Procédé et appareil de pompage. La présente invention, qui est due à 11'I. Pierre Audemar, est relative à un procédé de pompage destiné, notamment, à être utilisé dans le cas de puits de grande profondeur.
Ce procédé a pour but de permettre d'élever du liquide d'une profondeur ou à une hauteur aussi grandes qu'on le désire, sans nécessiter l'interposition d'aucun organe mobile entre les deux niveaux considérés.
Dans ce procédé on utilise une colonne. de liquide, interposée entre le niveau du liquide à pomper et le niveau auquel on dé sire élever ce liquide, et il est caractérisé, sui vant l'invention, par le fait que, cette colonne étant retenue à son extrémité inférieure par un dispositif capable de céder sous l'effet d'une impulsion vers le bas, donnée à la colonne de liquide et de restituer ensuite à la colonne l'énergie communiquée par cette impulsion, de manière à permettre l'oscilla tion de la colonne, on imprime à cette colonne des impulsions à une fréquence égale à la fréquence propre de l'ensemble oscillant comprenant la colonne de liquide de manière à produire, à chaque oscillation,
à la partie inférieure de la colonne, une rentrée de liquide commandée par un organe obturateur et, à la partie supérieure de celle-ci, une sortie d'une quantité équivalente de liquide.
L'invention comprend également un appa reil de pompage pour la mise en oeuvre de ce procédé et comprenant un conduit destiné à contenir la colonne de liquide, un dispositif pour retenir cette colonne de liquide à son extrémité inférieure et agencé de façon à cé der sous l'effet d'une impulsion vers le bas donnée à la colonne de liquide et à restituer ensuite à cette colonne l'énergie communi- quée par cette impulsion de manière à per mettre à cette colonne d'osciller dans ce con duit,
un organe obturateur pour l'admission du liquide dans la partie inférieure du con duit et un dispositif pour communiquer à la colonne de liquide contenue dans le conduit des impulsions entretenant les. oscillations de cette colonne et fournissant l'énergie néces- saire pour élever ce liquide à pomper au ni veau supérieur.
Le dessin représente, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution d'un appareil de pompage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 montre la première forme d'exé cution.
La fig. 2 est une vue, à plus grande échelle, montrant la partie inférieure de cet appareil.
La fig. 3 est une vue, à une échelle encore plus grande, représentant une variante de la partie supérieure de cet appareil.
La fig. 4 est une vue analogue à la fig. 1, représentant la seconde forme d'exécution. Les fig. 5 et 6 montrent chacune une va riante de la partie inférieure de la seconde forme d'exécution.
La fig. 7 montre une troisième forme d'exécution de l'appareil.
La fig. 8 montre une quatrième forme d'exécution.
La fig. 9 montre une cinquième forme d'exécution.
La fig. 10 montre un diagramme expli catif du fonctionnement de la forme d'exé cution de la fig. 9.
L'appareil représenté à la fig.1 comporte, â, sa partie supérieure, une chambre 1 dans laquelle se déplace un piston 2 actionné à la main par un levier 4 par l'intermédiaire dune tige 3.
Un conduit vertical 6 de même axe que la chambre 1 prolonge celle-ci vers le bas et comporte, à son extrémité inférieure, une partie élargie 7 dans laquelle coulisse un pis ton 8 muni d'une soupape 10. Le piston 8 est soutenu par un ressort 9 reposant sur un rebord de la partie élargie 7. La soupape 10 pourrait aussi être remplacée par un clapet.
La chambre 1 est séparée en deux par une cloison 5 présentant une ouverture dans laquelle s'engage le piston 2.
Voici comment on fait fonctionner cet appareil: Au moyen du piston 2 on commu nique à la colonne de liquide contenue dans le conduit 6 des impulsions de fréquence égale à la fréquence propre de l'ensemble oscillant comprenant cette colonne. La co lonne de liquide oscille en résonance. Lors qu'elle descend vers le bas, cette colonne force le piston 8 à descendre en comprimant le res sort 9, et la. détente de ce ressort 9 fait en suite remonter la colonne de liquide jusqu'au moment où le ressort est venu dans sa posi tion détendue représentée en pointillés. A ce moment, la colonne de liquide possède encore une certaine vitesse vers le haut et son iner tie permet l'introduction de liquide par la soupape 10 qui se soulève.
Une quantité équi valente de liquide sera évacuée de la chambre 1 par un ajutage disposé à l'extrémité supé rieure de cette chambre du fait que l'extré mité inférieure du piston 3 passe au-dessus de la cloison 5.
