La présente invention a pour objet un procédé et des dispositifs pour produire des émulsions par des sifflets à ultrasons.

Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils à ultrasons de mélange de flui des en vue d'obtenir des émulsions ou des suspensions d'un fluide, liquide ou gazeux, dans un liquide. II existe de nombreuses applications dans les¬ quelles il est nécessaire ou avantageux de mélanger deux fluides non miscibles pour obtenir une ëmulsion la plus fine possible d'un gaz ou d'un liquide dans un second liquide. Plus l'émulsion est fine, plus la surface de l'in- terface de contact entre les deux fluides est grande pour un même volume unitaire, ce qui a pour effet de faciliter de nombreuses réactions chimiques ou de combustion.

On a déjà construit des dispositifs composés de sifflets à ultrasons du type sifflet de Galton, ou sifflets de Hartmann ou encore sifflets à tourbillon, dans lesquels un fluide circule à grande vitesse dans un ajutage ou dans une tuyère à parois convergente ou coniques.

Afin de faciliter la construction de dispositifs industriels capables d'émulsifier des débits de fluides importants, on a proposé de construire des dispositifs à ultrasons composés d'un assemblage de cellules élémentaires identiques groupées par empilement le long d'un axe commun. Ces assemblages comportent des plaques actives comportant des découpes qui dessinent un ou plusieurs sifflets êlémen- taires, lesquelles plaques sont intercalées entre des pla¬ ques passives comportant uniquement des découpes circulai¬ res qui déterminent des canaux en se superposant.

De tels générateurs d'ultrasons sont décrits par exemple dans le brevet FR 1 195 258 et certificat d'addition No. 74 217 (J.P. BLANCHARD) , dans le brevet FR 1 377 577 (S.E.U.D.I.A.) et dans le brevet FR. 1 489 704 (STIN) .

Un des objectifs de la présente invention est de perfectionner ce type d'appareil générateur d ¹ émulsions et notamment de faciliter l'usinage des pièces entrant dans la fabrication de ces appareils ainsi que le remplace]

des pièces usagées.

Un autre objectif est de procurer des appareils émulseurs permettant de faire varier dans des limites im- portantes la finesse des émulsions sans faire varier la pression des fluides mis en émulsion.

L'invention met en oeuvre un procédé pour produire une émulsion d'un fluide, gazeux ou liquide, et d'un liquide selon lequel, de façon connue, on injecte le fluide à êmulsionner, sous pression, dans un conduit dans lequel le liquide circule sous une pression inférieure à celle dû fluide, cette injection ayant lieu à travers des sifflets à ultrasons qui débouchent dans ledit conduit par une fente. Les objectifs de l'invention sont atteints par un procédé selon lequel on fait varier la dimension des parti¬ cules en suspension dans l'émulsion en 'faisant varier la largeur de la fente, la pression du fluide et du liquide restant constantes. Un dispositif selon l'invention comporte au moins deux conduits cylindriques parallèles, un premier conduit dans lequel ledit fluide circule sous pression et un deuxième conduit dans lequel ledit liquide circule sous une pression inférieure à celle dudit fluide, lesquels conduits communiquent entre eux par des ajutages à travers lesquels s'écoule ledit fluide et qui constituent des sifflets à ultrasons et lesdits conduits communiquent entre eux par un couloir qui s'étend sur toute la longueur des deux conduits et qui est délimité par deux parois parallèles aux génératrices des deux conduits qui conver¬ gent l'une vers l'autre en allant vers le deuxième conduit où elles sont séparées par une fente étroite et le dispo¬ sitif comporte, en outre, des moyens pour faire varier la largeur de ladite fente, de sorte que ledit fluide qui s'écoule à travers ledit couloir en produisant des ultrasons est divisé en particules qui sont mises en sus¬ pension dans ledit liquide et, en faisant varier la largeur de la fente, on fait varier le diamètre de ces particules, les pressions du fluide et du liquide restant constantes. Une des deux parois qui délimitent chacun des ..-— ^*

