Utilisation d'une buse présentant un profil convergent-divergent dans un dispositif de débourrage de coupe-racines

Abstract

 L'invention concerne un dispositif de débourrage de coupe-racines utilisé dans l'industrie sucrière, mettant en oeuvre la projection d'un jet de fluide compressible sous pression.
Le dispositif comporte une buse (2) d'injection de fluide, disposée sur la partie statique (3) de l'appareil et orientée en direction de la trajectoire parcourue par les couteaux. Cette buse alimentée en fluide à une pression, une température et un débit prédéterminés est caractérisée en ce que son profil est déterminé de façon à assurer la détente isentropique du fluide jusqu'à une pression voisine de la pression aval ambiante.

Description

[0001] L'invention se rapporte à un dispositif de débourrage de coupe-racines utilisé dans l'industrie sucrière, mettant en oeuvre la projection d'un jet de fluide compressible sous pression.

[0002] Avant l'étape d'extraction du jus sucré par diffusion, on découpe les betteraves en lanières ou cossettes dans un appareil appelé coupe-­racines, du type à plateau ou à tambour. Ce dernier est constitué par un tambour à axe horizontal tournant dans un carter fixe. La jante du tambour est formée d'une succession d'alvéoles dans lesquelles sont fixés des porte-couteaux. Les couteaux sont orientés parallèlement aux génératrices vers l'intérieur du tambour.

[0003] Une base verticale du tambour est évidée et permet l'accès des bette­raves, depuis une trémie, à l'intérieur du tambour dans lequel ils s'accumulent dans la moitié inférieure. En fonctionnement, les bette­raves sont entrainées par le tambour jusqu'à buter sur une pièce fixe qui les repousse contre les couteaux. Elles sont alors découpées en cossettes, projetées à l'extérieur, et recueillies par le carter d'où elles sont acheminées vers le diffuseur.

[0004] Les betteraves, malgré leur nettoyage préalable, entrainent avec elles des déchets fibreux : herbes ou radicelles, qui ne sont pas découpés par les couteaux et qui se déposent en travers du tranchant des lames. Ils finissent par obstruer l'espace entre les couteaux avec pour conséquence une réduction du débit de l'appareil.

[0005] Pour éliminer ces déchets indésirables, on procède usuellement à la projection intermittente d'un jet d'air comprimé, en direction des couteaux, pendant le fonctionnement du coupe-racines.

[0006] L'air décolle les matières fibreuses des lames, et les chasse vers l'extérieur ou elles sont entrainées avec les cossettes. La rampe de soufflage, qui est en forme de fente, est disposée sur la partie fixe de l'appareil, à l'intérieur du tambour. Elle s'étend le long d'une généra­trice parallèle aux couteaux.

[0007] Dans une solution connue, la rampe est constituée d'un distributeur tubulaire, alimenté en fluide sous pression à une extrémité, qui débouche le long de son axe sur une tuyère convergente. Les lèvres de la tuyère ménagent entre elles une très faible ouverture de manière à répartir le flux le plus uniformément possible sur toute sa longueur.

[0008] Un tel dispositif nécessite, pour pouvoir désobstruer avec quelque efficacité les couteaux, une pression relativement élevée, de l'ordre de 15 à 20 bars dans les installations actuelles. L'injection dure quelques secondes et est répétée à intervalles réguliers. La fréquence est déterminée en fonction de la quantité de matières fibreuses entrainées avec les betteraves.

[0009] Ce dispositif ne donne pas entièrement satisfaction, d'une part, parce que le niveau élevé de la pression d'alimentation oblige à l'emploi de compresseurs spéciaux, onéreux en soi, d'autre part, parce que la force d'impact produite par le jet n'est pas toujours suffisante pour éliminer rapidement tous les déchets. On est alors amené à augmenter soit la durée du soufflage, soit sa fréquence. Tout ceci a une incidence défa­vorable sur le coût d'exploitation de l'installation.

