FR3002658A1 - Dispositif d'equilibrage de debit de fluide, et installation de collecte et transport des gaz de cuves d'electrolyse le comportant - Google Patents

Abstract

Le dispositif d'équilibrage de débit (7) comprend un organe d'équilibrage (8) mobile dans le tronçon de gaine (3c) qui le reçoit, et qu'il obstrue partiellement, ainsi qu'un mécanisme de rappel (11) de l'organe d'équilibrage (8) vers une première position dans laquelle il délimite une première section de passage d'écoulement fluidique (G), et à l'encontre duquel des forces dynamiques exercées par l'écoulement fluidique (G) sur l'organe d'équilibrage (8) tendent à déplacer ce dernier vers une seconde position, dans laquelle cet organe (8) délimite une second section de passage qui est inférieure à la première section de passage, jusqu'à atteindre une position d'équilibre, et ainsi produire une perte de pression spécifique de la gaine au niveau de l'organe d'équilibrage (8).

Description

DISPOSITIF D'EQUILIBRAGE DE DEBIT DE FLUIDE, ET INSTALLATION DE COLLECTE ET TRANSPORT DES GAZ DE CUVES D'ELECTROLYSE LE COMPORTANT Contexte industriel L'invention concerne un dispositif d'équilibrage de débit de fluide entre une pluralité de gaines parcourues en parallèle par des écoulements fluidiques, de sorte à conserver des débits de fluide sensiblement identiques d'une gaine à l'autre ou un rapport de débits sensiblement identique entre les gaines, selon que les gaines ont, ou non, des sections de passage nominales identiques ou différentes.

Bien que les écoulements fluidiques puissent être des écoulements de liquides, l'invention est plus particulièrement décrite ci-après dans le cadre d'écoulement gazeux pour lesquels l'invention permet des applications particulièrement intéressantes pour le déposant. En effet, l'invention s'applique avantageusement à une installation pour la collecte et le transport des gaz aspirés d'une pluralité de cuves d'électrolyse, dans le domaine de l'industrie de l'aluminium, en vue du traitement desdits gaz dans un centre de traitement des gaz assurant l'épuration desdits gaz chauds et chargés d'impuretés avant le rejet des gaz épurés à l'atmosphère.

Il est connu que le processus de transformation de l'alumine en aluminium dans des cuves d'électrolyse génère des gaz toxiques et/ou chargés en poussières qu'il faut épurer, certains constituants récupérés lors de l'épuration devant en outre être recyclés, afin de ne pas polluer l'atmosphère. Pour ce faire, il est connu usuellement, notamment des documents de brevet EP-1845175 et WC-2008/074386, une installation telle que schématiquement représentée en plan sur la figure 1 annexée, comprenant un centre de traitement des gaz 1, des collecteurs 2, dont l'un est schématiquement représenté sur la figure 2 annexée, alimentant le centre de traitement des gaz 1, une pluralité de gaines 3 alimentant en parallèle chaque collecteur 2 et présentant chacune une extrémité amont 3a destinée à capter les gaz respectivement d'une des cuves d'électrolyse (non représentées), un dispositif d'aspiration des gaz, tel qu'un ou plusieurs ventilateurs, disposé dans le centre de traitement des gaz 1, adapté pour faire circuler les gaz des gaines 3 vers le centre de traitement des gaz 1, et des dispositifs d'ajustement des pertes de charge, ou d'équilibrage des débits, disposés chacun dans l'une respectivement des gaines 3, les gaines 3 délimitant une cavité interne présentant une section de passage nominale pouvant être identique pour un certain nombre de gaines 3. Chaque collecteur 2 récupère successivement, de son extrémité amont 2a à son extrémité aval 2b, les gaz de plusieurs cuves, par exemple une vingtaine de cuves. L'installation de la figure 1 comprend ainsi huit collecteurs 2 et est agencée en deux sous-ensembles 4a et 4b de quatre collecteurs 2 chacun, et dans chacun desquels deux collecteurs 2 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à l'une respectivement des deux extrémités d'une conduite de liaison 5a ou 5b respective, dans laquelle les deux collecteurs 2 débouchent par leur extrémité aval 2b, en étant symétriques des deux autres collecteurs 2 du même sous-ensemble 4a ou 4b, débouchant par leur extrémité aval dans l'autre extrémité de la conduite de liaison 5a ou 5b, par rapport à une extrémité amont d'une première ou d'une seconde conduite d'aspiration 6a ou 6b, qui sont toutes deux reliées au centre de traitement des gaz 1 par leur extrémité aval, et qui reçoivent dans leur extrémité amont les gaz collectés dans les quatre collecteurs 2 du sous-ensemble 4a ou 4b correspondant.

Pour que le débit d'aspiration par cuve soit sensiblement le même sur l'ensemble des cuves, il est nécessaire de compenser, avec les dispositifs d'ajustement, les différences de pertes de charge dans le collecteur 2, et d'un collecteur 2 à l'autre, afin que l'aspiration des gaz soit sensiblement la même dans les différentes cuves. Etat de la technique L'équilibrage des débits de gaz d'un réseau de gaines ayant plusieurs points d'aspiration est généralement assuré par des dispositifs obstruant chacun une partie seulement de l'une respective des gaines, afin de créer la perte de charge souhaitée. Dans l'industrie de l'aluminium, ces dispositifs peuvent être des diaphragmes situés dans les gaines placées chacune en sortie d'une cuve respective. Cet agencement est évoqué dans les documents de 20 brevets EP 2431499A1, en référence à la figure 3a et au paragraphe [0047], et WO 2007116320A2, en référence aux figures 7A et 7B et de la page 11 lignes 25 à la page 12 ligne 16. Ces dispositifs présentent des défauts : 25 - il est nécessaire de dimensionner ou d'ajuster différemment un diaphragme pour chaque cuve ; - le dimensionnement ou l'ajustement desdits diaphragmes est complexe et peut comporter des erreurs de calculs impliquant une modification de 30 l'ensemble des diaphragmes; et ces dispositifs ne s'adaptent pas d'eux-mêmes à une modification des conditions de fonctionnement des cuves d'électrolyse, en particulier lorsqu'une cuve est ouverte lors d'opérations telles que changements 35 d'anodes ou prélèvements d'aluminium liquide, lorsque des cuves sont à des températures différentes, ou lors d'une modification du réseau....

