EP0184952B1 - Régénérateur d'air au moyen d'un Venturi à jet d'oxygène - Google Patents
Régénérateur d'air au moyen d'un Venturi à jet d'oxygène Download PDFInfo
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- EP0184952B1 EP0184952B1 EP85402173A EP85402173A EP0184952B1 EP 0184952 B1 EP0184952 B1 EP 0184952B1 EP 85402173 A EP85402173 A EP 85402173A EP 85402173 A EP85402173 A EP 85402173A EP 0184952 B1 EP0184952 B1 EP 0184952B1
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- F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
- F24F13/26—Arrangements for air-circulation by means of induction, e.g. by fluid coupling or thermal effect
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
- F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
- F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
- F04F5/46—Arrangements of nozzles
Definitions
- the present invention relates to individual air regenerators or for collective premises, absorbing carbon dioxide under the effect of a Venturi ensuring the suction of air through a cartridge by means of a nozzle placed in the Venturi axis and connected to a pressurized oxygen reserve.
- a Venturi ensuring the suction of air through a cartridge by means of a nozzle placed in the Venturi axis and connected to a pressurized oxygen reserve.
- the quantity of regenerated air When it comes to supplying regenerated air to a closed enclosure, such as premises or cockpits, the quantity of regenerated air must correspond to a minimum ensuring the personnel therein an amount of breathable air allowing a certain expenditure of energy, for example for the execution in the confined space of certain works. It is accepted that such an activity, for example of the order of 100 watts, requires a minimum supply of 37 liters of regenerated air per minute per person.
- Respirators of the aforementioned kind operating without any energy input to ensure the suction of stale air through the absorbent cartridge other than that of the expansion energy of compressed oxygen and injected into the Venturi, consume 1 liter of oxygen at atmospheric pressure, which leads to a minimum volumetric yield: Q 2 and 0 1 being respectively the quantity of regenerated air and the quantity of oxygen injected in liters.
- the present invention is based on the discovery of the extraordinarily high potential for air entrainment using Venturi that presents an oxygen jet whose molecules are reoriented and whose speed distribution becomes anisotropic and does not follow the function Maxwell distribution.
- the movement of a molecule is characterized by a vector of its position in space r and the vector of its speed w. the function f (rwt) being the simple speed distribution function.
- a speed distribution function is anisotropic, if it only depends on the module of w and not on its orientation.
- the gas in the classical calculation of injectors, we consider the gas as a perfect gas, that is to say a gas whose molecules have an isotropic distribution in direction and a Maxwellian distribution of speeds. These conditions are approximately fulfilled, when the nozzle duct is cylindrical, of a great length compared to its diameter. The pressure drop in the duct is then large compared to that in the outlet end or nozzle and the expansion energy is mainly used to heat the oxygen cooled by its expansion.
- the volumetric efficiency easily exceeds the efficiency of 37, which provides a minimum volume of regenerated air to personnel working in a closed enclosure.
- This increased potential to entrain large amounts of air through the Venturi can be explained by the fact that in a jet of oriented molecules there are few side collisions between the oxygen molecules and that all the energy dissipated in lateral collisions it will be in collisions with the entrained air, thus giving a good volumetric efficiency of the Venturi.
- the carbon dioxide absorbent cartridge air regenerator comprising a Venturi ensuring the suction of air through the cartridge by means of a nozzle opening axially upstream of the narrowed section of the Venturi and connected to an oxygen reserve under pressure according to the invention is characterized in that the nozzle of the nozzle consists of a relatively thin wall, in which a calibrated orifice is pierced and whose thickness at the location of the bore is at most equal to the diameter of the orifice, so that 'at the exit of the nozzle the molecules of the oxygen jet are reoriented and the distribution of their speeds becomes anisotropic different from the distribution according to the Maxwell function.
- a jet of oxygen with reoriented molecules can be produced by means of a nozzle constituted by a relatively large tube, for example of 2 mm in diameter ending with a nozzle formed by a calibrated orifice of clear contour with a diameter of 0 , 15 to 0.25 mm drilled in a relatively thin wall, for example 0.01 mm thick.
