FR2691269A1 - Dispositif de régulation de débit à déversement, installation de filtration des eaux et procédés d'utilisation correspondants. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de régulation de débit à déversement pour les cuves de filtration dans les installations de traitement des eaux. Le dispositif selon l'invention est du type régulant un débit en faisant varier la hauteur (h) d'une lame déversante (22) obtenue en faisant monter l'eau dans un couloir vertical d'amenée grâce à une chambre (18) à dépression, ladite lame s'évacuant dans un puits (16), ladite chambre (18) étant mise en dépression par une trompe à vide (19), et connectée à l'atmosphère à travers une vanne pneumatique (23, 24) pilotée par: - des premiers moyens (26) permettant d'une part d'ajuster, par variation continue, l'ouverture de la vanne pneumatique (23) compensant la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide (19), et d'autre part de modifier la hauteur (h) de la lame déversante (22) et donc le débit d'eau évacuée; - des seconds moyens (28) de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture de la vanne pneumatique (24) permettant essentiellement d'interrompre un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau.
Description
Dispositif de régulation de débit à déversement, installation de filtration des eaux et procédés d'utilisation correspondants
Le domaine de l'invention est celui du traitement des eaux.
Le domaine de l'invention est celui du traitement des eaux.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de régulation de débit à déversement pour les cuves de filtration dans les installations de traitement des eaux
Une installation de traitement des eaux comprend généralement une pluralité de cuves de filtration alimentées en parallèle à partir d'une galerie commune d'alimentation en eau à filtrer. Dans chaque cuve, des matériaux filtrants (sable ou charbon par exemple) reposent sur un fond poreux. Ainsi l'eau à filtrer est versée dans la cuve, traverse la couche de matériaux filtrants, et est recueillie filtrée sous le fond poreux.
Une installation de traitement des eaux comprend généralement une pluralité de cuves de filtration alimentées en parallèle à partir d'une galerie commune d'alimentation en eau à filtrer. Dans chaque cuve, des matériaux filtrants (sable ou charbon par exemple) reposent sur un fond poreux. Ainsi l'eau à filtrer est versée dans la cuve, traverse la couche de matériaux filtrants, et est recueillie filtrée sous le fond poreux.
Dans une installation de traitement des eaux, on souhaite avoir un débit identique dans chacune des différentes cuves de filtration.
L'obtention d'un tel débit est difficile à obtenir car:
- d'une part, les impuretés retenues lors de la filtration ont tendance à encrasser les matériaux filtrants des cuves et donc à limiter le débit d'eau filtrée, cet encrassement des cuves n'étant pas uniforme au sein de chaque cuve et d'une cuve à l'autre; et
- d'autre part, le nombre de cuves en fonctionnement n'est pas constant (chaque cuve devient indisponible par exemple lors de son nettoyage).
- d'une part, les impuretés retenues lors de la filtration ont tendance à encrasser les matériaux filtrants des cuves et donc à limiter le débit d'eau filtrée, cet encrassement des cuves n'étant pas uniforme au sein de chaque cuve et d'une cuve à l'autre; et
- d'autre part, le nombre de cuves en fonctionnement n'est pas constant (chaque cuve devient indisponible par exemple lors de son nettoyage).
Malgré ces difficultés, l'objectif final est toujours d'assurer l'équirépartition de la quantité d'eau totale à filtrer entre les différentes cuves en fonctionnement, notamment pour:
- garantir une continuité de service et une homogénéité de qualité d'eau en sortie de chaque cuve;
- assurer un fonctionnement réparti en temps de chaque cuve, et ainsi prévoir et gérer les disponibilités liées au nettoyage de chacune des cuves de l'installation;
- avoir un fonctionnement hydraulique de l'ensemble nécessitant une consommation énergétique minimale.
- garantir une continuité de service et une homogénéité de qualité d'eau en sortie de chaque cuve;
- assurer un fonctionnement réparti en temps de chaque cuve, et ainsi prévoir et gérer les disponibilités liées au nettoyage de chacune des cuves de l'installation;
- avoir un fonctionnement hydraulique de l'ensemble nécessitant une consommation énergétique minimale.
De façon connue, afin d'obtenir un débit identique dans chacune des différentes cuves de filtration d'une installation, on utilise, sur chaque cuve de filtration, un régulateur de débit.
Le principe de base d'un régulateur de débit est de créer une perte de charge auxiliaire (réduisant le débit d'eau) variant en fonction de l'encrassement de la cuve associée. Lorsque la cuve est propre, la perte de charge auxiliaire est importante. Par contre, lorsque la cuve est très encrassée (ou colmatée), la perte de charge auxiliaire est nulle.
Un tel régulateur de débit comprend généralement un couloir vertical d'amenée d'eau terminé à sa partie supérieure par une chambre, à dépression contrôlée, de déversement du liquide dans un puits d'évacuation. Le niveau du col du puits d'évacuation est légèrement supérieur au niveau maximum d'eau dans la cuve.
