Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention concerne un procédé et un
dispositif de mesure des débits des phases liquide et
gazeuse d'un f:Luide diphasique en écoulement.
On connaït déjà, par exemple par la demande de
brevet fran~ais n 79 31031, publiée sous le n 2,471,501,
le 19 juin 1931, des dispositifs de pompage d'ur, fluide
diphasique constitué du mélange d'un liquide et d'un gaz non
dissous dans le liquide. Ces dispositifs ne fonctionnent
toutefois convenablement que pour des valeurs des débits des
deux phases et du rapport volumétrique phase gazeuse/phase
liquide (GOR), dans les conditions thermodynamiques de
l'écoulementr compris entre certaines limites dépendant de
la géométrie et de la cinématique du dispositif. On est par
conséquent amené à réaliser des appareils de régulation
permettant d'assurer à l'entrée de la pompe des débits et
des rapports volumétriques relativement constants.
Pour permettre le fonctionnement de ces
dispositifs de régulation, il est donc nécessaire de mesurer
avec précision les valeurs des débits de chacune des deux
phases et du rapport volumétrique du fluide diphasique en
amont.
La présente invention vise à fournir un procédé et
un dispositif permettant de réaliser de telles mesures.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé
de mesure des débits des phases liquide et gazeuse d'un
fluide diphasique en écoulement, dans lequel:
- on met en rotation le fluide diphasique autour
d'un axe longitudinal de facon à générer un écoulement
coaxial présentant une couche tubulaire formée de la phase
gazeuse entourée par une couche tubulaire formée de la phase
liquide,
- on mesure en aval de la zone où ledit fluide
diphasique a été mis en rotation d'une part les épaisseurs
des couches tubulaires de phase liquide et de phase gazeuse
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~L~3;2~
- la -
et d'au-tre part la vitesse d'écoulement d'au moins la phase
liquide, et
- à partir des valeurs mesurées d'épaisseur et de
vitesse on détermine à partir de relations connues
déterminées mathématiquement ou expérimentalement entre le
rapport volumétrique de la phase liquide et de la phase
gazeuse, l'épaisseur de la couche liquide, sa vitesse axiale
et le débit de liquide, les débits volumiques et massiques
de chaque phase ainsi que le rapport volumétrique de la
phase gazeuse e-t de la phase liquide dans les conditions
thermodynamiques du fluide diphasique.
Ces mesures peuvent etre réalisées de toute
manière convenable, par exemple par la technique du fil
chaud ou à l'aide d'un tube de Pitot, mais on détermine de
préférence l'épaisseur des couches respectives par des
mesures d'absorption diEférentielle d'un rayonnement y dans
lesdites phases, et les vitesses d'écoulement par effet
Doppler.
Dans certains cas de mise en oeuvre de ce procédé,
le rapport volumétrique est grand, l'épaisseur de la couche
: liquide étant alors très
,-- , ,
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faible. La précision de~c, mesures peut alors etre plus grandement améliorée
si, durant une courte periode de temps, l'épalsseur de la couche liquide est
augmentée. Ceci peut être realisé en effectuant les mesures apres adjonction
dans l'écoulement de fluide diphasique d'un débit de liquide, notamment
d'eau, prédéterminé et/ou en modlfiant la vitesse de rotation du fluide
diphasique.
Dans un mode de réalisation particulier de l'inver.tion on effectue
les ~esures d'épaisseur et de vitesse à des intervalles prédéterminés et l'on
provoque ladite admission de liquide supplémentaire et/ou la modification de
~ vitesse de rotation du fluide lorsque les valeurs instantanées d'épaisseur
des couches et/ou de vitesse d'écoulement s'écartent des valeurs moyennes
correspondantes précédemment mesurées.