[0010] Dans la demande de brevet EP 251 122, on propose, pour opérer le décol­lement des fibres des couteaux et leur évacuation vers l'extérieur, la combinaison de deux rampes de projection agissant en opposition : une première rampe est orientée vers la trajectoire des couteaux en formant un angle aigu avec la direction de leur déplacement, tandis que la deuxième forme un angle obtus. Cette dernière a pour objet d'assurer l'entrainement des fibres vers l'extérieur, une fois qu'elles ont été décollées par le jet de la première rampe. Cette solution n'est toutefois pas moins économique que la première, car elle doit faire appel également à des pressions de fluide élevées.

[0011] La présente invention se propose d'améliorer l'efficacité des dispo­sitifs de débourrage de coupe-racines par soufflage de fluide sous pression, tout en réduisant les coûts.

[0012] Le dispositif, conformément à l'invention, pour le débourrage de coupe-­racines par soufflage d'un fluide compressible sous pression, comportant au moins une buse d'injection de fluide disposée sur la partie statique de l'appareil en direction des couteaux, et un moyen pour alimenter la buse en fluide compressible à une pression, une température et un débit d'alimentation convenables, prédéterminés est caractérisé en ce que le profil de la buse est déterminé de façon à assurer la détente isentropique dudit fluide, jusqu'à une pression voisine de la pression aval ambiante.

[0013] Par pression voisine de la pression aval ambiante on comprend une pression dont la valeur est au plus supérieure ou inférieure de 20 % de cette dernière. Ainsi, si la pression ambiante est la pression atmosphérique, ce qui sera généralement le cas quand on emploie de l'air comprimé, la buse sera conformée de façon à assurer une détente isentropique jusqu'à une pression comprise entre 0,8 et 1,2 fois la pression atmosphérique.

[0014] L'invention résulte de la constatation que pour les réalisations existantes où la buse, ou tuyère, est simplement convergente avec une faible ouverture - de l'ordre du millimètre - et la pression d'alimen­tation élevée, la pression du jet, immédiatement en aval de la section de sortie, reste forte par rapport à sa valeur avant détente dans la tuyère et n'est pas adaptée à la pression environnante. Il s'ensuit une détente brutale donnant une forme évasée au jet dont l'efficacité diminue rapidement avec la distance. L'énergie utilisable, représentée par le produit de la quantité de mouvement (QV) par la longueur du noyau potentiel (4D), est de ce fait limitée par la vitesse d'éjection, qui est au plus sonique, et la faible distance sur laquelle celle-ci est conservée.

[0015] Q est égal au débit du fluide, V à sa vitesse en sortie de tuyère, D au diamètre hydraulique de cette dernière.

[0016] D correspond au diamètre dans le cas d'une tuyère circulaire et à 2 fois la distance E séparant les lèvres dans le cas d'une tuyère bidimension­nelle.

[0017] La longueur du noyau potentiel 4D correspond, comme cela est connu, sensiblement à la distance séparant la section de sortie de la tuyère de la section du jet pour laquelle la vitesse maximale du fluide devient inférieure à la vitesse initiale d'éjection.

[0018] Pour obtenir une meilleure action du fluide, on peut certes essayer de rapprocher la buse de la trajectoire des couteaux, mais il est évident qu'il existe une distance minimale que l'on ne peut réduire pour des raisons techniques. Cette distance est de l'ordre de 40 mm dans la pratique pour les coupe-racines à tambour.

[0019] Pour un même débit, en autorisant, conformément a l'invention, une détente isentropique du fluide jusqu'à la pression aval environnante, au moyen d'une tuyère à profil convergent-divergent dans le cas d'une pression d'alimentation supérieure à la pression critique du fluide, on obtient un jet qui n'éclate pas et qui conserve des lignes de courant sensiblement parallèles. En outre, la vitesse d'éjection étant maintenant supersonique et la section à la sortie du fluide supérieure à celle du col, l'énergie disponible du jet est augmentée en proportion.