Du fait que la colonne de liquide oscille en résonance, les impulsions à donner par l'intermédiaire du levier 4 correspondent uniquement au travail nécessaire pour élever cette quantité de liquide du niveau inférieur au niveau supérieur, ces impulsions devant toutefois fournir également l'énergie néces saire pour compenser les pertes qui se pro duisent à l'intérieur de l'appareil et, notam ment, les pertes de charge du liquide dans le conduit.
Il est bien entendu que les impulsions appliquées, au levier 4 devront être en syn chronisme avec les oscillations de la colonne de liquide. Cette condition ne présente aucune difficulté pratique. En effet, l'opérateur ap puie sur ce levier de manière à produire la course de descente de la colonne.
Lorsqu'il cesse d'agir sur le levier, la détente du res sort 9 produit la course de remontée du liquide et l'opérateur n'a qu'à laisser le levier revenir de lui-même. Lorsqu'à la fin de ce mouvement, le ressort qui est parvenu à la position détendue 9a, au delà de la position d'équilibre qu'il occupe quand le liquide est au repos, se contracte à.
nouveau, ceci amorce la course suivante vers le bas de la colonne de liquide et cette action est transmise au levier 4, car, à cet instant., le piston 2 n'a dé passé la cloison 5 que d'une très faible quan- Lité, pour laisser passer le liquide, de sorte que, dès que l'inversion de mouvement se pro duit, le levier 4 est sollicité, d'une part, par la succion du liquide, et, d'autre part, par le poids du piston 2 et du levier 4. L'opérateur sent donc que le levier tend à repartir en sens inverse pour la course suivante, et il n'y a plus qu'à appuyer en accompagnant le mou vement.
La partie élargie 7 du conduit 6 est fixée rigidement à la pàrtie adjacente de ce con duit d'une manière étanche. Cette partie élar gie 7 porte, à son extrémité inférieure, une cage perforée 12 qui permet au liquide d'en trer dans le piston 8, mais interdit le pas sage des particules solides. Le piston 8 porte, à sa partie supérieure, des butées 11 qui limi tent la course de la soupape 10, laquelle est guidée par des ailettes à l'intérieur du pis ton 8.
De plus, le piston 8 porte, à sa partie; inférieure, un écrou 8a formant butée et em pêchant le ressort 9 de décoller du rebord de la partie 7 lorsqu'il est complètement dé tendu.
Dans la variante à laquelle se rapporte la fig. 3, la cloison 5 est constituée par un cuir embouti et le piston 2 est guidé dans la chambre 1 par des nervures la. Du fait qu'aucun organe mécanique mobile n'est in terposé entre le fond et la surface, on peut placer la partie supérieure de l'appareil dans n'importe quelle position par rapport au puits d'où l'on désire extraire le liquide. Le conduit 6 pourrait être coudé de manière à venir se raccorder à la chambre 1.
Dans l'appareil représenté à la fig. 4, le conduit 6 est vertical dans sa partie infé rieure jusqu'à sa sortie du puits. L'extrémité inférieure de ce conduit débouche à la partie inférieure d'une cloche 13 dont la partie su périeure contient un matelas d'air sous pres sion 14 jouant le rôle du ressort 9 de l'appa reil de la fig. 2. A l'extrémité inférieure de la cloche 13 est disposée une cage 12 servant de crépine et dans laquelle coulisse directe ment la soupape 10 qui ferme, dans sa posi tion basse, ladite cloche 13 et permet, dans sa position haute, la rentrée du liquide dans ladite cloche.
Dans la variante de cet appareil auquel se rapporte la fig. 5, un piston 17 est interposé entre le matelas d'air 14 contenu dans la cloche 13 et le liquide. Ce piston 17 peut coulisser dans la cloche, qui est cylindrique, et sa course vers le bas est limitée par des butées 18.
Dans l'autre variante de cet appareil, à laquelle se rapporte la fig. 6, le matelas d'air contenu dans la cloche 13 et formant ressort est enfermé dans un sac souple 20 monté à l'intérieur de cette cloche.
L'appareil représenté à la fig. 4 est des tiné à élever l'eau plus haut que le sol. Le conduit 6 est vertical jusqu'à sa sortie du puits; il est coudé ensuite horizontalement et ensuite de nouveau verticalement, le dernier tronçon vertical amenant le liquide à l'endroit où il sera évacué du conduit, qui n'est pas dans la verticale de la cloche.
