FR2988013A1 - Separateur de phase et procede de separation correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un séparateur de phase 1 comprenant un corps 2 avec une entrée 3 apte à recevoir un fluide comprenant une phase liquide et une phase gazeuse, une première sortie 4 et une deuxième sortie 5. Le corps 2 du séparateur 1 comprend : - une portion creuse centrale 9 présentant sur sa surface externe, une gorge hélicoïdale 10, et - deux portions pleines supérieure 11 et inférieure 13. La portion creuse centrale 9 est en communication avec l'entrée 3 par un premier canal hélicoïdal 12 pratiqué dans la portion pleine supérieure 11 du corps 2 et avec la première sortie 4 par un deuxième canal hélicoïdal 14 pratiqué dans la portion pleine inférieure 13 du corps 2, la deuxième sortie 5 débouchant dans la portion creuse centrale 9 de manière à permettre l'évacuation de la phase gazeuse du fluide. L'invention concerne également un dispositif de dégazage comprenant un tel séparateur 1 et le procédé associé.

Description

B12-0033FR 1 Séparateur de phase et procédé de séparation correspondant La présente invention concerne un dispositif, et le procédé correspondant, de séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse contenues dans un fluide. Plus particulièrement, la présente invention concerne la séparation de la phase gazeuse comprise dans le circuit de liquide de refroidissement d'un moteur à combustion interne.

La présence d'air dans le circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne est préjudiciable pour le fonctionnement du moteur. En effet, l'air présent dans le circuit peut entraîner des dommages sur la pompe mécanique d'entrainement du liquide de refroidissement, avec une incidence sur l'évacuation des calories dégagées par le moteur. Par ailleurs, le circuit de circulation du liquide de refroidissement dans le moteur peut, de part son architecture, conduire localement à la formation et la stagnation de poches gazeuses limitant l'évacuation des calories. Il peut ainsi se créer des points dits chauds dans la culasse du moteur, qui peuvent générer une augmentation plus ou moins importante de la température et donc des dommages potentiellement irréversibles sur le moteur. Enfin, en cas de présence de points chauds, l'air présent dans le circuit de refroidissement peut initier une ébullition locale, entretenant et généralisant la présence d'air dans le circuit de refroidissement, en absence de purge efficace et rapide du circuit. Il est également nécessaire de purger rapidement un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne, lors d'une étape de vidange et de remplissage du liquide de refroidissement du moteur. Une telle étape permet notamment d'accélérer la montée en température du moteur lors de démarrage à froid et donc de diminuer les émissions et la consommation énergétique pendant la phase de montée en température du moteur. Par ailleurs, dans des conditions de fonctionnement sous forte charge intervenant rapidement après le démarrage, il est important de pouvoir effectuer un dégazage rapide du circuit de refroidissement en limitant le nombre de cycles nécessaires. Il est connu de séparer une phase gazeuse et une phase liquide par décantation : la séparation s'effectue grâce à la différence de densité existant entre les deux phases non-miscibles. La stratification s'effectue de manière à ce que la phase la plus légère se retrouve au-dessus de la phase la plus dense. La décantation peut être décrite comme la succession d'une première phase de coalescence localisée au niveau de la phase dispersée, en l'occurrence les bulles d'air, et d'une seconde phase de transition d'un régime diphasique dispersé à un régime à poches durant laquelle les bulles de taille suffisante remontent au-dessus de la phase liquide. Les technologies mises en oeuvre s'appuient à la fois sur la réduction de la vitesse de l'écoulement et sur l'augmentation de la pression, par exemple par un élargissement brusque et/ou l'introduction d'obstacle au sein de l'écoulement (bagues, grille, déflecteur, ...). Ces technologies favorisent ainsi la coalescence des bulles d'air et la transition vers des régimes d'écoulement diphasique plus propices à la séparation. Un exemple d'un dispositif utilisant cette méthode est le vase d' expansion. Cependant, l'efficacité de séparation suppose un volume relativement conséquent du séparateur et la nécessité d'un débit faible. Ces contraintes limitent l'usage de cette technologie pour des applications à forte problématique d'encombrement avec des débits de mélange relativement importants. Il est également connu de séparer deux phases différentes par effet centrifuge. Dans ce cas, on se sert de la vitesse de l'écoulement pour séparer le gaz du liquide. Ce résultat est obtenu grâce à la formation d'un vortex dans l'écoulement, par augmentation de la vitesse centrifuge au sein d'une conduite cylindrique verticale. La stratification annulaire qui en résulte fait que la phase la plus légère, le gaz, est concentrée sur l'axe du cylindre formé par la phase la plus dense, le liquide. L'effet centrifuge peut simplement s'appuyer sur la vitesse d'un écoulement tournant : c'est le cas des séparateurs cyclones où le vortex est créé par une entrée tangentielle du fluide de mélange. Dans d'autre cas, la séparation par effet centrifuge résulte de la mise en action d'un élément mécanique comme une pompe centrifuge. De tels séparateurs présentent de manière générale une efficacité supérieure pour des volumes plus petits, et sont surtout utilisés pour des applications à forte valeur ajoutée comme dans l'industrie offshore ou chimique, où l'utilisation d'un élément mécanique consommateur d'énergie peut être justifiée. Cependant, les séparateurs cyclones utilisant des éléments mécaniques ne s'inscrivent pas dans une logique de valorisation de source d'énergie : la consommation d'énergie induite par ces séparateurs réduit ainsi considérablement l'intérêt thermique d'un procédé de vidange et de remplissage du liquide de refroidissement du moteur. Concernant les vortex créés par la vitesse tangentielle de l'écoulement, le compromis encombrement-efficacité est légèrement amélioré par rapport aux procédés par décantation, mais supposent cependant plusieurs cycles et un temps relativement long pour purger un circuit de refroidissement au démarrage. Des exemples de dispositifs et procédés de séparation sont notamment décrits dans les documents FR 2 905 737, GB 2 440 318, W02007000242 et FR 2 924 364. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes techniques énoncés précédemment. En particulier l'invention a pour objet un dispositif permettant de séparer au moins partiellement une phase liquide et une phase gazeuse avec un encombrement réduit et une efficacité élevée permettant notamment une utilisation dans un véhicule automobile. Selon un aspect, il est proposé un séparateur de phase comprenant un corps avec une entrée apte à recevoir un fluide comprenant une phase liquide et une phase gazeuse, une première sortie et une deuxième sortie. Le corps du séparateur comprend : - une portion creuse centrale présentant sur sa surface externe, une gorge hélicoïdale, et - deux portions pleines supérieure et inférieure.