[0020] Dans la mesure où les conditions d'alimentation en fluide le permettent, on cherchera à obtenir une longueur de noyau potentiel correspondant à au moins la moitié de la distance séparant la buse de la trajectoire des bords de coupe des couteaux. De préférence elle devrait être sensi­blement égale à cette distance. Ainsi, le diamètre hydraulique de la tuyère sera égal au moins au huitième et de préférence voisin au quart de cette distance.

[0021] Il apparaît que l'invention, par simple modification de la tuyère, permet d'accroître l'énergie effective du fluide délivré par les systèmes existants, dans le cas où l'on souhaite conserver les moyens d'alimentation en pression. Sinon, elle autorise l'emploi d'une source de fluide à une pression plus faible, donc, plus économique d'exploitation.

[0022] Il est ainsi possible de concevoir à la limite un système où la pression d'alimentation de la buse correspond à la pression critique du fluide. Dans ce cas, on obtient une détente jusqu'à la pression atmosphérique par l'emploi d'une simple buse convergente à ouverture appropriée.

[0023] Par pression d'alimentation, on comprend la pression totale du fluide immédiatement en amont de la tuyère. La pression fournie par le moyen d'alimentation en fluide sera généralement supérieure du fait des pertes de charge engendrées dans les conduits jusqu'à la tuyère elle-même, et qu'il faudra vaincre.

[0024] Afin d'assurer un balayage sur toute la longueur du tranchant des couteaux, la buse est de préférence bidimensionnelle. Elle est alimentée à partir d'un distributeur de fluide tubulaire le long d'une génératrice duquel elle est montée. Le distributeur, quant à lui, est relié à une canalisation d'alimentation par une extrémité.

[0025] Au lieu d'une buse bidimensionnele produisant un jet de fluide en forme de lame, on peut envisager la disposition, le long du distributeur, d'une pluralité de buses à contour circulaire, ou autre, produisant une rangée de jets de fluide couvrant toute la longueur des couteaux.

[0026] Conformément à un second aspect de l'invention, le distributeur comporte un moyen d'uniformisation du profil de vitesse le long de la tuyère dans le cas où elle est bidimensionnelle, ou bien d'une tuyère à l'autre dans le cas d'une pluralité de tuyères. En effet, il est souhaitable que le fluide agisse avec la même efficacité d'un bord à l'autre des couteaux. Selon un mode de réalisation ce moyen est constitué par un répartiteur de débit disposé à l'intérieur de la chambre formée par le distributeur en amont de la buse.

[0027] Le répartiteur de débit est constitué avantageusement par un tube cylin­drique percé d'orifices calibrés, de diamètre inférieur au diamètre du tube.

[0028] Toutefois, si l'encombrement est compatible avec la place disponible, ce moyen peut être constitué par la chambre d'alimentation elle-même qui présentera alors un volume suffisant pour ralentir le fluide provenant de la canalisation d'alimentation.

[0029] La description qui suit se rapporte à un mode de réalisation non limitatif de l'invention, elle est accompagnée des dessins sur lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une rampe de soufflage de fluide comprimé, en position sur un coupe-racines à tambour représenté de façon partielle.

- La figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la rampe de la figure 1, selon II II.

[0030] Le coupe-racines 1, dont n'apparaît sur la figure 1 que la partie envi­ronnant la rampe de soufflage 2, comporte un stator 3 à l'intérieur du tambour. Celui-ci est représenté de façon schématique par les couteaux 4 seulement. Le tambour tourne autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure, dans le sens de la flèche F. Les betteraves prises entre le tambour et le stator sont découpées en cossettes par les couteaux 4.

