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Venturi à cavitation et tuyères multiples
La présente invention concerne des limiteurs de débit et, en particulier, des limiteurs de débit comportant des venturi à cavitation.
Les venturi à cavitation ont été utilisés depuis plusieurs années pour réguler et commander un débit de fluide dans une boucle ouverte. Pour une pression d'entrée fixe, le débit est constant sur une
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plage étendue de contre-pressions rencontrées en aval. Les venturi à ZD cavitation ne comportent aucun composant mobile et sont par conséquent extrêmement fiables. En raison de ces caractéristiques, on les a
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utilisés dans les actionneurs, les dispositifs de commande de mélanges ZD et de traitements, les fusées, les installations de sécurité et les centrales énergétiques.
Un venturi à cavitation est un rétrécissement d'une voie de passage comportant typiquement une entrée et une sortie en forme de cône ainsi qu'une partie formant col, généralement rectiligne, entre l'entrée et la sortie. La partie de sortie est également connue comme le diffuseur. Lorsque le col est rétréci pour que la hauteur dynamique ou chute de pression au niveau du col soit égale à la différence de pression totale, le fluide qui traverse le col se vaporise à l'équilibre température-pression correspondant de saturation du fluide. La vapeur se recondense rapidement en aval du col, dans le diffuseur du venturi.
En régime de cavitation, le débit dépend uniquement de la racine carrée de la différence entre la pression d'entrée et la pression de vapeur du fluide. Pour la plupart des fluides dans les applications pratiques, la pression de vapeur est bien inférieure à la pression d'entrée et peut être ignorée. Donc, le débit à traders le ventun n'est
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réglé que par réglage de la pression d'entrée (les variations de pression en aval n'affectent pas le débit).
Les venturi à cavitation sont connus comme des dispositifs pour récupérer-une pression élevée. La pression manométrique de sortie peut atteindre 85 à 90 % de la pression manométrique d'entrée. Toutefois, l'énergie cinétique fournie par l'écoulement de fluide est dissipée par le venturi en cavitations et se transforme généralement en énergie vibratoire. La fréquence acoustique naturelle des vibrations est proportionnelle à la vitesse du son dans le fluide qui s'écoule dans le venturi et est inversement proportionnelle à la longueur du diffuseur.
L'énergie vibratoire peut poser de sérieux problèmes dans certaines applications, en particulier dans les centrales nucléaires où l'on utilise des venturi à cavitation pour limiter le flux de fluides sous
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haute pression entre les réacteurs nucléaires et les générateurs de Z : D vapeur et dans les dispositifs de sécurité. Les niveaux de bruit et les vibrations de canalisations qui en découlent sont plus sévères quand la pression manométrique de sortie est faible par rapport à la pression manométrique d'entrée et peuvent, dans certaines situations, provoquer
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une fissuration des soudures ou un endommagement des vannes.
Ce tD problème a conduit à un sous-dimensionnement des canalisations dans certaines installations de centrales nucléaires, avec par conséquent une augmentation des coûts du fait des canalisations redondantes destinées à compenser le flux réduit à travers des tubes plus petits.
Il existe donc un besoin pour un limiteur de débit qui offre les avantages des venturi mais qui ne provoque pas les vibrations graves qui sont parfois associées à leur utilisation.
Un objet de la présente invention est de proposer un limiteur de débit qui présente des caractéristiques de bruit inférieures à celles d'un limiteur de débit à venturi unique, pour des caractéristiques d'écoulement similaires.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un limiteur de débit pour une canalisation à fort débit qui présente des caractéristiques de bruit faibles.
Encore un autre objet de la présente invention est de proposer un limiteur de débit approprié à une utilisation dans les réacteurs
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nucléaires, qui ait un coût plus faible que les limiteurs de débit traditionnels.
Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints avec la présente invention grâce à un venturi à cavitation et à tuyères multiples (MNCV). Les venturi à cavitation de limitation du débit comportent en général une tuyère de venturi unique placée dans une canalisation. Un limiteur de débit d'après la présente invention comprend au contraire une plaque avec des première et seconde faces espacées et une pluralité de tuyères de venturi à cavitation, parallèles et espacées, qui s'étendent entre les faces. Chaque venturi à cavitation comporte une partie d'entrée qui s'ouvre sur la première face, une partie diffuseur qui s'ouvre sur la seconde face et une partie col entre l'entrée et le diffuseur. Tous les venturi de la plaque sont conçus pour avoir à peu près les mêmes caractéristiques d'écoulement.
