EP2416874B1 - Dispositif ejecteur pour former un melange sous pression de liquide et de gaz, et son utilisation - Google Patents
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- EP2416874B1 EP2416874B1 EP10723191.2A EP10723191A EP2416874B1 EP 2416874 B1 EP2416874 B1 EP 2416874B1 EP 10723191 A EP10723191 A EP 10723191A EP 2416874 B1 EP2416874 B1 EP 2416874B1
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- B01F25/3125—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows with Venturi elements; Details thereof characteristics of the Venturi parts
- B01F25/31253—Discharge
- B01F25/312533—Constructional characteristics of the diverging discharge conduit or barrel, e.g. with zones of changing conicity
Definitions
- the present invention relates to an ejector device for forming a pressurized mixture of liquid and gas.
- the document WO-01/34285 describes such an ejector device comprising a suction chamber, a cylindrical tube and a diffuser of conical shape and flaring in a longitudinal direction.
- a nozzle injects a high velocity liquid into the suction chamber, which then sucks gas through an inlet.
- the cylindrical tube is located between the suction chamber and the diffuser, so that the liquid and the gas are mixed in this cylindrical tube before entering the diffuser.
- Such an ejector device makes it possible to obtain compression ratios (see definition below) of the order of 4 to 8.
- a gas having at the inlet a pressure of 2 atm can be compressed to a pressure 16 atm. It is very difficult to go beyond.
- the document DE 1068223 B1 also describes such a device.
- the present invention aims to improve an ejector device of this type, in particular to optimize its energy efficiency and increase the compression ratio.
- the mixture of liquid and gas can be made at different axial positions inside the diffuser, and the ejector device then allows operation over a wide range of compression ratio.
- the energy performance of the ejector device is optimized.
- the longitudinal direction referred to in this description is understood to be the direction indicated by a dashed line X on the figure 1 , and corresponds to the direction of flow in the ejector device 1 between the upstream side located to the left and the downstream side located to the right in this figure.
- the outlet opening 4 therefore forms at the outlet of the suction chamber 2 a narrowing also called neck.
- a first upstream pipe 3a supplies gas to the inlet opening 3 of the suction chamber 2, at a suction pressure p 1 with volume flow Q 1 .
- a second upstream pipe 5a feeds the injection nozzle 5 with liquid at a supply pressure p 2 with a volume flow rate Q 2 .
- This end 5b is placed at a withdrawal distance x 2 from the outlet opening 4 of the suction chamber 2.
- the internal diameter D 2 of the end 5b is optionally smaller than an internal diameter of the nozzle 5, so that said nozzle has at its end 5b a contracted section.
- the injection nozzle 5 optionally comprises liquid channeling means adapted to obtain in the nozzle after said channeling means, a liquid flow little turbulent, without rotation and whose axial velocity distribution is substantially homogeneous, that is, that is, whose axial velocity distribution in a cross-section of the nozzle is substantially constant.
- the jet of liquid produced by the nozzle 5 in the suction chamber 2 then remains substantially cylindrical to the outlet opening 4 of said chamber.
- the liquid jet diverges little in this chamber and does not begin to mix with the gas before the diffuser 6.
- having a jet of liquid diverges helps to form a mixture of liquid and water. gas.
- this arrangement makes it possible to obtain a better mixture of liquid and gas in the diffuser 6 and a better compression ratio of this mixture.
- the means for channeling the liquid in the nozzle 5 may for example be a device having walls extending in the longitudinal direction X, or a device having walls extending in the direction longitudinal X and said walls having a honeycomb shape, or a device comprising a wall in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction X and comprising holes for distributing the liquid flow substantially uniformly in the cross section of the nozzle, or a combination of these devices in the nozzle 5 and arranged one after the other along the longitudinal direction X.
- the channeling means can then be placed in the nozzle at a short distance from its end 5b, for example at a distance of between 10 and 30 times the internal diameter D 2 of the nozzle 5, and preferably equal to 20 times this diameter. .
- the diffuser 6 is mounted in the extension of the outlet opening 4 of the suction chamber.
- This diffuser 6 has along the longitudinal direction X an increasing cross section from said outlet opening 4.
- This diffuser 6 is for example conically shaped, flaring in the direction of the flow, and is also substantially coaxial to the longitudinal axis X. It therefore has an upstream diameter substantially equal to the diameter D c of the outlet opening 4 of the suction chamber 2, and a downstream diameter D 3 greater than the upstream diameter D c .
- the diffuser 6 forms a cone having an angle ⁇ d .