A l'endroit du deuxième coude, le conduit 6 s'élargit pour former une chambre 1, dans laquelle se dé place un piston 2 qui, actionné par la tige 3 et le levier 4, communique à la colonne de liquide contenue dans le conduit 6 les impul sions entretenant les oscillations de cette co lonne. Un ressort 15, légèrement comprimé à la fin de la course de retour du piston 2, amorce le mouvement de celui-ci dans le sens correspondant à un mouvement vers le bas de la colonne de liquide.
On voit que, dans cet appareil, le dispositif communiquant des impulsions à la colonne de liquide est situé en un point intermédiaire du conduit 6. Cet appareil fonctionne à la main comme celui de la fig. 1.
La période d'oscillation de la colonne de liquide dépendant évidemment de la longueur de cette colonne, cela peut conduire, dans certains cas, à la nécessité de mouvements à une cadence qui est difficilement acceptable, surtout lorsque l'appareil est actionné à la main. Dans ce cas, on pourra disposer une masse additionnelle oscillant avec la colonne de liquide et obtenir ainsi pour la période propre de l'ensemble oscillant comprenant la colonne de liquide une valeur acceptable.
Cette masse additionnelle pourrait être mon tée par exemple sur le piston 8 dans le cas de l'appareil de la fig. 1, ou aussi sur le piston 2.
La forme d'exécution de l'appareil repré senté à la fig. 7 présente, à la partie infé rieure du conduit 6, une disposition iden tique à celle de l'appareil des fig. 1 et 2. La conduite 6 débouche, à son extrémité supé rieure, dans une chambre 1 dans laquelle se déplace un piston 2 sur lequel agit un res sort 15 amorçant le mouvement du piston dans le sens correspondant à un déplacement de la colonne de liquide vers le bas.
Un moteur électrique 30 entraîne, au moyen d'une courroie et d'une poulie, une roue dentée 31 en prise avec une crémaillère 21 solidaire de la tige du piston 2. Dans le circuit 29 de ce moteur 30 est intercalé un contacteur 27-28 servant à fermer ou ou vrir ce circuit. Le contact 27 est fixe, tandis que le contact 28 est porté par un levier 26 pivotant autour d'un point 26a. Ce levier 26 est attaqué en deux points 26b et<B>26e</B> par les tiges des deux petits pistons 24 et 25 cou lissant dans des cylindres reliés par les con duits 22 et 23 au conduit 6 contenant la co lonne de liquide. Le conduit 22 débouche dans ce conduit par une branche dirigée vers le haut, tandis que le conduit 23 débouche dans le même conduit 6, mais par une bran che dirigée vers le bas.
Cet appareil fonctionne de la manière suivante: Lorsque la colonne de liquide qui oscille dans le tuyau 6 se déplace vers le haut, elle exerce sur la petite quantité de liquide con tenue dans le conduit 23 une certaine pres sion qui soulève le piston 25. Le levier 26 pivote vers le haut en éloignant le contact 28 du contact 27. Le circuit 29, du moteur 30, est donc ouvert.
Au contraire, dès que la colonne de liquide commence à refluer vers le bas, ce mouvement étant aidé par le ressort 15, c'est sur le liquide contenu dans le con duit 22 qu'elle exerce une certaine pression qui pousse le petit piston 24 vers le haut et détermine le pivotement. du levier 26 vers le bas en appliquant alors le contact 28 contre le contact 27. Le circuit 29 du moteur est alors fermé et ce moteur démarre immédiate ment et pousse le piston 2 vers la gauche par l'intermédiaire de la transmission ci-dessus décrite (roue dentée 31 et crémaillère 21). Le liquide est repoussé vers le bas dans la co lonne 6, en comprimant le ressort 9.
A un moment. donné, la force antagoniste de ce ressort 9 atteint une valeur qui dépasse la force d'entraînement du moteur augmentée de l'inertie des masses en mouvement. Le liquide dans le tuyau 6 commence alors à refluer vers le haut et soulève le piston 25, provoquant ainsi l'ouverture du circuit du moteur 30 qui s'arrête immédiatement. Le piston 2 est repoussé vers la droite en ban dant le ressort 15 et le cycle recommence.
La disposition de l'appareil représenté à la fig. 8 est analogue à. celle de la fig. <B>7</B>, sauf que le piston 2, sur lequel n'agit pas de ressort, est actionné par un électro-aimant commandé, comme dans le cas précédent, par un contacteur<B>27-28</B> actionné par un levier 26 soumis à, l'action des pistons 24 et 25.
Le fonctionnement est analogue à celui qui vient d'être décrit. La fermeture du con tact 27-28 excite l'électro-aimant, dont l'ar mature 32 est alors tirée vers le bas et agit directement sur le piston \?, tandis que la re montée de la colonne de liquide provoque ;a coupure du contact 27-28,. désexcite l'élec- tro-aimant et permet au piston 2 de remon ter sous l'effet de la poussée du liquide.