La plaque est conçue pour être placée de façon à limiter l'écoulement dans un tube unique.
Du fait que de nombreux venturi de petite taille sont utilisés à la place du venturi unique traditionnel, on peut obtenir un débit équivalent avec des venturi plus courts. Ceci conduit à une élévation de la fréquence naturelle de vibration du limiteur de débit et provoque une chute de l'amplitude maximale des vibrations.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, prise en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un venturi à cavitation et tuyère unique placé dans une canalisation ; la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un venturi à cavitation et tuyères multiples de la présente invention, placé entre deux tronçons de canalisation avec un accouplement par bride ; la figure 3 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation de la présente invention qui comprend des moyens pour raccorder les tronçons de canalisation différents de ceux du mode de réalisation représenté à la figure 2 ;
la figure 4 est une vue en coupe d un senturi Åa cavitation et tuyères multiples de la présente invention dont une tuyère a été bouchée pour limiter le débit de fluide à traders la plaque.
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Si on se rapporte maintenant à la figure 1, un limiteur de débit de l'art antérieur, globalement désigné par la référence 1, utilise C > un venturi à cavitation 3 avec une seule tuyère. Le sens de passage du fluide est indiquée par une flèche. Le venturi 3, qui présente généralement une symétrie axiale, comporte une partie d'entrée 5 qui s'ouvre
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dans un tronçon de canalisation 7 - La partie d'entrée 5 fait un angle au p sommet el et se rétrécit en direction d'une partie col 9. La partie col 9 a un diamètre d et une longueur Lt. La partie col 9 s'ouvre en son extrémité opposée sur une partie diffuseur 11 divergente faisant un angle au sommet p, partie qui s'ouvre quant à elle sur un tronçon de canalisation 13. La longueur totale du venturi-tuyère est L.
Le débit limité à cavitation maximale Q qui traverse un venturi à cavitation est donné par l'expression :
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dans laquelle d représente le diamètre de la partie col, Cd un coefficient de sortie proche de 1, p la masse volumique du fluide, p la
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pression d'entrée et P2 la pression de col. Dans des conditions de cavitation, P2 est égale à la pression de vapeur du fluide à la température correspondante du fluide. Par conséquent, le débit en régime de cavitation ne dépend pas de la pression aval P3 mais uniquement de la pression amont p.
Le coefficient de restitution R est un indicateur de la chute de pression minimale et une mesure de la capacité du venturi à la
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transformation de l'énergie. Il est défini par : 1
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R ne dépend pas de la géométrie du venturi et est essentiellement fonction du demi-angle au sommet ss/2 du diffuseur, de la 1 longueur L, du col, du diamètre d du col et, dans une moindre mesure, de la géométrie... de l'entrée. R peut atteindre 0,85 à 0,9 dans les venturi à cavitation.
Le limiteur de débit de la présente invention, au lieu de placer dans l'écoulement d'un fluide contenu dans une canalisation un venturi à cavitation et tuyère unique, met en place dans le trajet de circulation du fluide une plaque comportant plusieurs tuyères de venturi à cavitation. L'utilisation d'un venturi à cavitation avec tuyères multiples en tant que limiteur de débit permet d'utiliser des tuyères plus courtes que celles utilisées dans la configuration à tuyère unique représentée à la figure 1 tout en donnant les mêmes caractéristiques d'écoulement. Du fait que les tuyères sont plus courtes, le bruit vibratoire et sonore associé à leur utilisation est fortement réduit par rapport à celui associé à la configuration avec tuyère unique de débit équivalent.
La figure 2 montre un mode préféré de réalisation du limiteur de débit de la présente invention, appelé MNCV, destiné à être utilisé
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dans l'industrie nucléaire et globalement désigné par la référence 15.
