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DISPOSITIF DE POMPAGE A JET
1o La présente invention concerne un dispositif de pompage à jet dont
l'efficacité est améliorée par rapport aux pompes à jet connues.
La pompe à jet continu fonctionne selon le principe d'injection d'un fluide
moteur à travers une restriction calibrée (duse) provoquant un jet de grande
vitesse
dans l'axe d'un col mélangeur. Le jet entraîne et se mélange au fluide à
pomper
selon le principe d'échange des quantités de mouvement. La vitesse en sortie
de
mélangeur est transformée en pression dans un canal divergent qui suit le col
mélangeur.
La présente invention améliore les rendements de pompage en intervenant
sur la circulation du fluide pompé et/ou du fluide moteur.
2o Ce type de pompe est utilisable notamment dans la production des effluents
pétroliers, que ce soit dans les installations de surface ou de fond de puits.
Les avantages des pompes à jets à rendement amélioré peuvent être:
- pas ou très peu de pièces en mouvement,
- tous les types de fluides sont pompables (liquides, gaz, liquides
visqueux ou chargés en solides) à partir d'un fluide moteur liquide (eau,
huile,...)
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- leur taille est relativement peu encombrante et compatible avec les
dimensions d'un puits pétrolier ou d'une conduite de refoulement.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de pompage à jet fluide
comprenant une duse d'injection d'un fluide moteur placée dans un conduit
comportant, d'amont en aval, un corps sensiblement cylindrique, un col
convergent, un canal de mélange et un divergent, ladite duse est disposée à
l'extrémité d'un porte-duse dans l'axe longitudinal dudit conduit, le fluide
pompé
circule dans l'espace annulaire compris entre le corps et l'extérieur de la
duse et du
1o porte-duse, l'orifice de la duse a l'axe longitudinal pour axe de symétrie.
Selon
l'invention, le dispositif est constitué selon l'une des combinaisons
suivantes:
a) le porte-duse comprend dans son canal intérieur des moyens de mise en
rotation de la veine de fluide moteur dans la duse et des moyens de mise en
rotation de la duse autour de l'axe longitudinal, lesdits moyens de rotation
étant
indépendants de l'énergie du fluide moteur ou du fluide pompé, le sens de
rotation
de la duse étant opposé au sens de rotation de la veine de fluide moteur;
b) le porte-duse comprend sur l'extérieur des moyens de mise en rotation
de la veine de fluide pompé, tels que des pales inclinées par rapport à l'axe
longitudinal;
c) le porte-duse comprend sur l'extérieur des moyens de mise en rotation
de la veine de fluide pompé, tels que des pales inclinées par rapport à l'axe
longitudinal, et dans son canal intérieur des moyens de mise en rotation de la
veine de fluide moteur dans la duse.
Dans une première variante concernant les combinaisons b) et c), la duse
du dispositif peut être statique.
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Dans une seconde variante concernant les combinaisons b) et c), la duse
peut comporter des moyens de mise en rotation externes et indépendants de
l'énergie du fluide moteur ou du fluide pompé.
Dans la variante précédente, le sens de rotation de la duse peut être
inverse par rapport au sens de rotation de la veine de fluide moteur.
Dans le dispositif selon l'invention, les moyens de mise en rotation de la
veine de fluide pompé peuvent être constitués par un ensemble de pales
réparties
régulièrement sur l'extérieur du porte-duse et inclinées sur l'axe
longitudinal d'un
1o angle compris entre 10 et 50 degrés.
Le sens de rotation de la veine de fluide pompé peut être identique au sens
de rotation de l'ensemble duse et porte-duse.
Les moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur peuvent être
constitués par une bande plate de largeur sensiblement égale au diamètre
intérieur
i5 du canal de la porte-duse, ladite bande étant en hélice dans ledit canal de
façon à
former deux canaux hélicoïdaux. Le pas de l'hélice peut être éventuellement
variable, en particulier en diminution proche de la duse.
Les moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur peuvent être
constitués par une turbine fixe dans le canal de la duse.