Un autre système d'équilibrage, déjà utilisé couramment pour l'équilibrage des filtres, est évoqué dans le document de brevet EP 2248605A1. Il s'agit d'un dispositif asservi, généralement un ventilateur ou un 5 éjecteur d'air comprimé, positionné en sortie de cuve et dont respectivement la vitesse de rotation ou le débit d'air comprimé est ajusté(e) par un capteur de mesure (pression ou température) positionné en amont, créant ainsi la perte de charge nécessaire. Ce système permet un 10 équilibrage automatique des débits d'aspiration, et ce malgré des modifications des conditions de fonctionnement des cuves d'électrolyse, mais n'est pas viable économiquement car : - ce dispositif nécessite une vanne avec un actionneur 15 ou un ventilateur d'aspiration supplémentaire avec variateur de vitesse de rotation, ainsi qu'un capteur en amont et un automate pour chaque cuve, - ces éléments doivent être alimentés en électricité, d'où la nécessité de câblages, et en air comprimé, 20 suivant le type d'actionneur et en présence d'un éjecteur d'air comprimé, et - il est nécessaire d'assurer une maintenance de l'ensemble de ces appareils. Ce dispositif, viable techniquement, est très onéreux. 25 Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients des dispositifs d'équilibrage de l'état de la technique. Description de l'invention : 30 A cet effet, l'invention propose un dispositif d'équilibrage de débit de fluide, destiné à être placé dans une gaine d'une pluralité de gaines destinées à être parcourues en parallèle par des écoulements fluidiques, et dans lesquelles on vise à conserver des débits de 35 fluide sensiblement identiques, ou un rapport de débits sensiblement identique entre les gaines, le dispositif comprenant un organe d'équilibrage mobile dans la gaine qui le reçoit, et venant obstruer partiellement la section interne de ladite gaine, et se caractérise en ce qu'il comprend de plus un mécanisme de rappel de l'organe d'équilibrage vers une première position, dans laquelle l'organe d'équilibrage délimite une première section de passage de tout écoulement fluidique dans la gaine, et à l'encontre duquel des forces dynamiques exercées par l'écoulement fluidique sur ledit organe d'équilibrage tendent à déplacer ledit organe de la première position vers une seconde position, dans laquelle ledit organe délimite une seconde section de passage de l'écoulement fluidique dans la gaine qui est inférieure à la première section de passage, jusqu'à atteindre une position d'équilibre. Ainsi la section de passage du fluide entraîne la production d'une perte de pression spécifique de la gaine au niveau de l'organe d'équilibrage. Cette perte de pression conduit ainsi à un équilibre de pression entre les gaines en aval de chaque dispositif. Dans un mode de réalisation, la gaine a une section variable et l'organe d'équilibrage se déplace sensiblement en translation, sous les effets antagonistes des forces dynamiques de l'écoulement fluidique et du mécanisme de rappel, jusqu'à une position d'équilibre.

Dans un autre mode de réalisation, dans lequel la gaine a, de préférence, une section constante, l'organe d'équilibrage est un volet monté pivotant dans la gaine sur un axe de rotation transversal à la gaine, et de préférence horizontal, traversant la gaine dans la moitié inférieure de sa section, et solidaire en rotation d'un bord aval du volet, par rapport au sens de l'écoulement fluidique dans la gaine. Dans les deux modes de réalisation présentés ci-dessus, le mécanisme de rappel peut comprendre, avantageusement, au moins un organe élastiquement déformable, tel qu'un ressort, sollicité en compression ou en traction, dans une première variante, ou un lien élastique sollicité en traction, dans une seconde variante, par l'organe d'équilibrage soumis aux forces dynamiques de l'écoulement fluidique.

Dans ce cas, ledit au moins un organe élastiquement déformable relie au moins un point d'ancrage à l'organe d'équilibrage à au moins un point d'ancrage à la gaine et interne à cette gaine.