ID c Le limiteur de débit MNCV comprend une plaque 17 placée entre des brides opposées 19. Les brides 19 et la plaque 17 sont maintenues ensemble dans une position fixe par des dispositifs de fixation comme des boulons 21 serrés sur des écrous 23. Un joint d'étanchéité 25 est réalisé entre les brides 19 et la plaque 17 au moyen de joints toriques ou de quelque autre moyen d'étanchement approprié. Chaque bride 19 est fixée à un tronçon de canalisation 27 par une soudure 29.
La plaque 17 est alésée pour fournir une pluralité de venturituyères à cavitation disposés en parallèle. Chaque tuyère 31 est essentiellement une version à plus petite échelle de la tuyère représentée à
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la figure 1. Le débit Q à travers la configuration de tuyères multiples 1 1 de la figure 2 est simplement n fois le débit de chaque tuyère tel que calculé par l'équation 1 dans laquelle n représente le nombre de tuyères 3 1 dans la plaque 17.
Une estimation grossière du nombre de tuyè- res nécessaires pour donner le même débit qu'un venturi à cavitation et
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tuyère unique, plus gros mais de proportions identiques, est donnée par l'expression :
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dans laquelle dl est le diamètre de la partie col de l'un des venturi à cavitation du limiteur de débit de l'invention et n le nombre total de venturi percés dans la plaque du limiteur MNCV.
Un nombre typique de tuyères dans un limiteur de la présente
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invention peut être compris entre trois et trente-six, voire davantage. e Le nombre choisi dépendra de la taille de la canalisation, de la pression différentielle dans le limiteur et de la fréquence acoustique naturelle du diffuseur. Les modes fi de fréquences naturelles d'un
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diffuseur de longueur L dans un fluide ayant une vitesse c de propai > gation du son sont :
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Par conséquent, pour diminuer les amplitudes des vibrations, il est avantageux de concevoir les venturi-tuyères pour qu'ils aient un premier mode de fréquence naturelle aussi élevé que possible, dans les limites de la réalisation industrielle et des coûts.
La figure 3 est une vue en coupe d'une autre possibilité de réalisation du limiteur de la présente invention, globalement désigné par la référence 33. Dans cette variante, la périphérie extérieure de la plaque 17 a été façonnée pour donner des fixations de soudure 35 en ses extrémités opposées en vue d'un soudage aux tronçons de canalisation (non représentés), ce qui donne un type de montage plus permanent.
Une partie d'entrée typique a une forme conique avec un angle au sommet a d'environ 200 et des bords arrondis pour minimiser les pertes d'entrée. Suivant une autre possibilité, la partie d'entrée peut être complètement arrondie a\ec un rayon r qui est approximati-
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vement égal au diamètre de col dl (figure 3). L'angle au sommet d'un diffuseur typique se situe dans une fourchette de 6 à 100 environ. Le diamètre de sortie du diffuseur vaut typiquement environ deux à trois fois le diamètre du col. Ce rapport sera déterminé par le coefficient requis de restitution de pression, R.
Quand on souhaite une restitution importante, c'est-à-dire par exemple R = 0,9, la partie conique 37 du diffuseur se termine par une partie de diffuseur 39 curviligne avec dp/dx = const. Le diamètre y de la partie curviligne 39 du diffuseur est donné par l'expression :
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dans laquelle yi et Y2 sont respectivement le diamètre d'entrée et le
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diamètre de sortie de la partie curviligne 39 du diffuseur ; x est la posiZn tion axiale le long de la partie curviligne 39 du diffuseur en prenant pour origine l'entrée de la partie curviligne du diffuseur ; et L2 est la
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longueur de la partie curviligne du diffuseur. Des dimensions typiques .
D C > pour donner un coefficient de restitution élevé à un limiteur MNCV tel que celui représenté à la figure 3 sont :
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r = dl ; Lt = 0, 4 dl ; LI = 7, 5 dl-10 dl yj = 2 dl y = 3 d et L-, = 3, 8 y
La transition entre les parties conique 37 et curviligne 39 du diffuseur doit être douce avec le même angle de tangence (13/2) au niveau du point A. Les conditions aux limites au niveau du point A
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donnent l'équation dy/dx = tan (ss/), laquelle donne à son tour L. Par exemple, pour y = 2 dl et y, = 3 dl comme représenté à la figure 3 et pour 13 = 6 , la longueur LI de la partie conique du diffuseur vaut 9. 5 dl. La longueur de la partie curx ilicyne L vaut environ 7, 6 dl. Le demi-angle y au point B vaut environ 21, 7 pour cette configuration.