Dans la disposition qui est représentée par la fig. 8, le liquide sortant de la chambre 1, dans laquelle se déplace le piston 2, passe dans un réservoir 34, contenant à sa partie supérieure, en 35, un coussin d'air comprimé, et agissant comme une sorte d'accumulateur, de manière que le liquide qui s'élève par le tuyau 36 s'écoule d'une manière uniforme. <B>Il</B> y a lieu de remarquer que le liquide dans le tuyau 36 ne fait pas partie de la colonne de liquide oscillante.
Dans cet appareil, l'im pulsion vers le bas est aidée par une masse 11 portée par l'armature 32 et qui oscille donc avec la colonne. Cette masse Il est com posée d'éléments amovibles afin que l'on puisse modifier la période propre de l'en semble oscillant comportant la colonne de liquide.
L'appareil représenté à la fig. 9 présente, à la partie inférieure du conduit 6, une dis position identique à celle des fig. 1 et 2. Ce conduit 6 s'élargit en un point intermédiaire pour former une chambre 1 dans laquelle coulisse un piston 3 actionné par un moteur à fluide (gaz ou vapeur) sous pression, com prenant un piston 40 relié rigidement au pis ton 3 et coulissant dans un cylindre 41 sus ceptible d'être mis en communication alter nativement avec une arrivée de fluide sous pression 42 et un échappement 43 par le tiroir 44.
L'admission 42 communique avec le cylindre 41 par le conduit 53 qui, lorsque le piston 40 a subi un certain déplacement, se trouve obturé par un piston auxiliaire 54 solidaire de la tige du piston 40. Cette obtu ration de l'arrivée du fluide permet la dé tente du fluide se trouvant contre la face droite du piston 40.
Le tiroir 44 est actionné par les oscilla tions de la colonne de liquide dans le conduit 6 de la manière suivante: La partie inférieure du conduit 6 dé bouche dans une partie 45 de la chambre 1 reliée au reste de cette chambre par un étran glement 46 dans lequel peut se déplacer un piston obturateur 47 soumis à l'action des deux ressorts 48 et 55 agissant en sens in- verse et qui tendent à le maintenir à la partie médiane de l'étranglement 46.
Ce piston ob turateur 47 est porté par une tige 49 reliée à un levier 50 articulé en 51 à un bras pivo tant en 51a, une biellette 52 étant interposée entre un point du levier 50 et le tiroir 44.
Lorsque la colonne de liquide, après avoir reçu une impulsion vers le bas, commence à remonter dans le conduit 6 sous l'action du ressort 9, le piston obturateur 47 est chassé vers l'intérieur de la chambre 1. Il tire donc sur le levier 50 en le déplaçant vers la droite et, par l'intermédiaire de la tringle 52, il amène le tiroir 44 dans sa position de droite. Cette position est celle pour laquelle le cylin dre 41 est relié à.l'échappement 43. Le pis ton 3 peut donc se déplacer librement vers 'la droite jusqu'à la position où il permet au liquide de passer dans le tronçon de conduit venant après la chambre 1.
La colonne de liquide a pu monter au début à l'intérieur du conduit 6 avant le 'dé placement du tiroir, car le fluide moteur em magasiné à droite du piston 40 est un fluide compressible et en fin de période de détente.
Au contraire, lorsque la colonne de liquide reflue vers le bas, son action ramène le piston obturateur 47 de l'autre côté de l'étrangle ment 46, et ce piston obturateur par l'inter médiaire de la tringle 52 ramène le tiroir 44 dans la position de gauche.
Cet appareil fonctionne comme suit: Partons de la position indiquée sur la, figure. Le fluide sous pression arrivant par 42 et 53,pousse le piston 40 vers la gauche. Le piston 3 provoque l'enfoncement de la colonne de liquide et la compression du res sort 9. Après une certaine course du piston 40, la tige 54 obture l'arrivée de fluide 53, le fluide emprisonné derrière le piston 40 se détend et continue à pousser le piston 3 agis sant sur la colonne de liquide.
En fin de détente, l'effet du ressort 9 devient prépon dérant, le mouvement de la colonne de liquide change de sens, les pistons 3 et 40 reviennent en arrière, le tiroir 44, grâce au piston obtu rateur 47, se met à l'échappement. Les pis tons 3 et 40 vont à fond de course à droite; par son inertie, la colonne de liquide con- tinue à monter, le piston 3 ayant dégagé la communication avec la partie supérieure du conduit 6. La soupape 14 s'est levée pour permettre l'introduction de liquide dans le conduit.