2o L'invention concerne un application du dispositif pour le pompage d'un
effluent du fond d'un puits à la surface du sol. On peut également utiliser
l'invention
pour le pompage en surface d'un effluent pétrolier.
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L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus
clairement à la lecture des exemples ci-après, nullement limitatifs, illustrés
par les
figures ci-annexées parmi lesquelles:
~ la figure 1 représente en coupe une pompe à jet conventionnelle,
~ la figure 2 représente schématiquement le dispositif de pompage
comprenant des moyens de mise en rotation de la duse d'injection de
fluide moteur,
~ les figures 3a et 3b montrent en coupe une duse équipée de moyens de
1o mise en rotation de la veine de fluide moteur,
~ la figure 4 montre en coupe une duse équipée sur sa surface extérieure
de moyens de mise en rotation du fluide pompé.
~ les figures 5 montrent une duse intégrant les deux variantes
précédentes.
La figure 1 montre en coupe un dispositif de pompage à jet selon l'art
antérieur. Un tel dispositif comprend une duse d'injection d'un fluide moteur
tel que
de l'eau ou de l'huile. La forme intérieure de la duse 1 est telle qu'il y a
une
diminution de la section du canal 2 d'amenée du fluide moteur de façon que la
vitesse du fluide soit importante à la sortie de la duse. Le jet de fluide
moteur ainsi
2o créé a une direction sensiblement parallèle à l'axe de la duse. Le fluide
devant être
déplacé par la pompe circule dans l'espace annulaire 3 entre l'extérieur de la
duse
et les parois 4 du corps de pompe. Les parois 4 convergent en 5, sensiblement
au
niveau de la sortie de duse pour former un col. A partir du col, un conduit 6,
sensiblement cylindrique ou très légèrement conique, constitue la zone de
mélange du fluide moteur et du fluide pompé. Un conduit divergent 7 qui
succède
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au conduit mélangeur crée l'énergie de pression permettant le déplacement des
deux fluides mélangés.
On peut évaluer le rendement énergétique d'une pompe à jet en calculant:
5 ~ le taux de compression adimensionnalisé N:
N = (Pref-Pasp)/(Pmot-Pref)
~ le débit adimensionnalisé M:
M = Qasp/Omot
avec
1o Pref = pression de refoulement du mélange en sortie de la pompe,
Pasp = pression du fluide pompé à l'aspiration de la pompe,
Pmot = pression d'injection du fluide moteur à proximité de la duse,
Qasp = débit du fluide pompé,
Qmot = débit du fluide moteur.
Le rendement énergétique rl, inférieur à 1, est égal à MN pour les
écoulements mono phasiques ou très proche du mono phasiques.
Pour comparer les performances des différentes variantes de réalisation de
l'invention, on se basera sur le calcul de rl.
La figure 2 décrit les moyens d'essais et le principe de réalisation d'une
2o pompe selon l'invention dans le cas des différentes variantes où la duse 1
et son
porte-duse sont entraînés en rotation par des moyens externes.
Les références 1, 4, 6 et 7 désignent, comme sur la figure 1,
respectivement une duse, un col, un mélangeur et un diffuseur. La conduite 8
alimente la duse en fluide moteur. Cette conduite d'alimentation est fixe par
rapport
au dispositif de pompage. La duse est fixée sur un porte-duse 9 libre en
rotation
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par rapport au corps 10 de la pompe. Un ensemble de paliers de roulement et de
joint rotatif d'étanchéité 11 permet à l'ensemble duse 1 et porte-Buse 9
d'être
entraînés en rotation par l'intermédiaire d'une poulie 12, d'une courroie 13
et d'une
motorisation 14, par exemple un moteur électrique. Un joint tournant 15 relie
le
porte-duse rotatif 9 à la conduite d'alimentation 8 stationnaire. Tous ces
constituants mécaniques sont bien connus de l'homme du métier et ne seront
donc
pas plus décrits ici.
