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"APPAREIL làIlS3I'JÀFI ùUT0fl,àTIQVIiB?<'T SOUS PRESSION UNE CONDUITE DESCENDANTE DE FLUIDE Ii,10 0il?X3SSIBL3"
La présente invention est relative à un appareil destiné à maintenir automatiquement et indépendamment du débit, la pres- sion en un point donné d'une conduite descendante de fluide incom- pressible, à une valeur choisie à l'avance et réglable à volonté.
Lorsqu'il s'agit de transporter à de grandes distances un fluide incompressible, on sait qu'il est nécessaire d'étudier soi- gneusement la ligne des pressions le long de la tuyauterie si l'on veut maintenir celle-ci entièrement pleine de liquide et éviter que ce liquide ne soit mélangé à un gaz ou à une vapeur.
Dans l'étude de cette ligne des pressions,on doit avoir soin que la pression dans la tuyauterie soit partout au moins é-
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gale à la pression atmosphérique. Faute de cette précaution, tout manque d'étanchéité dans la tuyauterie ou ses organes accessoires, au lieu de se traduire par une fuite de liquide vers l'extérieur, facile à déceler et par conséquent à réparer, aurait pour conséque ce une entrée d'air dans la tuyauterie, entrée d'air qui peut avoir des conséquences graves ainsi qu'on l'indiquera plus loin.
En outre, lorsque le fluide peut atteindre dans la tuyau- terie une température pour laquelle sa tension de vapeur est supé- rieure à la pression atmosphérique, il faut encore qu'en tout poind de la tuyauterie, la pression soit toujours supérieure à la ten- sion de vapeur correspondant 3. la température la plus élevée qui puisse être atteinte en ce point. Si cette condition n'était pas remplie, le liquide se transformerait en vapeur en tous les points où sa température correspondrait à une tension de vapeur plus for- te que la pression régnant à cet endroit.
Dans l'un ou l'autre cas, on voit qu'un tracé défectueux de la ligne des pressions a pour conséquence la présence dans la conduite d'une phase gazeuse au contact de la phase liquide, ce qui peut entraîner des inconvénients graves et multiples.
Tout d'abord, le débit dans la conduite se trouve réduit puisqu'elle doit avoir à transporter, outre le liquide, soit de l'air, soit de la vapeur saturante dont le volume est considérable ment plus grand que celui du liquide.
En second lieu, l'alternance de masses liquides et de mas ses gazeusesdans une même tuyauterie est une cause de chocs qui risquent d'être préjudiciables aux appareils plus ou moins délicat; qui peuvent se trouver sur la tuyauterie en aval du point où le +., s'est produit ou introduit. En particulier, une pompe centrifuge s'emballera au passage du gaz et sera freinée brusquement au pas- sage du liquide, ce qui peut provoquer une usure prématurée des ailettes voire même leur rupture, pour une raison analogue à celle bien connue des "coups u'eau" dans les turbines à vapeur.
Enfin, lorsque le fluide contenu dans la tuyauterie est de l'eau et que le fluide parasite est de l'air, (ce qui est un cas très fréquent) des corrosions peuvent prendre naissance à l'inté-
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rieur de la tuyauterie dont le métal est soumis alternativement à l'action de l'eau et à celle de l'air.
Pour ces différentes raisons on doit chercher à éviter 1' introduction d'air ou la production de vapeur dans la tuyauterie et, dans ce but, maintenir la pression à une valeur convenable pour tous les points, et pour toutes les valeurs du débit,
Un procédé connu pour parvenir à ce résultat consiste à déterminer le point de la tuyauterie où les conditions sont les plus défavorables, c'est-à-dire le point tel que si la pression y est supérieure au minimum nécessaire, la pression en n'importe quel autre point sera ipso factoplus grande que ce minimum. On place en ce point un organe manométrique dont les impulsions sont transmises hydrauliquement, pneumatiquement ou électriquement à un servo-mo- teur qui commande un robinet placé en un point judicieusement choi- si de la tuyauterie.
L'ouverture ou la fermeture de ce robinet ont été calculées en fonction de l'impulsion manométrique correspondan- te de telle sorte qu'elles maintiennent à la valeur désirée la près sion au point choisi.
L'inconvénient de ce procédé est la nécessité d'avoir un tube ou une ligne de liaison entre l'organe manométrique et le ser- vo-moteur du robinet. Cette liaison est tout d'abord une cause de dépense si le point où est prise l'impulsion manométrique est éloi- gné de celui où se trouve le robinet. C'est aussi un risque de dé- rangement par suite a' une rupture possible de cetube ou de cette ligne, qu' il est donc nécessaire de vérifier et d'entretenir périodiquement.
