Brevet FR2147232A1 — publié le 19730309

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour assurer une distribution uniforme d'air dans des échangeurs de chaleur alimentés par ventilateur. On connait des systèmes dans lesquels de l'air est propulsé à l'aide d'un ventilateur de façon à s'écouler au travers d'un échangeur de chaleur. L'air, au cours de son passage dans l'échangeur de chaleur peut être chauffé, refroidi, déshydraté, ou filtré ou bien, il peut être soumis à une combinaison de deux ou plusieurs de ces processus. Dans des systèmes cocus, on utilise parfois des ventilateurs à hélices pour assurer la propulsion de l'air mais des ventilateurs centrifuges sont généralement plus appropriés du fait qu'ils peuvent produire deslressions d'air bien supérieures et que leur fonctionnement est généralement plus uniforme. Les problèmes essentiels posés par l'utilisation des ventilateurs centrifuges résultent du fait qu'il existe une différence considérable entre la section de passage de la tuyère de sortie du ventilateur et la section droite de l'échangeur de chaleur. Dans des applications pratiques, on a trouvé que la section droite de l'échangeur de chaleur était au moins qatre fois supérieure à la section de la tuyère de sortie du ventilateur et fréquemment il existe même des différences encore supérieures. A cet égard, pour obtenir un bon rendement de fonctionnement du ventilateur, la section de la tuyère de sortie du ventilateur est en relation étroite avec la section de passage du rotor du ventilateur et en conséquence, lorsqu'on essaie d'augmenter la section de la tuyère pour la rendre égale à la section de l'échan- geur de chaleur, on est obligé de choisir un rotor dont les dimensions atteignent des proportions inapplicables en pratique. En outre, lorsqu'on utilise de tels systèmes, il est nécessaire que la section de passage de l'échangeur de chaleur soit suffisamment grande ar autrement l'air à grande vitesse s'écoulant dans l'échangeur de chaleur produirait un bruit inacceptable et il en résulterait une perte considérable de pression. En outre, lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé pour déshydrater l'air, il existe un risque de décharge de gouttelettes d' eau à la sortie de l'appareil du fait de la grande vitesse d'écou levant. Il est également à noter que, dans de tels systèmes, la vitesse de l'air dans l'échangeur de chaleur est inférieure à la vitesse de l'air à la sortie de la tuyère du ventilateur dans la proportion du rapport entre les sections de passage mentionnées plus haut. En conséquence, pour obtenir un système efficace, il est nécessaire en premier lieu d'établir un écoulement d'air uniforme dans toute la section de passage de l'échangeur de chaleur et en second lieu de créer une réduction graduelle de vitesse de l'air entre la sortie du ventilateur et l'échangeur de chaleur de façon à convertir efficacement une pression dynamique en une pression statique. Un type de système connu consiste à placer le ventilateur à la sortie de l'échangeur de chaleur en vue d'aspirer l'air au travers de l'échangeur. De telles dispositions satisfont à la première condition en établissant dans l'échangeur de chaleur une distribution d'air uniforme mais elles ne remplissent pas la seconde condition puisque l'air sortant à grande vitesse du ventilateur est déchargé librement de l'appareil et qu'il ne se produit aucune récupération de la pression dynamique. En outre, dans de telles dispositinns, la grande vitesse de l'air déchargé peut présenter un inconvénient, en particulier dans des cas où l'air pénètre directement dans une pièce d'habitation ou dans une autre une. En outre, dans ces dispositions, l'air chauffé ou refroidi est obligé de passer dans le ventilateur et sur son moteur, il peut en résulter des effets perturbateurs pour ces parties. Un autre type de système connu est agencé de manière qu' un diffuseur d'air, se présentant sous forme d'un conduit de section droite croissante, est placé entre la tuyère de sortie du ventilateur et l'échangeur de chaleur. A condition que le diffuseur ait une longueur suffisante pour assurer une détente graduelle de l'air, cette disposition satisfait évidemment aux deux conditions mentionnées ci-dessus. Cependant, pour obtenir une conversion raisonnable de la pression dynamique en pression statique, l'angle de divergence du diffuseur ne doit pas dépasser 300 et il apparait par conséquent, en tenant compte du rapport de sections précité, que le diffuseur est trop grand pour des applications pratiques. En fait, le diffuseur est plus grand que l'ensemble formé par le ventilateur et l'échangeur de chaleur. L'invention a en conséquence pour but de fournir un procédé et un dispositif permettant de satisfaire aux deux conditions fondamentales