La perte de pression totale D dans te limiteur MNCV est
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donnée par l'expression Dp = Pl - P2 = Kpv2/2 dans laquelle pl et P2 sont les pressions amont et aval du limiteur, K est le coefficient total de perte de pression, p est la densité du fluide et v la vélocité du fluide dans la partie col. K est égal à la somme des coefficients individuels de perte de pression entre l'entrée et la sortie :
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Le coefficient Kl de perte entre l'entrée et le col vaut typiquement de 0,02 à 0,03.
K2'le coefficient de perte dû à l'élargissement dans la partie conique 37 du diffuseur est donné par l'expression :
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Ko, le coefficient de perte dû aux frottements de surface à l'interface entre la surface et le fluide est donné par :
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expression dans laquelle f est un facteur de frottement qui dépend de la rugosité de la surface et du nombre de Reynold et est compris entre 0,015 et 0,012.
K4 est le coefficient de perte de ! a partie curviligne du diffuseur et est donné par :
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K5 est le coefficient de perte d Ks est le coefficient de perte de pression de la sortie du limiteur, donné par :
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expression dans laquelle n est le nombre de venturis et D est le diamètre de la canalisation placée en aval.
Avec la géométrie représentée à la figure 3, il est possible d'obtenir un coefficient de perte total K = 0,12. Le coefficient R de restitution de la pression vaut simplement 1-K = 0,88 ce qui donne un rendement de limiteur de 88%.
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On peut régler les caractéristiques de l'écoulement dans le 1 limiteur de l'invention par divers procédés. Par exemple, on peut percer des tuyères supplémentaires dans la plaque 17 pour augmenter 1 le débit. On peut agrandir chaque tuyère 31 pour augmenter également ZD It IZD le débit. Pour diminuer le débit, on peut boucher une ou plusieurs tuyères 31 à l'aide d'un bouchon 41, comme représenté à la figure 4.
Le bouchon 41 peut être maintenu en place de manière à être amovible par fixation, à l'aide d'un moyen approprié, à un élément 43 introduit sur le côté opposé de la tuyère. On peut réaliser cette fixation grâce, par exemple, à un boulon qui traverse le bouchon 41 et l'élément 43 et est immobilisé en une extrémité par un écrou.
L'efficacité du limiteur de la présente invention à réduire les vibrations sonores a été démontrée expérimentalement lorsqu'on a remplacé un venturi à cavitation et tuyère unique par un limiteur MNCV de la présente invention ayant des caractéristiques d'écoulement similaires. Le limiteur à tuyère unique de l'expérience ; 1\ ait un
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diamètre de col de 28 mm et une longueur totale de 340 mm. Le limiteur MNCV qui l'a remplacé comportait trente-deux tuyères. Chaque tuyère de ce limiteur avait un diamètre de col de 6,1 mm et une longueur totale de 56 mm. La pression d'entrée était la même dans les deux cas, 1,1 MPa (11 bars). Le limiteur à tuyère unique présentait un niveau de bruit sonore d'environ 110 dBa. Le limiteur MNCV a abaissé le niveau de bruit jusqu'à environ 80 dBa.
Lors d'un second essai expérimental, on a testé deux venturis équivalents de 15,25 cm (6 pouces) dans une installation de production
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d'énergie nucléaire. L'un n'avait qu'une seule tuyère tandis que l'autre C > était un limiteur à tuyères multiples de la présente invention. Le débit de coupure et les pressions étaient les mêmes pour chacun d'eux. En régime de cavitation, le venturi à tuyère unique a provoqué des vibrations dans les canalisations d'une amplitude allant jusqu'à 3 mm et un niveau de bruit sonore de 105 dBa. Quelques vannes de ventilation
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et drainage de 2 cm (3/4 de pouces) se trouvant dans la canalisation ZD avec le venturi à tuyère unique ont commencé à s'ouvrir et un boulon a commencé à se desserrer sur un actionneur destiné à une vanne de commande placée en aval.
