Appareil pour commander le débit d'écoulement d'tin liquide entre un niveau d'amont
et un niveau d'aval
La présente invention a pour objet un appareil pour commander le débit d'écoulement d'un liquide entre un niveau d'amont et un niveau d'aval.
Un tel appareil est utilisable partout où se pose le problème de la régulation hydraulique sous une charge comprise entre quelques décimètres et quelques mètres d'eau. Il peut trouver des applications diverses; dans les problèmes de réglage automatique que l'on rencontre dans les installations d'adduction et de traitement des eaux potables, dans les réseaux d'égouts et du traitement des eaux usées, dans le contrôle des eaux de surface (hydraulique fluviale, canaux de navigation, irrigation, etc.).
Lorsque deux nappes de niveaux différents Ni et
N4, exposées sensiblement à la même pression, en particulier à la pression atmosphérique, sont reliées par un siphon par exemple, il faut créer une dépression initiale de N1 vers N4 dans le siphon pour l'amorcer .
Cette dépression tend à s'accroître jusqu'à l'amorçage complet, si la vitesse réalisée dans le siphon est suffit sante pour entraîner les bulles d'air. Le siphon débite alors sous la charge totale disponible N1-N4.
On a déjà proposé de limiter cette dépression, donc le débit du siphon, en créant une entrée d'air compensatrice, dite de partialisation . L'un des moyens proposé a consisté en un simple tube plongeant sous le niveau amont que l'on se proposait de maintenir constant.
On a également proposé de contrôler le débit du siphon par la charge, constituée par l'épaisseur de liquide, s'établissant sur un déversoir intérieur au siphon, par un flotteur solidaire du clapet d'entrée d'air de partialisation permettant de maintenir cette charge constante ou de l'asservir, par le jeu d'efforts extérieurs sur ce même clapet.
Ces appareils ne sont pas toujours utilisables avec sécurité, en particulier lorsqu'ils sont utilisés pour
I'écoulement d'eau chargée, lors du traitement des eaux usées par exemple.
La présente invention vise à remédier à cet incon- vénient et a en conséquence pour objet un appareil pour commander le débit d'écoulement d'un liquide entre un niveau d'amont et un niveau d'aval, caractérisé en ce qu'il comporte une première capacité gazeuse ayant une première entrée de gaz, un passage permettant un écoulement de liquide entre les deux niveaux à travers ladite première capacité gazeuse, cet écoulement soutirant du gaz de ladite première capacité pour l'entraîner sous forme de bulles vers le niveau aval, un équipage mobile comportant un obturateur coopérant avec ladite première entrée pour commander un premier écoulement gazeux admis à pénétrer dans ladite première capacité par ladite première entrée en vue d'être déchargé sous forme de bulles vers l'aval, une deuxième capacité gazeuse ayant une deuxième entrée du gaz,
un conduit entre la deuxième capacité gazeuse et la première capacité gazeuse de façon à diriger un deuxième écoulement gazeux depuis la deuxième entrée jusqu'à la première capacité en vue d'être déchargé sous forme de bulles vers l'aval, des moyens de perte de charge dans ledit conduit en sorte que la pression gazeuse soit plus élevée dans la deuxième capacité que dans la première, ledit équipage mobile comportant deux faces de travail opposées, la première face de travail étant exposée à la pression de la première capacité gazeuse, la deuxième face de travail étant exposée à la pression de la deuxième capacité gazeuse, la section de la deuxième face de travail étant au moins égale à la section de la première face de travail, de telle sorte que la pression gazeuse plus élevée dans la deuxième capacité que dans la première capacité,
tende à déplacer ledit équipage dans le sens de l'ouverture dudit obturateur, et des moyens d'équilibrage appliqués audit équipage et tendant à le déplacer dans le sens de la fermeture de l'obturateur de façon à stabiliser le débit de gaz admis dans la première capacité et déchargé sous forme de bulles vers l'aval et par suite le débit de liquide allant d'amont par ledit passage de liquide vers l'aval.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution, et des variantes, de l'appareil objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique, en coupe verticale, d'une première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en coupe d'une première variante.