La conduite 16 est liée à la source de fluide qui doit être pompé, la conduite
17 est la conduite de refoulement du mélange fluide pompé et fluide moteur.
Un tel dispositif permet de faire tourner la duse autour de l'axe longitudinal
du système de pompe à jet, dans l'un ou l'autre sens.
Les figures 3a et 3b montrent la variante dans laquelle la duse comprend
intérieurement, c'est à dire dans le canal 2 de fluide moteur, proche de
l'extrémité
de la duse 1, des moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur de
façon que le jet en sortie de duse soit animé toujours principalement d'un
déplacement axial, mais combiné avec une composante rotative autour de l'axe
longitudinal. Ainsi, le jet à la même forme que dans l'art antérieur, mais
tourne
autour de l'axe 20. Ces moyens de mise en rotation peuvent être réalisés de
2o multiples façons. Par exemple, on peut placer sur une longueur de quelques
centimètres (environ 10 cm) une bande plate 21 séparant le canal 2 en deux,
ladite
bande étant déformée en hélice de façon à former deux canaux hélicoïdaux
débouchant juste en amont de la sortie de duse. Eventuellement, le pas de
l'hélice
peut être variable, en particulier en diminution du coté proche de l'orifice
de la
duse. On peut également déformer en hélice un profilé en croix de largeur
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correspondante au diamètre intérieur de la duse de façon alors à créer quatre
canaux hélicoïdaux. D'autres solutions peuvent être utilisées, par exemple,
selon la
figure 3b des ailettes 22 inclinées par rapport à l'axe longitudinal 20 et
fixées sur
un noyau 23 central de façon à constituer une turbine fixe qui forcera le
fluide
moteur à tourner autour de l'axe longitudinal.
Cette variante ne présente d'intérêt pour améliorer le rendement
énergétique que dans le cas où la duse mise en rotation par une motorisation
externe et indépendante de l'énergie du fluide moteur, c'est à dire en étant
to incorporée à un système selon la figure 2. Le sens de rotation de la duse
ou du
porte-duse est fonction du sens de rotation du jet de fluide moteur. Donc, si
l'hélice
des canaux internes à la duse ou les pales de la turbine sont sensiblement des
hélices à gauche, la rotation devra être à droite, ou si les hélices sont à
droite, la
rotation de la duse devra être à gauche.
Tableau 1: Art antérieur: Pompe à jet conventionnelle: duse et fixe et jet
axial.
M Rendement
0,903 0,173
0,804 0,227
0,705 0,235
0,603 0,234
0,501 0,241
0,400 0,234
0,299 0,216
~~2oo 0;1
~
Ces valeurs servent de références pour comparer les variantes selon
l'invention.
Les dimensions de la pompe à jet de référence sont:
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diamètre intérieur de la duse et porte-duse = 30 mm;
diamètre extérieur de la duse et porte-duse = 45 mm;
diamètre de l'orifice de la duse = entre 6 et 8 mm (par exemple
6,7 mm);
diamètre intérieur du corps de pompe = 66 mm;
diamètre du col de mélangeur = environ 12 mm;
longueur du mélangeur = environ 35 mm;
angle du diffuseur = environ 3°;
l0 distance entre l'orifice de la duse et l'entrée du col = environ 10 mm.
Le tableau 2 suivant donne les résultats obtenus pour le dispositif selon la
figure 3 (canaux hélicoïdaux à gauche) la duse étant entraînée à la vitesse V
de
rotation (tour/min) (rotation à droite).
Tableau 2
M Rendement V(tour/min)
0,6030 0,2731 0
0,6263 0,2810 94
0,6453 0,2904 188
0,6346 0,3142 282
0,6540 0,3116 376
0,6638 0,3160 470
0,6618 0,3012 T 564
~
Par rapport à la configuration de l'art antérieur, on note que le rendement
augmente de 0,273 (rotation nulle) à 0,316 (rotation à 500 tours/min) pour des
valeurs de M comprises entre 0,60 et 0,66. On obtient un gain de 0,082 par
rapport
à la référence. Le gain de rendement est maximum pour une rotation comprise
2o entre 280 et 500 tours/min.
