EP2416874B1 - Dispositif ejecteur pour former un melange sous pression de liquide et de gaz, et son utilisation - Google Patents

Description

• La présente invention est relative à un dispositif éjecteur pour former un mélange sous pression de liquide et de gaz.
• Le document WO-01/34285 décrit un tel dispositif éjecteur comprenant une chambre d'aspiration, un tube cylindrique et un diffuseur de forme conique et s'évasant dans une direction longitudinale. Une buse injecte à grande vitesse un liquide dans la chambre d'aspiration, qui aspire alors du gaz par une entrée. Le tube cylindrique est situé entre la chambre d'aspiration et le diffuseur, de telle sorte que le liquide et le gaz se mélangent dans ce tube cylindrique avant d'entrer dans le diffuseur.
• Un tel dispositif éjecteur permet d'obtenir des taux de compression (voir définition plus loin) de l'ordre de 4 à 8. Ainsi, un gaz ayant à l'entrée une pression de 2 atm, pourra être comprimé jusqu'à une pression de 16 atm. Il est très difficile d'aller au-delà.
• Le document DE 1068223 B1 décrit aussi un tel dispositif.
• La présente invention a pour but de perfectionner un dispositif éjecteur de ce type, notamment pour optimiser son efficacité énergétique et augmenter le taux de compression.
• Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif éjecteur pour former un mélange sous pression de liquide et de gaz, comprenant une chambre d'aspiration et un diffuseur,
  dans lequel la chambre d'aspiration comporte :
• une buse d'injection pour produire un jet de liquide s'écoulant selon une direction longitudinale ;
• une entrée de gaz pour admettre dans la chambre d'aspiration un gaz à entraîner par le jet liquide; et
• une ouverture de sortie pour faire sortir de la chambre d'aspiration, le jet de liquide et le gaz entraîné ;
dans lequel le diffuseur est raccordé à l'ouverture de sortie de la chambre d'aspiration et présente le long de la direction longitudinale une section transversale croissante à partir de ladite ouverture de sortie, le diffuseur à section croissante étant situé immédiatement après l'ouverture de sortie de la chambre d'aspiration, et dans lequel le diffuseur (6) comprend au moins une première portion conique ayant un premier angle compris entre 0,1 et 7 degrés.
• Grâce à ces dispositions, le mélange de liquide et de gaz peut être réalisé à différentes positions axiales à l'intérieur du diffuseur, et le dispositif éjecteur permet alors un fonctionnement sur une large gamme de taux de compression.
• Dans divers modes de réalisation du dispositif éjecteur selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
• le premier angle est préférentiellement compris entre 1,5 et 4 degrés ;
• le diffuseur comprend en outre une deuxième portion conique continument dans le prolongement de la première portion dans la direction longitudinale, ladite deuxième portion ayant un deuxième angle supérieur au premier angle ;
• le deuxième angle est compris entre 5 et 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 7 degrés ;
• le diffuseur comprend en outre une deuxième portion continument dans le prolongement de la première portion dans la direction longitudinale, ladite deuxième portion ayant une forme de profil convexe ;
• la deuxième portion convexe a un angle augmentant progressivement le long de la direction longitudinale depuis le premier angle jusqu'à un angle inférieur à 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 10 degrés ;
• le diffuseur est sensiblement coaxial à la buse d'injection et à l'ouverture de sortie de la chambre d'aspiration ;
• le dispositif éjecteur est tel que :
  • l'ouverture de sortie, aussi appelée col, a une surface de col S_c perpendiculairement à la direction longitudinale,
  • la buse d'injection a une surface de buse S₂ intérieurement à la buse et perpendiculairement à la direction longitudinale, et
  • un rapport géométrique R est le rapport entre la surface de buse S₂ et à la surface de col S_c, ledit rapport géométrique R étant compris entre 0,5 et 0,9 ;
• Grâce à cette disposition le dispositif permet de maximiser le taux de compression pour une vitesse d'injection donnée ; et en particulier d'atteindre des taux de compression du mélange très élevés, et par exemple supérieurs à 30, avec un seul étage de dispositif, pourvu que la vitesse du jet liquide soit suffisamment élevée ;
• le dispositif éjecteur est tel que :
  • la buse d'injection comprend une extrémité dans la direction longitudinale,
  • l'ouverture de sortie a une section circulaire avec un diamètre de col Dc, et
  • l'extrémité se situe à une distance de retrait x₂ de l'ouverture de sortie, ladite distance de retrait x₂ étant comprise entre une et cinq fois le diamètre de col Dc ;
  - la chambre d'aspiration comporte des parois dans la direction longitudinale s'étendant radialement dans ladite chambre d'aspiration, de telle sorte que le gaz s'écoule dans la chambre d'aspiration avec un écoulement peu turbulent, sans rotation, dont la distribution de vitesses axiales est assez homogène ;
• la buse d'injection comporte des moyens de canalisation du liquide adaptés pour obtenir dans la buse après lesdits moyens de canalisation, un écoulement du liquide peu turbulent, sans rotation et dont la distribution de vitesses axiales est sensiblement homogène ;
• les moyens de canalisation du liquide dans la buse sont choisis parmi :
• un dispositif ayant des parois s'étendant dans la direction longitudinale, et
• un dispositif ayant des parois s'étendant dans la direction longitudinale et lesdites parois ayant une forme de nid d'abeille, et
• un dispositif comprenant une paroi dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale et comprenant des trous pour répartir le débit de liquide de manière sensiblement uniforme dans la section transversale de la buse.
• L'invention se rapporte également à l'utilisation d'un dispositif éjecteur du type précédent, dans lequel :
• on mesure la pression d'aspiration du gaz p₁ à l'entrée de gaz (3), la pression d'alimentation de liquide p₂ alimentant la buse d'injection (5), la pression de refoulement p₃ du mélange de gaz et de liquide à l'aval du diffuseur (6), et
• on règle au moins une desdites pressions pour qu'un paramètre de compression Ψ défini par la formule suivante : $$\mathrm{\Psi }=\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}},$$
  
