WO1990007079A1 - Redresseur de l'ecoulement d'un fluide dans une conduite - Google Patents

Redresseur de l'ecoulement d'un fluide dans une conduite Download PDF

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WO1990007079A1
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tubes
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Paul Wilcox
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Total Compagnie Française Des Petroles
Den Norske Stats Oljeselskap A.S
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/02—Energy absorbers; Noise absorbers
    • F16L55/027—Throttle passages

Definitions

  • Rectifier for the flow of a fluid in a pipe Rectifier for the flow of a fluid in a pipe.
  • the present invention relates to a rectifier intended to smooth the flow of a fluid, liquid or gaseous, circulating in a tubular pipe and which is the seat of flow irregularities as a result of its passage through an obstacle, such as '' a bend, a branch line or a valve.
  • a particularly important application of such a rectifier is that of measuring the flow of a fluid. This measurement is carried out by means of a flow meter, which, as is known, gives a correct indication only if the flow is entirely developed in a very flat profile of velocities parallel to the axis.
  • rectifiers of this type for example rectifiers shaped perforated plate, grid, wire fabric or constituted by the combination of two of these elements, all being inserted into the pipe .
  • rectifiers shaped perforated plate, grid, wire fabric or constituted by the combination of two of these elements, all being inserted into the pipe .
  • a rectifier constituted by a grid, on the upstream face of which is attached a perforated plate whose holes have a diameter which increases towards the center and decreases towards the periphery.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks and to this end relates to a flow straightener which is characterized in that it is constituted by a cylindrical element of constant thickness of section equal to the internal section of the pipe and which has , uniformly distributed over its entire surface, a plurality of axial cylindrical passages, of the same diameter and equidistant from each other, the intervals between the passages which are in a middle ring of the rectifier being closed, while the intervals between the passages which are in the peripheral ring outside said ring and in the central part of the rectifier are open.
  • the rectifier is constituted by a bundle of cylindrical tubes of the same diameter and length, assembled so as to form a cylindrical block of total section equal to the internal section of the pipe and to present a nest section. bees, the interstices remaining between the tubes of a medium crown being closed with an appropriate filling material, while those which are included between the tubes of the crown external to said crown, and of the central part of the rectifier are left open .
  • the great advantage of the rectifier according to the invention is that it can always be given the same length, whatever whatever the diameter of the pipe in which the rectifier is inserted. Tests have shown that with a rectifier formed from. tubes of approximately 50 mm in length and approximately 10 and 8 mm in external and internal diameters, the flow can be made regular in any pipe, without any upper limitation of the diameter.
  • the rectifier can be easily removed from the pipe while leaving the latter under pressure.
  • the rectifiers of the prior art cannot always be inserted into a ball valve, because as explained above, they can have a thickness of up to twice the diameter of the pipe.
  • the rectifier is constituted by a cylindrical block of diameter equal to the inside diameter of the pipe and through which are pierced, in the axial direction, a plurality of cylindrical passages of the same diameter, equidistant and distributed uniformly with axial symmetry, interstices being formed through the block in the axial direction, by removing, by any suitable technique, the material lying between the passages of a peripheral crown and of the central part of the block, while the intervals between the passages of the middle crown are left intact.
  • the rectifier is produced in a single operation by casting a block of material in a mold having reliefs capable of forming " passages and interstices at the desired locations.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a pipe provided with a rectifier formed of a bundle of tubes;
  • Figure 2 is a partial sectional view along line II-II of Figure 1;
  • FIG. 3 is a diagram representing the speed profile obtained with a rectifier according to the invention mounted downstream of two successive bends located in different planes;
  • FIG. 4 is a diagram showing the speed profile obtained with a rectifier according to the invention mounted downstream of a ball valve open to the quarter; and FIG. 5 shows a speed diagram obtained with a rectifier according to the invention mounted downstream of a strong disturbance with vortices.
  • the flow straightener 10 consists of a bundle of identical tubes 12 having at their upstream end a chamfer 14. These tubes are assembled and secured together, by any suitable means , so as to form a cylindrical block of diameter substantially equal to the internal diameter of the pipe 16 in which it is to be mounted.
  • the interstices 18 located on a medium crown of predetermined thickness ⁇ are closed, while those 20 located in the peripheral crown of thickness r ⁇ , outside the medium crown, and those located in the central part of radius r ⁇ are left open.