- a wall pierced with an orifice can be produced in a metallic sheet of copper or aluminum, which is pierced using a suitable tool.
- Another way of making the nozzle consists in crimping at the end of the tube a clockwork clasp in ruby, sapphire or cupro-beryllium, the flat face of which faces outward and which is pierced with a central orifice whose diameter varies between 0.15 and 0.25 mm.
- the Venturi used can be of variable shape. They can be symmetrical with the inlet and outlet horns of the same length or asymmetrical, the outlet horn being longer than the inlet horn.
- the oxygen supply pressure is not a critical element, very acceptable volumetric yields are obtained in the pressure range of 0.5 to 2 bars.
- the jet is directed perpendicularly to a target formed by a surface of water covering a white screen immersed in a few centimeters of water.
- the vacuum of the surface under the oxygen jet is observed - and its diameter is measured, when a beam of light parallel to the screen is sent through the liquid.
- the depression creates a shadow circle on the screen, the diameter of which varies with the flow rate of the nozzle and the distance from the nozzle to the water surface.
- this control system it is possible to determine the distance from the nozzle of the nozzle of the narrowed section as a function of the pressure of the oxygen flow so that the diameter of the section of the jet thus measured at free air is substantially equal to the location of the narrowed section of the Venturi to the diameter of this section.
- the air regenerator shown comprises a cylindrical duct 4 closed from below, in which is placed a Venturi 1, the outlet horn 1 a of which is fixed inside the duct 4 by welding and is connected to an outlet tube 3 regenerated air.
- the opposite wall of the duct 4 is in the form of a disc pierced with a central opening for the passage of a nozzle 2 connected via a duct 8 to the regulator of a cylinder of compressed oxygen.
- the end of the inlet horn 1b is open and opens freely inside the cylindrical duct 4.
- This duct communicates with two filter cartridges 5 for absorbing carbon dioxide, arranged on either side of the cylindrical duct 4.
- the cartridges 5 are fixed in a removable manner by application with pressure on a plastic seal.
- the nozzle 2 has a nozzle shown in FIG. 2.
- a nozzle 10 provided with a circular shoulder 11 intended to bear on a support 12, ends in a narrowed section at the end of which is set a ruby 13.
- This watch ruby is cut so as to present a flat face 14 to which opens a calibrated orifice 15 of 0.20 mm in diameter.
- the inner face of the ruby is cut so as to have a hollow 16, which reduces its thickness at the location of the hole to 0.20 mm.
- the Venturi used is asymmetrical in shape. Its very flared entry horn measures 20 mm, its conical exit horn 60 mm long ends with a 30 mm diameter flare. The diameter of the narrowed section of the Venturi is 12 mm.
- the internal diameter of the nozzle at the point of section shrinkage is 2 mm.
- the thickness of the ruby at the location of the hole is 0.2 mm.
- the pressure drop caused by the mounting of an absorbent cartridge reduces the volumetric efficiency by 10%, the end piece intended for the other cartridge being blocked.
- the yield only drops by 5% when two cartridges are fitted.
- the choice of the distance between the nozzle of the nozzle and the narrowed section of the Venturi is the subject of the measurements, the results of which are recorded in FIG. 5.
- the two curves 1 and 2 represent the variations in the regenerated air flow rate Q 2 with the distance from the nozzle of the narrowed section of the Venturi for a Venturi whose narrowed section has a diameter of 12 mm and for oxygen flows of 1 bar (curve 1) and 2 bars (curve 2).
- the optimum flow is between 20 and 40 mm apart.
- the device according to the invention constitutes an undeniable progress in the field of the supply of regenerated air in a closed enclosure, because it makes it possible to produce an increased supply and largely sufficient to ensure the breathing comfort of the people who are there in the by means of a compact device without any external energy supply other than that of expansion of a compressed oxygen cylinder.