soit compris entre 0,4 et 0,6.
• L'invention se rapporte également à l'utilisation d'un dispositif éjecteur du type précédent, dans lequel :
• on mesure la pression d'aspiration du gaz p₁ à l'entrée de gaz (3), la pression d'alimentation de liquide p₂ alimentant la buse d'injection (5), la pression de refoulement p₃ du mélange de gaz et de liquide à l'aval du diffuseur (6), et
• on règle la pression absolue d'alimentation de liquide p₂ à plus ou moins vingt pourcent d'une pression optimale p_2,opt, telle que : $${\mathrm{p}}_{\mathrm{2},\mathrm{opt}}=\mathrm{2.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{.}$$
  
• Grâce à ces dispositions d'utilisation, les performances énergétiques du dispositif éjecteur sont optimisées.
• L'invention peut être par exemple utilisée dans un compresseur de gaz comprenant un dispositif éjecteur alimenté avec un gaz d'une part et un liquide d'autre part, et un dispositif séparateur adapté pour recevoir un mélange de liquide et de gaz en provenance du dispositif éjecteur et extraire une composante gazeuse de ce mélange, dans lequel le dispositif éjecteur comprend une chambre d'aspiration et un diffuseur,
  dans lequel la chambre d'aspiration comporte :
• une buse d'injection pour produire un jet de liquide s'écoulant selon une direction longitudinale ;
• une entrée de gaz pour admettre dans la chambre d'aspiration un gaz entraîné ; et
• une ouverture de sortie pour faire sortir de la chambre d'aspiration, le jet de liquide et le gaz entraîné ;
dans lequel le diffuseur est raccordé à l'ouverture de sortie de la chambre d'aspiration et présente le long de la direction longitudinale une section transversale croissante à partir de ladite ouverture de sortie, le diffuseur à section croissante étant situé immédiatement après l'ouverture de sortie de la chambre d'aspiration, et
dans lequel le dispositif séparateur de gaz comporte deux sorties, l'une pour le gaz et l'autre pour le liquide.
• Dans divers modes de réalisation du compresseur de gaz, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
• le diffuseur comprend au moins une première portion conique ayant un premier angle compris entre 0,1 et 7 degrés ;
• le dispositif séparateur est un séparateur gravitaire ;
• le dispositif séparateur est un séparateur cyclonique ;
• le compresseur de gaz comprend en outre une pompe adaptée pour aspirer le liquide sous pression au niveau du dispositif séparateur, et pour alimenter avec ledit liquide la buse d'injection du dispositif éjecteur.
• D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.
• Sur les dessins :
• la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale de dispositif éjecteur conforme à l'invention,
• la figure 2 est un graphique, établi à partir de résultats expérimentaux, montrant le taux de d'entraînement τ_e (voir définition plus loin) en fonction du taux de compression τ_c (voir définition plus loin) pour différentes valeurs de la pression d'aspiration p₁ du gaz, dans le dispositif éjecteur de la figure 1,
• la figure 3 est un graphique montrant le rendement théorique du dispositif éjecteur (voir définition plus loin) de la figure 1, pour un taux de compression de l'ordre de 4, en fonction d'un rapport géométrique R pour différentes valeurs de taux d'entraînement,
• la figure 4 est un graphique montrant le rendement du dispositif éjecteur de la figure 1, en fonction d'un paramètre de compression Ψ pour différentes valeurs du paramètre de pression motrice χ (voir définition plus loin)
• la figure 5 est une vue schématique d'un compresseur de gaz comprenant le dispositif éjecteur de la figure 1.
• La direction longitudinale mentionnée dans cette description s'entend comme étant la direction indiquée par un trait mixte X sur la figure 1, et correspond à la direction d'écoulement dans le dispositif éjecteur 1 entre le côté amont situé vers la gauche et le côté aval situé vers la droite sur cette figure.
• La figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif éjecteur 1 selon l'invention. Ce dispositif éjecteur s'étend selon l'axe longitudinal X et comprend le long de cet axe :
• une chambre d'aspiration 2 adaptée pour aspirer un gaz par l'injection d'un jet de liquide à grande vitesse dans ladite chambre d'aspiration 2, et
• un diffuseur 6 adapté pour mélanger le liquide et le gaz et comprimer, assez brutalement, ce mélange par un phénomène analogue à un ressaut hydraulique, puis comprimer progressivement ce mélange par conversion de l'énergie cinétique du mélange en énergie de pression.
• La chambre d'aspiration 2 comprend :
• une ouverture d'entrée 3 latérale par laquelle est amené le gaz,
• une buse d'injection 5 se terminant par un tube cylindrique sensiblement coaxial à l'axe longitudinal X et débouchant dans ladite chambre d'aspiration, et par laquelle un liquide est injecté à grande vitesse dans ladite chambre d'aspiration, et