Le régulateur inclut également une trompe àvide immergée dans le couloir d'amenée d'eau et comprenant une conduite d'aspiration d'air connectée à la chambre à dépression. Cette trompe à vide permet de faire le vide et de l'entretenir, l'air contenu dans la chambre à dépression étant aspiré par le courant d'eau traversant la pompe à vide.
Le vide créé dans la chambre à dépression sert à faire monter l'eau de sortie de la cuve dans le couloir central d'amenée d'eau jusqu'à la chambre afin d'obtenir une lame déversante qui s'évacue par le puits d'évacuation.
La hauteur de la lame de déversement conditionne le débit d'évacuation de l'eau dans le puits d'évacuation.
Un système de régulation hydropneumatique permet d'agir sur cette lame déversante, et donc sur le débit d'eau évacuée, en jouant sur la quantité d'air présente dans la chambre à dépression.
Les régulateurs de ce type présentent néanmoins plusieurs inconvénients.
En effet, le système de régulation hydropneumatique permettant d'agir sur la lame déversante nécessite des moyens complexes de mise en oeuvre, et notamment des circuits d'air à très faible pression sur de longues distances.
Une solution connue visant à pallier ces inconvénients consiste à remplacer au moins une partie du système de régulation hydropneumatique par une régulation électronique, comme décrit dans la demande de brevet d'invention FR 2.651 687 publiée le 15 mars 1991.
Ce document décrit un régulateur de débit comportant un caisson étanche renfermant un tube vertical central dont l'extrémité inférieure reçoit l'eau filtrée issue de la cuve à filtration. Un vide est appliqué et entretenu dans une chambre du caisson pour faire monter l'eau dans celui-ci (et plus précisément dans le tube) avant son évacuation par une partie supérieure du caisson débouchant sur une rigole de récupération. Le vide de la chambre du caisson provient d'une chambre fermée et étanche servant de réserve de vide et localisée sur la partie supérieure du caisson. Des premiers capteurs fournissent des informations de niveau et de débit d'eau à des régulateurs qui modulent l'ouverture ou la fermeture d'une vanne de régulation permettant de casser partiellement le vide de la chambre du caisson.
Des seconds capteurs fournissent des commandes d'ouverture ou de fermeture d'une part d'électrovannes de mise en communication de la chambre du caisson avec la chambre de réserve de vide, et d'autre part d'une électrovanne de mise à l'atmosphère du caisson.
Plusieurs inconvénients subsistent toutefois dans un tel dispositif de régulation de débit.
Ce dispositif connu privilégie une évacuation centrifuge de l'eau (l'eau sort du tube central et s'évacue par une rigole située sur la partie inférieure du caisson enveloppant ce tube central) au détriment du principe d'évacuation centripète de l'eau (où l'eau monte dans le couloir périphérique vertical d'amenée d'eau et s 'évacue par le puits central).
De plus, un tel régulateur nécessite l'utilisation d'un système complexe de réserve de vide qui consomme de l'énergie et exige un système de vannes complexe et faillible, à la place du principe d'une trompe à vide, simple et économique.
Par ailleurs, si l'on augmente fortement la hauteur de la lame déversante, des perturbations entraînant de l'air dans le puits d'évacuation se produisent (phénomène de Vortex). Ce phénomène augmente le vide dans la chambre à dépression, ce qui fait monter la hauteur de la lame déversante, et ainsi de suite.
On est alors en présence d'un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau qui ne peut être interrompu que par un arrêt d'urgence de l'installation.
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un dispositif de régulation de débit qui soit compatible avec les dispositifs existants et qui utilise, dans un mode de réalisation préférentiel, une évacuation centripète de l'eau filtrée.
L'invention a également pour objectif de fournir un tel dispositif qui comprenne des moyens simples, fiables et peu coûteux de faire le vide, tels qu'une trompe à vide par exemple.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel dispositif qui ne nécessite pas de moyens complexes de régulation hydropneumatique.
Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel dispositif qui permette de maîtriser les situations d'emballement précitées, de façon d'une part à augmenter les débits évacuables dans une configuration donnée, et d'autre part à simplifier les retours à un régime normal lors de l'amorçage du phénomène divergent d'emballement.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un dispositif de régulation de débit à déversement, notamment pour cuves de filtration dans les installations de traitement des eaux, du type comprenant un couloir vertical d'amenée d'eau terminé à sa partie supérieure par une chambre, à dépression contrôlée, de déversement du liquide dans un puits d'évacuation, le dispositif incluant une trompe à vide immergée dans le couloir d'amenée d'eau et comprenant une conduite d'aspiration d'eau connectée à ladite chambre à dépression, l'air contenu dans ladite chambre étant aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide de façon à mettre ladite chambre en dépression, la dépression créée dans la chambre par ladite trompe à vide permettant de faire monter l'eau dans le couloir vertical d'amenée jusqu'à la chambre afin d'obtenir une lame déversante qui s 'évacue par le puits d'évacuation, le débit d'eau évacuée dans le puits étant essentiellement fonction de la hauteur de ladite lame déversante, et donc de la dépression de la chambre, ladite chambre à dépression étant connectée à l'atmosphère à travers une vanne pneumatique, ladite vanne pneumatique étant pilotée par: - des premiers moyens d'ajustement continu de l'ouverture de ladite vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaire variable, le degré d'ouverture de ladite vanne étant notamment calculé dynamiquement par lesdits premiers moyens d'ajustement en fonction du débit d'air aspiré par la trompe à vide, chaque valeur de débit d'eau correspondant à une position distincte d'ouverture de ladite vanne pneumatique, ladite ouverture permettant en régime constant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide, et - des seconds moyens de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture de ladite vanne pneumatique, lesdits premiers moyens d'ajustement continu et lesdits second moyens de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture étant asservis par des informations de commande générées par un module de régulation du débit d'eau évacuée dans ledit puits d'évacuation.
Dans un mode de réalisation préférentiel, on a une évacuation centripète de l'eau. Dans ce cas, le puits d'évacuation est central, et entouré concentriquement par le couloir vertical d'amenée d'eau.
De plus, le vide dans la chambre à dépression contrôlée est obtenue à l'aide d'une trompe à vide, simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse.
La vanne pneumatique de mise à l'atmosphère de la chambre à dépression est pilotée par deux moyens complémentaires:
- d'une part, les premiers moyens d'ajustement continu permettent une ouverture contrôlée de la vanne pneumatique compensant, par variation continue, la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide. Comme on le verra par la suite, ces premiers moyens d'ajustement continu permettent également de modifier la hauteur de la lame déversante et donc le débit d'eau évacuée.
- d'une part, les premiers moyens d'ajustement continu permettent une ouverture contrôlée de la vanne pneumatique compensant, par variation continue, la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide. Comme on le verra par la suite, ces premiers moyens d'ajustement continu permettent également de modifier la hauteur de la lame déversante et donc le débit d'eau évacuée.
- d'autre part, les seconds moyens de commande d'impulsions d'ouverturefermeture de la vanne pneumatique permettent essentiellement d'interrompre le phénomène divergent d'augmentation du débit correspondant à un emballement du dispositif nécessitant un arrêt de l'installation.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ladite vanne pneumatique est constituée: - d'une première vanne pneumatique d'ajustement pilotée par lesdits premiers moyens d'ajustement continu de l'ouverture de ladite vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaire variable; - d'une seconde vanne pneumatique rapide, pilotée par lesdits seconds moyens de commande d'impulsion d'ouverture-fermeture brusque de ladite vanne pneumatique.
Avantageusement, ledit module de régulation fournit lesdites informations de commande en fonction:
- d'une part d'une information de hauteur de lame déversante fournie par un capteur de niveau d'eau montée dans ladite chambre de dépression, ladite information de hauteur de lame déversante étant représentative du débit d'eau évacuée, et
- d'autre part d'une valeur de consigne de débit d'eau évacuée.
- d'une part d'une information de hauteur de lame déversante fournie par un capteur de niveau d'eau montée dans ladite chambre de dépression, ladite information de hauteur de lame déversante étant représentative du débit d'eau évacuée, et
- d'autre part d'une valeur de consigne de débit d'eau évacuée.
De façon avantageuse, ladite valeur de consigne de débit d'eau est fournie par un module de commande situé en amont de ladite cuve de filtration, à partir d'une information représentative du débit d'eau alimentant ladite cuve de filtration.
L'invention concerne également une installation de filtration des eaux du type comprenant une pluralité de cuves de filtration alimentées en parallèle à partir d'une galerie commune d'alimentation en eaux à filtrer, chacune desdites cuves de filtration comportant en aval un dispositif de régulation selon l'invention, ledit module de commande fournissant une même valeur de consigne à chacun des dispositifs.
Enfin, l'invention concerne des procédés d'utilisation d'un dispositif de régulation de débit selon l'invention.
Dans un premier procédé d'utilisation permettant d'augmenter le débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'invention, ledit module de régulation génère des informations de commande telles que lesdits premiers moyens d'ajustement continu:
- ferment la vanne pneumatique pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre, de façon que le vide dans la chambre augmente, que la hauteur de la lame déversante augmente, et donc que le débit d'eau augmente;
- augmentent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une deuxième période de temps, de façon que le vide dans la chambre diminue, le débit continuant à augmenter jusqu'à ladite valeur de débit à atteindre;
- maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique obtenue à la fin de la deuxième période de temps en permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour ladite valeur de débit à atteindre.