La fig. 3 est une vue schématique en coupe d'une seconde variante.
Une étendue de liquide d'amont 10 (fig. 1) présente un niveau amont 11, et en 12 une étendue de liquide d'aval présente un niveau aval 13. Un appareil suivant l'invention, tel que celui représenté à la fig. 1, est destiné à contrôler les conditions d'écoulement de liquide entre le niveau amont il et le niveau aval 13.
Cet appareil comporte une première capacité gazeuse 14 qui a une première entrée d'air 15 faisant communiquer l'atmosphère avec ladite capacité 14.
La capacité gazeuse 14 (fig. 1) est définie par une cloche 16 qui est plongée dans le niveau d'aval 13, par une boîte 17 qui comporte l'entrée 15, par un conduit 18 reliant la cloche 16 et la boîte 17, par une cloche 19 qui est plongée dans le niveau d'amont 11, et par un conduit 20 reliant la boîte 17 et la cloche 19.
L'ensemble 16, 17, 18, 19, 20 constitue la capacité gazeuse 14. Il peut affecter la forme d'une cloche unique.
La capacité gazeuse 14 comporte un orifice 22 sous le niveau 11, de diamètre fixe, destiné au contrôle du débit d'eau à l'intérieur de la cloche 16 vers un niveau intérieur aval 47, en dépression à la valeur négative H mesurée par rapport à l'atmosphère si bien que cette dépression peut être chiffrée par la différence d'altitude entre les niveaux 47 et 13.
La chute d'eau dans le niveau 47 provoque une émulsion d'air dont une partie est entraînée en 23, par l'eau, vers l'extérieur dès que les vitesses d'eau dépassent 25 cm/sec (vitesse de remontée des bulles dans l'eau); il en résulte que la dépression H a tendance à augmenter.
L'eau traversant l'orifice 22 est sollicitée à prendre de la vitesse, aussi bien par l'effet de la pression amont H' (mesurée par la différence entre les niveaux il et 22) qui pousse, que par l'effet de la dépression aval H qui tire. On peut démontrer que cette vitesse est proportionnelle à la racine carrée de H+H'.
Un débit d'eau voulu sera donc obtenu pour une valeur définie de la somme H+H' et si la pression H' diminue parce que le niveau 11 baisse, il faudra, automatiquement, que la dépression H augmente d'autant, puis se stabilise. Dans un tel cas, il faudra tout d'abord laisser sortir l'émulsion d'air sans remplacer le débit d'air sortant puis, la nouvelle valeur de H étant atteinte, ouvrir une entrée d'air à un débit d'air entrant correspondant à celui sortant.
Pour opérer l'addition H+H', on prolongera l'enceinte 14 au moyen d'un branchement 18, 17 et 20 aboutissant à une cloche 19 plongeant partiellement dans le niveau extérieur amont 11. Par l'effet du branchement, la dépression H est conduite dans la cloche 19 si bien qu'il apparaît, à l'intérieur de celle-ci un niveau amont 32 dont l'altitude, par rapport à l'orifice 22, est précisément égale à la somme H+H' qui se trouve matérialisée et dont la tendance à la baisse ou à la hausse va permettre de commander les mouvements d'un robinet d'entrée d'air.
Ce robinet comporte un équipage mobile 37 en forme de soupape présentant un obturateur 24 situé en regard d'un siège fixe annulaire 15 placé sur une ouverture du boîtier 17. La soupape 37 est orientée de façon que la dépression d'air en 14, 17 tende à la faire ouvrir alors qu'une tige mobile 36 tire en sens opposé sur 37. Cette tige est reliée en son autre extrémité, à un piston dont la face supérieure 38, en opposition à la soupape 37, recevra une dépression dérivée de celle agissant sur 37 et créera une force opposée.
