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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l’article B4250 intitulé « Éjecteurs » paru en 1993, rédigé par Jacques PAULON.
RÉSUMÉ
Les éjecteurs, appelés également appareils à jet ou encore trompes, sont des appareils statiques utilisés pour l’aspiration, la compression ou le mélange de toute sorte de fluides et parfois des solides. Cet article décrit leur principe de fonctionnement et les lois physiques, en régimes subsonique et supersonique, permettant leur dimensionnement. L’accent est mis sur les trois principales familles d’éjecteurs, à savoir les éjecteurs liquide/liquide, gaz/gaz et vapeur/vapeur. Les nombreuses applications de ces appareils, allant de la production du vide à la propulsion, en passant par la production de froid par thermocompression, sont passées en revue.
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Philippe DÉSÉVAUX : Professeur des Universités à l’Université de Franche-Comté - Institut FEMTO-ST, UMR Université de Franche-Comté et CNRS 6174, Belfort, France
INTRODUCTION
Les éjecteurs, appelés également appareils à jet ou encore trompes, sont des appareils statiques destinés à aspirer, comprimer ou mélanger des gaz, des vapeurs, des liquides et parfois des solides grâce à la détente d’un fluide primaire moteur. Celui-ci peut être gazeux, en régime subsonique ou supersonique, ou liquide, en régime incompressible, et apporte l’énergie nécessaire à l’entraînement du fluide secondaire.
Ces appareils peuvent également assurer la vidange d’une cavité ou d’un volume et, dans certaines applications, concurrencer les pompes à vide mécaniques grâce à leurs capacités d’absorption qui peuvent atteindre 106 m3.h−1 d’air.
Par rapport aux pompes à vide, les éjecteurs ont le grand avantage d’être d’un prix de revient sensiblement inférieur à celui d’une pompe classique, de ne posséder aucune pièce en mouvement, donc d’être d’un entretien quasi nul, et de bien résister à la corrosion ou aux attaques de gaz agressifs ou de particules solides. Ils ne supplantent toutefois pas toujours les pompes à vide mécaniques en raison d’une plage de fonctionnement plus étroite et d’une consommation d’énergie élevée et, dans certaines applications, l’association éjecteurs-pompe à anneau liquide est à préconiser.
Outre leur utilisation dans la production du vide, les éjecteurs sont des appareils employés dans un grand nombre d’applications très diverses, allant de l’industrie chimique pour le mélange de fluides ou le dessalement de l’eau, jusqu’à l’industrie aéronautique où les éjecteurs permettent d’augmenter la propulsion ou de réduire le bruit de propulseurs, en passant par la production du froid où l’éjecteur, couplé à une source de chaleur (qui peut être d’origine renouvelable), assure la compression d’un fluide frigorigène.
Les applications des éjecteurs dépendent essentiellement de la nature des fluides utilisés. Compte tenu du grand nombre de combinaisons possibles entre les différents fluides, il n’était pas envisageable d’exposer les lois physiques fondamentales qui gouvernent le fonctionnement de tous ces appareils. Toutefois, afin de permettre à un ingénieur de se faire une idée approximative du dimensionnement et des caractéristiques de l’appareil dont il a besoin, nous traitons les trois principales combinaisons :
-
éjecteurs à liquide à jet liquide,
-
éjecteurs à gaz à jet de gaz,
-
éjecteurs à vapeur à jet de vapeur.
La première combinaison concerne les fluides incompressibles, tandis que les deux autres se rapportent aux fluides compressibles.
Il faut signaler qu’il existe sur le marché plusieurs constructeurs, dont une liste non exhaustive est donnée en annexe, qui proposent des catalogues plus ou moins détaillés d’appareils standards ou qui sont parfaitement aptes à étudier et à réaliser tout projet particulier. En plus des méthodes théoriques de base, ils possèdent le savoir-faire et l’expérience indispensables à l’obtention des performances demandées.
À ce propos, l'auteur remercie les différents constructeurs cités pour leur documentation qui a largement servi à rédiger le présent article.
Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des notations et des symboles, ainsi qu'un tableau des indices utilisés.
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Théorie du fonctionnement des principaux types d’éjecteurs
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1. Principe de fonctionnement et caractéristiques géométriques des éjecteurs
1.1 Principe de fonctionnement
Les éjecteurs sont des appareils statiques permettant, grâce à la détente d’un fluide moteur (ou primaire), d’aspirer, de comprimer ou de mélanger des gaz, des vapeurs ou des liquides. Le fluide primaire, qui peut être gazeux, en régime subsonique ou supersonique, ou liquide en régime incompressible, apporte l’énergie nécessaire à l’entraînement d’un fluide secondaire.