- ferment la vanne pneumatique pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre, de façon que le vide dans la chambre augmente, que la hauteur de la lame déversante augmente, et donc que le débit d'eau augmente;
- augmentent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une deuxième période de temps, de façon que le vide dans la chambre diminue, le débit continuant à augmenter jusqu'à ladite valeur de débit à atteindre;
- maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique obtenue à la fin de la deuxième période de temps en permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour ladite valeur de débit à atteindre.
Dans un second procédé d'utilisation permettant de diminuer le débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'invention, ledit module de régulation génère des informations de commande telles que lesdits premiers moyens d'ajustement continu:
- augmentent l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre, de façon que le vide dans la chambre diminue, que la hauteur de la lame déversante diminue, et donc que le débit d'eau diminue;
- diminuent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une deuxième période de temps, de façon que le vide dans la chambre augmente, le débit continuant à augmenter jusqu'à ladite valeur de débit à atteindre;
- maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique, obtenue à la fin de la deuxième période de temps en permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour ladite valeur de débit à atteindre.
- augmentent l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre, de façon que le vide dans la chambre diminue, que la hauteur de la lame déversante diminue, et donc que le débit d'eau diminue;
- diminuent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une deuxième période de temps, de façon que le vide dans la chambre augmente, le débit continuant à augmenter jusqu'à ladite valeur de débit à atteindre;
- maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique, obtenue à la fin de la deuxième période de temps en permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour ladite valeur de débit à atteindre.
Dans un troisième procédé d'utilisation permettant de diminuer rapidement le débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'invention, en réaction à un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau, ledit module de régulation génère des informations de commande selon le cycle suivant:
- lesdits seconds moyens de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture ouvrent de façon essentiellemnt totale pendant un laps de temps très court la vanne pneumatique de façon que le vide dans la chambre diminue fortement, que la hauteur de la lame déversante diminue fortement, et donc que le débit d'eau atteigne une valeur suffisamment faible pour interrompre ledit phénomène divergent;
- lesdits premiers moyens d'ajustement continu maintiennent après ledit laps de temps très court, une position d'ouverture de la vanne pneumatique permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour ladite valeur de débit atteinte.
- lesdits seconds moyens de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture ouvrent de façon essentiellemnt totale pendant un laps de temps très court la vanne pneumatique de façon que le vide dans la chambre diminue fortement, que la hauteur de la lame déversante diminue fortement, et donc que le débit d'eau atteigne une valeur suffisamment faible pour interrompre ledit phénomène divergent;
- lesdits premiers moyens d'ajustement continu maintiennent après ledit laps de temps très court, une position d'ouverture de la vanne pneumatique permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour ladite valeur de débit atteinte.
Avantageusement, ledit cycle est reproduit répétitivement de façon à casser le phénomène divergent tout en maintenant un débit d'eau évacuée élevé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels:
- la figure 1 présente un schéma simplifié d'une installation de filtration des eaux selon l'invention;
- la figure 2 présente un schéma simplifié d'un mode de réalisation préférentiel d'un dispositif de régulation de débit selon l'invention;
- les figures 3A, 3B, et 3C présentent des courbes représentatives respectivement du débit d'eau, de la pression de la chambre et de la position d'ouverture de la vanne pneumatique en fonction du temps, dans les trois cas suivants:
* augmentation du débit d'eau évacuée;
* diminution du débit d'eau évacuée;
* interruption d'un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau;
- les figures 4A et 4B présentent respectivement le principe de l'écoulement centripète de l'eau, tel que mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention, et le principe de l'écoulement centrifuge, tel que mis en oeuvre dans le dispositif de l'art antérieur.
- la figure 1 présente un schéma simplifié d'une installation de filtration des eaux selon l'invention;
- la figure 2 présente un schéma simplifié d'un mode de réalisation préférentiel d'un dispositif de régulation de débit selon l'invention;
- les figures 3A, 3B, et 3C présentent des courbes représentatives respectivement du débit d'eau, de la pression de la chambre et de la position d'ouverture de la vanne pneumatique en fonction du temps, dans les trois cas suivants:
* augmentation du débit d'eau évacuée;
* diminution du débit d'eau évacuée;
* interruption d'un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau;
- les figures 4A et 4B présentent respectivement le principe de l'écoulement centripète de l'eau, tel que mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention, et le principe de l'écoulement centrifuge, tel que mis en oeuvre dans le dispositif de l'art antérieur.
La figure 1 présente un schéma simplifié d'une installation de filtrage d'eau selon l'invention. Une telle installation comprend généralement une pluralité de cuves de filtration lA à 1F alimentées en parallèle à partir d'une galerie commune 3 d'alimentation en eau à filtrer. Chaque cuve 1A à 1F comporte en aval un dispositif de régulation 2A à 2F selon l'invention. Toutes les eaux filtrées par l'ensemble des cuves lA à 1F et dont le débit en eau évacuée est régulé par les dispositifs de régulation selon l'invention 2A à 2F, sont regroupées dans un même canal de sortie 4.