mentionnées ci-dessus et simultanément de fournir une structure compacte qui est relativement peu coûteuse. L'invention concerne en conséquence un procédé de distribution uniforme d'air dans un échangeur de chaleur alimenté par ventilateur, procédé caractérisé en ce qu'on propulse un écoulement d'air dans une direction parallèle au plan de l'échangeur dgkhaleur en ce qu'on divise l'écoulement d'air en plusieurs écoulements adjacents, en ce qu'on change la direction des différents écoulements d'air d'environ 900 et en ce qu'on oblige ensuite lesdits écoulements d'air à travèrser l'échangeur de chaleur à différents niveaux sur sa hauteur. L'invention concerne en outre, un ensemble à échangeur de chaleur qui établit une répartition uniforme de l'air dans la section de l'échangeur de chaleur et qui comprend une chambre de stabilisation, un échangeur de chaleur monté dans ou formant une paroi de la chambre de stabilisation, un ventilateur dont la tuyère de sortie est montée dans, ou forme une autre paroi de la chambre de stabilisation afin de diriger un écoulement d'air dans ladite chambre dans une direction parallèle au plan de l'échangeur de chaleur et plusieurs aubes de guidage espacées l'une de l'autre et positionnées dans la chambre de stabilisation de manière à diviser l'écoulement d'air et à le dévier de 900 dans um position adjacente à l'échangeur de chaleur. Des expériences ont éXé effectuées en utilisant une chambre de stabilisation dans laquelle la. sortie du ventilateur et l'échangeur de chaleur sont orientés perpendiculairement entre eux. Cependant, on a trouvé qu' on pouvait obtenir des performances satisfaisantes seulement avec une chambre de stabilisation de grandes dimensions. Lorsqu'on réduit les dimensions de la chambre de stabilisation, on constate que de l'air a tendance à s' écouler seulement dans la moitié supérieure de l'échangeur de chaleur et également que la récupération de pression est très mauvaise. Pour conserver l'avantage dimensionnel de la petite chambre de stabilisation, on peut résoudre le problème de la mauvaise distribution de l'air dans la section d'échangeur de chaleur en disposant plusieurs aubes de guidage suivant l'invention. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en éviaence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels Fig. 1 est une coupe longitudinale d'un ensemble à échangeur de chaleur suivant l'invention Fig. 2 est une coupe à échelle légèrement agrandie faite suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1, et Fig. 3 est une section droite schématique montrant la disposition des aubes de guidage. à Sur les dessins on a représenté un ensemble/échangeur de chaleur dans lequel l'échangeur de chaleur est reSoidi par un gaz réfrigérant en vue de refroidir un écoulement d'air. L'appareil comprend un carter 1 formé d'une tale métallique et divisé an une partie supérieure 2 et en une partie infé rieure 3 par ur cloison horizontale 4J 4 > eure 2 comportant un orifice 5 de sortie d'air traité. La partie supérieure 2 contient également un échangeur de chaleur 6 se présentant sous forme de plusieurs tubes 7 qui sont alimentés en liquide réfrigérant par l'intermédiaire d'un tuyau 10, l'échangeur comprenant une soupape de détente 9 et le gaz réfrigérant sortant de l'échangeur par l'intermédiaire d'un tuyau. Comme le montre la fig. 2, l'échangeur de chaleur 6, la cloison séparatrice 4 et une partie du carter 1 forment une chambre de stabilisation 11 qui s'étend sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur 6. Dans la partie inférieure 3 du carter 1, il est prévu sur un support 12 fixé sur la cloison séparatrice 4 un moteur élec- trique 13 associé à un condensateur approprié 14 et à un contacteur 15. L'arbre de sortie 16 du moteur 13 s'étend vers l'extérieur dans deux directions, chaque extrémité de l'arbre portant un ventilateur centrifuge 17. Les ventilateurs 17 sont chacun logés dans un carter à volute 18 qui est également fixé sur la cloison séparatrice ce 4.Les tuyères de sortie 19 du carter 18 coïncident avec des ouvertures ménagées dans la partie de la cloison 4 qui forme une paroi de la chambre de stabilisation 11. A cet égard, la largeur, ctest-à-dire la distance entre l'échangeur de chaleur 6 et le car-ter 1, de la chambre de stabilisation 11 est supérieure au diamètre des ouvertures 19 et ces dernières sont espacées de l'échangeur de chaleur, à la fois dans un plan horizontal et dans un plan vertical de façon que, comme/s8;aa précisé dans la suite, de l'air sorte par l'extrémité complètement inférieure de l'échangeur de chaleur. Dans ce but, on peut prévoir une plaque de guidage inclinée de manière qu'elle s'étende entre les bords des ouvertures 19 et la lisière inférieure de l'échangeur de chaleur. A l'intérieur de la