La face inférieure 40 dudit piston est à considérer comme pilote, en ce sens qu'elle pourra être la surface d'appliW cation de certaines pressions gazeuses, pilotes, crées par ailleurs dans le but de donner une tendance à monter à l'équipage mobile, puis, en modifiant cette tendance, de provoquer de nouvelles conditions d'équilibre et, en définitive, de réglage du niveau 32 et, par conséquent, de débit.
L'équipage comporte un soufflet d'étanchéité 39 de forme torique.
Des moyens d'équilibrage sont appliqués à l'équipage 36 et tendent à déplacer celui-ci dans le sens de la fermeture de l'obturateur 24. L'autre face 40 de l'équipage 36 est exposée à la pression d'une autre capacité 41. Celle-ci est définie par le soufflet 39 dans la boîte 27 et est reliée à un conduit 42 alimenté en air à une extrémité et dans lequel est placé un compresseur d'air 43 et un branchement de décharge 44 muni d'un moyen de perte de charge tel qu'une vanne 45.
Lorsque la vanne 45 est suffisamment fermée, le compresseur d'air 43 fait régner dans la capacité 41 une pression tendant à soulever l'équipage 36 de façon à équilibrer le débit d'air admis dans la première capacité 14 et déchargé sous forme de bulles 23 vers le niveau aval 13, et par suite, le débit de liquide passant en 21 du niveau amont 11 au niveau aval 13.
L'effort F vertical vers le haut est la résultante sur l'équipage de l'effort pilote et des efforts mécaniques tels que le poids de l'équipage (plus généralement F est la résultante sur l'équipage de tous les efforts autres que Fo et F1 ci-après).
En opposition à la soupape 37, la face supérieure 38 de section S du piston est mobile dans un cylindre 27 dont le volume gazeux intérieur est lié par tubulure 28 à un tube vertical.
On trouve sur ce tube, à partir de sa partie haute 26, ouverte à l'atmosphère:
- un diaphragme ou robinet 49 qui provoque une première perte de charge H'o,
- un tronçon 29 avec branchement 28 allant au cylindre 27; on aura donc la dépression H'o dans le cylindre 27 et un effort vers le haut Fo-SH'o (1) appliquée sur l'équipage mobile,
- un éventuel robinet de réglage 35, provoquant une deuxième perte de charge Ho-h'o, à l'aval duquel règne la dépression Ho. En donnant au robinet 35 une position moyenne, on peut imposer au rapport
H'o
Ho une valeur constante K comprise entre 0 et 1 d'air H'o = KHo (2),
-la partie inférieure 30 du tube débouche en 31 sous le niveau d'eau 32 qu'il s'agit, pour le problème considéré, de maintenir fixe.
Cette partie 30 est en même temps placée plus haute que la plus haute position prévue pour le niveau 11. Cette dénivelée est Ho qui est donc la valeur négative imposée à la pression du ménisque d'air en 31 et à tout l'air compris dans le tronçon 30.
En définitive, le circuit auxiliaire d'air qui a été appelé deuxième écoulement gazeux part de la pression atmosphèrique en 26 pour passer par les valeurs successives H'o, Ho et Ho +H" = H.
La valeur Ho est liée directement au niveau il variable; la valeur H est une dépression entretenue (et même, dans le cas considéré, provoquée) par l'écoulement principal, elle constitue le moteur du deuxième écoulement gazeux.
Cette dépression H appliquée sur la section s de la soupape 37 exerce un effort F1 vers le bas sur l'équipage mobile F, = sH (3).
La formule d'équilibre des forces appliquées est F+Fo+Fl = o qui, au moyen des formules 1, 3 puis 2, se transforme ainsi:
EMI3.1
Si, par construction,
S
s il n'est pas nécessaire de placer le robinet d'air 35 et l'on a K = 1, il vient H-Ho égale constante, c'est la valeur de H" qui montre que le niveau 32 est constant comme il était recherché.