Chaque cuve de filtration 1A à IF peut être isolée du canal d'alimentation 3 grâce à une électrovanne SA à SF. Cette isolation a lieu par exemple lors du nettoyage de la cuve. Une cuve 2A (dont une partie est représentée sur la figure 2) comprend des matériaux filtrants il (sable ou charbon par exemple) reposant sur un fond poreux 12. L'eau à filtrer arrivant dans la cuve 2A par le canal d'alimentation 3 remplit partiellement cette cuve jusqu'à un niveau 10, puis traverse la couche de matériaux filtrants 11, et enfin est recueillie filtrée dans le fond 13 de la cuve situé sous le fond poreux 12.
Les impuretés retenues lors de cette filtration encrassent les matériaux filtrants 11, ce qui entraîne une diminution du débit d'eau pouvant être filtrée.
Le dispositif de régulation du débit d'eau filtrée situé en aval de chaque cuve lA à 1F permet de s'affranchir des variations de débit dues d'une part à l'encrassement de la cuve correspondante, et d'autre part à l'indisponibilité de cette cuve par exemple lors de son nettoyage.
La figure 2 présente un schéma simplifié d'un mode de réalisation d'un dispositif de régulation de débit selon l'invention, la cuve correspondante étant également visible.
Une électrovanne SA (ou un syphon) permet de relier le canal d'alimentation 3 à la cuve de filtration lA (ou d'isoler la cuve de filtration lA).
Une électrovanne 14 permet d'isoler la cuve 2A du dispositif de régulation selon l'invention.
Le dispositif de régulation de débit comprend un couloir vertical 15 d'amenée d'eau terminé à sa partie supérieure par une chambre 18, à dépression contrôlée, de déversement du liquide dans un puits 16 d'évacuation.
Ce dispositif inclut également une trompe à vide 19 immergée dans le couloir 15 d'amenée d'eau. Cette trompe à vide 19 comprend une conduite 20 d'aspiration d'eau connectée (21) à la chambre de dépression 18. L'air contenu dans la chambre 18 est aspiré par le courant d'eau qui traverse la pompe à vide 19.
Ainsi, le vide crée dans la chambre 18 par la trompe à vide 19 permet de faire monter l'eau dans le couloir 15 vertical d'amenée jusqu'à la chambre 18, afin d'obtenir une lame déversante 22 qui s'évacue par le puits 16 d'évacuation.
Une modification du vide dans la chambre 18 permet de faire varier la hauteur h de la lame déversante 22, et donc le débit d'eau évacuée.
La trompe à vide 19 comprend une vanne hydraulique 25 de régulation du débit du courant d'eau qui la traverse. Cette vanne hydraulique 25 est soit ouverte (trompe à vide en fonctionnement), soit fermée (trompe à vide arrêtée).
La chambre à dépression 18 est connectée à l'atmosphère à travers une vanne pneumatique constituée, dans ce mode de réalisation:
- d'une première vanne pneumatique d'ajustement 23 pilotée par des premiers moyens 26 d'ajustement continu d'ouverture de cette vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaires variables;
- d'une seconde vanne pneumatique rapide 24, pilotée par des seconds moyens 28 d'impulsion d'ouverture-fermeture brusque de la vanne pneumatique.
- d'une première vanne pneumatique d'ajustement 23 pilotée par des premiers moyens 26 d'ajustement continu d'ouverture de cette vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaires variables;
- d'une seconde vanne pneumatique rapide 24, pilotée par des seconds moyens 28 d'impulsion d'ouverture-fermeture brusque de la vanne pneumatique.
I1 est également possible de n'utiliser qu'une seule vanne présentant à la fois une bonne précision lors des ajustements fins du degré d'ouverture, et une bonne rapidité d'ouverture/fermeture lors des impulsions brusques de commande.
Les premiers moyens 26 d'ajustement continu et les seconds moyens 28 de commande d'impulsion d'ouverture-fermeture sont asservis par des informations de commande (respectivement 33, 34) générées par un module 30 de régulation du débit de l'eau évacuée dans le puits d'évacuation 16.
Chaque valeur de débit d'eau correspond à une position distincte d'ouverture de la vanne pneumatique, cette ouverture permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide 19.
Ce principe d'entretien dynamique du vide dans la chambre à dépression utilise au maximum les possibilités de la régulation électronique, à la différence, par exemple, des systèmes statiques à réserve de vide de l'art antérieur (qui sont en outre plus énergivores).
Le module de régulation 30 fournit les informations de commande 33, 34, en fonction:
- d'une part d'une information 32 de hauteur h de lame déversante 22, cette information 32 de hauteur h de lame étant fournie par un capteur 27 de niveau d'eau monté dans la chambre 18 de dépression,
- et d'autre part d'une valeur de consigne 39 de débit d'eau à filtrer, cette valeur de consigne étant fournie par un module de commande 36 situé en amont de la cuve lA de filtration, à partir d'une information 37 (fournie par un capteur 38) représentative du débit d'eau alimentant l'ensemble des cuves de filtration iA.