Quand la colonne a fini son mouvement ascentionnel, par son poids, elle comprime le ressort 9 et repart en sens inverse, le piston obturateur se déplace et remet le tiroir 44 à l'admission et ainsi de suite.
La fig. 10 illustre ce fonctionnement pen dant un cycle complet dont la durée est de <I>y</I> secondes. Les courbes <I>a,</I> b et c représentent respectivement les déplacements en fonction du temps des pistons 3 et 8, du piston obtu rateur 47 et de la soupape 10.
On va maintenant donner, pour figer les idées, les indications numériques relatives à la forme d'exécution des fig. 1 et 2.
Supposons que l'on utilise un conduit d'une longueur totale choisie entre 60 et 30 ni.
La période d'oscillation de l'ensemble comportant la colonne de liquide dépend de la longueur du conduit et du dispositif de retenue élastique.
Toutefois, il importe de remarquer qu'il y a deux périodes d'oscillations à considérer: a) La période propre de l'ensemble oscil lant lorsque l'appareil ne débite pas de liquide, qu'on appellera par la suite période à vide, et b) la période pendant le pompage et qu'on appellera période de fonctionnement, cette dernière étant plus forte que la période à vide, car il s'ajoute à cette dernière le temps d'écoulement du liquide pompé.
Pour un conduit de 60 m, la fréquence des impulsions correspondant à l'état de réso nance est entre 75 et 85 coups de piston à la minute; pour une longueur de tuyauterie de 30 m, elle va de 100 à 120 coups de pis ton à la minute.
En ce qui concerne les dimensions de l'ap pareil de pompage, le diamètre du piston in férieur 8 est de 75 mm, la course maximum de ce piston est de 87 mm, le ressort a un diamètre d'enroulement de 58 mm, il est constitué par du fil d'un diamètre de 12 mm. et il comprend 15 spires. Sa longueur, lorsque les spires sont jointives, -est de<B>180</B> mm et, à l'état détendu, de 267 mm.
Le diamètre du conduit 6 est de 40 mm. Dans ces conditions, pour une longueur du conduit de 60 m, la fréquence des impul sions correspondant à la résonance est de 79 coups à la minute: elle correspond pour les données considérées ci-dessus et une élé vation de 50 m à un débit de 875 litres à l'heure avec une course de 30,6 cm du levier de la pompe, la vitesse maximum de l'eau dans le conduit étant de 1 m 80 par seconde.
Avec le même appareil, mais pour une longueur du conduit de 30 m seulement et une élévation de 25 m, la cadence des impul sions correspondant à la. résonance est de 100 coups à la minute donnant un débit de 1460 litres â l'heure, qui correspond à une course du levier de la pompe de 20,3 cm, la vitesse maximum de l'eau dans le conduit étant de 1 m 90 par seconde.
Les chiffres indiqués ci-dessus sont des chiffres théoriques donnés par le calcul. Si l'on tient compte des pertes de charge dans le conduit, on peut s'attendre pour les don nées ci-dessus: pour une longueur du conduit de 60 m, à un rendement de 54 %, pour une longueur du conduit de 30 m, à un rendement de 62 %.
Le rendement augmente lorsque le débit diminue.
Si l'on veut se servir maintenant du même appareil pour fonctionner entre 30 et 15 m de longueur de conduit, en gardant la même gamme de fréquence, il suffit de changer le ressort en en substituant un dont les carac téristiques sont les mêmes sauf le diamètre du fil qui devient égal à 10 mm.
Il est intéressant de signaler que pour une profondeur de pompage de 50 m et une longueur de conduit de 60 m, afin d'entre tenir les oscillations de la colonne d'eau en résonance mais sans débiter de liquide, il suf fit d'assurer une surpression de 266 g par cm=, pour une course de 20 cm du levier de la pompe avec les données indiquées précé demment, cette surpression permettant de vaincre les pertes de charge de liquide dans le conduit. Dans ces conditions, la vitesse maximum du liquide dans le conduit .est de 91 cm par seconde.
Enfin, en ce qui concerne les pressions, on trouve que, dans le bas de la colonne d'eau, si le conduit a une longueur de 60 m et avec une élévation de 50 m, la pression maximum est égale à 17,5 hg par em2. On peut donc se servir pratiquement des tubes étirés sans soudure de 40/49 du commerce qui sont éprouvés à au moins 20 kg par cm'.
Pour une longueur de conduit de 30 m, et une élévation de 25 m, la pression au bas de la colonne de liquide n'est que de 12 kg par cm2.