La portion creuse est en communication avec l'entrée par un premier canal hélicoïdal pratiqué dans la portion pleine supérieure du corps et avec la première sortie par un deuxième canal hélicoïdal pratiqué dans la portion pleine inférieure du corps, la deuxième sortie débouchant dans la portion creuse centrale de manière à permettre l'évacuation de la phase gazeuse du fluide. Ainsi, le séparateur utilise l'effet centrifuge pour former un vortex qui est entretenu par la forme en hélice des canaux hélicoïdaux et de la gorge hélicoïdale. Il est alors possible de concentrer plus efficacement la phase gazeuse sur l'axe de la portion creuse centrale, et de l'extraire du corps du séparateur par la deuxième sortie. L'invention permet notamment d'obtenir un séparateur de dimensions réduites facilitant l'intégration dans un véhicule et permettant la mise en oeuvre du procédé de vidange du liquide de refroidissement dans le moteur. Par ailleurs, la concentration accentuée de la phase gazeuse selon l'axe de la portion creuse centrale permet d'améliorer l'efficacité du séparateur et donc de traiter un débit de fluide plus important. Enfin, la forme du séparateur permet d'entretenir le vortex et d'assurer la séparation aussi bien en position verticale qu'en position horizontale, notamment en raison de l'incidence réduite de la gravité par rapport à la force centrifuge. Préférentiellement, le diamètre de la section de l'hélice du premier et du deuxième canal hélicoïdal est égal au diamètre de la section de l'hélice de la gorge de la portion creuse.

Préférentiellement, les spires de la gorge hélicoïdale ne sont pas jointives. Il est ainsi plus aisé de diriger la phase liquide circulant dans la portion creuse centrale selon la trajectoire hélicoïdale. Selon un mode de réalisation, la hauteur de la portion creuse est supérieure ou égale au quart de la hauteur du corps.