• une ouverture de sortie 4 à l'opposé de la buse 5 dans la direction d'écoulement, coaxiale à l'axe longitudinal X.
• L'ouverture de sortie 4 forme donc en sortie de la chambre d'aspiration 2 un rétrécissement appelé également col. L'ouverture de sortie 4 a une section sensiblement circulaire de diamètre D_c. Elle présente une surface de col S_c, S_c=π.D_c ²/4, perpendiculairement à l'axe longitudinal X.
• Une première conduite amont 3a alimente en gaz l'ouverture d'entrée 3 de la chambre d'aspiration 2, à une pression d'aspiration p₁ avec un débit volumique Q₁.
• Une seconde conduite amont 5a alimente la buse d'injection 5 en liquide, à une pression d'alimentation p₂ avec un débit volumique Q₂.
• La buse 5 présente une extrémité 5b dans la chambre d'aspiration 2, de diamètre interne D₂ et présentant une surface de buse S₂, S₂=π.D₂ ²/4, perpendiculairement à l'axe longitudinal X. Cette extrémité 5b est placée à une distance de retrait x₂ de l'ouverture de sortie 4 de la chambre d'aspiration 2. Le diamètre interne D₂ de l'extrémité 5b est éventuellement inférieur à un diamètre interne de la buse 5, de telle sorte que ladite buse comporte à son extrémité 5b une section contractée.
• La buse d'injection 5 comporte éventuellement des moyens de canalisation du liquide adaptés pour obtenir dans la buse après lesdits moyens de canalisation, un écoulement du liquide peu turbulent, sans rotation et dont la distribution des vitesses axiales soit sensiblement homogène, c'est-à-dire dont la distribution de vitesses axiales dans une section transversale de la buse soit sensiblement constante. Le jet de liquide produit par la buse 5 dans la chambre d'aspiration 2 reste alors sensiblement cylindrique jusqu'à l'ouverture de sortie 4 de ladite chambre. Ainsi le jet liquide diverge peu dans cette chambre et ne commence pas à se mélanger avec de le gaz avant le diffuseur 6. Habituellement l'homme du métier considère que, avoir un jet de liquide divergent, aide à former un mélange de liquide et de gaz. Or les inventeurs ont découvert qu'au contraire cette disposition permet d'obtenir un meilleur mélange de liquide et de gaz dans le diffuseur 6 et un meilleur taux de compression de ce mélange.
• Les moyens de canalisation du liquide dans la buse 5 peuvent par exemple être un dispositif ayant des parois s'étendant dans la direction longitudinale X, ou un dispositif ayant des parois s'étendant dans la direction longitudinale X et lesdites parois ayant une forme de nid d'abeille, ou un dispositif comprenant une paroi dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale X et comprenant des trous pour répartir le débit de liquide de manière sensiblement uniforme dans la section transversale de la buse, ou une combinaison de ces dispositifs dans la buse 5 et disposés les uns après les autres le long de la direction longitudinale X.
• Les moyens de canalisation peuvent alors être placés dans la buse à courte distance de son extrémité 5b, par exemple à une distance comprise entre 10 et 30 fois le diamètre interne D₂ de la buse 5, et de préférence égale à 20 fois à ce diamètre.
• Le diffuseur 6 est monté dans le prolongement de l'ouverture de sortie 4 de la chambre d'aspiration. Ce diffuseur 6 présente le long de la direction longitudinale X une section transversale croissante à partir de ladite ouverture de sortie 4. Ce diffuseur 6 est par exemple de forme conique, s'évasant dans la direction de l'écoulement, et est également sensiblement coaxial à l'axe longitudinal X. Il présente donc un diamètre amont sensiblement égal au diamètre D_c de l'ouverture de sortie 4 de la chambre d'aspiration 2, et un diamètre aval D₃ supérieur au diamètre amont D_c. Le diffuseur 6 forme un cône ayant un angle α_d. L'angle α_d est défini comme l'angle d'ouverture totale du cône, et a une valeur faible, au moins dans une première partie du diffuseur 6.
• Une conduite aval 6a fournit en sortie le mélange de liquide et de gaz à la pression de refoulement p₃.
• Contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, le dispositif éjecteur 1 de l'invention a un diffuseur 6 situé immédiatement en sortie de la chambre d'aspiration 2, c'est-à-dire sans interposition d'un tube cylindrique pour le mélange du liquide et du gaz, de sorte que le mélange se produit directement dans le diffuseur 6.
• Les inventeurs ont constaté qu'un tel agencement permettait au dispositif éjecteur 1 de fonctionner sur une large plage de taux de compression τ_c.
• Le taux de compression τ_c est défini comme étant le rapport entre la pression de refoulement p₃ et la pression d'aspiration p₁ du gaz : $${\mathrm{\tau }}_{\mathrm{c}}=\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}$$