Un éjecteur classique, tel que schématisé sur la figure 1, comporte une tuyère motrice (ou tuyère primaire) et une tuyère d’aspiration (appelée aussi tuyère secondaire ou tuyère de reprise). Cette dernière est constituée d’une chambre de réception à section constante assurant le mélange des deux fluides et d’un diffuseur.
Dans le cas d’un éjecteur à gaz ou à vapeur comme c’est le cas sur la figure 1, la tuyère motrice est de forme convergente-divergente afin de générer à sa sortie un flux primaire supersonique. Dans le cas d’un éjecteur à jet liquide, la tuyère motrice est simplement convergente.
Dans tous les cas, le principe de fonctionnement d’un éjecteur est relativement simple ; le fluide moteur entraîné sous haute pression est détendu à l’intérieur de la tuyère motrice et son énergie interne est transformée en énergie cinétique. Ce fluide moteur, qui débouche à grande vitesse dans la chambre de réception de la tuyère secondaire, entraîne à son tour par aspiration un fluide secondaire à basse pression. Les deux fluides entrent dans la chambre de mélange où ils échangent de la quantité de mouvement, de l’énergie cinétique pour former un fluide unique à pression et à vitesse quasi uniformes. Ce fluide transforme son énergie cinétique en énergie interne dans le diffuseur, atteignant une pression plus élevée que celle de l’aspiration. Ces fluides peuvent être gazeux, liquides ou diphasiques.
La figure 2 montre le schéma de principe d’un éjecteur à liquide, ainsi qu’une représentation schématique de l’évolution des pressions et des vitesses des fluides primaire et secondaire le long de l’éjecteur. Ce mélange des flux primaire et secondaire s’effectue...
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Principe de fonctionnement et caractéristiques géométriques des éjecteurs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KEENAN (J.H.), NEUMANN (E.P.), LUSTWERK (F.) - An investigation of ejector design by analysis and experiment. - Journal of Applied Mechanics 17, p. 299-309 (1950).
-
(2) - HUANG (B.J.), CHANG (J.M.), WANG (C.P.), PETRENKO (V.A.) - A 1-D analysis of ejector performance. - International Journal of Refrigeration 22, p. 354-364 (1999).
-
(3) - SCHMITT (H.) - Diversity of jet pumps and ejector techniques, 2nd Symposium on jet pumps and ejectors and gas lift techniques. - Cambridge (1975).
-
(4) - FABRI (J.), SIESTRUNCK (R.) - Supersonic air ejectors. - Advances in Applied Mechanics, vol. V, p. 1-34 (1958).
-
(5) - ROY (M.) - Tuyères, trompes, fusées et projectiles. Problèmes divers de dynamique des fluides aux grandes vitesses. - Publication scientifique et technique du ministère de l’Air, n° 203 (1946).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Pompes à vide à jet de vapeur. Mesurage des caractéristiques fonctionnelles. Partie 1 : mesurage du débit-volume. - ISO 1608-1 - 1993
-
Pompes à vide à jet de vapeur. Mesurage des caractéristiques fonctionnelles. Partie 2 : mesurage de la pression critique de refoulement. - ISO 1608-2 - 1989
-
Technique du vide – Règle de mesure des pompes à vide à jet de vapeur et des compresseurs à jet de vapeur – Fluide moteur : vapeur. - DIN 28430 - 2017
-
Pompes à jet – Dénomination des parties constitutives. - DIN 24291 - 2012
-
Standards for steam jet vacuum systems, 7th edition. - HEI 125 - 2012
ANNEXES
1.1 Outils logiciels (liste non exhaustive de fournisseurs de codes de calculs)
Ansys-Fluent
PHOENICS
COMSOL Multiphysics
OpenFOAM
HAUT DE PAGE1.2 Constructeurs – Fournisseurs (liste non exhaustive de constructeurs d’éjecteurs)
Bertin Technologies
Croll Reynolds
Equirepsa
Fox Valve
GEA Wiegand
Graham Manufacturing
Interis
Jet-Vac Technologies
https://www.jetvactechnologies.com
Kinetic-Therm
Koerting...
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