  • the sum ri + ro + r is of course equal to the internal radius of the pipe 16.
  • a rectifier of 141.7 mm in diameter was made up of 154 tubes distributed at the rate of 41 tubes on the first layer, 35 on the second layer, 28 on the third layer, 22 on the fourth layer, 16 on the fifth layer, 9 on the sixth layer and 3 on the inner layer.
  • the gaps between the first and second layers are open. Those between the second and fifth layers are closed and those inside the fifth layer are open.
  • the length of the tubes can be between 30 and 150 mm, their outside diameter between 6 and 26 mm and their inside diameter between 4 and 24 mm.
  • the rectifier can also be produced from a solid cylindrical plate in which are pierced, in the axial direction, a plurality of cylindrical passages of the same diameter and equidistant.
  • the material is removed between the passages by any known technique, for example by EDM.
  • the rectifier can also be manufactured in a single operation, by molding in a matrix of suitable shape.
  • FIG. 3 is a diagram which illustrates the effect of the rectifier according to the invention on a flow rendered irregular after having passed through two 90 ° elbows situated in two different planes.
  • the rectifier was mounted downstream at a distance of 4 D from the outlet of the second bend and the measurements were made 6 D downstream from the rectifier.
  • the speed profile A obtained is extremely flat, which amounts to saying that with the exception of a thin thickness of fluid flowing against the inner wall of the pipe, the current of fluid a practically the same speed over its entire section.
  • the rectifier according to the prior art mentioned above allows only to obtain a rounded speed profile, where the speed decreases sharply from the axis towards the wall of the pipe.
  • the angle of gyration is reduced to less than 2 °.
  • FIG. 5 also shows the effect of the rectifier according to the invention on a highly disturbed flow.
  • the rectifier is mounted 1.5 D downstream from the point where the disturbance arises.
  • the speed diagram at this point is represented by the curve E.
  • the curves F and G are the speed profiles respectively at 2.5 D and 8.5 D downstream of the rectifier. We can consider that at this last distance, the flow became practically regular.
  • the rectifier according to the invention is perfectly suitable for measuring the flow rate of a fluid flowing in pipes of any diameter, and more particularly in pipes of large diameters. It is easy to manufacture because the passages (or tubes) have the same diameter and are distributed uniformly over the entire surface of the rectifier. In addition, the thickness of the rectifier and the diameter of the passages does not depend on the diameter of the pipe, as was the case for the prior art rectifiers mentioned. Due to its small thickness, the rectifier according to the invention can be easily mounted and removed from the pipe, by inserting it into a ball valve. Finally, it provides a regular flow over a short length of pipe.

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Abstract

L'invention concerne un redresseur de l'écoulement d'un fluide dans une conduite. Le redresseur est constitué par un faisceau de tubes cylindriques (12) de mêmes diamètres et longueur, assemblés de manière à former un bloc cylindrique (10) de section égale à la section intérieure de la conduite (16) et à présenter une section en nid d'abeilles, les interstices (18) subsistant entre les tubes d'une couronne moyenne (r2) étant obturés avec une matière de remplissage appropriée, tandis que ceux (20) qui sont compris entre les tubes de la couronne extérieure (r1) à ladite couronne et dans la partie centrale (r3) du redresseur sont laissés ouverts.

Description

Redresseur de l'écoulement d'un fluide dans une conduite.
La présente invention concerne un redresseur destiné à rendre régulier l'écoulement d'un fluide, liquide ou gazeux, circulant dans une conduite tubulaire et qui est le siège d'irrégularités d'écoulement par suite de son passage à travers un obstacle, tel qu'un coude, un embranchement de conduite ou une vanne. Une application particulièrement importante d'un tel redresseur est celle de la mesure du débit d'un fluide. Cette mesure est effectuée au moyen d'un débitmètre, qui, comme on le sait, ne donne une indication correcte que si l'écoulement est entièrement développé en un profil très aplati de vitesses parallèles à l'axe. II existe déjà sur le marché toute' une variété de redresseurs de ce type, par exemple des redresseurs en forme de plaque perforée, de grille, de toile métallique ou constitués par la combinaison de deux de ces éléments, le tout étant inséré dans la conduite. On connaît par exemple un redresseur constitué par une grille, sur la face amont de laquelle est accolée une plaque perforée dont les trous ont un diamètre qui augmente vers le centre et diminue vers la périphérie.