La présente invention a pour objet un dispositif permet- tant d'obtenir le même résultat en évitant la sujétion d'une liai- son entre le point où l'on veut régler la pression et celui où se trouve le robinet de réglage.
Les figures des dessins ci-joints qui sont destinés 9. fai- re comprendre plus clairement l'objet de l'invention sans en limi- ter d'aucune manière la portée, représentent : La fige 1 un schéma de la tuyauterie montrant comment varie la li- gne des pressions suivant le débit; la fig. 2 le même schéma montrant comment varie la ligne des pres-
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sions une fois qu'on a installé l'appareil faisant 4'objet de l'in vention : les fig. 3 et 4, un schéma de principe et une variante de l'appa- reil suivant l'invention; les fig. 5 et 6 des exemples de réalisation de l'invention; la fig. 7 un appareil auxiliaire.
Sur la fige 1, on a représenté en 1,2,3, une tuyauterie dont la partie 1,2 est descendante alors que la partie 2,3 est sen siblement horizontale. A son origine en 1 la tuyauterie reçoit un certain débit d'eau, au moyen par exemple d'une pompe 4. A son ex- trémité 3, la tuyauterie débouche à la pression atmosphérique. On sait calculer la perte de charge dans la tuyauterie 1,2,3 pour un certain débit. Si l'on porte cette perte de charge en 5,6 à la mê- me échelle que les altituaes de la tuyauterie, la longueur 1,6 re- présentera la charge dans la tuyauterie au point 1. De même pour tous les autres points de la tuyauterie 1,2,3. On peut ainsi tra- cer la ligne des pressions 6,3.
Sur la fig. 1, la ligne des pres- sions a été choisie rectiligne par mesure de simplification, ce qui revient à supposer que la tuyauterie 1,2,3 a partout le même dia- mètre, mais il est certain que les conclusions qui vont suivre s'la pliqueraient tout aussi bien quelle que soit la forme de cette li- gne.
Pour le débit considéré, la ligne des pressions 6,3 est toujours située au dessus de la tuyauterie 1,2,3 ce qui implique que la charge est toujours positive ; pour un débit plus fai- ble, pour lequel la perte de charge dans la tuyauterie serait re- présentée par la longueur 5,7 et la ligne des pressions par la droi te 7,3, il n'en serait plus de même. La ligne des pressions et la tuyauterie se coupent au point 8 ce qui montre que toute la partie de la tuyauterie comprise entre le point i et le point 8 se trou- ve en dépression.
D'une façon plus générale, pour une tuyauterie ayant une forme telle que 1,2,3, il y aura dépression dans la tuyauterie cha que fois que le débit aura une valeur inférieure à celui pour le- quel la perte de charge dans la tuyauterie est égale à la longueur 5,1. Ce débit représente le débit minimum qui peut passer dans la tuyau-
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t erie sans risque d'entrée d'air par manque d'étanchéité.
Si, en outre, le liquide était susceptible de se vaporiser dans la tuyauterie, il faudrait porter vers le haut à partir du point 1 une longueur 1,9 représentant la tension de vapeur pour la température la plus élevée pouvant rogner au point 1. Le débit minibus dans la tuyauterie serait alors celui pour lequel la per- te de charge est représentée par la longueur 5,9.
Dans l'exemple considéré, le point auquel il faut mainte- nir la pression est le point initial 1. Il n'en est pas toujours nécessairement ainsi ; par exemple, si la tuyauterie comportait un ou plusieurs passages en forme de siphon, le point à considérer pourrait être le sommet de l'un deux. Dans tous les cas, le tracé de la ligne des pressions renseignera sur le point qui doit être choisi.
La fig. 2 montre comment l' installation d'un robinet au point 10 permet de déformer la ligne des pressions de telle façon qu'elle passe toujours au dessus de la conduite. Si ce robinet crée une perte de charge représentée par la longueur 11,12 la li- gne des pressions prendra la forme 9,12,11,3 telle que la droite 9 12 soit parallèle à la droite 7,il.
Cette perte ae charge 11, 12 peut être réalisée automati- quement suivant un procédé connu én commandant la position du ro- binet 10 par un organe manométrique placé au point 1 et réglé pour la charge 1,9 de telle façon que si la charge au point 1 est plus grande que cette valeur, le robinet s'ouvre et vice versa. L'ouver ture du robinet 10 a pour conséquence une diminution de la perte de charge 11,12 ce qui ramène au point 9 le point de départ de la ligne des pressions.