[0031] Ce type de coupe-racines, à tambour, est bien connu dans l'industrie sucrière, il n'est pas nécessaire de développer sa description. Il est également connu de disposer une rampe 2 de soufflage de fluide, air comprimé le plus souvent mais aussi vapeur d'eau le cas échéant, dans la partie haute de l'appareil, à l'intérieur d'une cavité ménagée dans le stator, comme cela est figuré sur le dessin. La rampe injecte le fluide sensiblement radialement, en direction de la trajectoire parcourue par les couteaux. Le jet de fluide a pour objet de décoller les éléments fibreux qui se sont déposés à cheval sur le tranchant de ces derniers.

[0032] La rampe 2 est assujettie au stator, à l'intérieur de la cavité, par tout moyen approprié, par exemple des étriers 5.

[0033] La rampe est constituée d'un distributeur tubulaire 21 de section circulaire ou autre - voir également la figure 2. Le distributeur est ouvert à une extrémité 21a, et fermé à son autre extrémité 21b par un bouchon.

[0034] La paroi du tube 21 comporte une ouverture longitudinale parallèlement à son axe, qui débouche sur une buse 22 faisant corps avec lui. Dans l'exemple représenté la buse est bidimensionnelle.

[0035] Cette buse est conformée, selon l'invention, en fonction de la pression totale d'alimentation du système régnant immédiatement en amont de ladite buse elle-même, de manière à obtenir à travers elle une détente isentropique de fluide jusqu'à la pression ambiante en sortie de tuyère. Dans le mode de réalisation tel qu'illustré sur les dessins, la vitesse d'éjection est supersonique, le profil correspond à un rapport de la pression amont à la pression atmosphérique supérieur au rapport de pression critique du fluide. Ce dernier rapport est, pour l'air par exemple, de 1,89.

[0036] La tuyère comporte une première partie convergente 22a, raccordée à une seconde partie divergente 22b par un col 22c. La variation de section le long des lignes d'écoulement radial est définie selon les lois bien connues de la mécanique des fluides de façon que la détente soit isentro­pique jusqu'à la pression ambiante en sortie de tuyère. Elle permet ainsi au fluide d'accélérer continuellement jusqu'à la section de sortie en passant par une vitesse sonique au col 22c.

[0037] Un tube répartiteur de débit 23, percé d'orifices calibrés 24 sur toute sa longueur, est disposé à l'intérieur du distributeur. Son diamètre est inférieur au diamètre intérieur de ce dernier, de manière à ménager une chambre annulaire d'équilibrage des pressions. Il a pour fonction d'assurer une pression d'alimentation immédiatement en amont de la buse 22, uniforme d'une extrémité à l'autre.

[0038] Le fluide parvient dans le distributeur par l'extrémité 21a, traverse le tube répartiteur 23, emplit la chambre annulaire d'équilibrage, et est éjecté en direction des couteaux par la buse 22.

[0039] On a rassemblé dans un tableau les caractéristiques du jet obtenu conformément à l'invention, en comparaison avec un jet bidimensionnel obtenu selon un dispositif de l'art antérieur à même débit d'air et mêmes conditions initiales de température et de pression.

	Tuyère de l'art antérieur, convergente	Tuyère adaptée, conforme à l'invention
- Pression d'alimentation (bars).....	18	18
- Température du fluide (°C).....	50	50
- Débit du fluide : Q (kg/s).....	1,4	1,4
- Ouverture de la tuyère à la sortie : D/2 (mm)..	0,95	2,6
- Longueur de la tuyère (mm).....	365	365
- Longueur du noyau potentiel : 1 = 4D (mm).....	7,2	20,8
- Vitesse d'éjection m/s.....	329	618
- Quantité de mouvement : QV.....	460	865
- Energie disponsible : QV1 (joules).....	3,7	19

[0040] Il apparaît que l'énergie disponible d'une tuyère adaptée est environ quatre fois supérieure à celle d'un système de l'art antérieur, l'effi­cacité de jet s'en trouve accrue d'autant.