Cependant, tous ces redresseurs ont plusieurs inconvénients majeurs:
- leur efficacité est relativement faible ; car on a constaté que l'écoulement est encore irrégulier sur une longueur de conduite, en aval des redresseurs, de plus de 10D, D étant le diamètre intérieur de la conduite. Le débitmètre ne peut donc être monté qu'au bout d'une longueur supérieure à celle-ci, ce qui conduit à des installations volumineuses;
- le diagramme des vitesses d'écoulement obtenu en aval de ces redresseurs a un profil arrondi, ce qui signifie qu'il y a de grandes différences entre la vitesse d'écoulement dans l'axe de la conduite et au voisinage de la paroi;
- leur coût de fabrication est élevé en particulier en ce qui concerne le redresseur selon le dernier mode de réalisation signalé ci-dessus, en raison de l'inégale répartition des trous sur la surface de la plaque;
- tous ces redresseurs doivent être d'autant plus épais que la conduite a un grand diamètre , l'épaisseur du redresseur variant entre 0,13 D et 2 D approximativement. Il va de soi que dans le cas de conduites de grand diamètre, et donc avec des redresseurs très épais, ces derniers doivent être montés définitivement à demeure dans la conduite puisqu'il est pratiquement impossible de les en retirer.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un redresseur d'écoulement qui se caractérise en ce qu'il est constitué par un élément cylindrique d'épaisseur constante de section égale à la section intérieure de la conduite et qui présente, répartis uniformément sur toute sa surface, une pluralité de passages cylindriques axiaux, de même diamètre et équidistants les uns des autres, les intervalles compris entre les passages qui se trouvent dans une couronne moyenne du redresseur étant fermés, tandis que les intervalles compris entre les passages qui se trouvent dans la couronne périphérique extérieure à ladite couronne et dans la partie centrale du redresseur sont ouverts.
Selon un premier mode de réalisation, le redresseur est constitué par un faisceau de tubes cylindriques de mêmes diamètre et longueur, assemblés de manière à former un bloc cylindrique de section totale égale à la section intérieure de la conduite et à présenter une section en nid d'abeilles, les interstices subsistant entre les tubes d'une couronne moyenne étant obturés avec une matière de remplissage appropriée, tandis que ceux qui sont compris entre les tubes de la couronne extérieure à ladite couronne, et de la partie centrale du redresseur sont laissés ouverts.
Le grand avantage du redresseur selon l'invention est que l'on peut lui donner toujours la même longueur, quel que soit le diamètre de la conduite dans laquelle le redresseur est inséré. Les essais ont montré qu'avec un redresseur formé de. tubes d'environ 50 mm de longueur et d'environ 10 et 8 mm de diamètres extérieur et intérieur, on peut rendre l'écoulement régulier dans n'importe quelle conduite, sans limitation supérieure du diamètre.
Il en résulte l'avantage important que le redresseur peut être facilement retiré de la conduite tout en laissant celle-ci sous pression. Il suffit pour cela d'insérer le redresseur dans un boisseau sphérique de vanne à trois voies. Dans la position fermée du boisseau, le redresseur est orienté perpendiculairement au courant de fluide. En faisant tourner le boisseau d'un quart de tour à partir de cette position, on peut extraire le redresseur à travers une ouverture latérale. Par contre, les redresseurs de la technique antérieure ne peuvent pas toujours être insérés dans une vanne à boisseau, car comme on l'a expliqué précédemment, ils peuvent avoir une épaisseur allant jusqu'à deux fois le diamètre de la conduite.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, le redresseur est constitué par un bloc cylindrique de diamètre égal au diamètre intérieur de la conduite et à travers lequel sont percés, dans le sens axial, une pluralité de passages cylindriques de même diamètre, équidistants et répartis uniformément avec symétrie axiale, des interstices étant formés à travers le bloc dans le sens axial, en enlevant, par toute technique appropriée, la matière se trouvant entre les passages d'une couronne périphérique et de la partie centrale du bloc, tandis que les intervalles situés entre les passages de la couronne moyenne sont laissés intacts.