Dans une autre variante du second mode de réalisation présenté ci-dessus, le mécanisme de rappel comprend au moins un balancier extérieur à la gaine et solidaire en rotation de l'axe par rapport auquel le balancier est incliné, de préférence perpendiculaire à l'axe, le balancier supportant un contrepoids, ou étant sollicité par au moins un organe élastiquement déformable qui tend à rappeler l'organe d'équilibrage vers ladite première position. Dans ce dernier cas, l'organe élastiquement déformable, tel qu'un ressort sollicité en compression ou en traction, ou un lien élastique sollicité en traction, est avantageusement disposé à l'extérieur de la gaine, et se trouve donc à l'abri de l'écoulement fluidique dans la gaine, lequel, s'il s'agit d'un écoulement gazeux provenant de cuves d'électrolyse d'aluminium, est un écoulement composé de gaz très chauds et poussiéreux, et donc particulièrement abrasifs. Dans cette variante, il est à noter que l'organe élastiquement déformable peut être également un ressort 30 de torsion sollicitant l'axe, tel qu'un ressort spiral. Lorsque l'organe d'équilibrage est un volet pivotant, il est avantageux que le dispositif soit agencé de sorte que, sans débit de fluide dans la gaine, le volet 35 présente une inclinaison positive par rapport à la direction d'un écoulement fluidique dans la gaine, ce qui est particulièrement indiqué dans le cas d'écoulements gazeux, qui développent ainsi sur le volet des forces aérodynamiques commandant le pivotement du volet, du fait que la position initiale du volet par rapport à l'écoulement gazeux correspond à une incidence positive favorable au développement d'une force de portance sur le volet. Dans ce dernier cas, l'inclinaison positive du volet est avantageusement assurée par la venue dudit volet, ou d'un élément solidaire en rotation du volet et de l'axe, en 10 appui contre une butée de préférence externe à la gaine. Dans la variante dans laquelle le mécanisme de rappel comprend au moins un balancier équipé d'un contrepoids, la longueur du bras de levier du balancier peut être 15 avantageusement modifiée par déplacement du contrepoids le long du bras. L'invention a aussi pour objet une installation pour la collecte et le transport des gaz aspirés d'une pluralité 20 de cuves d'électrolyse de l'aluminium, comprenant un centre de traitement des gaz, des collecteurs alimentant le centre de traitement des gaz, une pluralité de gaines parcourues en parallèle par des écoulements de gaz provenant de cuves d'électrolyse, et alimentant chaque 25 collecteur, chaque gaine présentant une extrémité amont destinée à recevoir les gaz d'une cuve d'électrolyse respective, un dispositif d'aspiration des gaz associé audit centre de traitement des gaz pour faire circuler les gaz des gaines vers le centre de traitement des gaz, 30 et des dispositifs d'équilibrage disposés respectivement dans chacune des gaines, sauf, éventuellement, la gaine alimentant la plus en amont chaque collecteur, l'installation étant avantageusement telle que chaque dispositif d'équilibrage est conforme à l'invention et 35 tel que présenté ci-dessus, et produit, dans la gaine qui le reçoit, une perte de pression spécifique au niveau de l'organe d'équilibrage correspondant, qui conduit sensiblement un équilibre de pression entre lesdites gaines en aval des dispositifs d'équilibrage, de sorte à conserver des débits de fluides sensiblement identiques ou un rapport de débits sensiblement identique entre les gaines. Dans une telle installation, le dispositif d'équilibrage 10 selon l'invention présente l'avantage considérable de s'adapter automatiquement aux conditions de fonctionnement des cuves d'électrolyse, et ce, sans actionneur ni capteur, d'où peu de maintenance. 15 Présentation des dessins : D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-dessous, à titre non limitatif, de plusieurs exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels : 20 - la figure 1 représente schématiquement en plan le réseau d'aspiration d'un centre de traitement des gaz de cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium, ce réseau d'aspiration étant constitué de 8 collecteurs en 25 forme de double H, de deux conduites de liaison, de deux conduites d'aspiration, et d'un ensemble de gaines afin de ramener les gaz vers le centre de traitement, comme décrit ci-dessus au titre de l'état de la technique ; - la figure 2 représente l'un des collecteurs de gaz de 30 cuves d'électrolyse du réseau de la figure 1, ce collecteur comportant 21 gaines de sortie de cuves dans lesquelles sont positionnés des dispositifs d'équilibrage, comme également décrit ci-dessus au titre de l'état de la technique ; 35 - la figure 3 représente schématiquement en perspective un dispositif d'équilibrage selon l'invention, du type à balancier externe avec contrepoids, solidaire en rotation d'un volet dans la gaine ; - la figure 4 représente un bilan des efforts sollicitant le volet pivotant d'un dispositif d'équilibrage selon la 5 figure 3 ; - les figures 5, 6 et 7 représentent schématiquement, en coupe verticale et élévation latérale, trois variantes d'un dispositif d'équilibrage selon l'invention, du type à balancier externe solidaire en rotation d'un volet dans 10 la gaine, et rappelé par un lien élastique sollicité en traction ou un ressort sollicité en compression ou traction ; - les figures 8 et 9 représentent deux variantes d'un dispositif selon l'invention à volet pivotant rappelé par 15 ressort sollicité en compression ou par lien élastique sollicité en traction ; - les figures 10 et 11 représentent deux variantes d'un dispositif selon l'invention avec organe d'équilibrage en forme de plaque sensiblement translatée dans une gaine de 20 section variable et rappelée par un ressort sollicité en compression ou un lien élastique sollicité en traction; - la figure 12 est un diagramme comparatif exprimant les débits volumiques dans quatre gaines correspondant à quatre points d'aspiration numérotées 1 à 4 d'une 25 maquette de collecteur 2 à quatre cuves, et mesurés avec et sans volet pivotant dans chaque gaine pour un même débit total aspiré ; et - la figure 13 est un graphique exprimant le coefficient de perte de charge k en fonction du rapport A/AO de la 30 section obstruée (A) perpendiculairement à l'écoulement de gaz à la section (A0) transversale de la gaine. 35 Description des figures Comme représenté sur la figure 3, le dispositif d'équilibrage 7 comprend un tronçon de gaine 3c, constitué d'une virole en tôle métallique, de forme et d'aire de section transversale qui sont égales à la forme et à l'aire de section transversale de la gaine 3, entre les extrémités amont 3a et aval 3b de laquelle le tronçon de gaine 3c est destiné à être intégré. Dans cet exemple, le tronçon de gaine 3c est de forme cylindrique de section circulaire, autour de son axe longitudinal et central XX, confondu avec l'axe longitudinal et central de la gaine 3 lorsque le tronçon de gaine 3c est intégré dans la gaine 3 correspondante.