Description
- La présente invention se rapporte aux régénérateurs d'air individuels ou pour locaux collectifs, absorbant le dioxyde de carbone sous l'effet d'un Venturi assurant l'aspiration d'air à travers une cartouche au moyen d'une tuyère placée dans l'axe du Venturi et reliée à une réserve d'oxygène sous pression. Un tel appareil est décrit dans le document : TRANSACTION OF THE A. S. M. E., JOURNAL OF ENGINEERING FOR INDUSTRY, vol. 105, n° 1, févr. 1983, p. 54-59, New York, US ; P. G. SEXTON et al. : « Computer simulation of breathing systems for divers •.
- Lorsqu'il s'agit d'alimenter en air régénéré une enceinte fermée, telle que des locaux ou des habitacles, la quantité d'air régénéré doit correspondre à un minimum assurant au personnel qui s'y trouve une quantité d'air respirable permettant une certaine dépense d'énergie, par exemple pour l'exécution dans l'espace clos de certains travaux. On admet, qu'une telle activité, par exemple de l'ordre de 100 Watt, nécessite un apport minimum de 37 litres d'air régénéré à la minute par personne.
- Des appareils respiratoires du genre précité, fonctionnant sans aucun apport d'énergie pour assurer l'aspiration d'air vicié à travers la cartouche absorbante autre que celui de l'énergie de détente d'oxygène comprimé et injecté dans le Venturi, consomment 1 litre d'oxygène sous pression atmosphérique, ce qui conduit à un rendement volumétrique minimum :
- Pour obtenir un tel rendement volumétrique, on était obligé jusqu'à présent de recourir à l'utilisation de deux injecteurs en série, fonctionnant avec de l'oxygène détendu au moyen d'un détendeur à deux étages. Un tel détendeur est onéreux et de fonctionnement délicat. En outre, l'installation est encombrante, car elle nécessite également deux Venturi placés en série. Finalement, le rendement volumétrique baisse rapidement avant l'épuisement de la bouteille, lorsque la pression dans la bouteille atteint celle du détendeur supérieur, ce qui réduit le volume d'oxygène utile d'environ 10 %. La présente invention repose sur la découverte du potentiel extraordinairement élevé pour l'entrainement d'air à l'aide de Venturi que présente un jet d'oxygène dont les molécules sont réorientées et dont la distribution de vitesses devient anisotrope et ne suit pas la fonction de distribution de Maxwell.
- Il faut rappeler, que les molécules constituant un gaz en équilibre sont animées à tout instant de mouvements désordonnés qui constituent ce qu'on appelle l'agitation thermique.
- Pour décrire l'état microscopique d'un gaz, on doit se contenter d'expressions statistiques qu'on appelle les fonctions de distribution de vitesses et qui sont des grandeurs de base de la théorie cinétique des gaz. Le mouvement d'une molécule est caractérisé par un vecteur de sa position en espace r et le vecteur de sa vitesse w.
- Dans le calcul classique des injecteurs, on considère le gaz comme un gaz parfait, c'est à dire un gaz dont les molécules ont une répartition isotrope en direction et une répartition maxwellienne des vitesses. Ces conditions sont approximativement remplies, lorsque le conduit de la tuyère est cylindrique, d'une longueur grande par rapport à son diamètre. La perte de charge dans le conduit est alors grande par rapport à celle dans l'extrémité de sortie ou ajutage et l'énergie de détente est principalement utilisée pour réchauffer l'oxygène refroidi par sa détente.
- Par contre, si la détente se fait par un orifice en paroi mince, toute l'énergie de détente est utilisée pour réorienter les molécules dont la répartition des vitesses devient anisotrope. On se trouve dans le cas de la distribution instationnaire (la distribution dépend de t), inhomogène (la distribution dépend de r).et anisotrope (distribution dépend de w et de r).
- La notion de température disparaît et se trouve remplacée par un champ tensoriel de températures cinétiques. Cette température cinétique dans l'axe du jet peut descendre à moins d'un degré du zéro absolu. De même, la discontinuité des fonctions, lors du passage aux vitesses supersoniques, disparaît, la vitesse du son devenant elle-même fonction de l'orientation par rapport à l'axe du jet.