Selon encore une autre variante de l'invention, le redresseur est réalisé en une seule opération par coulage d'un bloc de matière dans un moule présentant des reliefs propres à former" des passages et des interstices aux endroits voulus.
L'invention sera décrite à présent en regard des dessins annexés donnés à titre non limitatif et dans lesquels:
La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une conduite munie d'un redresseur formé d'un faisceau de tubes;
La figure 2 est une vue partielle en coupe selon la ligne II-II de la figure 1;
La figure 3 est un diagramme représentant le profil des vitesses obtenu avec un redresseur selon l'invention monté en aval de deux coudes successifs situés dans des plans différents;
La figure 4 est un diagramme montrant le profil des vitesses obtenu avec un redresseur selon l'invention monté en aval d'une vanne à boisseau ouverte au quart; et La figure 5 montre un diagramme de -vitesses obtenu avec un redresseur selon l'invention monté en aval d'une forte perturbation avec tourbillons.
Avec référence tout d'abord aux figures 1 et 2, le redresseur d'écoulement 10 est constitué d'un faisceau de tubes identiques 12 présentant à leur extrémité amont un chanfrein 14. Ces tubes sont assemblés et solidarisés entre eux, par tout moyen approprié, de manière à former un bloc cylindrique de diamètre sensiblement égal au diamètre interne de la conduite 16 dans laquelle il doit être monté.
Entre les tubes subsistent des interstices dont certains 18 sont obturés et d'autres 20 sont laissés ouverts. Plus précisément, les interstices 18 situés sur une couronne moyenne d'épaisseur ^ prédéterminée, sont obturés, tandis que ceux 20 situés dans la couronne périphérique d'épaisseur r^, extérieure à la couronne moyenne, et ceux situés dans la partie centrale de rayon r^ sont laissés ouverts. La somme r-i + ro + r est bien entendu égale au rayon interne de la conduite 16. A .titre d'exemple illustratif, on a réalisé un redresseur de 141,7 mm de diamètre formé de 154 tubes répartis à raison de 41 tubes sur la première couche, 35 sur la deuxième couche, 28 sur la troisième couche, 22 sur la quatrième couche, 16 sur la cinquième couche, 9 sur la sixième couche et 3 sur la couche interne. Les interstices entre la première et la seconde couches sont ouverts. Ceux compris entre la deuxième et la cinquième couches sont obturés et ceux intérieurs à la cinquième couche sont ouverts.
Avec le diamètre de 141,7 mm, on obtient de très bons résultats, lorsque r-^ reste compris entre 6 et 36 mm, r entre 18 et 54 mm, et v entre 18 et 54 mm. La longueur des tubes peut être comprise entre 30 et 150 mm, leur diamètre extérieur entre 6 et 26 mm et leur diamètre intérieur entre 4 et 24 mm.
Le redresseur peut être également réalisé à partir d'une plaque cylindrique pleine dans laquelle sont percés, dans le sens axial, une pluralité de passages cylindriques de même diamètre et équidistants. De plus, dans la couronne périphérique et sur la partie centrale du redresseur, la matière est enlevée entre les passages par toute technique connue, par exemple par électro- érosion.
Le redresseur peut encore être fabriqué en une seule opération, par moulage dans une matrice de forme appropriée.
La figure 3 est un diagramme qui illustre l'effet du redresseur selon l'invention sur un écoulement rendu irrégulier après avoir traversé deux coudes à 90° situés dans deux plans différents. Le redresseur a été monté en aval, à une distance de 4 D de la sortie du second coude et les mesures ont été effectuées à 6 D en aval du redresseur. On a porté en abscisses la valeur-E-où est le rayon de la conduite et jr la distance du point considéré à l'axe de la conduite, et en ordonnées le rapport-^-de la vitesse u au point considéré à la vitesse u nominale u". On constate que le profil de vitesses A obtenu est extrêmement plat, ce qui revient à dire qu'à l'exception d'une fine épaisseur de fluide s'écoulant contre la paroi intérieure de la conduite, le courant de fluide a pratiquement la même vitesse sur toute sa section. Ce résultat est remarquable, car dans les mêmes conditions opératoires, le redresseur selon la technique antérieure citée précédemment, ne permet d'obtenir qu'un profil de vitesses arrondi, où la vitesse décroît fortement depuis l'axe vers la paroi de la conduite. De plus, l'angle de giration est réduit à moins de 2°.