Dans ce tronçon de gaine 3c, un organe d'équilibrage, réalisé sous la forme d'un volet 8, est solidaire en rotation d'un axe 9 transversal au tronçon de gaine 3c, et qui s'étend perpendiculairement à l'axe longitudinal et central XX du tronçon de gaine 3c, et l'axe 9 est monté pivotant sur lui-même par rapport au tronçon de gaine 3c. Une extrémité 10 au moins de l'axe 9 fait saillie à l'extérieur du tronçon de gaine 3c, et un balancier 11, extérieur au tronçon de gaine 3c, est solidaire en rotation de cette extrémité 10 de l'axe 9 par une extrémité d'un bras 12 du balancier 11. La partie d'extrémité opposée du bras 12 supporte un contrepoids 13, dont la position, le long de cette partie d'extrémité du bras 12, peut être réglée et fixée par un mécanisme à vis radiale 15. Ainsi, l'ensemble constitué de l'organe d'équilibrage, c'est-à-dire le volet 8, de l'axe 9 et du balancier 11, avec son bras 12 et son contrepoids 13, est monté 35 pivotant par l'axe 9 par rapport au tronçon de gaine 3c. Dans cet exemple, le volet 8 est une plaque métallique sensiblement plane et carrée, solidarisée le long d'un de ses côtés à l'axe 9, qui est horizontal et non diamétral, mais qui traverse le tronçon de gaine 3c dans la moitié inférieure de ce dernier, pour une raison indiquée ci-après. Le bras 12 du balancier 11 est fixé perpendiculairement à l'axe 9 sur l'extrémité 10 de ce dernier, de sorte que le volet 8 occupe dans le tronçon de gaine 3c une position perpendiculaire à l'axe central XX de ce tronçon 3c, c'est-à-dire quand le volet 8 est sensiblement vertical si l'axe XX est sensiblement horizontal, ce qui est généralement le cas, ce bras 12 s'étend vers l'amont du tronçon 3c par rapport au sens d'écoulement des flux gazeux qui traversent le tronçon 3c dans la gaine 3 correspondante, en service.

Ainsi, sous l'effet du contrepoids 13, le balancier 11 tend à faire pivoter l'axe 9 et le volet 8, qui est solidaire de l'axe 9 le long de son côté inférieur, dans un sens qui fait basculer le volet 8 vers l'amont, vers l'arrivée d'un écoulement gazeux dans le tronçon de gaine 3c, jusqu'à ce que le balancier 11 soit dirigé verticalement vers le bas, et donc le volet 8 horizontalement et vers l'amont. Une butée 14, montée à l'extérieur du tronçon de gaine 3c, dans la trajectoire descendante du bras 12, permet de limiter le pivotement vers le bas du balancier 11, et donc de limiter le pivotement vers l'amont du volet 8, de sorte que ce volet 8 soit incliné d'un angle positif supérieur à 0° et par exemple inférieur à 10°, dans une position de repos dans laquelle le volet 8 est rappelé par le balancier 11.

A cet effet, la butée 14 est avantageusement montée réglable en hauteur sur un support externe au tronçon de gaine 3c et non représenté. Cette position de repos du volet 8 est une position de plus grande section de passage dans le tronçon de gaine 3c. A partir de la position de repos, du fait de l'angle positif du volet 8 par rapport à la direction de tout écoulement gazeux dans le tronçon de gaine 3c, ou, en d'autres termes, du fait de l'angle d'attaque ou de l'incidence de l'écoulement gazeux sur le volet 8 faiblement incliné sur l'horizontale, un écoulement gazeux traversant le tronçon de gaine 3c produit, sur le volet 8, des forces aérodynamiques qui font pivoter le volet 8, contre le rappel du balancier 11, et relèvent le volet 8 dans le sens de l'écoulement, vers la position de plus faible section de passage dans le tronçon de gaine 3c, correspondant à la position dans laquelle le volet 8 est vertical, position dans laquelle l'obstruction du tronçon de gaine 3c n'est pas totale, puisque le volet 8 carré pivote dans le tronçon de gaine 3c cylindrique de section circulaire, ce qui laisse subsister des passages entre les côtés du volet 8 et la face interne en regard du tronçon de gaine 3c. L'obstruction de la section du tronçon de gaine 3c par le volet 8 n'est donc toujours que partielle, et de sorte que la section de passage de l'écoulement gazeux G dans le tronçon de gaine 3c est variable d'une grande section de passage, quand le volet 8 est faiblement incliné sur l'horizontale et le balancier 12 en appui sur la butée 14, à une petite section de passage quand le volet 8 est sensiblement vertical et le balancier 12 revenu presque à l'horizontale, sous la poussée exercée sur le volet 8 par l'écoulement gazeux G. L'amplitude de la variation de section de passage entre ces deux valeurs limites est grande du fait que l'axe 9 avec lequel le volet 8 carré pivote par son côté inférieur ou aval dans le tronçon de gaine 3c n'est pas diamétral, mais traverse la moitié inférieure de la section du tronçon de gaine 3c, ce qui permet d'optimiser la dimension du volet 8 carré en fonction du diamètre du tronçon de gaine 3c.

A partir d'un débit nul, plus le débit de l'écoulement gazeux G augmente, plus la vitesse V de l'écoulement gazeux G augmente, et plus le volet 8 pivote et se redresse, à l'encontre de la force de rappel due au balancier 11 à contrepoids 13, jusqu'à atteindre une position d'équilibre instantanée entre les forces aérodynamiques exercées sur le volet 8 et le rappel antagoniste exercé par le balancier 11 à contrepoids 13. 5 Lorsque le volet 8 pivote et se redresse, sous l'action des forces aérodynamiques de l'écoulement gazeux G, la section du tronçon de gaine 3c qui est obstruée par le volet 8 augmente alors, créant ainsi une perte de charge qui augmente corrélativement, et qui est maximale lorsque 10 le volet 8 atteint la position verticale, perpendiculaire à l'axe XX du tronçon de gaine 3c. Par sécurité, afin d'éviter tout basculement du volet 8 au-delà de cette position verticale dans le tronçon de 15 gaine 3c, une petite butée peut être ménagée à l'intérieur de ce tronçon 3c, et, de même, la butée 14 externe au tronçon de gaine 3c pourrait être remplacée par une butée interne à ce dernier et limitant les pivotements du volet 8. Mais une telle butée interne 20 aurait pour inconvénient de perturber l'écoulement gazeux G, d'une part, et, d'autre part, d'être plus difficile à régler en position. L'ouverture/fermeture du tronçon de gaine 3c par 25 pivotement du volet 8, et la perte de charge ainsi créée, dépendent donc directement du débit. Le dispositif d'équilibrage 7 est donc autorégulé. Le dimensionnement du dispositif est réalisé à l'aide de contrepoids 13 compensant les efforts appliqués sur le volet 8. Les 30 formes des volets 8 et tronçon de gaines 3c peuvent être diverses. Le dispositif d'équilibrage 7 selon l'invention s'adapte ainsi automatiquement aux conditions de fonctionnement 35 des cuves d'électrolyse, et ce sans actionneur ni capteur et en ne requérant que peu de maintenance, le balancier 11 externe au tronçon 3c étant à l'abri des gaz chauds et abrasifs qui circulent dans le tronçon 3c en service.