Le limiteur MNCV de la présente invention, installé à la place du précédent dans des conditions similaires, n'a produit aucune vibration d'amplitude mesurable dans la canalisation, même d'un niveau de quelques microns. Le niveau de bruit sonore blanc était de 82 dBa.
Pour des applications dans les installations de production
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d'énergie nucléaire, il est préférable de concevoir le limiteur MNCV zz, dans des paramètres particuliers de construction. Par exemple, lorsque le limiteur est installé dans une canalisation d'un circuit hydraulique qui comprend des canalisations s'étendant entre une source de chaleur (le réacteur nucléaire) et un échangeur de chaleur (le générateur de vapeur) avec une pompe qui fait circuler de l'eau à une pression d'au moins 13, 8 MPa (2000 psi-135 bar) environ et une température d'au moins 260 C (500 F) environ,
il est souhaitable de concevoir la partie diffuseur de chaque tuyère pour qu'elle ait une fréquence acoustique naturelle d'environ 20 kHz au moins Le coefficient de restitution R doit être d'au moins 0. 85 à 0,9 environ. La longueur totale de chaque
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tuyère doit de préférence être comprise entre environ sept et dix fois le diamètre du col d. La partie diffuseur de chaque tuyère aura de préférence un diamètre maximal qui vaut deux à trois fois environ le diamètre du col-d. Pour ces paramètres, le débit de fluide dans le limiteur en régime de cavitation doit atteindre un niveau général de pression sonore inférieur à environ 90 dBa, la valeur de 75 dBa pou-
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vant être atteinte.
Il doit également être possible d'atteindre, avec un C : l flux de fluide en régime de cavitation qui traverse le limiteur de l'invention, des niveaux de contraintes dans les canalisations, dues aux vibrations dans ces canalisations, qui sont en-dessous des valeurs normalisées données par la spécification ANSI/ASME OM-1982, intitulée"Requirements for Preoperational and Initial Start-up Vibra-
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tion Testing of Nuclear Power Plant Piping Systems" (incluse ici à t In titre de référence) indépendamment de la pression d'entrée et du débit du limiteur MNCV.
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Venturi with multiple cavitation and nozzles
The present invention relates to flow restrictors and, in particular, flow limiters comprising cavitation venturi.
Cavitation venturi have been used for several years to regulate and control a flow of fluid in an open loop. For a fixed inlet pressure, the flow is constant over a
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wide range of back pressures encountered downstream. ZD cavitation venturi have no moving parts and are therefore extremely reliable. Because of these characteristics, we have
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used in actuators, ZD mix and process control devices, rockets, safety installations and power plants.
A cavitation venturi is a narrowing of a passageway typically comprising a cone-shaped inlet and outlet as well as a neck portion, generally rectilinear, between the inlet and the outlet. The outlet part is also known as the diffuser. When the neck is narrowed so that the dynamic height or pressure drop at the neck is equal to the total pressure difference, the fluid passing through the neck vaporizes at the corresponding temperature-pressure equilibrium of fluid saturation. The vapor is quickly condensed downstream of the neck, in the venturi diffuser.
In the cavitation regime, the flow rate depends only on the square root of the difference between the inlet pressure and the vapor pressure of the fluid. For most fluids in practical applications, the vapor pressure is much lower than the inlet pressure and can be ignored. So the flow to traders the ventun is not
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set only by setting the inlet pressure (downstream pressure variations do not affect the flow).
Cavitation venturi are known as high pressure recovery devices. The outlet pressure can reach 85 to 90% of the inlet pressure. However, the kinetic energy supplied by the fluid flow is dissipated by the venturi in cavitations and is generally transformed into vibratory energy. The natural acoustic frequency of the vibrations is proportional to the speed of sound in the fluid flowing in the venturi and is inversely proportional to the length of the diffuser.
Vibratory energy can pose serious problems in certain applications, in particular in nuclear power plants where cavitation venturi is used to limit the flow of fluids under
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high pressure between nuclear reactors and Z: D steam generators and in safety devices. The resulting noise levels and vibration of pipelines are more severe when the outlet pressure is low compared to the inlet pressure and can, in certain situations, cause
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cracked welds or damaged valves.