La présente invention a également pour obiet un dispositif pour la
mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend
~5 une enceinte extérieure tubulaire ~ixe, un arbre axial longitudinal disposé
dans ladite enceinte et associé a des moyens permettant sa mise en rotation à
des vitesses déterminées variables, une enceinte tubulaire montée
coaxlalement a l'intérieur de l'enceinte extérieure et susceptible d'être
entra;née en rotation solidairement avec ledit arbre, ladite enceinte
2p intérieure s'étendant sur une partie seulement de la longueur de l'enceinte
extérieure, des moyens pour introdulre un fluide diphasique dans ladite
enceinte extérieure et des moyens de sortie de fluide diphasique de l'enceinte
extérieure en aval de l'enceinte interieure, l'enceinte extérieure comportant,
dans une zone située entre l'extrémité aval de l'enceinte intérieure et
lesdits moyens de sortie, des moyens de mesure des épaisseurs des couches
tubulaires de phase gaæeuse et de phase liquide formés dans ladite enceinte
intérieure, et des moyens de mesure de la vitesse d'écoulemen~ d'au ~oins la
phase l~quide.
Lesdits moyens de mesure d'épaisseur peuvent comprendre une source
de rayonnementY et une pluralité de capteurs de rayonnement r disposes en
regard et les moyens de mesure de vitesse d'ecoulement peuvent être de type à
effet Doppler.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, des moyens sont `
prévus pour introduire un débit de liquide, notamment d'ea~, contrôl en
amont de ladite enceinte intérieure.
Ces moyens d'introduction d'un débit de liquide peuvent par exemple
être du type décrit dans la demande de brevet fransais n~ 82 17245.
~vantageusement, le dispositif selon l'invention comprend un moteur
électrique à vitesse varic~hle pour entra;ner en rotation ledit arbre et
ladite enceinte intérleure.
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On décrira maintenan~ à titre d'exem~le non limitntif un mode de
realisAtion particuller dc l'invention ell reference au dessin annexé dans
lequel :
- la fi~ure 1 est une vue en coupe axiale 6chématique d'un
dispositif de me~re ~elon l'invention,
- la fi~ure 2 est une vue, également en coupe axiale, mais a plus
grande échelle, de la zone de mesure de ce dispositif.
- la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la
figure 2,
- la figure 4 illustre la variation de l'épaisseur de la couche
liquide d'un écoulement diphasique coaxial en fonction du rapport
volumétrique phase gazeuse/phase liquide pour différentes vitesses de rotation
et un débit de liquide constant,
~ la figure 5 illustre la variation de cette même épaisseur en
fonction du rapport volumetrique pour différents débits de la phase liquide a
vitesse de rotation constantP,
- la figure 6 illustre la variation de la vitesse de la phase
liquide en fonction du rapport volumétrique pour différents débits de liquide
à vitesse de rotation constante, et
- la figure 7 illustre la variation de la vitesse de la phase
liquide en fonction du rapport volumétrique pour différenees vitesses de
rotation a débit de liquide constant.
Le dispositif de mesure représenté aux figures 1 a 3 comprend d'une
manière générale une enceinte extérieure tubulaire ~ixe 1 à l'intérieur de
laquelle est montée coaxialement une enceinte tubulaire intérieure 2
susceptible d'être entraînée en rotation par un moteur 3 à vitesse variable,
par l'intermédiaire d'un arbre 4.
\ Un dispositif d'injection de liquide 5 tel par exemple que celui
\ décrit dans la demande de brevet français n 82 17245 est prévu à l'entrée dudispositif et est alimenté par une pompe 6. La chambre de mesure 7 est située
immédiatement en aval de l'enceinte intérieure 2 et est suivie par un
disposit~.f de régulation d'écoulement de tout type connu 8 précéd~nt la
sortie 9 du disposi~if.
Un émetteur Doppler 10 et un récepteur correspondant 11 ont leurs
transducteurs respectifs disposés dans la chambre de mesure 7 le long d'une
génératrice de l'enceinte tubulaire extérieure 1.
Une source de rayonnementy 12 et des récepteurs correspondants 13
sont disposes dans un meme plan transversal perpendiculalre à l'arbre 4.