Des essais ont été réalisés dans un laboratoire sur une maquette de collecteur de 4 cuves collectant en parallèle les écoulements gazeux provenant des 4 cuves 5 respectivement par 4 gaines 3 disposées côte à côte et dans chacune desquelles un dispositif d'équilibrage 7 tel décrit ci-dessus a été installé, afin de déterminer paramètres permettant de stabiliser le dispositif et de le rendre opérationnel. Un bilan des moments s'appliquant sur le dispositif d'équilibrage 7 a été effectué afin de corréler les essais aux équations, comme décrit à présent en référence à la figure 4. Le bilan des moments est donné par la formule suivante : Dsin Oxc/+Lcos Oxc / -P cos Oxc / +T xO -P2 sin Ox / = 0, 2 2 1 2 20 où L et D sont respectivement les forces aérodynamiques de portance et de traînée qui dépendent des coefficients de portance et de traînée C1. et CD suivant les formules : L = 12pV2S(0)CL (0), et 25 2 pV 2 s (0)CD (0), avec S(0) indiquant le maître couple du volet 8, c'est-à-dire la surface de la plaque de ce volet 8 qui est vue 30 par l'écoulement gazeux G de vitesse V, et où a est le côté de la plaque carrée du volet 8, 0 est l'angle d'incidence de la plaque du volet 8 par rapport à la direction de l'écoulement gazeux G, / est la longueur du balancier 11, P2 est le poids du contrepoids 13 (le poids 35 du bras 12 étant considéré comme négligeable par rapport que les 10 15 au poids du contrepoids 13), P1 est le poids du volet 8, appliqué à son centre de gravité, c'est-à-dire à une distance c/ de l'axe 9, et T est la réaction du support 2 c'est-à-dire la force exercée par le tronçon de gaine 3c 5 sur l'ensemble de l'organe d'équilibrage (le volet 8 et l'axe 9). A partir des données d'entrée que sont le débit, la température et la pression du fluide (en l'occurrence un 10 mélange gazeux G) et la section de la gaine 3 dans laquelle est intégré le tronçon de gaine 3c, on calcule la perte de charge maximum à créer par le dispositif d'équilibrage 7, par un calcul de dynamique des fluides assisté par ordinateur dit CFD (acronyme de l'expression 15 anglo-saxonne : Computationnal Fluid Dynamics) ou à l'aide d'abaques. Elle est déterminée en fonction de la perte de charge maximale à créer et des dimensions du collecteur. 20 On en déduit le coefficient de perte de charge (k) permettant d'obtenir la perte de charge maximale : grâce à des abaques ou des résultats d'essais, il est possible, à partir du coefficient de perte de charge (k), de calculer le rapport de la section obstruée (A) 25 perpendiculaire à l'écoulement G sur la section de la gaine 3 ou du tronçon de gaine 3c (A0), comme représenté en figure 13, exprimant le coefficient de perte de charge (k) en fonction du rapport A/Ao, variant entre 0 et 0,6 environ. 30 Connaissant la section (A) de la plaque carrée du volet 8, on en déduit le côté (a). En considérant que la position extrême de l'organe 35 d'équilibrage, c'est-à-dire le volet 8, est perpendiculaire à l'écoulement, la force de portance (L) est nulle et le maître couple du volet 8 devient (A).

Donc lorsque l'angle 0 vaut 90° et en négligeant le poids P1 du volet 8 devant celui P2 du contrepoids 13, le bilan des moments devient : D x a2 -P2 -P x 1 = 0 Les paramètres des coefficients de traînée CD et de portance CI, peuvent être déterminés expérimentalement par le biais d'un capteur d'efforts de type balance aérodynamique. En pratique, la force de traînée maximale, lorsque la plaque du volet 8 est à la verticale, est déterminée directement par un calcul de dynamique des fluides assisté par ordinateur dit CFD, en respectant les tailles des plaques des volets 8 et les diamètres des gaines 3. Connaissant la force de traînée D, on calcule le produit P2 x 1 = D x a2' Le balancier 11 à bras 12 de levier et contrepoids 13 est déterminé en fixant l'un des deux paramètres P2 ou 1. Un essai a été réalisé avec les données suivantes : - P2 =0.205kg*9.81m/s2=2.01N où 0.205kg est la masse du contrepoids 13 ; - 1 = 255mm, entre l'axe 9 et le centre de gravité du contrepoids 13 ; - a = 80mm, de sorte que la plaque du volet 8 a une surface carré de 80x80mm2; et - le diamètre des gaines et du tronçon de gaine 3c est de 150mm. Afin de constater l'effet des dispositifs d'équilibrage 35 7, les mesures ont été réalisées avec et sans volet 8 pour un même débit total aspiré, ce qui a conduit aux résultats représentés sur la figure 12, sur laquelle les numéros 1 à 4 en abscisses sont les numéros de points d'aspiration correspondant chacun à l'une respectivement des 4 gaines côte à côte débouchant en parallèle dans la maquette de collecteur précitée, les débits volumiques étant représentés en ordonnées, sans dispositif d'équilibrage par la colonne de droite à chaque point d'aspiration, et avec dispositif d'équilibrage par la colonne de gauche correspondante.

