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(11) | EP 0 051 571 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Siphon émulseur |
| (57) L'installation de soulèvement de liquides décrite est essentiellement constituée
par un type particulier de siphon dont le tronçon (C) descendant débouche et décharge
le liquide qui s'y écoule à une hauteur supérieure à la hauteur (h) à laquelle se
trouve le plan d'eau du liquide contenu dans le bassin (B) d'alimentation de la colonne
montante. Pour obtenir ce résultat la densité du liquide qui passe dans la colonne montante (A) est réduite en émulsionnant ce dernier avec de l'air, tandis que dans le tronçon descendant la densité du liquide est reportée à la valeur initiale. Ceci est réalisé en séparant di liquide, dans une chambre à dépression (S) ad hoc dans laquelle débouche la colonne montante, l'air déjà utilisé pour produire l'émulsion, air qui est ensuite refoulé à l'extérieur à l'aide d'un dispositif d'aspiration(V). La caractéristique principale de cette installation consiste dans le fait que pour émulsionner le liquide dans la colonne montante on utilise l'air à pression ambiante (de préférence atmosphérique). |
[0001] La présente invention concerne une installation de soulèvement des liquides, eau en particulier, du type à soulèvement pneumatique.
[0002] Dans le domaine de l'hydraulique, les systèmes de pompage d'eau pneumatiques verticaux (pompes "mammouth" (air lift) et similaires) qui utilisent comme système de commande de l'air comprimé envoyé à l'intérieur du tuyau transporteur (voir "Nicklin, D.J. : The Air-lift Pump : Theory and Optimisation. Trans.Instn.Chem.Engrs.Vol.41-1963" e-t "Govier G. und Leigh Short,W. : The upward Flow of air water mixtures. The Canad.Journ.of Chem.Engineering, Oktober 1958") sont bien connus et ont de nombreuses applications.
[0003] L'installation en objet est constituée essentiellement d'un siphon dont le tronçon descendant débouche et décharge le liquide qui y passe à une hauteur supérieure à celle à laquelle est situé le plan d'eau du liquide contenu dans le bassin d'alimentation de la colonne montante.
[0004] Ceci est rendu possible du fait que tandis que dans la colonne montante la densité du liquide est réduite en émulsionnant ce dernier avec de l'air, dans le tronçon descendant la densité du liquide retrouve sa valeur initiale en séparant de l'émulsion - dans une chambre à dépression qui surmonte la colonne montante - l'air qui avait été utilisé pour réaliser l'émulsion, air qui est ensuite refoulé à l'extérieur.
[0005] La caractéristique principale de l'invention consiste dans le fait que pour émulsionner le liquide dans la colonne montante on utilise l'air à pression ambiante, de préférence à pression atmosphérique.
[0006] En fait, comme à l'intérieur de la colonne montante le liquide est en dépression, l'air à pression atmosphérique est en fait comprimé et peut être utilisé comme tel par rapport au liquide contenu dans la colonne montante du siphon.
[0007] Par conséquent à ce point de vue la colonne montante du siphon peut être considérée comme un type particulier d'air-lift dont les caractéristiques fondamentales et de nouveauté - qui le différencient des traditionnelles pompes du même genre, et en particulier des pompes mammouth - consistent à opérer dans un milieu en dépression et à utiliser comme air comprimé, en fait, l'air à pression atmosphérique.
[0008] De plus, tandis que les air-lift traditionnels ne sont pas en mesure de fonctionner si l'on ne dispose pas d'une profondeur d'immersion suffisante - du fait, comme on le sait, que leur hauteur de soulèvement est subordonnée également au rapport d'immersion - le système de pompage décrit ici est en mesure de fonctionner indépendamment de la profondeur d'immersion qui est parfaitement négligeable quant à la hauteur de soulèvement.
[0009] Evidemment le siphon émulseur objet de la présente invention peut fonctionner, une fois qu'il a été amorcé, à la seule condition que dans la chambre à dépression dans laquelle débouche la colonne montante, la dépression d'exploitation soit maintenue constante.
[0010] Dans ce but un dispositif d'aspiration approprié devra transférer à l'extérieur l'air qui, après s'être dilaté dans la colonne montante, a afflué dans la chambre à dépression où débouche la colonne montante.