Selon un mode de réalisation, la hauteur de la portion pleine supérieure est supérieure ou égale au cinquième de la hauteur du corps. Selon un mode de réalisation, la hauteur de la portion pleine inférieure est supérieure ou égale au cinquième de la hauteur du corps.

Préférentiellement, une grille cylindrique apte à favoriser la coalescence de la phase gazeuse du fluide, est montée dans la portion creuse centrale. La grille permet d'accélérer le processus de coalescence et donc la formation de poches gazeuse dans la portion creuse centrale. Préférentiellement, la grille cylindrique est montée à proximité de la portion pleine inférieure. L'invention concerne également, selon un autre aspect, un dispositif de dégazage pour refroidissement d'un moteur à combustion interne, comprenant un séparateur tel que décrit précédemment et un vase d'expansion monté en aval de la deuxième sortie du séparateur. L'invention concerne enfin, selon un autre aspect, un procédé de séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse contenues dans un fluide dans lequel : - on conduit le fluide selon une trajectoire en hélice autour d'une portion creuse centrale, - on transfère au moins une partie de la phase gazeuse vers la portion creuse centrale, et - on extrait la phase gazeuse transférée dans la portion creuse centrale.

Préférentiellement, on fait coalescer les bulles de la phase gazeuse lors du transfert de la phase gazeuse vers la portion creuse centrale. D' autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de quatre modes de réalisation de l'invention nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente, de manière schématique, un séparateur selon un premier mode de réalisation de l' invention ; la figure 2 représente en perspective isométrique, une coupe du premier mode de réalisation ; la figure 3 représente une coupe du premier mode de réalisation ; la figure 4 représente en coupe un séparateur selon un deuxième mode de réalisation ; la figure 5 représente en coupe un séparateur selon un troisième mode de réalisation ; et la figure 6 représente en coupe un séparateur selon un quatrième mode de réalisation. La figure 1 représente de manière schématique, un premier mode de réalisation d'un séparateur de phase 1. Le séparateur 1 comprend un corps 2 ainsi qu'une entrée 3, une première sortie 4 et une deuxième sortie 5. Le corps 2 comprend une paroi latérale cylindrique 6 délimitée, à ses extrémités, par une face inférieure 7 et une face supérieure 8. L'entrée 3 est montée de manière tangentielle à la paroi latérale cylindrique 6, à proximité de la face supérieure 8. L'entrée 3 permet d'introduire un fluide comprenant une phase gazeuse et une phase liquide dans le séparateur 1, de manière à lui imposer un mouvement circulaire dans le corps 1. L'entrée 3 peut être montée dans un circuit de refroidissement d'un moteur à combustion interne, en aval du moteur, au niveau de la culasse, ou en aval d'un boitier de sortie d'eau de refroidissement. La première sortie 4 est également montée de manière tangentielle à la paroi latérale cylindrique 6, à proximité de la face inférieure 7. Il existe donc un dénivelé entre l'entrée 3 et la première sortie 4. La première sortie 4 permet notamment d'évacuer un fluide comprenant essentiellement la phase liquide du fluide d'entrée. La première sortie 4 peut ainsi être montée en amont d'une durite alimentant un EGR et/ou un aérotherme. La deuxième sortie 5 est une sortie axiale, montée sur la face supérieure 8 du corps 1, dans l'axe de la paroi latérale cylindrique 6.

La deuxième sortie 5 permet d'évacuer un fluide comprenant essentiellement une phase gazeuse du fluide d'entrée. La deuxième sortie 5 peut être montée en amont d'un vase d'expansion, de manière à former, avec le séparateur 1, un dispositif de dégazage.