L'objet de l'invention est un appareil permettant d'obte- nir le même résultat sans organe manométrique placé au point 1.
La figure 3 représente schématiquement cet appareil qui est constitué essentiellement par un corps de robinet 13 à l'inté- rieur duquel est une cloison 13' présentant une ouverture 15 for- mant siège pour recevoir une soupape 14 non équilibrée. La soupa- pe 14 est montée sur une tige 16 coulissant entre des presse-étou- pe 16', 16" et 16"" et est reliée à une extrémité à un organe ten
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dant à la fermer ; sur la fige 3 cet organe est un poids 17, mais il pourrait tout aussi bien être un ressort, un piston ou n'impor te quel autre dispositif créant une force.
A son autre extrémité, la tige 16 est reliée à une membrane 18 contenue dans une boîte i9
La soupape 14 est disposée de telle façon que l'eau circu lant dans le corps du robinet, de l'orifice d'entrée 20 à l'orifi ce de sortie 21 passe sous la soupape 14, c'est-à-dire que le mou vement de l'eau tend à l'ouvrir.
Un diaphragme 22 est monté sur la tuyauterie amenant l'ea à l'orifice d'entrée 20 et des tubes 23 et 24 reliés respective- ment à la face amont et à la face aval de ce diaphragme transmet- tent les pressions correspondantes de l'eau sous et sur la membre, ne 18.
La force agissant sur la soupape 14 (c'est-à-dire sur la fig. 3, le poids 17) est calculée de façon à équilibrer une color ne d'eau ayant une hauteur égale à la longueur 5,9 de la fig. 2.
Dans ces conditions, la soupape fonctionnerait exactement de la même façon qu'une soupape de sûreté s'il n'y avait pas de perte de charge dans la conduite entre le point 1 et le point 10. On voi sur la fig. 2, que du fait de cette perte de charge, la charge a- gissant sur la soupape n'est pas représentée par la longueur 5,9 mais par la longueur 10,12.
Suivant l'invention, ,le rôle de la membrane 18 est préci- sément de compenser cette perte de charge. La différence de pres- sion entre les aeux faces de la membrane 13, qui est égale à la différence de pression de part et d'autre du diaphragme 22, est d'autant plus forte que le débit est plus grand, c'est-à-dire que la perte de charge entre le point 1 et le point 10 de la fig. 2 est plus élevée. En calculant convenablement la surface de la mem- brane 18 et la section du diaphragme 22 par rapport à la surface de la soupape 14, on peut donc obtenir que l'effort exercé sur la membrane 18 et transmis à la soupape 14 compense sensiblement la diminution de l'effort exercé sur la dite soupape par suite de la perte de charge dûe au débit dans la conduite.
Lorsque la pression au point 1 augmente, la pression sous la soupape 14 augmente de même, ce qui produit un accroissement
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de l'ouverture pour celle-ci. En même temps, la portée de charge entre le point 1 et le point 10 augmente ce qui diminue la pres- sion sous la soupape 14 et tendrait à provoquer une fermeture par- tielle de celle-ci; mais en même temps la perte de charge à tra- vers le diaphragme 22 ayant augmenté il en est de même de la pres- sion différentielle sur la membrane 18, ce qui maintient la sou- pape 14dans sa nouvelle position.
La figure 4 représente une variante de l'invention suivant laquelle, afin de supprimer tous les presse-étoupe, le poids 17 se trouve à l'intérieur du corps de robinet 13. La face supérieure de la membrane 18 communique directement avec l'eau contenue dans le robinet, ce qui supprime le tube 24, la pression dans le robi- net étant sensiblement la même qu'en aval du diaphragme 22.
La figure 5 montre la réalisation pratique d'un appareil suivant l'invention ; cette figure les mêmes chiffres de réfé- rence désignent les mêmes organes que sur les fig. 3 et 4.
Le poids 17 est placé dans le corps de robinet 13 et la tige 16 coulisse à son extrémité supérieure dans un guide prévu dans le chapeau de ce corps.
La fig. 6 montre une variante de construction de l'apparen représenté notamment fig. 3. Sur cette figure, les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes éléments que sur la fig. 3.
La membrane 18 est remplacée, par un piston 30, coulissant librement dans un cylindre 30', le fonctionnement restant le même.
Un tel aménagement a été prévu pour permettre une plus grande le- vée de la soupape 14 lorsque son débit devient très grand.