couloirs est mobile et ledit dispositif comporte des moyens pour la déplacer afin de faire varier la largeur de la fente située à l'extrémité du couloir. De préférence, un dispositif selon l'invention comporte un troisième conduit cylindrique disposé entre le premier et le deuxième conduit comportant une ouver¬ ture longitudinale sur toute sa hauteur par laquelle il communique avec le deuxième conduit et ledit couloir débouche dans ladite ouverture tangentiellement au troisi me conduit, de sorte que le fluide qui sort dudit couloi par ladite fente étroite, tourbillonne dans ce troisième conduit qui fait fonction de cavité de résonance, puis s'échappe vers le deuxième conduit à travers ladite ou- verture en recoupant le jet de fluide sortant dudit couloir.

Selon un mode de réalisation préférentiel, le corps d'un dispositif selon l'invention comporte un premier bloc parallélépipédique, sur toute la hauteur duquel est creusée une cavité qui débouche sur une des faces latérales dudit bloc et dont les parois latérales comportent plusieurs cannelures cylindriques parallèles et ledit corps comporte un deuxième bloc parallélépipé¬ dique qui est assemblé contre ladite face latérale du premier bloc et qui porte sur toute sa hauteur au moins une lame en biseau, en un matériau résistant à la corrosion, qui s'engage dans ladite cavité et qui est usinée avec une grande précision suivant un profil horizontal oui coopère avec la section horizontale desdites cannelures et qui délimite avec celles-ci au moins trois conduits cylindriques ainsi qu'une ouverture verticale qui fait communiquer deux conduits entre eux et un couloir de forme convergente qui part du premier conduit et qui débouche dans ladite ouverture par une fente.

Les lames en biseau sont montées chacune sur un bloc mobile qui coulisse entre les parois latérales de ladite cavité qui guident ledit bloc mobile et chacun desdits blocs mobiles comporte un alésage fileté dans lequel on visse une vis micromêtrique qui permet de

déplacer ledit bloc pour faire varier la largeur de la fente.

L'invention a pour résultat de noveaux moyens pour produire industriellement et en continu des émulsions ou des suspensions d'un fluide et d'un liquide. Le fluide mis en suspension peut être un gaz ou bien un liquide non miscible avec l'autre liquide.

Les procédés et dispositifs selon l'invention pré- sentent l'avantage de permettre de faire varier très facilement le diamètre des particules en suspension, à l'intérieur d'une plage étendue, en utilisant uniquement des moyens .de déplacement mécaniques, sans avoir à faire varier la pression du fluide ou du liquide. Les inventeurs ont découvert que le diamètre des particules mises en suspension variait en fonction de la largeur de la fente suivant une loi continue bien déterminée qui peut être établie expérimentalement pour chaque couple de fluide et de liquide, ce qui permet d'obtenir une finesse d'émulsion bien déterminée. De plus, dans chaque application particulière, on peut faire varier la finesse de l'émulsion pour rechercher l'émulsion qui conduit aux meilleurs résultats.

Un autre avantage des dispositifs émulseurs selon l'invention réside dans le fait que les pièces qui consti¬ tuent les parois des sifflets à ultrasons sont des pièces rapportées qui peuvent être usinées séparément avec une très grande précision dans un métal extrader, qui résiste à l'abrasion, par exemple en carbure de tungstène, qui est un métal cher et difficile a usiner, ce qui permet de réduire la dépense de matière et d'usinage et de remplacer uniquement les pièces exposées à l'usure par le courant de fluide à grande vitesse qui ^" circule dans les sifflets. Comparée aux dispositifs connus qui sont composés d'un empilage de plaques découpées, la structure des appa¬ reils selon l'invention qui comporte une fente unique sur toute la hauteur de l'appareil, permet de réduire le nombre d'opérations d'usinage et surtout d'obtenir une fente dont „-r - ^r

les bords sont parfaitement rectilignes et parallèles et dont la largeur est constante, ce qui permet d'obtenir sur toute la hauteur du sifflet des fréquences ultrasonores qui restent à l'intérieur d'une même bande étroite.