  
• Le taux d'entraînement τ_e est défini comme étant le rapport entre le débit volumique Q₁ du gaz entraîné à l'ouverture d'entrée 3 et le débit volumique Q₂ du liquide injecté au travers de la buse d'injection 5 : $${\mathrm{\tau }}_{\mathrm{e}}=\frac{{\mathrm{Q}}_{\mathrm{1}}}{{\mathrm{Q}}_{\mathrm{2}}}$$

  
• Le paramètre de pression motrice χ est défini comme étant le rapport entre la pression d'alimentation de liquide p₂ alimentant la buse d'injection 5 et la pression d'aspiration de gaz p₁ : $$\mathrm{\chi }=\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}$$

  
• Ces paramètres adimensionnels qu'il est possible de déterminer par calcul ou mesure sur des dispositifs d'essai, permettent d'établir des lois de dimensionnement pour assurer un fonctionnement optimisé du dispositif.
• Des essais ont montré que le taux d'entraînement τ_e est lié au taux de compression τ_c. Les courbes de la figure 2 montrent cette dépendance pour plusieurs valeurs de pression d'aspiration p₁ du gaz.
• Le dispositif éjecteur 1 fonctionne comme suit.
• Le liquide sort dans la chambre d'aspiration 2 à l'extrémité 5b de la buse 5, sous une pression égale à la pression d'aspiration p₁ du gaz et à une vitesse U₂. Il forme un jet rectiligne et sensiblement cylindrique dans la chambre d'aspiration 2. Ce jet à grande vitesse participe à l'entraînement du gaz qui entoure le jet vers l'ouverture de sortie 4 de ladite chambre d'aspiration 2. Nous avons donc dans la chambre d'aspiration deux phases sensiblement séparées : une phase liquide, dont la section est un disque, à proximité de l'axe longitudinal X et une phase gazeuse, dont la section est une couronne en contact avec le dit disque, à une certaine distance de cet axe longitudinal et coaxiale à la phase liquide.
• La chambre d'aspiration 2 comprend éventuellement à partir de ladite distance de l'axe longitudinal X des parois s'étendant radialement et longitudinalement, de telle sorte que le jet liquide ne vienne pas en contact avec lesdites parois et que le gaz contenu dans cette chambre d'aspiration 2 soit entraîné avec un écoulement peu turbulent, sans rotation et dont la distribution des vitesses axiales soit sensiblement homogène vers l'ouverture de sortie 4 de la chambre d'aspiration 2.
• Dans le diffuseur 6, l'écoulement comprend le long de l'axe X, une première, une deuxième puis une troisième zone. Dans la première zone de l'écoulement, les deux phases coaxiales s'écoulent de manière relativement séparées. Dans la deuxième zone d'écoulement, dite zone de mélange, l'écoulement change de structure assez brutalement et devient un mélange du liquide et du gaz de plus en plus homogène. Ce changement de structure de l'écoulement s'accompagne d'un ralentissement assez brutal de la phase liquide et d'une augmentation de la pression. Dans la troisième zone d'écoulement, les deux phases s'écoulent sous la forme d'une émulsion finement mélangée. Dans cette troisième zone, l'écoulement ralentit progressivement sous l'effet de l'augmentation de section du diffuseur. L'énergie cinétique du mélange est alors convertie en énergie de pression.
• Ces première, deuxième et troisième zones de l'écoulement ne sont pas séparées par des transitions franches et nettes, les phénomènes étant continus. D'autre part, ces zones de l'écoulement peuvent se déplacer longitudinalement dans le diffuseur 6, notamment par l'effet de variations de la pression de refoulement p₃ en aval du diffuseur 6. Malgré de telles variations, le fonctionnement du dispositif éjecteur est peu perturbé, ce qui montre qu'un tel dispositif est stable et tolérant aux variations des paramètres de fonctionnement.