[0011] Il faut souligner le fait que, comme avec cette installation le travail nécessaire pour permettre de soulever le liquide se limite à l'aspiration de l'air qui a afflué dans l'unité de temps dans la chambre à dépression, cette même installation permet d'utiliser de façon rentable, pour accomplir le travail requis, l'énergie de tous les sauts minimaux et même inférieurs à un mètre, encore disponibles dans la généralité des cours d'eau et qui ne sont pas encore exploités.
[0012] En fait, en canalisant l'eau qui doit s'écouler d'amont en aval du saut disponible dans un tuyau Venturi, cette eau peut être utilisée de façon rentable comme système d'aspiration (système Bunsen).
[0013] Il faut noter encore que pour aspirer, toujours à l'aide d'un aspirateur de type Bunsen, une partie de l'air qui est arrivé dans la chambre à dépression, on peut utiliser le liquide qui a été soulevé en le faisant s'écouler à une hauteur inférieure à celle à laquelle il a été soulevé. Ceci peut être particulièrement rentable dans tous les cas où le travail à accomplir n'est pas de soulever un liquide, mais de l'aérer ou de l'oxygéner comme, par exemple, pour les lacs ou fleuves pollués, les installations d'aquiculture, etc. Dans tous ces cas, avec l'installation qui fait l'objet de la présente invention l'énergie à dépenser dans le processus d'oxygénation est exclusivement celle nécessaire pour transférer à l'extérieur du séparateur l'air résiduel. Ce travail correspond aux seules pertes de rendement survenues au cours du cycle d'exploitation.
[0014] Pour aspirer l'air de la chambre à dépression et le refouler à l'extérieur, on peut utiliser, de façon rentable, l'énergie du vent.
[0015] Dans ce cas l'aspirateur éolique peut consister simplement en un rotor avec deux ou trois pales creuses et ouvertes à leur extrémité, comme le moyeu, qui font corps avec le siphon émulseur en objet et qui en tournant refoule l'air par centrifugation (système Andreau).
[0016] Cette installation est aussi caractérisée par le fait qu'elle est d'une extrême simplicité de construction; elle n'a pas de limites dimensionnelles si ce n'est de prévoir, en cas d'importants débits, plusieurs tuyaux pour insuffler l'air; on peut la faire fonctionner en série, même avec une seule chambre à dépression; elle n'a aucun organe mécanique en mouvement, en particulier si elle fonctionne avec un aspirateur hydraulique, tandis que si elle fonctionne avec un aspirateur éolique elle n'a pas besoin de moyens de transmission mécaniques et a donc un coût d'exploitation qui coincide pratique- . ment avec le coût d'installation.
[0017] De plus elle permet, comme on l'a déjà dit, l'utilisation et la récupération - surtout pour l'irrigation et la production d'énergie hydro-électrique - de l'énergie de tous les sauts minimaux qui ne sont pas utilisés aujourd'hui.
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[0018] On décrira ci-après un exemple de réalisation du siphon émulseur objet de la présente invention, indiqué sous forme schématique sur le dessin ci-joint.
[0019] Par référence au dessin, on indique par A la colonne montante de l'installation constituée par un tuyau 1 dont l'extrémité inférieure plonge dans le bassin d'alimentation B - par exemple un lac, un fleuve, une nappe phréatique et similaires - dont le plan d'eau est à la cote h.
[0020] L'extrémité supérieure du tuyau 1 pénètre à l'intérieur d'une chambre à dépression S jusqu'à une hauteur hl supérieure à la hauteur h2 du fond de cette chambre, mais inférieure à la hauteur maximale à laquelle la pression atmosphérique pourrait soulever, par rapport à la dépression établie et maintenue à l'intérieur de la chambre S, l'émulsion d'eau-air contenue dans la colonne montante A, comme on l'illustrera mieux plus loin.
[0021] La chambre à dépression S est constituée par un réservoir 2 étanche muni d'un aspirateur V destiné tant à créer la dépression à la valeur déterminée, qu'à la maintenir pendant toute la durée du cycle d'exploitation du système du fait que l'eau de cette émulsion qui afflue dans la chambre S se sépare de l'air par gravité et se recueille sur lé fond du réservoir 2, tandis que l'air libéré doit être constamment transféré à l'extérieur par l'aspirateur V pour conserver la valeur prédéterminée de la dépression.