Ces résultats montrent un réarrangement et un certain équilibrage des débits grâce aux dispositifs d'équilibrage 7. Les points d'aspiration 1 à 3 ont des débits volumiques très proches les uns des autres à +/5%, les colonnes de gauche pour ces 3 points d'aspiration 1 à 3 ont sensiblement la même hauteur. Le point d'aspiration 4 a, en revanche, un débit inférieur. Cela est dû au fait que la perte de charge des quatre gaines est trop importante pour le ventilateur assurant l'aspiration dans le collecteur, et on constate que le volet 8 dans la gaine 3 du point d'aspiration n°4 n'est d'ailleurs pas sollicité. On comprend que, si une installation pour la collecte et le transport des gaz aspirés d'une pluralité de cuves d'électrolyse de l'aluminium, telle que décrite ci-dessus en référence à la figure 1 et avec des collecteurs tels que décrit ci-dessus en référence à la figure 2, est équipée au niveau de chacune de ses gaines 3, d'un dispositif d'équilibrage 7 selon la figure 3, et si le débit est modifié sur l'une des cuves, par exemple en cas de suraspiration nécessaire en raison d'une intervention sur cette cuve (ouverture de capot ou d'une porte), les dispositifs d'équilibrage 7 s'ajustent automatiquement dans les gaines des autres cuves reliées au collecteur correspondant, afin de rééquilibrer le reste du réseau d'aspiration.

Les gaines 3 peuvent être de sections différentes, selon deux cas possibles : - des gaines 3 de section de dimensions différentes alimentées avec des débits différents, mais en conservant un rapport constant : dans ces conditions, le rapport de la section A du volet 8 sur la section Ao de la gaine 3 reste le même et la masse et la position du contrepoids doivent être recalculés en conséquence ; ou - des gaines 3 de dimensions différentes mais alimentées avec des débits ne conservant pas un rapport constant comme dans le cas précédent : dans ces conditions, il faut recalculer l'ensemble de la section du volet 8, de la masse du contrepoids 13 et du bras de levier du balancier 11, suivant la procédure indiquée ci-dessus. Le mode de réalisation du dispositif d'équilibrage 7 selon les figures 3 et 4 n'est pas le seul possible, et 20 bien d'autres variantes de réalisations peuvent lui être substituées. Les figures 5 à 7 représentent chacune l'une respectivement de trois variantes de réalisation, dans 25 chacune desquelles le dispositif d'équilibrage comprend un organe d'équilibrage qui est, comme dans l'exemple des figures 3 et 4, un volet 8, constitué d'une plaque sensiblement plane et de forme carrée, pivotant avec un axe 9 transversal au tronçon de gaine 3c correspondant, 30 un balancier 11, limité dans ces trois exemples au bras 12 extérieur au tronçon de gaine 3c et solidaire en rotation d'une extrémité de l'axe qui est externe également au tronçon de gaine 3c, le bras 12 étant fixé perpendiculairement à l'axe 9 en étant orienté 35 sensiblement perpendiculairement au volet 8. Dans chacune de ces trois variantes, le rappel du volet 8 par pivotement vers l'amont, vers sa position de repos, est assuré par un organe de rappel élastiquement déformable, à l'encontre duquel l'écoulement gazeux G circulant dans le tronçon de gaine 3c développe sur le volet 8 des forces aérodynamiques qui font pivoter ce 5 volet 8 vers l'aval, jusqu'à atteindre une position d'équilibre instantanée, pour laquelle une perte de charge spécifique est créée au niveau du volet 8, dans la conduite 3 considérée, dans les mêmes conditions que ce résultat est obtenu dans l'exemple des figures 3 et 4 par 10 l'action du balancier 11 à contrepoids 13. Dans l'exemple de la figure 5, l'organe de rappel élastiquement déformable est un lien élastique 16, ancré par une extrémité sur un point fixe à proximité de 15 l'extrémité libre du bras 12 du balancier 11, et par son autre extrémité à un point fixe d'un support 17 en saillie sous le tronçon de gaine 3c. Ce lien élastique 16 est sollicité en traction par le pivotement du volet 8 vers l'aval sous l'action de l'écoulement gazeux G, et 20 exerce une force de rappel F antagoniste à l'action des forces aérodynamiques qui s'exercent sur le volet 8, et tendant à rappeler ce dernier vers sa position d'équilibre, par pivotement vers l'amont. 25 Sur la figure 6, l'organe de rappel élastiquement déformable est un ressort hélicoïdal 18 sollicité en traction, également ancré par une extrémité en un point fixe de la partie d'extrémité du bras 12 du balancier 11, et par son autre extrémité, en un point fixe du support 30 17 en saillie sous le tronçon de gaine 3c. Sur la figure 7, l'organe de rappel élastiquement déformable est encore un ressort hélicoïdal 18, mais, dans ce cas, il est sollicité en compression, entre un 35 point fixe par lequel il est solidarisé par une extrémité dans la partie d'extrémité libre du bras 12 du balancier 11, tandis que son autre extrémité est liée à un point fixe décalé vers l'amont sur la face externe de la partie inférieure du tronçon de gaine 3c, et ce ressort de compression 18 exerce une force F qui repousse le balancier 11 dans un sens qui tend à faire pivoter le volet 8 vers l'amont, à l'encontre des efforts aérodynamiques développés sur lui par l'écoulement gazeux G. Les figures 8 et 9 représentent deux autres exemples de réalisation, dans chacun desquels l'organe d'équilibrage est encore un volet 8 solidaire en rotation, dans un tronçon de gaine 3c, d'un axe 9 transversal au tronçon 3c, et traversant horizontalement la partie inférieure de ce dernier, et le volet 8 est rappelé par pivotement vers l'amont, vers une position de repos correspondant à une section de passage de grande ouverture, par un organe de rappel élastiquement déformable qui est, sur la figure 8, un ressort hélicoïdal de compression 18 exerçant une force F qui s'oppose à l'écoulement G, ce ressort 18 étant positionné derrière le volet 8, c'est-à-dire en aval de ce dernier, et étant ancré par une extrémité amont sur la partie d'extrémité libre du volet 8, tandis que son extrémité aval est ancrée sur un support 19 en forme de tige interne au tronçon 3c et fixée transversalement dans ce dernier.