• D'une manière simplifiée, la quantité de mouvement du jet liquide en entrée du diffuseur 6 est convertie en forces de pression s'appliquant de part et d'autre de la zone de mélange. Si on fait une analogie avec les écoulements compressibles, cette conversion peut être vue comme un choc. Si on fait une analogie avec les écoulements à surface libre, cette conversion peut être vue comme un ressaut hydraulique.
• Le diffuseur 6 de forme conique, présente un angle α_d faible, mais non nul. Un diffuseur 6 conique avec un angle α_d plus élevé, par exemple supérieur à 10 degrés, ne provoque pas un choc hydraulique aussi efficace et ne permet pas d'atteindre des taux de compression aussi élevés.
• Les inventeurs ont donc constaté qu'il existe un angle optimum α_d,opt pour lequel le taux de compression est maximum, pour une vitesse U₂ d'injection donnée. Cet angle optimum est compris dans une plage de valeurs d'angle α_d comprise entre 0,1 et 7 degrés, et de préférence entre 1,5 et 4 degrés. La valeur de l'angle optimum α_d,opt est difficile à déterminer par calcul a priori.
• Dans une variante du dispositif éjecteur 1, le diffuseur 6 comprend le long de l'axe X une première portion conique avec un premier angle α_d, puis une deuxième portion conique avec un deuxième angle. La deuxième portion est continument dans le prolongement de la première portion. Le deuxième angle est supérieur au premier angle. Le deuxième angle peut être compris entre 5 et 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 7 degrés. La première portion est destinée à accueillir la zone de mélange, qui doit s'opérer sous un faible angle de divergence afin de maximiser le taux de compression. La seconde portion assure la récupération finale de pression par conversion de l'énergie cinétique du mélange. Cette conversion d'énergie peut s'opérer sous un angle de divergence supérieur, par exemple de l'ordre de 10°, sans pour autant engendrer une perte de charge significative. On obtient donc à la fois un taux de compression τ_c élevé par la première portion à faible angle de divergence et une longueur totale du diffuseur 6 raccourcie.
• Dans une autre variante du dispositif éjecteur 1, le diffuseur 6 a une forme évasée avec une première portion de forme conique avec un premier angle faible, puis dans la continuité une forme ayant un profil convexe. La deuxième portion convexe a un angle augmentant progressivement le long de la direction longitudinale X depuis le premier angle jusqu'à un angle, par exemple inférieur à 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 10 degrés. La longueur totale du diffuseur 6 peut ainsi encore être raccourcie sans affecter le taux de compression.
• Dans encore une autre variante du dispositif éjecteur 1, le diffuseur 6 a une forme évasée avec une forme ayant un profil convexe, ledit profil convexe ayant un angle augmentant progressivement le long de la direction longitudinale X depuis un premier angle α_d jusqu'à un angle, par exemple inférieur à 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 10 degrés. La longueur totale du diffuseur 6 peut ainsi encore être raccourcie.
• Le premier angle α_d des variantes précédentes a avantageusement une valeur dans la plage de 0,1° à 7°, comme indiqué ci-dessus.
• En outre, le rendement η du dispositif éjecteur 1 est le rapport entre la puissance de compression P_c dans le dispositif éjecteur 1 et à la puissance hydraulique P_h fournie.
• Si l'on suppose que la compression est sensiblement isotherme, on obtient la puissance de compression P_c suivante : $${\mathrm{P}}_{\mathrm{c}}={\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}{\mathrm{Q}}_{\mathrm{1}}\ln \left(\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}\right)$$