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Les entrees et sorties des orgclnes de mesure 10,11,12 et 13 sont
reliees a une unité de traitement 14 qui est également agencée pour commander
le fonct~onnement de la pompe 6 et du moteur à vltesse variable 3.
En fonctionnement, le moteur 3 entralnant l'enceinte tubulaire 2
provoque la mlse en rotation dll fluide diphasique pénétrant dans le dispositif
de sorte qu'à la sortie de cette enceinte celui-ci se présente sous la forme
d'un écoulernent tubulaire intérieur de gaz 15 et d'un ccoulement tubulaire
extérieur de liquide 16. L'écoulement de gaz a une vitesse axiale VG et
l'écoulement liquide a une vitesse axiale VL.
IO La vitesse VL est déterminée directement par le système
Doppler 10,11 tandis que l'épaisseur e de la couche liquide est déterminée
par l'unité de traitement 14 à partir des signaux fournis par les capteurs
13. Le rayonnementy est en effet absorbé essentiellement par la phase liquide
de sorte que ces signaux sont représentatifs de l'épaisseur e.
On salt que pour une géométrie donnée du dispositif, pour une
vitesse de rotation donnée de l'enceinte 2, et pour un débit diphasique et un
rapport volumétrlque déterminés, l'épaisseur e de la couche liquide ainsi que
les vitesses VG et VL de chaque phase sont définies.
Par conséquent, la connaissance des épaisseurs des couches et de
leur vitesse permet de déterminer, par comparaison avec des modèles
préétablis, les valeurs des débits volumiques et massiques ainsi que des
rapports volumétriques vrais, compte tenu des vitesses de glissement de
phases.
Les figures 4 à 7 représentent des exemples de telles relations
entre, d'une part, l'epaisseur e et la vitesse VL~ et d'autre part, le rapport
volumétriqu~ (GOR~.
En fait, dans ces graphiques, l~épaisseur de la couche liquide a
été ramenée ~ la grandeur sans dimension ~~ ~~lr~Du Re est le rayon intérieur
de l'enceinte 1 et Ri est le rayon ex~érieur de l'arbre 4.
Ces courbes montrent que, connaissant l'épaisseur e de la couche
liquide et sa vitesse axiale VL, ainsi que la vitesse de rotation ~ du
moteur 3, on peut en déduire, tout d'abord le rapport volumétrique GOR, puis
le débit de liquide QL' d'où l'on déduit ensuite le débit de gaz.
Dans le cas ou le rapport volumetrique est trop grand, c'est-à-dire
où l'épaisseur e est trop faible pour que la mesure effectuée à l'aide des
capteurs y 13 solt significative, l'unité de traitement 14 peut commander le
fonctionnement de la pompe 6, c'est à-dire augmenter le débit QL' ce qui a
pour effet d'augmenter l'épaisseur e comme cela résulte de la figure 5.
I.'unité 14 peut égaLement commander une diminution de la vitesse de rotation
-s- ~ ~3~3
ce qui a le même effet s~lr l'épnisse~ir e, co~lme cela resulte de la figure 4,
Des nouvelles vale~lrs e et V ainsi obtenues, on peut déduire le rapport
volumétrique et 1~ débit liclllide modifié et, connaissant la différence de
vitesse de rotation ou la difference de débit liquide après et avant la
S modification, remonter à l'épaisseur e et à la vitesse VL avant moclification.
Dans la pratique, les mesures sont effectuées à une fréquence
définie, et tout écart significatif des mesures instantanées par rapport aux
mesures moyennes antérieures entraîne le déclenchement de la pompe 6 pour
augmenter le déblt liguide ou une modification de la vitesse de rotation du
moteur 3 de facon à effectuer une mesure précise.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation
décrit ci-dessus auquel diverses variantes et modifications peuvent être
apportées sans sortir pour autant du cadre de l'invention.