[0022] Pour réaliser l'émulsion eau-air sus-mentionnée on a prévu l'installation d'un injecteur 1 introduit au-dessous de l'extrémité inférieure de la colonne montante A et qui pénètre à l'intérieur de cette colonne jusqu'à une hauteur h3 légèrement supérieure à la cote h du plan d'eau du bassin d'alimentation B. A travers l'injecteur I, qui est mis en communication avec l'atmosphère extérieure par un tuyau 3, l'air à pression atmosphérique afflue, selon la quantité et avec la vitesse voulues, à l'intérieur de la colonne montante A dans la proportion désirée, en émulsionnant l'eau contenue dans cette dernière et qui se trouve a une pression inférieure à la pression ambiante.(atmosphérique).
[0023] L'installation qui fait l'objet de la présente invention est complétée par une colonne descendante C constituée par un tuyau 4 en communication avec le fond de la chambre à dépression S, à travers lequel l'eau qui s'est recueillie dans le réservoir 2 est convoyée à l'extérieur, dans le bassin de récolte D soumis à la pression atmosphérique, à une cote h4 (supérieure à la cote h du bassin d'alimentation, mais inférieure à la cote h2 de la chambre à dépression) établie à une hauteur immédiatement inférieure à la hauteur à laquelle la colonne d'eau qui la surmonte peut vaincre, en fonction de la propre pression hydrostatique et de celle existant dans la chambre S au-dessus de son plan d'eau, la pression atmosphérique.
[0024] L'extrémité de la colonne descendante C est fermée hydrauliquement comme on peut l'observer sur le dessin.
[0025] Il faut noter ici que si l'aspirateur V, destiné à créer et maintenir la dépression voulue dans la chambre S, peut être constitué par l'un des nombreux dispositifs mécaniques appropriés que l'on trouve dans le commerce, il peut également être formé, par exemple, par un tuyau Venturi dans lequel on fait s'écouler, d'amont en aval du saut disponible, l'eau nécessaire pour obtenir et maintenir la dépression voulue, ou encore, lorsque les conditions ambiantes sont favorables, par un rotor éolique relié directement à la chambre à dépression.
[0026] Au cours du fonctionnement, une fois mis en route l'aspirateur V, la pression descend dans la chambre S au-dessous de la pression atmosphérique.
[0027] En conséquence l'eau contenue dans le bassin d'alimentation B tend à monter dans la colonne montante A jusqu'à une hauteur correspondant à la différence, en mètres, entre la pression atmosphérique et la pression existant dans la colonne montante au-dessus du plan d'eau du liquide. De plus, comme à n'importe quel point de la colonne montante A au-dessus de la cote h le liquide qui y est contenu se trouve en dépression, l'air à pression atmosphérique peut affluer à travers l'injecteur I dans la colonne montante A. L'air, en affluant à travers l'injecteur I dans la colonne montante dans la proportion voulue, se mélange avec le liquide et en réduit la densité, permettant ainsi le soulèvement de l'émulsion à une hauteur supérieure à celle à laquelle la pression atmosphérique aurait pu soulever, par rapport à la dépression existant dans la chambre S, la seule colonne de liquide. La colonne montante du siphon débouche à l'intérieur de la chambre S à une hauteur hl supérieure à la hauteur h2 du fond du réservoir, mais inférieure à la hauteur maximale à laquelle la pression atmosphérique est en mesure de soulever,en fonction de la dépression existant dans la chambre S, le mélange contenu dans la colonne montante A. A l'intérieur de cette chambre S comme on l'a déjà dit, l'air se sépare de l'émulsion et l'eau résiduelle peut s'écouler dans le bassin d'utilisation D, à travers la colonne descendante C, à une cote h4 établie à une hauteur immédiatement inférieure à la hauteur à laquelle la colonne de liquide qui la surmonte peut vaincre la pression atmosphérique, tandis que l'air séparé de l'eau dans le réservoir 2 est refoulé à l'extérieur par l'aspirateur V pour maintenir constante la dépression prévue dans la chambre S.