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La figure 4 montre en coupe et en perspective une autre variante de
l'invention consiste à disposer des ailettes 24 sur le corps extérieur de la
duse 1 ou
du porte-duse 9 de façon à mettre en rotation le flux de fluide pompé. La
figure 4
montre une série d'ailettes 24 disposées de façon régulière sur la surface
extérieure de la duse ou du porte duse, à proximité du col, mais avant la
partie
convergente de la duse. Les ailettes peuvent être réalisées par des bandes
hélicoïdales à droite ou à gauche. Dans le cas où la duse est fixe par rapport
au
corps de pompe, les ailettes peuvent ëtre indifféremment fixées sur le corps 4
ou
1o sur le porte-duse 9, ou sur les deux.
Dans une variante, on fait tourner la duse. La mise en rotation de la duse
ainsi équipée d'ailettes extérieures devra ëtre dans le même sens que celui de
l'hélice des ailettes, soit ailettes à droite pour une rotation à droite.
Les résultats d'essais donnés dans les tableaux 3 et 4 ont été obtenus
respectivement avec une duse fixe et une duse en rotation à la vitesse de
500 tours/min.
Les ailettes sont constituées par des pales hélicoïdales de longueur L et de
hauteur correspondante à l'espace annulaire 3 entre le porte-duse 9 et le
corps 4.
Tableau 3: Ailettes extérieures, sans rotation de la duse
M Rendement
0,9470 0,1816
0,9470 0,1816
0,8112 0,2802
0,7047 0,2881
0,6071 0,2833
0,5052 0,2675
0,4012 0,2475
_ 0,2134
0,2998
~
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Le rendement est de l'ordre de 0,265 pour M compris entre 0,5 et 0,8. Le
gain est de 0,047 pour M égal à 0,6 par rapport à la référence.
Tableau 4: Ailettes extérieures, avec rotation de la duse (500 tours/min)
M Rendement
0,8460 0,1535
0,7996 0,3105
0,7035 0,3107
0,6071 0,2900
0,6016 0,2920
0,4000 0,2521
0,3036 0,218
~
5
Le rendement maximum est de 0,31 pour M égal à 0,8 et de 0,29 pour M
compris entre 0,5 et 0,8. Le gain maximum est de 0,09 par rapport à la
référence
avec M égal à 0,8.
Les figures 5a et 5b montrent la variante selon l'invention dans laquelle la
1o duse est équipé à la fois intérieurement de canaux hélicoïdaux (figure 5a),
ou de
turbine fixe 22, et d'ailettes extérieures 24. Le porte-duse 9 peut être
équipé des
moyens de rotation externe selon la figure 2. La rotation est à droite, les
canaux
intérieurs, ou la turbine22 sont en hélice à gauche et les ailettes externes
24 en
hélice à droite.
Les résultats sont donnés par les tableaux 5 et 6 pour un ensemble selon la
figure 5 respectivement, avec duse immobile et duse mobile en rotation à
500 tours/min.
M Rendement
0,8460 0,1535
0,7996 0,3105
0,7035 0,3107
0,6071 0,2900
0,6016 0,2920
_ 0,2521
0,4000
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11
0,3036 0,2181
M Rendement
0,8479 0,1472
0,7837 0,3251
0,7084 0,3169
0,6035 0,3085
0,5047 0,2933
0,3866 0,2497
~
Le rendement maximum est de 0,325 pour M égal à 0,78 et de 0,30 pour M
compris entre 0,4 et 0,78. Le gain maximum est de 0,098 par rapport à la
référence
avec M égal à 0,8.
On constate donc que la rotation de la duse par des moyens d'entraînement
externes et indépendants à l'énergie du fluide moteur ou pompé améliore le
rendement des pompes à jet. De même, d'une manière surprenante, la mise en
1o rotation du fluide pompé et/ou du fluide moteur améliore également
sensiblement
le rendement de ce type de pompe.