  
• Lorsqu'une pompe aspire le liquide au niveau du séparateur situé au refoulement du dispositif éjecteur 1, la puissance hydraulique fournie P_h est liée à la différence de pression d'alimentation p₂ de liquide dans la buse d'injection 5 et la pression de refoulement p₃ en sortie du diffuseur 6, c'est-à-dire : $${\mathrm{P}}_{\mathrm{h}}={\mathrm{Q}}_{\mathrm{2}}\left({\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}\right)$$

  

  
  d'où le rendement η suivant : $$\mathrm{\eta }=\frac{{\mathrm{Q}}_{\mathrm{1}}}{{\mathrm{Q}}_{\mathrm{2}}}\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}}\ln \left(\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}\right)$$

  

  
  que l'on peut écrire en fonction des paramètres adimensionnels définis précédemment : $$\mathrm{\eta }={\mathrm{\tau }}_{\mathrm{e}}\frac{\ln \left({\mathrm{\tau }}_{\mathrm{c}}\right)}{\mathrm{\chi }-{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{c}}}$$

  
• Le rendement η d'un dispositif éjecteur 1 peut donc être mesuré sur des dispositifs expérimentaux, ou être calculé par un modèle mathématique d'écoulement hydraulique.
• Le rapport géométrique R adimensionnel a été également défini comme étant le rapport de la surface de buse S₂ par rapport à la surface de col S_c : $$\mathrm{R}=\frac{{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}}{{\mathrm{S}}_{\mathrm{c}}}$$

  
• Comme montré par les courbes théoriques de la figure 3, à taux d'entraînement fixé, le rendement η est lié à ce rapport géométrique R du dispositif éjecteur 1. Le rendement η est maximum pour un rapport géométrique R compris entre 0,5 et 0,9, ou plus précisément compris entre 0,6 et 0,8. Cette tendance a été confirmée par des résultats expérimentaux.
• Des essais expérimentaux ont également montré que la distance de retrait x₂ optimale pour les taux de compression visés est d'une à cinq fois le diamètre de col D_c de l'ouverture de sortie 4 du dispositif éjecteur 1.
• Un autre critère de dimensionnement a été défini en introduisant un nouveau paramètre adimensionnel ψ, dit paramètre de compression et défini comme suit : $$\mathrm{\Psi }=\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}$$

  
• Un premier avantage de ce paramètre de compression Ψ est qu'il peut être calculé uniquement avec les valeurs de pression, mesurables sur un dispositif éjecteur expérimental.
• Ce paramètre de compression Ψ peut être exprimé en fonction des autres paramètres adimensionnels par l'expression suivante : $$\mathrm{\Psi }=\frac{{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{c}}-1}{\chi -1}$$

  
• Pour une vitesse d'injection U₂ donnée, le rendement η est lié à la valeur de ce paramètre de compression Ψ du dispositif éjecteur 1. Les courbes de la figure 4 montrent cette dépendance pour plusieurs valeurs du paramètre de pression motrice χ.. Le rendement η est alors maximum pour un paramètre de compression Ψ compris dans l'intervalle de 0,4 à 0,6, ou de préférence égal à 0,5 environ.
• Un deuxième avantage de ce paramètre de compression Ψ est que, inversement, il peut permettre de déterminer la pression d'alimentation de liquide p₂ adaptée pour obtenir le rendement optimal η_opt du dispositif éjecteur 1.
• En effet, l'intervalle précédent pour le paramètre de compression Ψ permet de déterminer que la pression d'alimentation de liquide p₂ doit être comprise dans l'intervalle suivant : $$\mathrm{1},\mathrm{66.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-\mathrm{0},\mathrm{66.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}<{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}<\mathrm{2},\mathrm{5.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-\mathrm{1},\mathrm{5.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}$$