This tD problem has led to undersizing of the pipelines in certain nuclear power plant installations, with consequently an increase in costs due to the redundant pipelines intended to compensate for the reduced flow through smaller tubes.
There is therefore a need for a flow limiter which offers the advantages of venturi but which does not cause the severe vibrations which are sometimes associated with their use.
An object of the present invention is to provide a flow restrictor which has lower noise characteristics than those of a single venturi flow limiter, for similar flow characteristics.
Another object of the present invention is to provide a flow limiter for a high flow pipe which has low noise characteristics.
Yet another object of the present invention is to provide a flow restrictor suitable for use in reactors
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nuclear, which has a lower cost than traditional flow limiters.
These objects, as well as others, are achieved with the present invention by means of a multi-nozzle cavitation venturi (MNCV). Venturi with flow limiting cavitation generally have a single venturi nozzle placed in a pipe. A flow restrictor according to the present invention, on the contrary, comprises a plate with spaced first and second faces and a plurality of cavitation, parallel and spaced, venturi nozzles which extend between the faces. Each cavitation venturi has an inlet part which opens on the first face, a diffuser part which opens on the second face and a neck part between the inlet and the diffuser. All of the venturi in the plate are designed to have roughly the same flow characteristics.
The plate is designed to be placed so as to limit flow in a single tube.
Because many small venturi are used in place of the traditional single venturi, equivalent flow can be achieved with shorter venturi. This leads to an increase in the natural frequency of vibration of the flow limiter and causes a drop in the maximum amplitude of the vibrations.
The present invention will be better understood on reading the following detailed description, taken in conjunction with the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a cavitation and single nozzle venturi placed in a pipeline; Figure 2 is a partial sectional view of a cavitation and multiple nozzle venturi of the present invention, placed between two pipe sections with a flange coupling; Figure 3 is a sectional view of a second embodiment of the present invention which comprises means for connecting the pipe sections different from those of the embodiment shown in Figure 2;
FIG. 4 is a sectional view of a multiple cavitation and nozzle scent of the present invention, one nozzle of which has been plugged to limit the flow of fluid passing through the plate.
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If we now refer to FIG. 1, a prior art flow limiter, generally designated by the reference 1, uses C> a cavitation venturi 3 with a single nozzle. The direction of fluid flow is indicated by an arrow. The venturi 3, which generally has an axial symmetry, has an opening portion 5 which opens
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in a pipe section 7 - The inlet part 5 makes an angle at the apex el and narrows in the direction of a neck part 9. The neck part 9 has a diameter d and a length Lt. The neck part 9 s 'opens at its opposite end on a divergent diffuser part 11 making an angle at the apex p, part which in turn opens on a section of pipe 13. The total length of the venturi-nozzle is L.
The flow rate limited to maximum cavitation Q which passes through a cavitation venturi is given by the expression:
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in which d represents the diameter of the neck portion, Cd an output coefficient close to 1, p the density of the fluid, p la
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inlet pressure and P2 the neck pressure. Under cavitation conditions, P2 is equal to the vapor pressure of the fluid at the corresponding temperature of the fluid. Consequently, the flow rate in cavitation regime does not depend on the downstream pressure P3 but only on the upstream pressure p.
The coefficient of restitution R is an indicator of the minimum pressure drop and a measure of the capacity of the venturi at
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energy transformation. It is defined by: 1
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R does not depend on the geometry of the venturi and is essentially a function of the half-angle at the top ss / 2 of the diffuser, of the length 1, of the neck, of the diameter d of the neck and, to a lesser extent, of the geometry. .. from the entrance. R can reach 0.85 to 0.9 in cavitation venturi.
The flow limiter of the present invention, instead of placing in the flow of a fluid contained in a pipe a venturi with cavitation and single nozzle, sets up in the path of circulation of the fluid a plate comprising several venturi nozzles cavitation. The use of a cavitation venturi with multiple nozzles as a flow limiter makes it possible to use nozzles that are shorter than those used in the single nozzle configuration shown in FIG. 1 while giving the same flow characteristics. Because the nozzles are shorter, the vibration and sound noise associated with their use is greatly reduced compared to that associated with the configuration with single nozzle of equivalent flow rate.