- d'une part d'une information 32 de hauteur h de lame déversante 22, cette information 32 de hauteur h de lame étant fournie par un capteur 27 de niveau d'eau monté dans la chambre 18 de dépression,
- et d'autre part d'une valeur de consigne 39 de débit d'eau à filtrer, cette valeur de consigne étant fournie par un module de commande 36 situé en amont de la cuve lA de filtration, à partir d'une information 37 (fournie par un capteur 38) représentative du débit d'eau alimentant l'ensemble des cuves de filtration iA.
L'information 32 de hauteur h de lame déversante 22 est représentative du débit d'eau évacuée.
La vanne hydraulique 25 et les électrovannes SA et 14 sont pilotées par un module (non représenté) automatique de commande pour la mise en service et l'arrêt de la cuve de filtration.
Le module de régulation 30 fonctionne sans intervention lors de la mise en service ou lors de l'arrêt de la cuve de filtration.
L'eau filtrée, évacuée par le puits 16 enveloppé par le couloir 15 d'amenée d'eau, arrive dans une galerie 17 d'eau filtrée recevant les eaux filtrées par l'ensemble des cuves de l'installation.
La hauteur de la lame déversante qui détermine la valeur du débit d'eau évacuée présente une certaine instabilité due notamment à l'effet d'entraînement d'air par l'eau évacuée par le puits central.
Un coefficient caractéristique de cette instabilité est, par exemple, a = h/R
où h est la hauteur de la lame déversante, et R la largeur disponible pour le déversement
L'exemple numérique suivant, expliqué en relation avec les figures 4A et 4B, permet de comparer des écoulements centripète et centrifuge de l'eau dans un dispositif de régulation du type utilisé dans l'invention.
où h est la hauteur de la lame déversante, et R la largeur disponible pour le déversement
L'exemple numérique suivant, expliqué en relation avec les figures 4A et 4B, permet de comparer des écoulements centripète et centrifuge de l'eau dans un dispositif de régulation du type utilisé dans l'invention.
La figure 4A correspond au cas de l'écoulement centripète. L'eau monte dans le tube externe 42 et s'évacue, selon le sens indiqué par les flèches 41, par le tube central 43.
La figure 4B correspond au cas de l'écoulement centrifuge. L'eau monte dans le tube central 43 et s'évacue, selon le sens indiqué par les flèches 44, par le tube externe 43.
Dans ces deux cas:
- le diamètre du tube externe 42 est 120 centimètres;
- le diamètre du tube central 43 est 90 centimètres.
- le diamètre du tube externe 42 est 120 centimètres;
- le diamètre du tube central 43 est 90 centimètres.
Par conséquent, la largeur R disponible pour le déversement est 45 cm dans le cas centripète et 15 cm dans le cas centrifuge.
Le coefficient a est donc, avec une hauteur de lame égale à 10 cm:
- a1 = 10/45 dans le cas centripète;
- a2 = 10/15 dans le cas centrifuge.
- a1 = 10/45 dans le cas centripète;
- a2 = 10/15 dans le cas centrifuge.
On a a1 < a2, ce qui signifie que l'instabilité est plus grande dans le cas centrifuge.
Dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, tel que présenté sur la figure 2, l'écoulement de l'eau est centripète, le puits d'évacuation étant central et entouré concentriquement par le couloir vertical d'amenée d'eau.
n est clair toutefois que de nombreux autres modes de réalisation de l'invention, mettant notamment en oeuvre un écoulement centrifuge de l'eau, peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention.
Dans le cas d'un écoulement centrifuge de l'eau, on entend par puits d'évacuation la couronne située entre le tube central 43 et le tube externe 42.
Les procédés d'utilisation d'un dispositif de régulation du débit tel que présenté sur la figure 2 sont présentés en relation avec les figures 3A, 3B et 3C.
Ces figures présentent des courbes représentatives respectivement du débit d'eau, de la pression de la chambre, et de la position d'ouverture de la vanne pneumatique en fonction du temps. Les procédés explicités correspondent aux trois cas suivants:
- augmentation du débit d'eau évacuée (I);
- interruption du phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau (II);
- diminution du débit d'eau évacuée (fui).
- augmentation du débit d'eau évacuée (I);
- interruption du phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau (II);
- diminution du débit d'eau évacuée (fui).
La pression dans la chambre (figure 3B) est toujours comprise entre zéro atmosphère, c'est-à-dire le vide parfait, et une atmosphère, c'est-à-dire la mise à l'air libre.
La position d'ouverture de la vanne pneumatique peut varier entre une position ouverte et une position fermée, cette variation étant continue grâce aux premiers moyens d'ajustement continu de cette ouverture.
Le premier cas (I) concerne une augmentation du débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'invention, et correspond au procédé suivant.