Les dispositifs selon l'invention peuvent trouver des applications dans tous les cas où il est néces saire ou avantageux de produire une émulsion ou une sus¬ pension d'un fluide dans un liquide. Nous citerons, à titre d'exemple non limitatif, la production d'émulsions d'air et d'un combustible liqui¬ de, par exemple avant l'entrée dans un brûleur ou dans un moteur à explosion, _}.a production d'émulsions acides ou basiques de bitume utilisées pour les revêtements routiers, la production d'émulsions d'huile comestible et d'un gaz par exemple d'hydrogène, de l'oxygène ou de vapeur d'eau, pour purifier l'huile ou pour modifier sa composition, la saponification des matières grasses qui sont d'abord ëmul- sionnées avec de la vapeur d'eau, puis mélangées à des solutions alcalines etc..

La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de générateurs d'ultrasons utilisés comme appareils émulseurs. La figure 1 est une vue éclatée, en perspective, d'un bloc emulseur selon l'invention.

La figure 2 est une coupe horizontale avec dé¬ crochement selon II-II de la figure 1.

La figure 3 est une vue à plus grande échelle d'un détail de la figure 2.

La figure 4 est un di gramme montrant la loi de variation, à pression constante, du diamètre des parti¬ cules mises en émulsion, en fonction de la largeur de la fente d'un générateur selon l'invention. La figure 5 représente un exemple d'application d'un dispositif selon l'invention corme écono iseur de combustible sur une chaudière.

La figure 1 est une vue éclatée d'un dispositif emulseur selon l'invention. Ce dispositif comporte un corps composé de plusieurs blocs parallëlët-άpédiques asseï

entre eux de façon ajustée avec précision. L'appareil représenté à titre d'exemple sur les figures 1, 2 et 3, comportedeux parties symétriques par rapport à un plan médian PP'. Il est précisé qu'un dispositif selon l'inven¬ tion peut ne pas comporter deux moitiés symétriques comme dans l'exemple illustré.

L'appareil représenté sur les figures l à 3 comporte un bloc central 1 sur toute la hauteur duquel une cavité 2 est creusée. La cavité 2 débouche sur une des faces latérales la du bloc 1. Les parois latérales de la cavité 2 comportent, sur toute leur hauteur, une paire de cannelures cylindriques 3 et 4 et une paire de cannelures 3a et 4a symétriques par rapport au plan PP* . Comme on le voit clairement sur les figures 1 et 2, ces cannelures présentent la forme de canaux ouverts dont la section transversale est une portion de cercle. Les cannelures 3 et 3a ont la forme de 3/4 de cercle environ, tandis que les cavités 4 et 4a ont une section transversa- le qui dessine un cercle presque complet à l'exception d'une ouverture 5. Entre les cannelures 3 et 4, la paroi de la cavité 2 comporte une pièce d'usure interchangeable 6, 6a qui est par exemple une bande en un matériau résistant à l'abrasion, par exemple en carbure de tungstène, qui est fixée au bloc 1 par exemple par un assemblage en queue d'aronde visible sur la figure 2 ou par tout autre moyen équivalent.

Entre les cannelures 4 et 4a, la paroi de la cavité 2 a par exemple la forme d'un arc de cercle 7 symétrique par rapport au plan PP' . Cet arc de cercle peut être remplacé par une paroi plane perpendiculaire au plan PP' . La cavité 2 est délimitée de plus par deux plans 8 et 8a, symétriques par rapport au plan PP' et perpendiculaires à la paroi la, qui servent à guider la pièce coulissante 9 qui s 'engage dans la cavité 2.

Le corps de l'appareil coπvoorte un deuxième bloc parallélépipédique 10, qui est fixé par exemple par des boulons 11, ou par tout autre moyen équivalent, contre la face la du bloc 1. Le bloc 10 porte sur sa face 10b, qui est appliquée contre la face la, une pièce Eobile-4 _^

qui est une pièce d'usure en un matériau extra-dur, résis¬ tant à l'abrasion, par exemple en carbure de tungstène ou en céramique ou tout autre matériau équivalent. La piè- ce 9 est divisée,de préférence, en deux pièces indépen¬ dantes 9a et 9b symétriques par rapport au plan PP' .