  

  
  avec une valeur centrale de pression d'alimentation de liquide optimale p_2,opt de: $${\mathrm{p}}_{\mathrm{2},\mathrm{opt}}=\mathrm{2.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}$$

  
• Le dispositif éjecteur 1 peut alors être utilisé dans un compresseur de gaz 10 tel que présenté en figure 5.
• Ce compresseur de gaz 10 comprend :
• une entrée de gaz 11 à basse pression,
• une sortie de gaz 12 à haute pression,
• un circuit hydraulique interne en boucle.
• Le circuit hydraulique comprend en série :
• un dispositif éjecteur 1 alimenté d'une part avec un gaz basse pression, provenant de l'entrée de gaz 11 et d'autre part avec un liquide haute pression ; ledit dispositif éjecteur 1 fournissant un mélange de gaz et de liquide à pression intermédiaire,
• un dispositif séparateur 13 alimenté en mélange de gaz et de liquide par le dispositif éjecteur 1 et fournissant d'une part une composante de gaz à la sortie de gaz 12 à pression intermédiaire et un liquide, à même pression intermédiaire, à un circuit de retour 14,
• un échangeur de chaleur 15 dans le circuit de retour 14 adapté pour maintenir la température du circuit hydraulique à un niveau adéquat,
• une pompe 16 alimentée par le liquide du circuit de retour 14 et fournissant un liquide de plus haute pression à un circuit d'alimentation 17.
• Le circuit d'alimentation 17 alimente alors en liquide le dispositif éjecteur 1 du compresseur de gaz 10.
• Le dispositif séparateur 13 est soit un séparateur gravitaire, soit un séparateur cyclonique.
• En outre, un circuit de dérivation 14a contourne l'échangeur de chaleur 15 du circuit de retour 14 et comprend une vanne 14b. Ce circuit de dérivation 14a est adapté pour régler la température du circuit hydraulique.
• L'échangeur de chaleur 15 est également alimenté avec un fluide froid, par exemple de l'eau, par un circuit de refroidissement 15a et une pompe 15b.
• Le compresseur de gaz 10 fonctionne comme suit.
• Le dispositif éjecteur 1 mélange le gaz avec un liquide injecté à haute vitesse, et comprime ce mélange de gaz et de liquide à une haute pression. Le mélange est séparé dans le dispositif séparateur 13, qui fournit alors à la sortie de gaz 12 un gaz à haute pression, et au circuit de retour 14 un liquide à haute pression également. L'échangeur de chaleur 15 permet d'extraire de la chaleur du liquide. La pompe 16 augmente la pression du liquide avant d'alimenter le circuit d'alimentation 17 et le dispositif éjecteur 1. Comme déjà expliqué plus haut, le dispositif éjecteur 1 comprend une buse d'injection adaptée pour injecter à grande vitesse ledit liquide dans sa chambre d'aspiration.
• Ainsi, la buse d'injection du dispositif éjecteur 1 réalise une détente du liquide (transformation de l'énergie de pression du liquide en énergie cinétique). Le diffuseur du dispositif d'éjection 1 réalise le mélange et la compression du mélange. La pompe 16 complète la compression du liquide pour atteindre la pression d'alimentation en entrée de la buse du dispositif éjecteur.

Claims (14)

1. Dispositif éjecteur pour former un mélange sous pression de liquide et de gaz, comprenant une chambre d'aspiration (2) et un diffuseur (6),
   dans lequel la chambre d'aspiration (2) comporte :

   - une buse d'injection (5) pour produire un jet de liquide s'écoulant selon une direction longitudinale (X) ;

   - une entrée de gaz (3) pour admettre dans la chambre d'aspiration (2) un gaz à entraîner par le jet liquide ; et

   - une ouverture de sortie (4) pour faire sortir de la chambre d'aspiration (2), le jet de liquide et le gaz entraîné ;