Le module de régulation génère des informations de commande telles que les premiers moyens d'ajustement continus de l'ouverture de la vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaire variable ferment la vanne pneumatique pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre. De cette façon, le vide dans la chambre augmente, fait monter l'eau dans le couloir vertical d'amenée, et par conséquent la hauteur de la lame déversante augmente également. Cette augmentation de la hauteur de lame déversante entraîne une augmentation du débit d'eau évacuée.
Après cette première période de temps, les premiers moyens d'ajustement continu augmentent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une deuxième période de temps. De cette façon, le vide dans la chambre diminue progressivement alors que le débit continue à augmenter lentement jusqu'à la valeur de débit à atteindre.
Enfin, les premiers moyens d'ajustement maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique obtenue à la fin de la deuxième période de temps. Cette ouverture est telle qu'elle permet de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour la valeur de débit atteinte à la fin de la deuxième période de temps.
Le troisième cas (fui) concerne une diminution du débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'invention et correspond au procédé suivant.
Le module de régulation génère des informations de commande telles que les premiers moyens d'ajustement continu de l'ouverture de la vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaire variable augmentent cette ouverture, pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre. De cette façon, le vide dans la chambre diminue, la hauteur de la lame déversante également, et par conséquent, le débit d'eau diminue.
Après cette première période de temps, les premiers moyens d'ajustement continu diminuent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique, pendant une deuxième période de temps. De cette façon, le vide dans la chambre augmente, alors que le débit continue à augmenter jusqu'à la valeur de débit à atteindre.
Enfin, les premiers moyens d'ajustement continu maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique obtenue à la fin de la deuxième période de temps. Cette position d'ouverture est telle qu'elle permet de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide pour la valeur de débit atteinte à la fin de cette seconde période de temps.
La mise en oeuvre de ces deux procédés n'est possible que si le dispositif de régulation comprend des moyens permettant d'ajuster de façon continue l'ouverture de la vanne pneumatique.
Le premier cas et le troisième cas correspondent aux situations classiques de changement de débit dû à un encrassement des cuves et/ou à l'indisponibilité d'une ou plusieurs cuves pour cause de nettoyage. Ces cas sont parfaitement connus et gérés.
Le deuxième cas (II) concerne une diminution rapide du débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'invention afin d'interrompre un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau. Un tel phénomène se produit par exemple si on augmente fortement la hauteur de la lame déversante. En effet, des perturbations entraînant de l'air dans le puits d'évacuation se produisent (phénomène de Vortex), ce qui augmente le vide dans la chambre à dépression et fait monter la hauteur de la lame déversante. Cette augmentation de la hauteur de la lame déver
Le cas échéant, plusieurs impulsions successives, espacées dans le temps de façon adéquate, selon une périodicité établie par les moyens de régulation (que l'homme du métier pourra programmer de façon adéquate à cet effet), permettent de préserver la stablité du système d'écoulement, tout en atteignant des valeurs de débit importantes.
Ainsi, selon les essais réalisés, le dispositif selon l'invention peut fonctionner en régulation de débit jusqu'à 100% du débit maximal alors que les dispositifs antérieurs connus ne peuvent aller au-delà de 80% du débit maximum, c'est-à-dire au delà de la limite supérieure d'amorçage du processus divergent. En effet, au-delà de 80%, ces dispositifs ne sont plus capables d'interrompre le phénomène divergent sans interrompre le fonctionnement de l'installation.
Claims (9)
1. Dispositif de régulation de débit à déversement, notamment pour cuves de filtration (1A à 1F) dans les installations de traitement des eaux, du type comprenant un couloir (15) vertical d'amenée d'eau terminé à sa partie supérieure par une chambre (18), à dépression contrôlée, de déversement du liquide dans un puits (16) d'évacuation, le dispositif incluant une trompe à vide (19) immergée dans le couloir (15) d'amenée d'eau et comprenant une conduite (20) d'aspiration d'eau connectée à ladite chambre (18) à dépression, l'air contenu dans ladite chambre (18) étant aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide (19) de façon à mettre ladite chambre (18) en dépression, la dépression créée dans la chambre (18) par ladite trompe à vide (19) permettant de faire monter l'eau dans le couloir (15) vertical d'amenée jusqu'à la chambre (18) afin d'obtenir une lame déversante (22) qui s 'évacue par le puits (16) d'évacuation, le débit d'eau évacuée dans le puits (16) étant essentiellement fonction de la hauteur (h) de ladite lame déversante (22), et donc de la dépression de la chambre (18), caractérisé en ce que ladite chambre (18) à dépression est connectée à l'atmosphère à travers une vanne pneumatique (23,24), ladite vanne pneumatique étant pilotée par: - des premiers moyens (26) d'ajustement continu de l'ouverture de ladite vanne pneumatique (23) à des positions d'ouverture intermédiaire variable, le degré d'ouverture de ladite vanne (23) étant notamment calculé dynamiquement par lesdits premiers moyens (26) d'ajustement en fonction du débit d'air aspiré par la trompe à vide (19), chaque valeur de débit d'eau correspondant à une position distincte d'ouverture de ladite vanne pneumatique (23), ladite ouverture permettant en régime constant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide (19), et - des seconds moyens (28) de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture de ladite vanne pneumatique (24), lesdits premiers moyens (26) d'ajustement continu et lesdits second moyens (28) de commande d'impulsions d'ouverture-fermeture étant asservis par des informations (33,34) de commande générées par un module (30) de régulation du débit d'eau évacuée dans ledit puits (16) d'évacuation.