Sur la figure 9, l'organe de rappel élastiquement déformable est un lien élastique 16, positionné en amont du volet 8, sur lequel le lien élastique 16 est ancré en un point fixe dans la partie d'extrémité libre du volet 8, l'autre extrémité du lien élastique 16, vers l'amont, étant retenue sur un support 19 interne au tronçon de gaine 3c et en forme de tige transversale fixée par ses deux extrémités au tronçon de gaine 3c, et s'étendant perpendiculairement à l'axe 9, par exemple, de sorte que le lien élastique 16 exerce une force F de traction tendant à faire pivoter le volet 8 vers l'amont, à l'encontre des forces aérodynamiques antagonistes produites sur le volet 8 par l'écoulement gazeux G.

Les figures 10 et 11 représentent deux variantes de réalisation, dans lesquelles l'organe d'équilibrage du dispositif n'est plus un volet pivotant mais un volet 8 constitué d'une plaque sensiblement plane, orientée sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal du tronçon de gaine 3c qui le reçoit, et qui est mobile longitudinalement dans le tronçon de gaine 3c, en étant translaté sensiblement parallèlement à lui-même, en amont d'une partie convergente 3d du tronçon de gaine 3c. Dans ces deux exemples, le volet 8 est sollicité vers l'amont, et donc écarté du convergent 3d, par un organe de rappel élastiquement déformable, et les forces aérodynamiques exercées par l'écoulement gazeux G sur le volet 8 s'opposent à la force de rappel de l'organe de rappel élastiquement déformable, et tendent à repousser le volet 8 vers l'aval, c'est-à-dire vers le convergent 3d, de sorte à réduire la section de passage dans le tronçon de gaine 3c, par rapport à la section de passage dégagée lorsque le volet 8 est rappelé vers sa position de repos en amont, à débit nul de l'écoulement G. Ainsi, on obtient, comme dans les exemples précédemment décrits, la génération d'une perte de charge qui est spécifique à la position d'équilibre instantanée adoptée par le volet 8 sollicité par les efforts antagonistes résultant de l'écoulement gazeux G et de l'organe de rappel élastiquement déformable. Sur la figure 10, cet organe de rappel élastiquement déformable est un ressort hélicoïdal de compression 18, disposé en aval du volet 8, auquel le ressort 18 est relié par son extrémité amont, tandis que ce ressort 18 prend appui, par son extrémité aval, sur une barre d'appui 19 transversale, fixée dans l'extrémité aval de diamètre réduit du tronçon de gaine 3c, en aval du convergent 3d. Ainsi, le ressort 18 exerce sur le volet 8 une force F de rappel qui s'oppose à l'écoulement G.

Sur la figure 11, l'organe de rappel élastiquement déformable du volet 8 est un lien élastique 16, disposé en amont du volet 8 auquel le lien élastique est ancré par une extrémité aval, tandis qu'il est accroché par son 5 extrémité amont à une barre ou tige de retenue 19 fixée transversalement dans le tronçon de gaine 3c, en amont du convergent 3d. Dans cet exemple également, le lien élastique 16 exerce une force F qui est une force de traction tendant à déplacer le volet 8 vers l'amont, en 10 s'opposant à l'écoulement G. Dans les exemples des figures 10 et 11, on note qu'une partie substantielle de la course longitudinale du volet 8 est effectuée dans le convergent 3d du tronçon de gaine 15 3c, c'est-à-dire là où la vitesse de l'écoulement G est augmentée, ce qui augmente corrélativement les efforts aérodynamiques exercés par l'écoulement G sur le volet 8, du fait que ces forces aérodynamiques sont proportionnelles au carré de la vitesse. On peut ainsi 20 obtenir une importante variation de la perte de charge spécifique générée à ce niveau, pour un faible déplacement longitudinal du volet 8. Un avantage des réalisations selon les figures 8 à 11, 25 par rapport aux réalisations des figures 3 à 7, est un gain d'encombrement, puisque tous les composants du dispositif d'équilibrage sont disposés à l'intérieur du tronçon de gaine 3c correspondant. Cependant, un inconvénient découle de cette disposition à l'intérieur 30 du tronçon de gaine 3c, à savoir que tous les composants du dispositif d'équilibrage sont soumis aux températures qui peuvent être élevées de l'écoulement gazeux G, ainsi qu'à la nature abrasive de ces écoulements gazeux. 35 Que la gaine 3 ou le tronçon de gaine 3c qui reçoit le dispositif d'équilibrage 7 soit de section constante ou non, la forme de la section transversale de la gaine ou du tronçon de gaine n'est pas limitée à une forme cylindrique de section circulaire, mais peut-être une section transversale elliptique, ou ovale, ou encore polygonale, en particulier carrée ou rectangulaire. De même, la forme de l'organe d'équilibrage n'est pas limitée à une plaque sensiblement plane et carrée, mais peut être une forme polygonale, mobile dans une gaine de section transversale ovale ou elliptique, ou elle-même polygonale, et l'organe d'équilibrage peut être en forme de disque circulaire, ovale ou elliptique, monté pivotant ou en translation dans une conduite de section transversale polygonale, par exemple rectangulaire ou carré. Le volet 8 peut aussi être une plaque courbe ou même profilée, comme une aile d'avion, ou avoir une forme en plan de disque circulaire ou en demi-cercle, ou semi- elliptique solidaire de l'axe 9 rotatif le long de son diamètre ou de l'un de ses petit ou grand diamètres, dans le cas d'une forme semi-elliptique. Un dispositif d'équilibrage selon l'invention, et tel que représenté par exemple sur les figures 3 à 11 ci-dessus décrites, peut être installé dans chacune des gaines 3 débouchant dans chaque collecteur 2 d'une installation pour la collecte et le transport des gaz telle que décrite ci-dessus en référence à la figure 1, et comportant des collecteurs tels que décrits ci-dessus en référence à la figure 2. En l'absence de dispositif d'équilibrage du fait que la perte de charge sera maximale pour chacune des gaines 3 débouchant le plus en amont dans chaque collecteur 2 de l'installation, à raison de la distance qui la sépare du centre de traitement des gaz, il peut être envisagé de ne pas équiper cette gaine amont 3 d'un dispositif d'équilibrage selon l'invention.