Chacune des pièces 9a et 9b comporte un alésage fileté 12 et 12a, dans lequel se visse une vis micrométri¬ que 13 et 13a qui traverse le bloc 10 et qui porte une tête moletée 14 et 14a permettant de la manoeuvrer. La manoeuvre des vis micrométriques permet de déplacer la pièce 9 ou les pièces 9a et 9b à l'intérieur de la cavité 2.

Bien entendu, les vis micromêtriques peuvent être remplacées par tout autre moyen équivalent permettant de déplacer les pièces 9a et 9b dans la cavité 2.

Les pièces 9a et 9b comportent chacune une lame 15 et 15a taillée en biseau à flancs courbes et usinée avec une très grande précision de l'ordre de 0,01 mm. De plus, les pièces 9a et 9b comportent chacune une face latérale plane 16 et 16a qui est usinée avec précision pour venir s'engager à frottement doux entre les plans 8 et 8a.

On a représenté en pointillés sur la figure 2 la position des pièces 9a et 9b une fois engagées dans la cavité 2. On voit que les flancs externes des lames 15 et 15a comportent chacun une portion d'arc de cercle 17 et 17a de l'ordre d'un quart de cercle ayant même rayon que les sections circulaires des cannelures 3 et 3a. Les arcs de cercle 17 et 17a sont prolongés jusqu'à la pointe par un plan 18, 18a tangent à l'arc de cercle. Entre les lames 15 et 15a, le profil en section horizon¬ tale présente la forme d'un arc 19, symétrique par rapport au plan PP' , dont la concavité est dirigée vers 1'inté- rieur de la cavité 2.

On voit sur la figure 2 que les arcs de cercle 17 et 17a viennent compléter les cannelures 3 et 3a, pour délimiter deux conduits 3 et 3a à section circulaire. Chacun des plans 18 et 18a délimite, avec la face externe des pièces d'usure 6 et 6a, un couloir vertical 20, 20a

qui part tangentiellement à la périphérie des canaux 3 et 3a. Les faces externes des pièces d'usure 6 et 6a sont sensiblement radiales par rapport aux cercles 3 et 3a, tandis que les plans 18 et 18a sont tangentiels. Il en résulte que les parois latérales des couloirs 20 et 20a convergent l'une vers l'autre et sont séparées à leur extrémité par une fente verticale 21, 21a très étroite, qui s'étend sur toute la hauteur du bloc 1. La figure 3 représente, à plus grande échelle, la position relative d'une lame 15 par rapport aux cannelu¬ res 3 et 4 creusées dans le bloc 1. On voit sur cette figure le couloir 20 délimité par deux parois latérales, l'une fixe, constituée par la face externe de la pièce d'usure 6 et l'autre mobile, constituée par le plan 18. On voit clairement qu'en déplaçant les pièces 9a ou 9b à l'aide des vis icrométriques 14 ou 14a, on peut faire varier la largeur de la fente 21 qui doit rester très étroite, de l'ordre de 0,1 mm à 1 mm. Le fluide qui arrive par le conduit 3 s'écoule à vitesse supersonique à travers la fente 21 en produisant des ultrasons. On a représenté par des flèches le trajet suivi par le fluide qui peut être un gaz ou un liquide mélangé à un gaz vecteur. On voit que les deux parois du sifflet à ultrasonssont constituées par des pièces d'usure interchangeables et faciles à usiner avec une grande précision, puisqu'elles sont séparées du corps de l'appareil.

La géométrie de la pièce d'usure 6 et de la cannelure 4 sont telles que le jet sortant de la fente 21 pénètre tangentiellement dans le canal 4 à travers l'ouverture 5 et il tourne à grande vitesse autour de la cavité pour ressortir par l'ouverture 5 et pénétrer dans le conduit central 25 qui est délimité par les arcs 7 et 19.