Pour la même raison, lorsque la vitesse du fluide dans la conduite vient à dépasser sa valeur normale, il est alors avanta- geux d'augmenter l'ouverture de la soupape 14 de manière à rédui- re la perte de charge du fluide.
A cette fin, on préconise également, suivant l'invention, l'emploi d'un appareil auxiliaire appelé ci-après "Distributeur- relais de pression". Cet appareil permet d'utiliser la charge gé- ométrique ou manométrique H du fluide contenu dans la conduite pour accélérer l'ouverture de la soupape 14, lorsque le débit de
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cette conduite vient à dépasser une certaine valeur et qu'il est nécessaire d'accroître ce débit sans augmenter la perte de char- ge du fluide à travers la soupape.
Ce dernier appareil est donc combiné avec la soupape a- gencée par exemple conformément à la fig. 3, ou selon la fig. 6 comme montré schématiquement fig. 7.
Sur cette figure A.B.C. désignent la conduite descendan- te de fluide incompressible.
Le dit appareil comprend deux organes essentiels : 1 ) un cylindre dont le double piston aa' reçoit les impulsions du diaphragme 22 à l'aide des tuyaux de liaison b et c.
Le double piston est soumis d'une part à l'action d'un ressort an- tagoniste h, d'autre part à la pression différentielle du diaphag.
22.
2 ) un double .tiroir distributeur de pression dd, qui a pour fonction, soit de mettre le compartiment e du cylindre serve moteur 30' de la soupape 14 en communication avec le compartiment aval de cette soupape soit de maintenir seulement en communication le compartiment e avec le côté aval du diaphragme 22.
Le cylindre à double piston et le double tiroir distri- buteur de pression sont reliés par un fléau g qui oscille autour d'un axe g'.
L'ensemble de ce dispositif fonctionne de la manière suivante : La soupape 14 est chargée à l'aide du contrepoids 17 auquel s'ajoute le poids du piston 30, de manière à équilibrer la charge géométrique H. du fluide du tronçon de canalisation AB. Le fonctionnement de cette soupape est identique à celui de la soupa pe suivant la figure 3.
Au point haut A, la pression dans la conduite est maintenue légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
Lorsque le débit du fluide augmente, la différence de pression entre l'amont et l'aval du diaphragme 22 s'accroît; elle se manifeste sur le double piston 'dans le sens aa'. L'action de cette pression différentielle créée par le diaphragme 22 com- prime le ressort antagoniste 11 en déplaçant le double pistonna.' de haut en bas. Le fléau oscille et fait déplacer le tiroir dd'
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de bas en haut. Une tuyauterie i dont l'orifice (ou lumières) se trouve ainsi découvert met alors en communication le compartiment e avec la tuyauterie D, en aval de la soupape 14, par l'intermé- diaire de la tuyauterie k. La conduite D est en relation avec 1' atmosphère.
A ce moment, toute la charge manométrique du fluide à l'amont du diaphragme 22 s'exerçant d'une manière permanente dans le compartiment f, sous la face du piston 30, par l'intermé- diaire de la tuyauterie 1, a son plein effet.
Si on désigne par :
A P la perte de charge du fluide dans la conduite à l'a- mont de la soupape 14
Po, la pression atmosphérique Pi, la pression à l'amont du diaphragme 22,
P2, la pression à l'aval du diaphragme 22, l'écart de pression entre les compartiments et 1 du cylindre servo-moteur de la soupape 14 sera :
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P1. - Po = H - 1 P
Si au contraire, le débit de la conduite A.B.C. diminue, la résistance du ressort antagoniste h n'étant plus équilibrée par la pression différentielle P1-P2, le double piston aa' et le fléau g sont animés de mouvements inverses de ceux décrits précé- demment de sorte que le tiroir distributeur dd'descend de haut en bas, fermant ainsi les lumières de la conduite 1 et découvrant' l' orifice ou lumières de la conduite j qui est en communication avec l'aval du diaphragme 22. Dans ce cas, le mouvement d'ouverture de la soupape 14 n'est pas accéléré; seule la perte de pression sous cette soupape, résultant de la perte de charge ¯ P, se trouve com- pensée.
Le distributeur-relais de pression peut être construit d'une manière totalement différente, à condition que sa fonction par rapport à la soupape reste la même.
Il est naturellement loisible sans sortir du cadre de l'invention de réaliser d'autres variantes se comportant pratique ment de la même façon que les exemples décrits ci-dessus.