Mais il sera souvent préférable de réaliser S légèrement plus grand que s pour obtenir, robinet 35 grand ouvert, une certaine montée du niveau 32 quand le niveau 11 baissera (décrément négatif). Lors de la première mise en route d'une installation, on fermera légèrement le robinet d'air 35 pour obtenir le décrément nul et, si l'on préfère exagérer la fermeture, un décrément positif.
La vanne 45 forme un moyen de réglage des moyens d'équilibrage 43, 42, 45 et permet de maintenir constante ou de faire varier la pression dans la troisième capacité gazeuse 41.
Lorsqu'on maintient la vanne 45 avec une ouverture constante, la pression reste constante en 41 et le débit de liquide passant en 21 de i1 à 13 est maintenu constant.
Le degré d'ouverture de la vanne 45 peut également être asservi par l'intermédiaire de moyens de liaison 48, à un niveau N de manière à maintenir le niveau N constant. Ce niveau N peut être soit le niveau amont 11, soit le niveau aval 13, soit encore une relation entre les niveaux il et 13. La fonction des organes 45 et 48 peut être assurée par simple enfoncement du tuyau 44 dans un niveau liquide permettant une perte de charge par bullage qui est fonction de ce niveau.
La deuxième entrée d'air 26 dans la deuxième capacité comporte un obturateur 49 adapté à régler le débit d'entrée d'air.
Lorsque l'on maintient l'obturateur 49 avec une ouverture constante, la différence de pressions en 25, 14 reste constante, et si la pression en 41 est ellemême constante, le débit liquide en 21 est constant.
Le degré d'ouverture de l'obturateur 49 peut également être asservi par l'intermédiaire de moyens de liaison 50 à un niveau N' de manière à maintenir le niveau N' constant. Ce niveau N' peut être soit le niveau amont 11, soit le niveau aval 13, soit le niveau
N, soit une relation entre ces niveaux. Il est à noter que le moyen de perte de charge constitué par la vanne 35 permet d'améliorer les conditions de réglage et en particulier de faire un réglage plus fin.
Lorsque la pression pilote est juste suffisante pour soutenir le poids de l'équipage mobile, le niveau 32 est réglé à sa valeur limite basse 31. Puis, des augmentations de la pression pilote conduisent à des réglages de plus en plus hauts du niveau 32.
L'orifice noyé peut être coiffé d'une plaque formant un écran contre des rentrées d'air intempestives par effet de vortex. On peut aussi surélever l'orifice 22 au-dessus du niveau 11 en le coiffant d'une cloche; l'orifice 22 peut alors être remplacé par tout moyen de contrôle de débit, tel que déversoir.
Pour fixer les idées, le débit de l'eau en 21 peut être de l'ordre de 1 m3/sec, pour un débit d'air en 23 de 10 dm3/sec et pour une hauteur H de 40 cm.
On se référera maintenant à la fig. 2 dans laquelle un liquide auxiliaire lourd 51, par exemple du mercure, est disposé dans une cuvette 52 qui est immergée dans le niveau amont 11, tandis que la cloche 19 et la canne creuse 30 sont plongées dans ledit liquide auxiliaire lourd 51. Cette disposition est destinée à éviter que des impuretés mélangées au liquide 10 ne risquent d'obturer l'orifice 31.
Dans la variante représentée à la fig. 3, la capacité gazeuse 41 est supprimée et les moyens d'équilibrage de l'équipage 36 comportent une poulie 53, un câble 54 passant sur la poulie 53 et ayant une extrémité 55 attelée au moyen de piston 36 tandis que l'autre extrémité 56 du câble 54 reçoit un contrepoids 57. Dans ce cas, le réglage de l'installation est effectué au moyen de l'obturateur 49 et/ou 35.