L'expérience a montré également qu'à la distance 10 D, l'angle des coudes ne joue pratiquement pas sur l'allure du diagramme des vitesses ou sur l'angle de giration.
La courbe de la figure 4 a été obtenue dans les conditions suivantes: le redresseur a été monté en aval d'une vanne à boisseau ouverte au quart, créant de ce fait une irrégularité sur l'écoulement du fluide. Les courbes B et C montrent respectivement les diagrammes des vitesses relevées à 1,5 D et 5,5 D en aval de la sortie du redresseur. Comme le montre la courbe B, le courant est perturbé à la sortie de la vanne. Par contre, la courbe C montre que l'écoulement est régulier sur toute la section de la conduite, déjà à 5,5 D du redresseur.
La figure 5 montre encore l'effet du redresseur selon l'invention sur un écoulement fortement perturbé. Le redresseur est monté à 1,5 D en aval du point où la perturbation prend naissance. Le diagramme des vitesses en ce point est représenté par la courbe E. Les courbes F et G sont les profils de vitesses respectivement à 2,5 D et 8,5 D en aval du redresseur. On peut considérer qu'à cette dernière distance, l'écoulement est devenu pratiquement régulier.
En conclusion, le redresseur selon l'invention convient parfaitement pour la mesure du débit d'un fluide s'écoulant dans des conduites de diamètre quelconque, et plus particulièrement dans des conduites de gros diamètres. Il est facile à fabriquer du fait que les passages (ou les tubes) ont le même diamètre et sont répartis uniformément sur toute la surface du redresseur. De plus, l'épaisseur du redresseur et le diamètre des passages ne dépend pas du diamètre de la conduite, comme c'était le cas pour les redresseurs de la technique antérieure mentionnée. En raison de sa faible épaisseur, le redresseur selon l'invention peut être facilement monté et retiré de la conduite, en l'insérant dans une vanne à boisseau sphérique. Enfin, il permet d'obtenir un écoulement régulier sur une courte longueur de conduite.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Redresseur d'écoulement d'un fluide dans une conduite (16), caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément cylindrique (10) d'épaisseur constante, de section égale à la section intérieure de la conduite (16), et qui présente, répartis uniformément sur toute sa surface, une pluralité de passages (12) cylindriques axiaux, de même diamètre et équidistants les uns des autres, les intervalles (18) compris entre les passages qui se trouvent dans une couronne moyenne ^ du redresseur étant fermés, tandis que les intervalles (20) compris entre les passages qui se trouvent dans la couronne périphérique (r-^) extérieure à ladite couronne et dans la partie centrale (rg) du redresseur sont ouverts.
2.- Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un faisceau de tubes cylindriques (12) de mêmes •sdiamètre et longueur, assemblés de manière à former un bloc cylindrique (10) de section égale à la section intérieure de la conduite (16) et à présenter une section en nid d'abeilles, les interstices (18) subsistant entre les tubes d'une couronne moyenne (r ) étant obturés avec une matière de remplissage appropriée, tandis que ceux (20) qui sont compris entre les tubes de la couronne extérieure (r^) à ladite couronne et dans la partie centrale (rβ) du redresseur sont laissés ouverts.
3.- Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un bloc cylindrique de diamètre égal au diamètre intérieur de la conduite et à travers lequel sont percés, dans le sens axial, une pluralité de passages cylindriques de même diamètre, équidistants et répartis uniformément avec symétrie axiale, des interstices étant formés à travers le bloc dans le sens axial, en enlevant, par toute technique appropriée, la matière se trouvant entre les passages d'une couronne périphérique et de la partie centrale du bloc, tandis que les intervalles situés entre les passages de la couronne moyenne sont laissés intacts.
4.- Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé en une seule opération par coulage d'un bloc de matière dans un moule présentant des reliefs propres à former des passages (12) et des interstices (20) aux endroits voulus.
5.- Redresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a une épaisseur constante, quel que soit le diamètre de la conduite où il est placé.
6.- Redresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur des tubes est comprise entre 30 et 150 mm, leur diamètre externe est compris entre 6 et 28 mm et leur diamètre interne, entre 4 et 24 mm.
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