Les figures 2 et 3 illustrent en coupe le séparateur 1. L'intérieur du corps 2 comprend une portion creuse centrale 9 dont la surface externe présente une gorge hélicoïdale 10, une portion pleine supérieure 11 avec un premier canal hélicoïdal 12 et une portion pleine inférieure 13 avec un deuxième canal hélicoïdal 14. Le premier canal hélicoïdal 12 communique avec l'entrée 3 et se prolonge au-delà de la portion pleine supérieure 11, dans la portion creuse centrale 9, par la gorge hélicoïdale 10. La gorge hélicoïdale 10 forme, dans la portion creuse centrale 9, des nervures sur la surface interne de la paroi latérale cylindrique 6 et se prolonge, au-delà de la portion creuse centrale 9, par le deuxième canal hélicoïdal 14 qui communique avec la première sortie 4. Ainsi, le premier canal hélicoïdal 12, la gorge hélicoïdale 10 et le deuxième canal hélicoïdal 14 forment un canal d'acheminement de la phase liquide du fluide d'entrée, de l'entrée 3 vers la première sortie 4. Le premier canal hélicoïdal 12, la gorge hélicoïdale 10 et le deuxième canal hélicoïdal 14 peuvent être à spires non-jointives et présenter un diamètre d'hélice identique. Plus précisément, selon le premier mode de réalisation, le canal d'acheminement comprend quatre spires non-jointives. Le canal d'acheminement permet de guider le fluide entrant dans le séparateur 1 par l'entrée 3 le long d'une trajectoire hélicoïdale formée sur la surface intérieur de la paroi latérale cylindrique 6, de manière à exercer sur ledit fluide une force centrifuge apte à conduire à la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide du fluide. La portion creuse centrale 9 communique également avec la deuxième sortie 5 qui est disposée sensiblement selon l'axe de la paroi latérale cylindrique 6. La portion creuse centrale 9 permet d'acheminer la phase gazeuse issue du fluide d'entrée par la force centrifuge, vers la deuxième sortie 5. Dans le cas du premier mode de réalisation, la portion creuse centrale 9 s'étend sur une hauteur correspondant à environ deux spires de la gorge hélicoïdale 10, et la portion pleine inférieure 13 s'étend sur une hauteur sensiblement égale à la hauteur d'une spire.

La portion creuse centrale 9 peut également comprendre des déflecteurs. En fonctionnement, le fluide comprenant la phase gazeuse et la phase liquide entre tangentiellement par l'entrée 3 dans le corps 2, parcourt le premier canal hélicoïdal 12 et débouche dans la portion creuse centrale 9 dans laquelle a lieu la séparation des deux phases. En effet, le mouvement rotationnel du fluide créé une force centrifuge proportionnelle à la densité du fluide : comme la densité de la phase gazeuse est environ mille fois plus faible que celle de la phase liquide, la phase gazeuse migre ou est transférée vers l'axe du corps 2 par la force centrifuge tandis que la phase liquide reste sur la paroi interne de la paroi latérale cylindrique 6, dans la gorge hélicoïdale 10 qui entretient le vortex formé dans le séparateur 1. L'effet de la gravité combiné à un effet d'aspiration au niveau de la deuxième sortie 5 permet d'évacuer la phase gazeuse par la deuxième sortie 5 tandis que la phase liquide est canalisée par le deuxième canal hélicoïdal 14 pour être évacuée par la première sortie 4. La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation du séparateur 1 dans lequel les éléments identiques au premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références. Dans le deuxième mode de réalisation, le deuxième canal hélicoïdal 14 est plus long et comprend deux spires. Cela correspond donc à un prolongement du canal hélicoïdal 14 dans la portion pleine inférieure 13 du séparateur 1, au-delà de la portion creuse centrale 9.

Le vortex est ainsi entretenu sur une plus grande longueur jusqu'à la première sortie 4, ce qui améliore l'efficacité du séparateur 1 par augmentation de la vitesse du fluide dans la portion pleine inférieure 13 du séparateur 1. Alternativement, il est possible de conserver la même longueur du canal d'acheminement que dans le premier mode de réalisation, mais de réduire le diamètre de la section du canal d'acheminement entre l'entrée 3 et la première sortie 4. La figure 5 illustre un troisième mode de réalisation du séparateur 1 dans lequel les éléments identiques au premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références.