- Pour de telles molécules orientées, le rendement volumétrique dépasse aisément le rendement de 37, qui apporte un volume minimum d'air régénéré au personnel travaillant dans une enceinte close. Ce potentiel accru pour entraîner de grandes quantités d'air à travers le Venturi peut s'expliquer par le fait, que dans un jet de molécules orientées il y a peu de collisions latérales entre les molécules d'oxygène et que toute l'énergie dissipée en collisions latérales le sera en collisions avec l'air entraîné, donnant ainsi un bon rendement volumétrique du Venturi.
- Le régénérateur d'air à cartouche absorbant le dioxyde de carbone comportant un Venturi assurant l'aspiration d'air à travers la cartouche au moyen d'une tuyère débouchant axialement en amont de la section rétrécie du Venturi et reliée à une réserve d'oxygène sous pression selon invention, est caractérisé en ce que l'ajutage de la tuyère est constitué par une paroi relativement mince, dans laquelle est percé un orifice calibré et dont l'épaisseur à l'endroit du perçage est au plus égale au diamètre de l'orifice, de sorte qu'à la sortie de la tuyère les molécules du jet d'oxygène sont réorientées et la distribution de leurs vitesses devient anisotrope différente de la distribution suivant la fonction de Maxwell. Un jet d'oxygène à molécules réorientées peut être réalisé au moyen d'une tuyère constituée par un tube relativement large, par exemple de 2 mm de diamètre se terminant par un ajutage formé par un orifice calibré de contour net d'un diamètre de 0,15 à 0,25 mm percé dans une paroi relativement mince, par exemple de 0,01 mm d'épaisseur. Une telle paroi percée d'orifice peut être réalisée dans une feuille métallique de cuivre ou d'aluminium, que l'on perce à l'aide d'un outil approprié.
- Une autre façon de réaliser l'ajutage consiste à sertir à l'extrémité du tube une crapaudine d'horlogerie en rubis, saphir ou en cupro-béryllium dont la face plane est tournée vers l'extérieur et qui est percée d'un orifice central dont le diamètre varie entre 0,15 et 0,25 mm.
- Les Venturi utilisés peuvent être de forme variables. Ils peuvent être symétriques avec les cornets d'entrée et de sortie de même longueur ou asymétriques, le cornet de sortie étant plus long que le cornet d'entrée. La pression d'alimentation en oxygène ne constitue pas un élément critique, des rendements volumétriques très acceptables sont obtenus dans la plage de pressions de 0,5 à 2 bars.
- Des essais ont démontré qu'il existe un rapport critique entre le diamètre de la section rétrécie du Venturi et la distance à laquelle est placé l'ajutage de la tuyère en amont de la section rétrécie du Venturi, pour une pression d'oxygène donnée. De préférence, cette distance est telle, que le diamètre de la section du jet d'oxygène, mesuré à l'air libre, à l'endroit de la section rétrécie du Venturi est sensiblement égal au diamètre de cette section.
- Pour contrôler la forme du jet et en particulier mesurer son diamètre à une distance donnée, on dirige le jet perpendiculairement sur une cible constituée par une surface d'eau recouvrant un écran blanc immergé sous quelques centimètres d'eau. La dépression de la surface sous le jet d'oxygène est observée-et son diamètre est mesuré, lorsqu'on envoie un faisceau de lumière parallèle à l'écran à travers le liquide. La dépression crée un cercle d'ombre sur l'écran dont le diamètre varie avec le débit de la tuyère et la distance de celle-ci à la surface d'eau.
- Grâce à ce système de contrôle, on peut déterminer la distance de l'ajutage de la tuyère de la section rétrécie en fonction de la pression du débit d'oxygène de façon à ce que le diamètre de la section du jet ainsi mesuré à l'air libre soit sensiblement égal à l'endroit de la section rétrécie du Venturi au diamètre de cette section.