chambre de stabilisation 11, il est prévu plusieurs aubes de guidage 20 espacées et s'étendant sur toute la longueur de la chambre. Les aubes 20 sont agencées de manière à diviser l'écoulement d'air sortant des ventilateurs en plusieurs écoulement parallèles et à produire une déviation de 9Do desdits écoulements parallèles afin que l'air traverse l'échangeur de chaleur 6 à des niveaux différents dans le sens de la hauteur. A cet égard, il est à noter que l'écoulement d'air, lorsqu'il arrive sur les aubes 20, s'étale vers l'extérieur sur la longueur des aubes et cela assure, en addition au fait que les écoulements parallèles d'air traversent ltéchangeur de chaleur à des niveaux verticaux différents et étroitement adjacents dans le sens de la hauteur, une répartition uniforme de l'air dans toute la section de passage de l'échangeur de chaleur. De-préférence > les aubes de guidage 20 ont un profil incurvé ayant la forme d'un quadrant de cercle, comme indiqué sur la figure 2, et elles sont disposées parallèlement entre elles. Cependant, les aubes 20 peuvent être planes et être inclinées d'un certain angle, ou bien avoir une autre forme qu'un profil anguleux à condition que les positions de leurs bords avant et arrière soient telles que le volume de l'air formant chacun desdits écoulements divisés constitue une fraction du volume d'air total débité par le ventilateur et que la section respective de l'échangeur de chaleur dans laquelle chaque écoulement passe séparément soit une fraction de la section totale de l'échangeur de chaleur, lesdites fractions d'écoulement d'air et de section d'échangeur de chaleur ayant des valeurs égales. De préfércnce également, l'espacement entre les aubes est tel que l'écoulement d'air sortant du ventilateur soit divisé en courants égaux. Suivant ce dernier aspect, la Fig. 3 montre schématiquement la disposition préférée des aubes de guidage 20. Ainsi la largeur totale A de la sortie 19 du ventilateur est divisée en quatre parties égales indiquées par al, 2 a3 et a4 et la hauteur totale B de l'échangeur de chaleur 6 est divisée en quatre parties égales indiquées par bl, b2, b3 et b4 . Les lignes de division sont agencées, comme indiqué sur la Fig. 3 de manière à déterminer les positions des bords avant et arrière des aubes de guidage 20.A cet égard, il est à noter que le profil des aubas 20 > dans une position située entre leurs bords avant et arriè re, peut être modifié de manière à utiliser les différents profils définis ci-dessus mais, dans ces conditions, il va de soi que le rendement de l'appareil est réduit par comparaison au profil complètement incurvé qui est représenté sur les dessins. En conséquence, la condition principale est que a1 b1 a2 b2 a) b3 a4 ~ b4 . Cependant, comme indiqué A =BJAI B A-- ' A B 2 plus haut, a pourrait être inférieur à S par exemple, à condition seulement que la relation essentielle indiquée ci-dessus soit conservée. Lorsque, comme dans le cas de l'appareil décrit plus haut, l'échangeur de chaleur est utilisé pour déshydrater l'air, il est nécessaire de prévoir un plateau d'égouttage 21 en dessous de ltéchangeur de chaleur 6 pour colleeter l'humidité condensée. I1 est prévu à l'intérieur du plateau d'égouttage 21 un couvercle à persiennes se présentant sous forme d'une pièce rapportée 22 ayant le profil d'un U inversé et constituée d'un métal expansé, cette pièce 22 étant agencée pour empêcher l'air de s'échapper tout en perméttant simultanément la traversée de l'humidité qui peut tomber dans le plateau d'égouttage. De préférence le plateau d'égouttage 21 est partiellement entouré d'une matière isolante 23 et un tubé de vidange 24 est prévu pour évacuer l'htmidité accumulée. Des essais ont montré qu'un dispositif tel que décrit plus haut produit un écoulement d'air qui est uniforme et exempt de turbulences tout en permettant une excellente récupération de pression. En conséquence, l'énergie disponible dans Bicourant d'air à grande vitesse sortant du ventilateur, c ' est-à-dire une pression dynamique, est convertie en une pression statique et augmente par conséquent considérablement l'écoulement de l'air dans l'échangeur de chaleur. En conséquence, on voit que le procédé et le dispositif suivant l'invention satisfont aux deux impératifs fondamentaux définis ci-dessus. Bien que l'invention ait été décrite en référence à deux ventilateurs centrifuges qui peuvent être du type à entrée simple ou double, il va de soi qu'on peut utiliser un seul ventilateur en fonction des conditions imposées. L'échangeur de chaleur peut être d'un type approprié pour assurer par exemple le chauffage, le refroidissement ou la déshydratation de l'air et également le chauffage et le refroidissement d'une pièce de sorte qu'il peut étre une unité composite. Pour le chauffage, le