- the angle ⁇ d is defined as the total aperture angle of the cone, and has a low value, at least in a first part of the diffuser 6.
- a downstream pipe 6a outputs the mixture of liquid and gas at the discharge pressure p 3 .
- the ejector device 1 of the invention has a diffuser 6 located immediately at the outlet of the suction chamber 2, that is to say without interposition of a cylindrical tube for mixing liquid and gas, so that the mixture occurs directly in the diffuser 6.
- the inventors have found that such an arrangement allowed the ejector device 1 to operate over a wide range of compression ratio ⁇ c .
- the ejector device 1 operates as follows.
- the suction chamber 2 optionally comprises from said distance from the longitudinal axis X radially and longitudinally extending walls, so that the liquid jet does not come into contact with said walls and that the gas contained in this suction chamber 2 is driven with a low turbulent flow, without rotation and whose axial velocity distribution is substantially homogeneous towards the outlet opening 4 of the suction chamber 2.
- the flow comprises along the X axis, a first, a second and a third zone.
- the first zone of the flow the two coaxial phases flow relatively independently.
- the mixing zone the flow changes its structure rather suddenly and becomes a mixture of the liquid and the gas, which is more and more homogeneous. This change in the structure of the flow is accompanied by a fairly sudden slowing down of the liquid phase and an increase in pressure.
- the third flow zone the two phases flow in the form of a finely mixed emulsion. In this third zone, the flow gradually slows under the effect of the section increase of the diffuser. The kinetic energy of the mixture is then converted into pressure energy.
- first, second and third zones of the flow are not separated by clear and sharp transitions, the phenomena being continuous.
- these zones of the flow can move longitudinally in the diffuser 6, in particular by the effect of variations in the discharge pressure p 3 downstream of the diffuser 6.
- the operation of the ejector device is undisturbed, which shows that such a device is stable and tolerant of variations in operating parameters.
- the amount of movement of the liquid jet at the inlet of the diffuser 6 is converted into pressure forces applied on either side of the mixing zone. If one makes an analogy with the compressible flows, this conversion can be seen as a shock. If one makes an analogy with the free surface flows, this conversion can be seen as a hydraulic jump.
- the diffuser 6 of conical shape has a low angle ⁇ d , but not zero.
- a conical diffuser 6 with an angle ⁇ d higher, for example greater than 10 degrees, does not cause a hydraulic shock as effective and does not achieve such high compression rates.
- angle ⁇ d, opt for which the compression ratio is maximum, for a given injection speed U 2 .
- This optimum angle is within a range of values of angle ⁇ d of between 0.1 and 7 degrees, and preferably between 1.5 and 4 degrees.
- the value of the optimum angle ⁇ d, opt is difficult to determine by calculation a priori.
- the diffuser 6 comprises along the axis X a first conical portion with a first angle ⁇ d , then a second conical portion with a second angle.
- the second portion is continuously in the extension of the first portion.
- the second angle is greater than the first angle.
- the second angle may be between 5 and 15 degrees, and preferably of the order of 7 degrees.
- the first portion is intended to accommodate the mixing zone, which must operate under a small angle of divergence to maximize the compression ratio.
- the second portion provides the final pressure recovery by conversion of the kinetic energy of the mixture. This energy conversion can take place at a higher angle of divergence, for example of the order of 10 °, without generating a significant loss of load.
- a high compression ratio ⁇ c is obtained at the same time by the first portion with a small divergence angle and a total length of the shortened diffuser 6.
- the diffuser 6 has a flared shape with a first portion of conical shape with a small first angle, then in continuity a shape having a convex profile.
- the second convex portion has a gradually increasing angle along the longitudinal direction X from the first angle to an angle, for example less than 15 degrees, and preferably of the order of 10 degrees. The overall length of the diffuser 6 can thus be further shortened without affecting the compression ratio.
- the diffuser 6 has a flared shape with a shape having a convex profile, said convex profile having a gradually increasing angle along the longitudinal direction X from a first angle ⁇ d to a angle, for example less than 15 degrees, and preferably of the order of 10 degrees.
- the overall length of the diffuser 6 can thus be further shortened.
- the first angle ⁇ d of the preceding variants advantageously has a value in the range of 0.1 ° to 7 °, as indicated above.
- the efficiency ⁇ of the ejector device 1 is the ratio between the compression power P c in the ejector device 1 and the hydraulic power P h provided.
- the efficiency ⁇ of an ejector device 1 can therefore be measured on experimental devices, or be calculated by a mathematical model of hydraulic flow.
- the efficiency ⁇ is related to this geometric ratio R of the ejector device 1.