Ainsi, dans une telle installation, chaque dispositif d'équilibrage selon l'invention produit, dans la gaine 3 qui le reçoit, une perte de pression ou perte de charge spécifique au niveau de l'organe d'équilibrage 8 correspondant, ce qui conduit sensiblement à un équilibre de pression entre les gaines, en aval des dispositifs d'équilibrage 7, de sorte à conserver des débits de fluide (en particulier de gaz) sensiblement identiques ou un rapport de débits sensiblement identique entre les gaines 3.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'équilibrage de débit de fluide, destiné à être placé dans une gaine (3) destinée à être parcourue par des écoulements fluidiques, le dispositif comprenant un organe d'équilibrage (8) mobile dans la gaine (3) qui le reçoit, et venant obstruer partiellement la section interne de ladite gaine (3), caractérisé en ce qu'il comprend de plus un mécanisme de rappel (11) de l'organe d'équilibrage (8) vers une première position, dans laquelle l'organe d'équilibrage délimite une première section de passage de tout écoulement fluidique dans la gaine (3), et à l'encontre duquel des forces dynamiques exercées par l'écoulement fluidique sur l'organe d'équilibrage tendent à déplacer ledit organe de la première position vers une seconde position, dans laquelle ledit organe délimite une seconde section de passage de l'écoulement fluidique dans la gaine qui est inférieure à la première section de passage, jusqu'à atteindre une position d'équilibre.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine (3) a une section variable et l'organe d'équilibrage (8) se déplace sensiblement en translation, sous les effets antagonistes des forces dynamiques de l'écoulement fluidique et du mécanisme de rappel, jusqu'à une position d'équilibre.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'équilibrage est un volet (8) monté pivotant dans la gaine (3) sur un axe de rotation (9) transversal à la gaine (3), et de préférence horizontal, traversant la gaine (3) dans la moitié inférieure de sa section, et solidaire en rotation d'un bord aval du volet (8), par rapport au sens de l'écoulement fluidique dans la gaine (3).
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mécanisme de rappel comprend au moins un organe élastiquement déformable, tel qu'un ressort (18), sollicité en compression ou en traction ou un lien élastique (16) sollicité en traction par l'organe d'équilibrage soumis aux forces dynamiques de l'écoulement fluidique.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit au moins un organe élastiquement déformable (16, 18) relie au moins un point d'ancrage à l'organe d'équilibrage (8) à au moins un point d'ancrage à la gaine (3) et interne à la gaine (3).
6. 6. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4 telle que rattachée à la revendication 3, caractérisé en ce que le mécanisme de rappel comprend au moins un balancier (11), extérieur à la gaine (3) et solidaire en rotation de l'axe (9) par rapport auquel le balancier (11) est incliné, et de préférence perpendiculaire à l'axe (9), le balancier (11) supportant un contrepoids (13), ou étant sollicité par au moins un organe élastiquement déformable (16, 18) qui tend à rappeler l'organe d'équilibrage vers ladite première position.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 6, caractérisé en ce que, sans débit de fluide dans la gaine (3), le volet (8) présente une inclinaison positive par rapport à la direction d'un écoulement fluidique (6) dans la gaine (3).
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite inclinaison positive est assurée par la venue dudit volet (8) ou d'un élément (11) solidaire en rotation dudit volet (8) et de l'axe (9) en appui contre une butée (14) de préférence externe à la gaine (3).
9. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur du bras (12) de levier d'un balancier (11) équipé d'un contrepoids (13) peut être modifiée par déplacement du contrepoids (13) le long du bras (12).
10. 10. Installation pour la collecte et le transport des gaz aspirés d'une pluralité de cuves d'électrolyse de l'aluminium, comprenant un centre de traitement des gaz (1), des collecteurs (2) alimentant le centre de traitement des gaz (1), une pluralité de gaines (3) parcourues en parallèle par des écoulements de gaz provenant de cuves d'électrolyse, et alimentant chaque collecteur (2), chaque gaine (3) présentant une extrémité amont (3a) destinée à recevoir les gaz d'une cuve d'électrolyse respective, un dispositif d'aspiration des gaz associé audit centre de traitement des gaz (1) pour faire circuler les gaz des gaines (3) vers le centre de traitement des gaz (1), et des dispositifs d'équilibrage (7) disposés respectivement dans chacune des gaines (3), sauf, éventuellement, la gaine (3) alimentant la plus en amont chaque collecteur (2), l'installation étant caractérisée en ce que chaque dispositif d'équilibrage (7) est selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, et produit, dans la gaine (3) qui le reçoit, une perte de 25 pression spécifique au niveau de l'organe d'équilibrage (8) correspondant, qui conduit à sensiblement un équilibre de pression entre lesdites gaines (3) en aval des dispositifs d'équilibrage (7), de sorte à conserver des débits de fluides sensiblement identiques ou un 30 rapport de débits sensiblement identique entre les gaines (3) .