FIG. 2 shows a preferred embodiment of the flow limiter of the present invention, called MNCV, intended to be used
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in the nuclear industry and generally designated by reference 15.
ID c The MNCV flow restrictor comprises a plate 17 placed between opposite flanges 19. The flanges 19 and the plate 17 are held together in a fixed position by fixing devices such as bolts 21 tightened on nuts 23. A gasket The seal 25 is formed between the flanges 19 and the plate 17 by means of O-rings or some other suitable sealing means. Each flange 19 is fixed to a section of pipe 27 by a weld 29.
The plate 17 is reamed to provide a plurality of cavitation venturituyères arranged in parallel. Each nozzle 31 is essentially a smaller-scale version of the nozzle shown in
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Figure 1. The flow rate Q through the configuration of multiple nozzles 1 1 in Figure 2 is simply n times the flow rate of each nozzle as calculated by equation 1 in which n represents the number of nozzles 3 1 in the plate 17.
A rough estimate of the number of nozzles needed to give the same flow rate as a cavitation venturi and
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single nozzle, larger but of identical proportions, is given by the expression:
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in which dl is the diameter of the neck portion of one of the cavitation venturi of the flow limiter of the invention and n the total number of venturi drilled in the plate of the limiter MNCV.
A typical number of nozzles in a limiter of this
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invention can be between three and thirty-six or more. e The number chosen will depend on the size of the pipe, the differential pressure in the limiter and the natural acoustic frequency of the diffuser. The natural frequency fi modes of a
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diffuser of length L in a fluid having a sound propagation speed c are:
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Consequently, in order to reduce the amplitudes of the vibrations, it is advantageous to design the venturi-nozzles so that they have a first natural frequency mode as high as possible, within the limits of industrial production and of costs.
Figure 3 is a sectional view of another possible embodiment of the limiter of the present invention, generally designated by the reference 33. In this variant, the outer periphery of the plate 17 has been shaped to give weld fixings 35 at its opposite ends for welding to the pipe sections (not shown), which gives a more permanent type of mounting.
A typical entry portion has a conical shape with an apex angle α of about 200 and rounded edges to minimize entry losses. Alternatively, the entry portion can be completely rounded to a radius r which is approximately
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vement equal to the neck diameter dl (Figure 3). The angle at the top of a typical diffuser is in the range of about 6 to 100. The outlet diameter of the diffuser is typically about two to three times the diameter of the neck. This ratio will be determined by the required pressure release coefficient, R.
When a large return is desired, that is to say for example R = 0.9, the conical part 37 of the diffuser ends in a curvilinear part of diffuser 39 with dp / dx = const. The diameter y of the curvilinear part 39 of the diffuser is given by the expression:
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in which yi and Y2 are respectively the inlet diameter and the
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outlet diameter of the curved part 39 of the diffuser; x is the axial position along the curvilinear part 39 of the diffuser taking as its origin the entry of the curvilinear part of the diffuser; and L2 is there
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length of the curvilinear part of the diffuser. Typical dimensions.
D C> to give a high coefficient of restitution to an MNCV limiter such as that represented in FIG. 3 are:
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r = dl; Lt = 0.4 dl; LI = 7.5 dl-10 dl yj = 2 dl y = 3 d and L-, = 3, 8 y
The transition between the conical 37 and curvilinear 39 parts of the diffuser must be smooth with the same tangency angle (13/2) at the point A. The boundary conditions at the point A
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give the equation dy / dx = tan (ss /), which in turn gives L. For example, for y = 2 dl and y, = 3 dl as shown in Figure 3 and for 13 = 6, the length LI of the conical part of the diffuser is worth 9. 5 dl. The length of the ilicyne L curx part is approximately 7.6 dl. The half-angle y at point B is approximately 21.7 for this configuration.
The total pressure loss D in the MNCV limiter is
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given by the expression Dp = Pl - P2 = Kpv2 / 2 in which pl and P2 are the upstream and downstream pressures of the limiter, K is the total pressure loss coefficient, p is the density of the fluid and v the velocity of the fluid in the col section. K is equal to the sum of the individual pressure loss coefficients between the inlet and the outlet:
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The loss coefficient K1 between the inlet and the neck is typically from 0.02 to 0.03.