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite vanne pneumatique est constituée: - d'une première vanne pneumatique (23) d'ajustement pilotée par lesdits premiers moyens (26) d'ajustement continu de l'ouverture de ladite vanne pneumatique à des positions d'ouverture intermédiaire variable; - d'une seconde vanne pneumatique (24) rapide, pilotée par lesdits seconds moyens (28) de commande d'impulsion d'ouverture-fermeture brusque de ladite vanne pneumatique.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit module (30) de régulation fournit lesdites informations (33,34) de commande en fonction:
- d'une part d'une information (32) de hauteur (h) de lame déversante (22) fournie par un capteur (27) de niveau d'eau montée dans ladite chambre (18) de dépression, ladite information (32) de hauteur (h) de lame déversante (22) étant représentative du débit d'eau évacuée, et
- d'autre part d'une valeur de consigne (39) de débit d'eau à filtrer.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite valeur de consigne (39) de débit d'eau est fournie par un module (36) de commande situé en amont de ladite cuve de filtration (lA), à partir d'une information (39) représentative du débit d'eau alimentant ladite cuve de filtration (lA).
5. Installation de filtration des eaux du type comprenant une pluralité de cuves de filtration (1A à 1F) alimentées en parallèle à partir d'une galerie (3) commune d'alimentation en eaux à filtrer, caractérisée en ce que chacune desdites cuves de filtration (1A à 1F) comporte en aval un dispositif de régulation (2A à 2F) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et en ce que ledit module (36) de commande fournit une même valeur de consigne (39) à chacun des dispositifs.
6. Procédé permettant d'augmenter le débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit module (30) de régulation génère des informations (34) de commande telles que lesdits premiers moyens (26) d'ajustement continu:
- ferment la vanne pneumatique (23) pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre, de façon que le vide dans la chambre (18) augmente, que la hauteur (h) de la lame déversante (22) augmente, et donc que le débit d'eau augmente;
- augmentent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique (23), pendant une deuxième période de temps, de façon que le vide dans la chambre (18) diminue, le débit continuant à augmenter jusqu'à ladite valeur de débit à atteindre;
- maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique (23) obtenue à la fin de la deuxième période de temps en permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide (19) pour ladite valeur de débit à atteindre.
7. Procédé permettant de diminuer le débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit module (30) de régulation génère des informations (34) de commande telles que lesdits premiers moyens (26) d'ajustement continu:
- augmentent l'ouverture de la vanne pneumatique (23), pendant une première période de temps calculée en fonction d'une valeur de débit à atteindre, de façon que le vide dans la chambre (18) diminue, que la hauteur (h) de la lame déversante (22) diminue, et donc que le débit d'eau diminue;
- diminuent progressivement l'ouverture de la vanne pneumatique (23), pendant une deuxième période de temps, de façon que le vide dans la chambre (18) augmente, le débit continuant à augmenter jusqu'à ladite valeur de débit à atteindre;
- maintiennent la position d'ouverture de la vanne pneumatique (23), obtenue à la fin de la deuxième période de temps en permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide (19) pour ladite valeur de débit à atteindre.
8. Procédé permettant de diminuer rapidement le débit d'eau évacuée par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, en réaction à un phénomène divergent d'augmentation du débit d'eau, caractérisé en ce que ledit module (30) de régulation génère des informations (33,34) de commande selon le cycle suivant:
- lesdits seconds moyens (28) de commande d'impulsions d'ouverturefermeture ouvrent de façon essentiellemnt totale pendant un laps de temps très court la vanne pneumatique (24) de façon que le vide dans la chambre (18) diminue fortement, que la hauteur (h) de la lame déversante (22) diminue fortement, et donc que le débit d'eau atteigne une valeur suffisamment faible pour interrompre ledit phénomène divergent;
- lesdits premiers moyens (26) d'ajustement continu maintiennent après ledit laps de temps très court, une position d'ouverture de la vanne pneumatique
(24) permettant de compenser la perte d'air aspiré par le courant d'eau traversant la trompe à vide (19) pour ladite valeur de débit atteinte.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit cycle est reproduit répétitivement de façon à casser le phénomène divergent tout en maintenant un débit d'eau évacuée élevé.
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1992
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1993
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Patent Citations (2)
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