Dans le troisième mode de réalisation, le premier canal hélicoïdal 12 est plus long et comprend environ deux spires et demi, tandis que le deuxième canal hélicoïdal 14 est plus court et comprend environ une demi spire. La longueur du premier canal hélicoïdal 12 permet au fluide d'entrée de parcourir plus de spires avant d'être introduit dans la portion creuse centrale 9, et donc de mieux former le vortex avant d'entrer dans la portion creuse centrale 9. La figure 6 illustre un quatrième mode de réalisation du séparateur 1 dans lequel les éléments identiques au premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références. Dans le quatrième mode de réalisation, une grille 15 capable de favoriser la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse du fluide est montée dans la partie inférieure de la portion creuse centrale 9. La grille 15 permet d'augmenter la vitesse de coalescence des bulles de la phase gazeuse lors du transfert de la gorge 10 vers la deuxième sortie 5. La grille 15 permet notamment de favoriser la formation de bulles de gaz plus grosses dans la partie inférieure de la portion creuse centrale 9, de telles bulles étant plus faciles à évacuer par la deuxième sortie 5 sous l'effet de la gravité.

Il convient également de mentionner que, grâce à la présence du canal d'acheminement qui guide le fluide dans le corps 2 de manière à former le vortex conduisant à la séparation de phase, il n'est pas nécessaire de positionner l'entrée 3 et la première sortie 4 de manière tangentielle au corps 2 : celles-ci peuvent également être montées de manière axiale au corps 2, le canal d'acheminement permettant de rediriger le fluide de manière à former le vortex. Une telle configuration peut notamment être avantageuse dans le cas d'un positionnement horizontal du séparateur 1. De même, la deuxième sortie 5 peut également être disposée du côté de la face inférieure 7, c'est-à-dire du côté de la première sortie 4. Ainsi, grâce au canal d'acheminement formé par le premier canal hélicoïdal, par le deuxième canal hélicoïdal et par la gorge hélicoïdale, il est possible de former et d'entretenir un vortex sur la longueur voulue, pour accentuer la séparation des deux phases du fluide d'entrée. On obtient alors un dispositif présentant une taille réduite et des performances élevées par rapport aux dispositifs de l'art antérieur.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Séparateur de phase (1) comprenant un corps (2) avec une entrée (3) apte à recevoir un fluide comprenant une phase liquide et une phase gazeuse, une première sortie (4) et une deuxième sortie (5), caractérisé en ce que le corps (2) du séparateur comprend : - une portion creuse (9) centrale présentant sur sa surface externe, une gorge (10) hélicoïdale, et - deux portions pleines supérieure (11) et inférieure (13), la portion creuse (9) étant en communication avec l'entrée (3) par un premier canal hélicoïdal (12) pratiqué dans la portion pleine supérieure (11) du corps (2) et avec la première sortie (4) par un deuxième canal hélicoïdal (14) pratiqué dans la portion pleine inférieure (13) du corps, la deuxième sortie (5) débouchant dans la portion creuse centrale (9) de manière à permettre l'évacuation de la phase gazeuse du fluide.
2. 2. Séparateur de phase (1) selon la revendication 1, dans lequel le diamètre de la section de l'hélice du premier (12) et du deuxième (14) canal hélicoïdal est égal au diamètre de la section de l'hélice de la gorge (10) de la portion creuse (9).
3. 3. Séparateur de phase (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les spires de la gorge hélicoïdale (10) ne sont pas jointives.
4. 4. Séparateur de phase (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur de la portion creuse (9) est supérieure ou égale au quart de la hauteur du corps (2).
5. 5. Séparateur de phase (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur de la portion pleine supérieure (11) est supérieure ou égale au cinquième de la hauteur du corps (2).
6. 6. Séparateur de phase (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur de la portion pleine inférieure (13) est supérieure ou égale au cinquième de la hauteur du corps (2).
7. 7. Séparateur de phase (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une grille cylindrique (15) apte à favoriser la coalescence de la phase gazeuse du fluide, est montée dans la portion creuse centrale (9).
8. 8. Séparateur de phase selon la revendication 7, dans lequel la grille cylindrique (15) est montée à proximité de la portion pleine inférieure.
9. 9. Dispositif de dégazage pour refroidissement d'un moteur à combustion interne, comprenant un séparateur (1) selon l'une des revendications précédentes et un vase d'expansion monté en aval de la deuxième sortie (5) du séparateur (1).
10. 10. Procédé de séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse contenues dans un fluide dans lequel : - on conduit le fluide selon une trajectoire en hélice autour d'une portion creuse centrale, - on transfère au moins une partie de la phase gazeuse dans la portion creuse centrale, et - on extrait la phase gazeuse transférée dans la portion creuse centrale.