fluide passant dans ltéchangeur de de chaleur peut être par exemple de l'eau chaude ou de la vapeur. En variante, l'échangeur de chaleur peut ëtre un dispositif de chauffage par résistance électrique . Pour le refroidissement, le fluide peut être de l'eau refroidie ou bien, comme décrit plus haut, un fluide réfrigérant ou tout autre fluide approprié. On peut incorporer au système un filtre placé en amont ou en aval de l'échangeur de chaleur afin d'épurer l'air. Lorsque l'échangeur de chaleur est utilisé pour assurer un refroidissement à l'aide d'un réfrigérant se détendant directement, il est évidemment nécessaire de prévoir un condenseur associé à un compresseur pour assurer l'extraction de la chaleur. Un tel appareil comporte un serpentin de condensation et l'air est aspiré par l'intermédiaire de ventilateurs centrifuges, axiaux ou à hélices. En conséquence, on voit que l'invention peut être appliquée à tout type d'installation où il est nécessaire de traiter un écoulement d'air et où il est essentiel d'obtenir undispositif compact. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des ventilateurs centrifuges, il va de soi qu'on peut utiliser d'autres ventilateurs, par exemple du type à écoulement transversal ou tangentiel. REVENDICATIONS 1. Procédé pour assurer une distribution uniforme d'air dans un échangeur de chaleur alimenté par ventilateur, caractérisé en ce qu'on propulse un écoulement d'air dans une direction parallèle au plan de l'échangeur de chaleur 6, en ce qu'on divise l'écou- lement d'air en plusieurs écoulements d'air adjacents, en ce qu'on change la direction desdits écoulements d'air d'environ 900 et en ce qu'on fait ensuite passer lesdits écoulements d'air au travers de ltéchangeur de chaleur 6, à différents niveaux sur sa hauteur. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le volume d'air passant au travers de l'échangeur de chaleur dans chacun desdits écoulements divisés est choisi de manière à obtenir une vitesse uniforme de l'air dans toute la section de passage de l'échangeur de chaleur 6. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité d'air passant dans chacun des écoulements divisés est uniforme. 4. Ensemble à échangeur de chaleur, qui produit une répartition uniforme d'air dans la section de passage de son échangeur de chialeur, cet ensemble comprenant une chambre de stabilisation 11, un échangeur de chaleur 6, monté dans ou formant une paroi de la chambre de stabilisation, un ventilateur 18 dont la tuyère de sortie est placée dans ou fait partie d'une autre paroi de la chambre de stabilisation, le ventilateur 18 étant agencé de manière à diriger un écoulement d'air dans la chambre de stabilisation 11, dans une direction parallèle au plan de l'échangeur de chaleur 6, ensemble caractérisé en ce qu'il est prévu dans la chambre de stabilisation 11 plusieurs aubes de guidage espacées 20, da manière à diviser l'écoulement d'air et à le faire tourner de 90 dans une position adjacente à l'échangeur de chaleur 6 de manière à faire passer plusieurs écoulements d'air dans l'échangeur de chaleur 6 à différents niveaux sur sa hauteur. 5. Ensemble suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les aubes de guidage 20 ont une section droite incurvée et s'étendent dans le sens longitudinal de l'échangeur de chaleur 6. 6. Ensemble suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les aubes de guidage 20 sont disposées parallèlement entre el les et en diagonale dans la section droite de la chambre de stabilisation 11. 7. Ensemble suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les bords avant et arrière des aubes de guidage 20 sont positionnés de manière que le volume d'air passant dans chacun desdits écoulements divisés constitue une fraction du volume total d'air débité par le ventilateur 18 et que la section respective de l'échangeur de chaleur 6 dans laquelle chaque écoulement d'air passe séparément soit une fraction de la section totale de l'échan- geur de chialeur, ladite fraction d'écoulement d'air et ladite fraction de section d'échangeur de chaleur ayant des valeurs égales. 8. Ensemble suivant i'une des revendications 6 ou 7 > caractérisé en ce que les intervalles séparant des aubes de guidage adjacentes 20 sont égaux. 9. Ensemble suivant l'une quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce que le ventilateur est un ventilateur centrifuge. 10. Ensemble suivant l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qulil comprend un plateau d'égouta ge 21 placé en dessous de l'échangeur de chaleur 6. 11. Ensemble suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le plateau d'égouttage 21 est pourvu d'un couvercle à per siennes 22 agencé de manière à empêcher l'échappement de l'air tout en permettant la traversée de l'humidité.