La cavité 4 constitue une chambre de résonance qui a pour effet d'amplifier les vibrations dont la période correspond au temps que met le jet pour faire le tour de la cavité 4 et pour recouper le jet sortant de la fente 21. .--,.T-—r--

On voit sur la figure 3 que selon la position de la pièce mobile 9a, l'arc 17 présente un léger décro¬ chement 22 par rapport à la paroi de la cannelure 3. Ce dé croche ent n'a aucune influence sur le fonctionnement car les composantes tangentielles de la vitesse du fluide dans le conduit 3 sont faibles.

Revenant à la figure 1, on voit que le corps de l'appareil comporte, en outre, un couvercle 23 qui est également un bloc parallélépipédique qui est fixé contre la face terminale 1b du bloc 1, par exemple par un assemlia- ge à queue d'aronde 24 ou par tout autre moyen de fixation équivalen .

Le bloc 23 comporte un conduit vertical central 26 qui vient en alignement au-dessus du conduit central

25 délimité par les arcs 7 et 19. Le conduit 26 est connec¬ té sur un conduit 27 d'arrivée de liquide sous pression, par exemple un conduit de combustible liquide dans une application particulière où un appareil selon l'invention est utilisé pour mélanger un combustible liquide à de l'air de combustion avant l'entrée dans un brûleur.

Le bloc couvercle 23 comporte également deux conduits 28 et 28a qui viennent se placer en alignement des cannelures 3 et 3a, avec lesquelles ils communiquent. Les conduits 28 et 28a sont connectés sur des arrivées

29 et 29a de fluide comprimé, qui peut être un fluide ga¬ zeux ou un liquide mélangé à un gaz vecteur. Par exemple, dans l'application citée ci-dessus, les conduits 29 et 29a amènent l'air de combustion. Ce fluide est sous une pression plus élevée que celle du liquide admis dans le conduit 27.

Le corps de l'appareil comporte, en outre, un quatrième bloc parallélépipédique 30 qui sert de pied ou de fond. Ce bloc est fixé à la paroi terminale le opposée à la paroi 1b, par exemple par un assemblage à queue d'aron de 31 ou par tout autre moyen équivalent. Le bloc 30 comporte un conduit central 32 qui vient se placer dans l'alignement du conduit central 25 avec lequel il communi¬ que. Le conduit 32 a une forme de tuyère conique qui converge vers un conduit 33 de sortie de l'émulsion. Ce

préférence, comme on le voit sur la figure 1, le conduit 32 comporte à la périphérie de son bord supérieur, deux cavités circulaires 34 et 34a qui viennent se positionner dans l'alignement des cannelures 4 et 4a.

Selon une variante non représentée, le couvercle 23 peut comporter, en outre, deux conduits qui le traversent de part en part pour aboutir à l'extrémité supérieure des cannelures 4 et 4a et qui permettent d'injecter des produits d'addition, par exemple des agents de stabilisation d'une émulsion.

On notera qu'un appareil selon la figure 1, qui comporte deux arrivées de fluide 29 et 29a, permet d'injec¬ ter dans ceux-ci, deux fluides différents et d'obtenir une émulsion double de deux fluides dans un même liquide.

Le fonctionnement d'un appareil selon l'invention est le suivant. Les fluides sous pression qui entrent dans l'appareil par les conduits 29 et 29a passent dans les conduits 3 et 3a, d'où ils sortent à grande vitesse par les sifflets à ultrasons , constitués par les couloirs à parois convergentes 20 et 20a. Les jets de fluide sortant des sifflets tourbillonnent dans les conduits circulaires 4 et 4a et arrivent dans le conduit central 25 où circule un liquide qui entre dans l'appareil par le conduit 27. Bien entendu, la pression du liquide est inférieure à celle du fluide, dont la pression excède celle du liquide par exemple de 5 bars. Le fluide est pulvérisé par le jet à ultrasons en particules très fines qui sont mises en suspension dans le liquide. La figure 4 représente des diagrammes qui ont été établis expérimentalement. Ces diagrammes représentent en abscisses la largeur de la fente 21 du sifflet exprimée en millimètres et en ordonnées le diamètre des particules de fluide en émulsion exprimé en microns. Ces diagrammes ont été établis en faisant varier la largeur de la fente sans modifier la pression relative du fluide par rapport au liquide. Le diagramme en traits mixtes correspond à des essais qui ont été réalisés en injectant de l'air dans de l'huile comestible sous une pression relative de 3 bars qui reste constante. _^ ----,'-yτ _. - _>