- D'autres particularités de l'invention apparaîtront à la lumière de mesures de divers paramètres et d'un mode de réalisation d'un régénérateur individuel selon l'invention présenté à titre d'exemple, illustrés par des graphiques et dessins, dont
- la figure 1 montre en coupe axiale un régénérateur selon l'invention,
- la figure 2 un ajutage en coupe axiale formé d'un rubis d'horlogerie
- la figure 3 un graphique donnant les variations du rendement volumétrique Qz/Qi en fonction de la pression de l'oxygène
- la figure 4 un graphique montrant les variations du rendement volumétrique en fonction du diamètre de la section rétrécie d'un Venturi
- la figure 5 un graphique donnant les variations du débit d'air régénéré O2 en fonction de la distance de l'ajutage de la tuyère de le section rétrécie du Venturi d'un diamètre donné.
- Le régénérateur d'air représenté comprend un conduit cylindrique 4 fermé par le bas, dans lequel est placé un Venturi 1 dont le cornet de sortie 1 a est fixé à l'intérieur du conduit 4 par soudure et est raccordé à un tube 3 de sortie d'air régénéré. La paroi opposée du conduit 4 se présente sous forme d'un disque percé d'une ouverture centrale pour le passage d'une tuyère 2 branchée par l'intermédiaire d'un conduit 8 sur le détendeur d'une bouteille d'oxygène comprimé. L'extrémité du cornet d'entrée 1b est ouverte et débouche librement à l'intérieur du conduit cylindrique 4. Ce conduit communique avec deux cartouches filtrantes 5 pour l'absorption de dioxyde de carbone, disposées de part et d'autre du conduit cylindrique 4. La fixation des cartouches 5 s'effectue de façon démontable par application avec pression sur un joint en matière plastique.
- La tuyère 2 possède un ajutage représenté à la figure 2. Un embout 10 muni d'un épaulement circulaire 11 destiné à prendre appui sur un support 12, se termine par une section rétrécie à l'extrémité de laquelle est serti un rubis 13. Ce rubis d'horlogerie est taillé de façon à présenter une face plane 14 à laquelle débouche un orifice calibré 15 de 0,20 mm de diamètre. La face intérieure du rubis est taillée de façon à présenter un creux 16, ce qui réduit son épaisseur à l'endroit du perçage à 0,20 mm. Le Venturi utilisé est de forme asymétrique. Son cornet d'entrée, très évasé, mesure 20 mm, son cornet de sortie de forme conique d'une longueur de 60 mm se termine par un évasement de 30 mm de diamètre. Le diamètre de la section rétrécie du Venturi est de 12 mm.
- Le diamètre intérieur de la tuyère à l'endroit du rétrécissement dé section est de 2 mm. L'épaisseur du rubis à l'endroit du perçage est de 0.2 mm. La détente d'oxygène au niveau du rétrécissement du Venturi provoque en amont une dépression qui a pour effet d'aspirer l'air pollué à travers les cartouches, le faire passer à l'intérieur du Venturi où il se mélange à l'oxygène et de faire sortir par le tube 3 un mélange d'air épuré et d'oxygène pur.
- En faisant varier la pression d'oxygène entre 0,5 et 2 bars, on a montré à la figure 3 son influence sur le rendement volumétrique Q2/Q, pour deux Venturi de forme différente, ayant le même diamètre de la section de rétrécissement. On voit que les rendements volumétriques restent largement au-dessus de la norme que l'on s'est fixée, à savoir 37 litres d'air régénéré par litre d'oxygène injecté. Les rendements pour une pression d'un bar diffèrent entre un Venturi à forme symétrique (courbe 1) et un Venturi à forme asymétrique (courbe 2) et varient de 6 % seulement, ce qui prouve que la forme du Venturi ne constitue pas un critère important de choix.
- Selon les essais, la perte de charge occasionnée par le montage d'une cartouche absorbante fait baisser le rendement volumétrique de 10 %, l'embout destiné à l'autre cartouche étant bouché. Le rendement ne baisse que de 5 %, lorsque deux cartouches sont montées.
- Les essais dont les résultats sont consignés sur le graphique de la figure 4 permettent d'apprécier, pour un Venturi de forme donné (diamètre de sortie de 30 mm) et pour une pression d'oxygène donnée (1 bar), la variation du rendement volumétrique avec la variation du diamètre de la section rétrécie du Venturi. On remarque que le rendement est de l'ordre de 90 pour un diamètre de la section situé entre 10 et 15 mm, lorsque les mesures sont effectuées avec des distances optimales entre l'ajutage de la tuyère et la section rétrécie du Venturi pour chaque diamètre.