- the efficiency ⁇ is maximum for a geometric ratio R of between 0.5 and 0.9, or more precisely between 0, 6 and 0.8. This trend has been confirmed by experimental results.
- a first advantage of this compression parameter ⁇ is that it can be calculated only with the pressure values, measurable on an experimental ejector device.
- the efficiency ⁇ is related to the value of this compression parameter ⁇ of the ejector device 1.
- the curves of FIG. figure 4 show this dependence for several values of the driving pressure parameter ⁇ .
- the efficiency ⁇ is then maximum for a compression parameter ⁇ in the range of 0.4 to 0.6, or preferably equal to approximately 0.5.
- a second advantage of this compression parameter ⁇ is that, conversely, it can make it possible to determine the liquid supply pressure p 2 adapted to obtain the optimum efficiency ⁇ opt of the ejector device 1.
- the ejector device 1 can then be used in a gas compressor 10 as presented in FIG. figure 5 .
- the supply circuit 17 then supplies the ejector device 1 of the gas compressor 10 with liquid.
- the separator device 13 is either a gravity separator or a cyclonic separator.
- a bypass circuit 14a bypasses the heat exchanger 15 of the return circuit 14 and includes a valve 14b.
- This branch circuit 14a is adapted to adjust the temperature of the hydraulic circuit.
- the heat exchanger 15 is also fed with a cold fluid, for example water, by a cooling circuit 15a and a pump 15b.
- a cold fluid for example water
- the gas compressor 10 operates as follows.
- the ejector device 1 mixes the gas with a liquid injected at high speed, and compresses this mixture of gas and liquid at a high pressure.
- the mixture is separated in the separator device 13, which then supplies at the gas outlet 12 a high pressure gas, and the return circuit 14 also a high pressure liquid.
- the heat exchanger 15 makes it possible to extract heat from the liquid.
- the pump 16 increases the pressure of the liquid before supplying the supply circuit 17 and the ejector device 1.
- the ejector device 1 comprises an injection nozzle adapted to inject at high speed said liquid into its suction chamber.
- the injection nozzle of the ejector device 1 performs a relaxation of the liquid (transformation of the pressure energy of the liquid into kinetic energy).
- the diffuser of the ejection device 1 performs mixing and compression of the mixture.
- the pump 16 completes the compression of the liquid to reach the inlet supply pressure of the nozzle of the ejector device.
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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 - 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 ;
- 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 Sc 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 Sc, 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 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 :
- 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 p2,opt, telle que :
- 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 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 τe (voir définition plus loin) en fonction du taux de compression τc (voir définition plus loin) pour différentes valeurs de la pression d'aspiration p1 du gaz, dans le dispositif éjecteur de lafigure 1 , - la
figure 3 est un graphique montrant le rendement théorique du dispositif éjecteur (voir définition plus loin) de lafigure 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 lafigure 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 lafigure 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 Dc. Elle présente une surface de col Sc, Sc=π.Dc 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 Dc de l'ouverture de sortie 4 de la chambre d'aspiration 2, et un diamètre aval D3 supérieur au diamètre amont Dc. Le diffuseur 6 forme un cône ayant un angle αd. L'angle αd 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 τc.
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- 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 τe est lié au taux de compression τc. 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 αd faible, mais non nul. Un diffuseur 6 conique avec un angle αd 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 αd,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 αd comprise entre 0,1 et 7 degrés, et de préférence entre 1,5 et 4 degrés. La valeur de l'angle optimum αd,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 αd, 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 τc 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 αd 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 αd 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 Pc dans le dispositif éjecteur 1 et à la puissance hydraulique Ph fournie.
-
- Lorsqu'une pompe aspire le liquide au niveau du séparateur situé au refoulement du dispositif éjecteur 1, la puissance hydraulique fournie Ph 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 :
d'où le rendement η suivant :
que l'on peut écrire en fonction des paramètres adimensionnels définis précédemment : - 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.
-
- 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 Dc de l'ouverture de sortie 4 du dispositif éjecteur 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.
-
- 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 ηopt du dispositif éjecteur 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.
dans lequel le dispositif séparateur de gaz comporte deux sorties, l'une pour le gaz et l'autre pour le liquide.
Claims (14)
- 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. - Dispositif éjecteur selon la revendication 1, dans lequel le premier angle est compris entre 1,5 et 4 degrés.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Dispositif éjecteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel :- l'ouverture de sortie (4) a une surface de col Sc 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 Sc, ledit rapport géométrique R étant compris entre 0,5 et 0,9.
- 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 Dc, 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 Dc.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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
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