K2 'the loss coefficient due to widening in the conical part 37 of the diffuser is given by the expression:
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Ko, the loss coefficient due to surface friction at the interface between the surface and the fluid is given by:
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expression in which f is a friction factor which depends on the roughness of the surface and the Reynold number and is between 0.015 and 0.012.
K4 is the loss coefficient of! has curvilinear part of the diffuser and is given by:
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K5 is the loss coefficient d Ks is the pressure loss coefficient of the outlet of the limiter, given by:
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expression in which n is the number of venturis and D is the diameter of the pipe placed downstream.
With the geometry shown in Figure 3, it is possible to obtain a total loss coefficient K = 0.12. The coefficient R of pressure restitution is simply 1-K = 0.88, which gives a limiter efficiency of 88%.
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The characteristics of the flow can be adjusted in the limiter of the invention by various methods. For example, additional nozzles can be drilled in the plate 17 to increase the flow rate. Each nozzle 31 can be enlarged to also increase the flow rate ZD It IZD. To reduce the flow rate, one or more nozzles 31 can be plugged using a plug 41, as shown in FIG. 4.
The plug 41 can be held in place so as to be removable by fixing, using an appropriate means, to an element 43 introduced on the opposite side of the nozzle. This fixing can be achieved by, for example, a bolt which passes through the plug 41 and the element 43 and is immobilized at one end by a nut.
The effectiveness of the limiter of the present invention in reducing sound vibrations has been demonstrated experimentally when a cavitation and single nozzle venturi has been replaced by a MNCV limiter of the present invention having similar flow characteristics. The unique nozzle limiter of the experiment; 1 \ has a
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neck diameter of 28 mm and a total length of 340 mm. The MNCV limiter which replaced it had thirty-two nozzles. Each nozzle of this limiter had a neck diameter of 6.1 mm and a total length of 56 mm. The inlet pressure was the same in both cases, 1.1 MPa (11 bar). The single nozzle limiter had a noise level of approximately 110 dBa. The MNCV limiter lowered the noise level to around 80 dBa.
In a second experimental trial, two equivalent 15.25 cm (6 inch) venturis were tested in a production facility
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nuclear power. One had only one nozzle while the other C> was a multiple nozzle limiter of the present invention. The cut-off rate and the pressures were the same for each of them. In the cavitation regime, the single-nozzle venturi caused vibrations in the pipes with an amplitude of up to 3 mm and a noise level of 105 dBa. Some ventilation valves
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and 2 cm (3/4 inch) drainage in line ZD with single nozzle venturi started to open and a bolt started to loosen on an actuator for a downstream control valve .
The MNCV limiter of the present invention, installed in place of the previous one under similar conditions, produced no vibration of measurable amplitude in the pipeline, even at a level of a few microns. The white noise level was 82 dBa.
For applications in production facilities
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of nuclear energy, it is preferable to design the limiter MNCV zz, in particular parameters of construction. For example, when the limiter is installed in a pipe of a hydraulic circuit which includes pipes extending between a heat source (the nuclear reactor) and a heat exchanger (the steam generator) with a pump that circulates water at a pressure of at least 13.8 MPa (2000 psi-135 bar) and a temperature of at least 260 C (500 F),
it is desirable to design the diffuser part of each nozzle so that it has a natural acoustic frequency of approximately 20 kHz at least. The coefficient of restitution R must be at least 0.85 to 0.9 approximately. The total length of each
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nozzle should preferably be between about seven and ten times the diameter of the neck d. The diffuser part of each nozzle will preferably have a maximum diameter which is worth two to three times approximately the diameter of the neck-d. For these parameters, the fluid flow rate in the limiter in cavitation regime must reach a general level of sound pressure below about 90 dBa, the value of 75 dBa for
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before being reached.
It must also be possible to reach, with a C: l fluid flow under cavitation regime which passes through the limiter of the invention, stress levels in the pipes, due to the vibrations in these pipes, which are below normalized values given by the ANSI / ASME OM-1982 specification, titled "Requirements for Preoperational and Initial Start-up Vibra-
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Testing of Nuclear Power Plant Piping Systems "(included here at t For reference) regardless of the inlet pressure and flow rate of the MNCV limiter.