On a relevé les mesures ci-après. Pour une largeur de fente de 1 mm, le diamètre des particules en suspension est de 5 p. et la fréquence acoustique de l'ordre de 4000 Hz. Pour une largeur de fente de 0,5 mm, le diamètre des particules est de 2 μ et la fréquence de 7000 Hz. Pour une largeur de fente de 0,2mm, le diamètre des particules est de 0,1 μ et la fréquence de 9000 Hz. Pour une largeur de fente de 0,01 mm, le diamètre des particules est de 0,05 u et la fréquence de 1400 Hz. La courbe en traits pleins correspond à une autre série de mesures. On voit que les variations du diamètre des particules en fonction de la largeur de la fente sont sensiblement linéaires pour des largeurs de fente comprises entre 0,1 mm et 1 mm qui est la plage utile, ce qui permet de faire varier la finesse de l'émulsion très rapidement par des réglages mécaniques et d'obtenir une finesse d'émulsion déterminée en agissant sur les vis micromëtriques 14 et 14a.

Le dispositif selon les figures 1 et 2 qi comporte deux lames 15 et 15a déplaçables séparément permet de fixer deux largeurs différentes pour les fentes 21 et 21a et d'obtenir une émulsion comportant des particules en suspension ayant deux dimensions différentes.

Les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés pour de nombreuses applications industrielles dont 1'énumëration exhaustive n'est pas possible. On citera à titre d'exemple, le mélange intime d'un combus¬ tible liquide, par exemple du fuel ou de l'essence, avec un gaz comburant, lequel mélange est réalisé sous forme d'une émulsion très fine par passage à travers un disposi¬ tif selon l'invention qui est disposé en amont d'un brû¬ leur ou sur le collecteur d'admission d'un moteur à explosion.

La figure 5 représente un exemple d'utilisation d'un dispositif 35 selon l'invention. Le repère 36 représente une chaudière domestique équipée d'un brûleur 37 de combus¬ tible liquide. Le dispositif 35 est disposé en amont du brûleur et l'émulsion sortant du dispositif 35 alimente directement la canne du brûleur. Le repère 38 représente un compresseur d'air qui envoie de l'air comprimé, pj

exemple sous une pression de 3 à 5 bars, vers les cana¬ lisations 29 et 29a d'entrée de gaz dans le dispositif 35. Le repère 39 représente une pompe qui envoie le combustible liquide dans la canalisation 27 d'entrée de liquide dans le dispositif emulseur 35.

Des mesures ont été faites sur une chaudière équi¬ pée d'un dispositif emulseur disposé en amont du brûleur comme le représente la figure 5. Ces mesures ont montré qu'on obtenait une économie de combustible comprise entre 10 et 20% de la consommation habituelle.

Un dispositif selon l'invention peut trouver des applications dans tous les cas où il est avantageux de multiplier les interfaces entre deux ou plusieurs phases liquides non miscibles ou entre des phases gazeu¬ ses et des phases liquides afin d'accélérer des réactions ou interactions chimiques et/ou physiques entre ces pha¬ ses.

Une série d'expérience sur des dispositifs selon les figures 1 et 2 a montré que l'on obtenait les meilleurs résultats et notamment une bonne homogénéité de l'émulsion si la hauteur H du corps 1 de l'appareil était égale à environ 20 fois le diamètre des cavités de résonance 4 qui est de l'ordre de 1 à 2 cm. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs du dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions.