est représenté à la figure 2. Il comprend deux grilles 28 planes se succédant dans le perçage 24 d'une paroi cylindrique et occupant toute sa section, deux joints d'étanchéité 29 auxquels les grilles 28 sont respectivement fixées et qui leur servent d'appui à la paroi du perçage 24, et des billes 30 sphériques et rigides libres de se mouvoir entre les grilles 28. Les joints d'étanchéité 29 servent à maintenir les grilles 28 en place et à former entre elles une cage 31, délimitée encore par la paroi du perçage 24, et dans laquelle les billes 30 sont retenues. Ils obligent aussi tous les fluides circulant dans le perçage 24 à passer par l'intérieur de la cage 31.
  • Ce genre de mélangeur comprenant des billes, ou plus généralement des corps solides, libres dans une cage traversée par les fluides préalablement mélangés s'est révélé très efficace pour produire des mousses dont le foisonnement est bien déterminé et éventuellement élevé, c'est-à-dire à faible fraction liquide. Il convient particulièrement à la fabrication de mousses viscosées. La cage 31 peut faire 10 à 400 mm de longueur, 10 à 100 mm de diamètre, et les billes 30 de 2 à 20 mm de diamètre. Des mouvements libres et indépendants, de grande amplitude, des billes 30 étant recherchées pour donner un foisonnement élevé, un très faible remplissage de la cage 31 par les billes 30 est recherché, Selon l'invention, les billes 30 ne forment pas de couches superposées au repos. Elles sont au nombre de 1 à 40, d'un diamètre de 2 à 10 fois inférieur au diamètre de la cage 31 ; plus avantageusement, de 4 à 8 fois inférieur à ce diamètre ; et au mieux, environ 5 fois inférieur.
  • La figure 3 montre que l'extrémité 7 est fixée à l'extrémité avant d'un canon d'un pistolet 32 tenu par l'opérateur, dont l'extrémité arrière est jointe à la lance 21. L'opérateur ouvre la lance 21 et déclenche la projection de mousse en pressant sur une gâchette 35 du pistolet 32.
  • La figure 4 illustre une disposition possible des équipements sur le châssis 8, où on représente encore un réservoir 1' de rechange utilisé quand le premier (le réservoir 1) a été vidé.
  • Voici comment le fonctionnement du dispositif et ses avantages peuvent être décrits. Comme le dispositif est dépourvu de toute servitude, c'est-à-dire d'approvisionnement quelconque à partir de l'extérieur, l'opérateur peut le revêtir ou le transporter sans contrainte dans des lieux écartés ou peu accessibles. Il saisit la lance 21 par le pistolet 32 et appuie sur la gâchette 35 quand il est devant la surface à couvrir de mousse. L'ouverture de la lance 21 permet à l'air comprimé de s'écouler par le deuxième conduit 14. Une partie du débit traverse la pompe pneumatique 5, la met en marche et sert à aspirer un débit invariable, proportionnel au débit d'air traversant la pompe 5, de la solution moussante hors du réservoir 1. La solution moussante pompée et le débit principal d'air comprimé, qui est dirigé vers la lance 21, confluent à la jonction 15, en amont du mélangeur 6. Ici aussi, le débit de la solution moussante et celui de l'air comprimé qui se mélange à elle sont proportionnels et ont donc un rapport invariable, déterminé par les caractéristiques physiques des fluides et du dispositif. La mousse se forme par le mélange de l'air et de la solution moussante, en traversant le mélangeur 6, qui est très efficace pour obtenir une mousse à fort foisonnement, recherchée entre autres pour les mousses viscosées.
  • Quelques indications supplémentaires, de nature concrète, sont données ci-dessous pour décrire plus complètement un exemple particulier de cette réalisation du dispositif et ses performances.
    • Bouteille 2 : capacité de 3l, pression de départ de 300 bars ;
    • Réservoirs 1 ou 1' : capacité de 8l chacun ;
    • Détendeur 4 principal : réduit la pression à 7 bars ;
    • Deuxième détendeur 43 : réduit la pression à 4 bars ;
    • Mélangeur 6 : diamètre et longueur de la cage 31 : de 10 à 100 mm et de 10 à 400 mm;
    • Billes rigides 30 : de 1 à 40, de 2 à 20 mm de diamètre ;
    • Solution moussante : eau, avec Glucopon 215UP [BASF] à 10g/l, et Xanthan Gum (G1253) [Sigma Aldrich] à 3g/l ;
    • Couche projetée sur surface verticale: 10m2, 1cm d'épaisseur, en 120s ; vitesse de glissement inférieure à 1cm/min. Dans le cas où la mousse est utilisée en remplissage d'un volume, le temps de maintien de la mousse est de 120min au moins.
  • Foisonnement de la mousse obtenue : environ 16,7 (environ 100 litres de mousse produits pour 6 litres consommés de la solution moussante).
  • Les billes 30 pourraient être remplacées par un autre corps solide librement mobile dans la cage 31, et leur nombre pourrait être aussi être différent, un seul corps solide étant possible.

Claims (7)

  1. Dispositif de génération de mousse, comprenant :
    - un réservoir (1) d'un liquide moussant,
    - une bouteille (2) de gaz comprimé,
    - un premier conduit (11) sortant du réservoir et traversant une pompe pneumatique (5) en étant connecté à des orifices d'aspiration (12) et de refoulement (13) de ladite pompe pneumatique,
    - un deuxième conduit (14) sortant de la bouteille (2) et traversant un détendeur (4),
    le premier conduit et le deuxième conduit se joignant à une jonction (15),
    - un conduit (21) de transport d'un mélange du liquide moussant et du gaz comprimé s'étendant entre la jonction (15) et une extrémité (7) d'éjection de mousse,
    - un mélangeur (6) du liquide moussant et du gaz comprimé, dans lequel la mousse est formée, et situé sur le conduit (21) de transport du mélange entre la jonction (15) et l'extrémité d'éjection (7),
    le deuxième conduit comprenant une bifurcation (16) menant à un orifice (17) de mise en marche de la pompe pneumatique,
    caractérisé en ce que le mélangeur (6) comprend :
    - une paroi cylindrique ouverte aux deux extrémités axiales et parcourue par le mélange entre lesdites extrémités axiales,
    - une cage (31) formée dans la paroi cylindrique, et
    - au moins un corps solide (30) libre de mouvement dans la cage, l'au moins un corps solide consistant en 1 à 40 billes, construites en matériaux rigides, et
    en ce que la cage fait 10 à 400 mm de longueur, 10 à 100 mm de diamètre, et les billes font 2 à 20 mm de diamètre,
    un remplissage de la cage par les billes étant tel que les billes ne forment pas, au repos, de couches superposées,
    le diamètre des billes étant de 2 à 10 fois inférieur au diamètre de la cage, de préférence de 4 à 8 fois inférieur au diamètre de la cage.
  2. Dispositif de génération de mousse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un manomètre (3) de mesure de pression du gaz comprimé dans la bouteille (2).
  3. Dispositif de génération de mousse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le conduit (21) de transport du mélange comprend une lance souple.
  4. Dispositif de génération de mousse selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une manette (35) de commande unique, disposée sur la lance (21), d'ouverture de la lance et d'éjection de la mousse.
  5. Dispositif de génération de mousse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cage est délimitée par deux grilles (28) se succédant dans la paroi cylindrique.
  6. Dispositif de génération de mousse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est monté sur un châssis (8) portatif, et complètement indépendant, en service, d'approvisionnements extérieurs, notamment d'électricité ou de fluides.
  7. Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à la fabrication et à la projection sur une surface d'une mousse contenant un agent gélifiant.
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