Exemple
[0029] Sur la base de ce que l'on a dit ci-dessus et si l'on prend pour hypothèse de soulever à 5,50 m de hauteur 8 litres d'eau à la seconde, l'installation - à titre purement d'exemple - pourrait être la suivante :
COLONNE MONTANTE A
CHAMBRE A DEPRESSION OU RESERVOIR-SEPARATEUR
COLONNE DESCENDANTE C
ASPIRATEUR V
[0033] - n'importe quel type de pompe à vide pourvu qu'elle soit capable d'assurer 0,2 atm. comme dépression d'exploitation à l'intérieur de la chambre à dépression S ou réservoir-séparateur.
INJECTEUR I
[0034] L'injecteur débouche à l'intérieur de la colonne montante A à 1,33 m au-dessus du niveau du plan d'eau du liquide à soulever. Un tuyau de 30 mm de diamètre relie l'injecteur à la prise d'air atmosphérique.
[0035] On a prévu un robinet pour permettre de régler la quantité d'air à faire affluer dans la colonne montante A.
QUANTITE D'AIR INSUFFLE
[0036] Cette quantité est réglée par le robinet de l'injecteur I. La quantité d'air constituant l'émulsion ne doit pas, de toute façon, être inférieure à 50% du volume d'eau contenu dans la colonne montante A. La vitesse de soulèvement peut être augmentée en faisant augmenter de façon opportune la quantité d'air insufflée.
1. Siphon émulseur pour soulever un liquide d'un bassin d'alimentation situé à une
cote inférieure jusqu'à un bassin d'utilisation situé à une cote supérieure, comprenant
: une colonne montante constituée per un premier tuyau dont les deux extrémités sont
ouvertes et l'extrémité inférieure plonge dans un bassin d'alimentation; une chambre
à dépression étanche à l'intérieur de laquelle pénètre l'extrémité supérieure de la
colonne montante; un dispositif d'aspiration capable de créer une dépression dans
cette chambre; une colonne descendante formée d'un deuxième tuyau en communication
avec le fond de la chambre à dépression, dont l'extrémité inférieure plonge dans le
bassin d'utilisation; un injecteur en communication avec l'atmosphère ambiante situé
à l'intérieur de la partie inférieure de la colonne montante, dont l'orifice de sortie
se trouve à une cote supérieure à celle du plan d'eau du liquide contenu dans le bassin
d'alimentation, qui envoie de l'air à pression ambiante dans la colonne montante de
façon à réduire la densité du liquide qui s'y trouve'par émulsion de ce dernier, permettant
à l'émulsion liquide-air de monter dans la colonne montante jusqu'à la chambre à dépression
dans laquelle s'effectue par gravité la séparation du liquide de l'air; le liquide
s'écoule donc dans le bassin d'utilisation tandis que l'air est refoulé à l'extérieur
par le dispositif d'aspiration.
2. Siphon émulseur comme décrit à la revendication 1., dans lequel la profondeur d'immersion
de l'extrémité inférieure de la colonne montante dans le bassin d'alimentation est
d'une très faible valeur.
3. Siphon émulseur comme décrit aux revendications
1. et 2. dont l'extrémité supérieure de la colonne montante pénètre dans la chambre
à dépression sur une hauteur telle que l'extrémité ouverte de la colonne montante
se trouve à une cote supérieure à celle du fond de la chambre à dépression, mais inférieure
à la cote maximale à laquelle la pression ambiante pourrait soulever - en fonction
dela dépression déterminée et maintenue dans la chambre à dépression - l'émulsion
liquide-air contenue dans la colonne montante.
4. Siphon émulseur comme décrit aux revendications
1., 2. et 3. dans laquel la cote du plan d'eau du bassin d'utilisation est établie,
par rapport à la cote du fond de la chambre à dépression, de telle façon qu'elle soit
immédiatement inférieure à celle à laquelle la colonne de liquide qui la surmonte
peut vaincre, en fonction de sa propre pression hydrostatique et de celle existant
dans la chambre à dépression, la pression atmosphérique ambiante.
5. Siphon émulseur comme indiqué dans les revendications qui précèdent dans lequel
le liquide utilisé est de l'eau.
6. Siphon émulseur comme indiqué dans les revendications qui précèdent dans lequel
la pression ambiante est la pression atmosphérique.
7. Siphon émulseur comme décrit ci-dessus par référence à l'unique dessin ci-joint.