   dans lequel le diffuseur (6) est raccordé à l'ouverture de sortie (4) de la chambre d'aspiration (2) et présente le long de la direction longitudinale (X) une section transversale croissante à partir de ladite ouverture de sortie (4), le diffuseur (6) à section croissante étant situé immédiatement après l'ouverture de sortie (4) de la chambre d'aspiration (2), et dans lequel le diffuseur (6) comprend au moins une première portion conique ayant un premier angle compris entre 0,1 et 7 degrés.
2. Dispositif éjecteur selon la revendication 1, dans lequel le premier angle est compris entre 1,5 et 4 degrés.
3. Dispositif éjecteur selon la revendication 1, dans lequel le diffuseur (6) comprend en outre une deuxième portion conique continument dans le prolongement de la première portion dans la direction longitudinale (X), ladite deuxième portion ayant un deuxième angle supérieur au premier angle.
4. Dispositif éjecteur selon la revendication 3, dans lequel le deuxième angle est compris entre 5 et 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 7 degrés.
5. Dispositif éjecteur selon la revendication 1, dans lequel le diffuseur (6) comprend en outre une deuxième portion continument dans le prolongement de la première portion dans la direction longitudinale (X), ladite deuxième portion ayant une forme de profil convexe.
6. Dispositif éjecteur selon la revendication 5, dans lequel la deuxième portion convexe a un angle augmentant progressivement le long de la direction longitudinale (X) depuis le premier angle jusqu'à un angle inférieur à 15 degrés, et de préférence de l'ordre de 10 degrés.
7. Dispositif éjecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diffuseur (6) est sensiblement coaxial à la buse d'injection (5) et à l'ouverture de sortie (4) de la chambre d'aspiration.
8. Dispositif éjecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel :

   - l'ouverture de sortie (4) a une surface de col S_c perpendiculairement à la direction longitudinale (X),

   - la buse d'injection (5) a une surface de buse S₂ intérieurement à la buse et perpendiculairement à la direction longitudinale (X), et

   - un rapport géométrique R est le rapport entre la surface de buse S₂ et à la surface de col S_c, ledit rapport géométrique R étant compris entre 0,5 et 0,9.
9. Dispositif éjecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel :

   - la buse d'injection (5) comprend une extrémité (5b) dans la direction longitudinale (X),

   - l'ouverture de sortie (4) a une section circulaire avec un diamètre de col D_c, et

   - l'extrémité (5b) se situe à une distance de retrait x₂ de l'ouverture de sortie (4), ladite distance de retrait x₂ étant comprise entre une et cinq fois le diamètre de col D_c.
10. Dispositif éjecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la chambre d'aspiration (2) comporte des parois dans la direction longitudinale (X) s'étendant radialement dans ladite chambre d'aspiration (2), de telle sorte que le gaz s'écoule dans la chambre d'aspiration (2) avec un écoulement peu turbulent, sans rotation et dont la distribution de vitesses axiales est sensiblement homogène.
11. Dispositif éjecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la buse d'injection (5) comporte des moyens de canalisation du liquide adaptés pour obtenir dans la buse après lesdits moyens de canalisation, un écoulement du liquide peu turbulent, sans rotation et dont la distribution de vitesses axiales est sensiblement homogène.
12. Dispositif éjecteur selon la revendication 11, dans lequel les moyens de canalisation du liquide dans la buse (5) sont choisis parmi :

    - un dispositif ayant des parois s'étendant dans la direction longitudinale (X), et

    - un dispositif ayant des parois s'étendant dans la direction longitudinale (X) et lesdites parois ayant une forme de nid d'abeille, et

    - un dispositif comprenant une paroi dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale (X) et comprenant des trous pour répartir le débit de liquide de manière sensiblement uniforme dans la section transversale de la buse.
13. Utilisation d'un dispositif éjecteur selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel :

    - on mesure la pression d'aspiration du gaz p₁ à l'entrée de gaz (3), la pression d'alimentation de liquide p₂ alimentant la buse d'injection (5), la pression de refoulement p₃ du mélange de gaz et de liquide à l'aval du diffuseur (6), et

    - on règle au moins une desdites pressions pour qu'un paramètre de compression Ψ défini par la formule suivante : $$\mathrm{\Psi }=\frac{{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}}{{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}},$$

    

    
    soit compris entre 0,4 et 0,6.
14. Utilisation d'un dispositif éjecteur selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel :

    - on mesure la pression d'aspiration du gaz p₁ à l'entrée de gaz (3), la pression d'alimentation de liquide p₂ alimentant la buse d'injection (5), la pression de refoulement p₃ du mélange de gaz et de liquide à l'aval du diffuseur (6), et

    - on règle la pression d'alimentation de liquide p₂ à plus ou moins vingt pourcent d'une pression optimale p_2,opt, telle que : $${\mathrm{p}}_{\mathrm{2},\mathrm{opt}}=\mathrm{2.}{\mathrm{p}}_{\mathrm{3}}-{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{.}$$

    

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