[0041] On a effectué la même comparaison pour une pression d'alimentation de 6 bars, le débit de l'air comprimé et les conditions initiales de tempé­rature et de pression étant les mêmes que précédemment.

	Tuyère de l'art antérieur, convergente	Tuyère adaptée, conforme à l'invention
- Pression d'alimentation (bars).....	6	6
- Température (°C).....	50	50
- Débit : Q (kg/s).....	1,4	1,4
- Ouverture de la tuyère à la sortie : D/2 (mm)..	2,85	4,2
- Longueur de la tuyère (mm).....	365	365
- Longueur du noyau potentiel : 1 = 4D (mm).....	22,8	33,6
- Vitesse d'éjection de l'air V (m/s).....	329	521
- Quantité de mouvement : QV.....	460	730
- Energie disponsible : QV1 (joules).....	11	24,8

[0042] En travaillant à cette pression d'alimentation avec le dispositif de l'invention, on constate que la longueur de noyau potentiel équivaut sensiblement à la distance séparant la tuyère des couteaux. En effet cette distance est de l'ordre de 40 mm dans les appareils à tambour connus. On aura de ce fait une efficacité optimale.

[0043] Si on diminue encore la pression d'alimentation du fluide jusqu'à la pression correspondant au rapport de pression critique, il suffit de conformer la tuyère en convergent, car au col de cette dernière la pression sera celle de l'atmosphère. Toutefois, dans ce cas l'ouverture sera relativement importante. Cette solution n'est envisageable que dans la mesure où suffisamment de place est disponible dans la machine. Les valeurs sont les suivantes :

- pression d'alimentation (bars).....	1,9
- Température (°C).....	50°
- Débit : Q (kg/s).....	1,4
- Ouverture de la tuyère : D/2 (mm)..	9,03
- Longueur du noyau potentiel (mm).....	72
- Vitesse d'éjection : (m/s).....	329
- Quantité de mouvement : QV.....	460
- Energie disponsible : QV1 (joules).....	33

[0044] L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, elle englobe toutes les variantes qui sont à la portée de l'homme de métier. Ainsi, par exemple, elle peut être appliquée à d'autres types de coupe-­racines dont le coupe-racines à plateau.

Revendications

1 - Dispositif pour le débourrage de coupe-racines (1) par soufflage d'un fluide compressible sous pression, comportant au moins une buse d'injection dudit fluide disposée sur la partie statique (3) de l'appareil en direction des couteaux (4), et un moyen pour alimenter la buse en fluide compressible à une pression, une température et un débit d'alimentation convenables, prédéterminés, caractérisé en ce que le profil de la buse (22) est déterminé de façon à assurer la détente isentropique dudit fluide jusqu'à une pression voisine de la pression aval ambiante.

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression d'alimentation étant telle que son rapport à la pression atmosphérique soit supérieur au rapport de pression critique dudit fluide, la buse (22) présente un profil convergent-divergent.

3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression d'alimentation étant telle que son rapport à la pression atmosphérique soit sensiblement égal au rapport de pression critique dudit fluide, la buse présente un profil convergent.

4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le diamètre hydraulique de la buse (22) est au moins égal au huitième de la distance séparant ladite buse de la trajectoire du bord de coupe des couteaux (4).

5 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la buse (22) est bidimensionnelle.

6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de buses, notamment à section circulaire, disposées en rangée.

7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 a 5 caractérisé en ce que la buse (22) est alimentée à partir d'un distributeur tubulaire (21) comportant un moyen pour uniformiser le profil de vitesse du fluide le long de la buse.

8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit moyen est constitué par un répartiteur de débit disposé à l'intérieur du distributeur.

9 - Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit répartiteur de débit est constitué d'un tube (23) percé d'orifices calibrés (24), le diamètre dudit tube étant est inférieur au diamètre intérieur du tube (21).

Dessins