- Le choix de la distance entre l'ajutage de la tuyère et la section rétrécie du Venturi fait l'objet des mesures dont les résultats sont consignés à la figure 5. Les deux courbes 1 et 2 représentent les variations du débit d'air régénéré Q2 avec la distance de l'ajutage de la section rétrécie du Venturi pour un Venturi dont la section rétrécie possède un diamètre de 12 mm et pour des débits d'oxygène de 1 bar (courbe 1) et de 2 bars (courbe 2). Dans le cas considéré, l'optimum de débit se situe entre 20 et 40 mm de distance. Ces distances correspondent à des formes de jets telles, que le diamètre de leur section, mesuré à l'air libre, est sensiblement égal à l'endroit de la section rétrécie au diamètre de celle-ci.
- Des courbes semblables peuvent être tracées pour chaque diamètre et chaque pression. De façon générale, on a trouvé, que pour une pression d'oxygène variant de 1 à 2 bars, l'ajutage de la tuyère étant situé à une distance de 20 à 40 mm en amont de la section rétrécie du Venturi dont le diamètre varie entre 8 et 12 mm, les rendements volumétriques obtenus étaient optimals de l'ordre de 90.
- Le dispositif selon l'invention constitue un progrès indéniable dans le domaine de l'alimentation en air régénéré dans une enceinte close, car il permet de réaliser une alimentation accrue et largement suffisante pour assurer le confort de respiration aux personnes qui s'y trouvent au moyen d'un appareil de faible encombrement sans apport d'énergie extérieure autre que celle de détente d'une bouteille d'oxygène comprimé.
Claims (7)
1. Régénérateur d'air muni d'une cartouche (5) absorbant le dioxyde de carbone comportant un Venturi (1) assurant l'aspiration d'air à travers la cartouche au moyen d'une tuyère (2) débouchant axialement en amont de la section*rétrécie du Venturi et reliée à une réserve d'oxygène sous pression, caractérisé en ce que l'ajutage de la tuyère est constitué par une paroi relativement mince (13), dans laquelle est percé un orifice calibré (15) et dont l'épaisseur à l'endroit du perçage est au plus égale au diamètre de l'orifice, de sorte qu'à la sortie de la tuyère les molécules du jet d'oxygène sont réorientées et la distribution de leurs vitesses devient anisotrope différente de la distribution suivant la fonction de Maxwell.
2. Régénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance à laquelle est situé l'ajutage de la tuyère (2) par rapport à la section rétrécie du Venturi est telle, que le diamètre de la section du jet d'oxygène, mesuré à l'air libre, à l'endroit de la section rétrécie du Venturi est sensiblement égal au diamètre de cette section.
3. Régénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère (2) est constituée par un tube de diamètre intérieur relativement large tel qu'un tube métallique de 2 mm de diamètre, obturé à son extrémité par une paroi en matériau relativement mince, tel qu'une feuille d'aluminium de 0,01 mm d'épaisseur, percée d'un orifice central dont le diamètre varie entre 0,15 et 0,25 mm.
4. Régénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'extrémité de la tuyère (2) est sertie une crapaudine d'horlogerie (13) en rubis, saphir ou en cupro-béryllium, à paroi plane (14) orientée vers la sortie et percée d'un orifice central (15) dont le diamètre varie entre 0,15 et 0,25 mm.
5. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour une pression d'oxygène variant de 1 à 2 bars, l'ajutage de la tuyère est située à une distance de 20 à 40 mm en amont de la section rétrécie du Venturi, dont le diamètre varie de 8 à 12 mm.
6. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour un Venturi dont le diamètre de sortie est d'environ 30 mm, on fixe le diamètre de la section rétrécie à une valeur de 10 à 15 mm pour l'obtention d'un rendement volumétrique de l'ordre de 90.
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