Brevet FR2437599A1 — publié le 19800425

La présente invention concerne un dispositif régulateur d'écoulement d'air pour installation de mise en contact d'un fluide avec l'air atmosphérique. Le but de l'invention est d'améliorer les performances de mise en contact d'un fluide avec l'air atmosphérique pour les diverses conditions atmosphériques dans lesquelles l'installation doit fonctionner, particulièrement en cas de vent. L'invention est en particulier applicable aux réfrigérants atmosphériques humides ou secs, qu'ils soient à tirage naturel ou à ventilateurs et, dans ce dernier cas, à ventilateurs aspirants ou à ventilateurs soufflants,le contact entre le fluide et l'air, dans le cas des échangeurs humides, ayant lieu à contre-courant ou à courants croisés. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif régulateur d'écoulement d'air pour installation de mise en contact d'un fluide avec l'air atmosphérique, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure multicellulaire ouverte disposée dans la ou chaque ouverture d'entrée d'air de l'installation, ladite structure définissant une multitude de conduits d'air horizontaux orientés sensiblement perpendiculairement à l'ouverture d'entrée d'air dans laquelle ladite structure est montée. Grâce à ce dispositif, l'air est introduit dans l'installation perpendiculairement aux ouvertures d'entrée d'air, tout le long de celles-ci et quelle que soit la vitesse et l'orientation du vent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de différents modes de réalisation illustrés par les dessins annexés sur lesquels - la Fig.l est une vue schématique en élé- vation d'un réfrigérant atmosphérique à tirage naturel équipé d'un dispositif régulateur suivant l'invention; - les Fig.2a à 2g sont des vues partielles en élévation de différents modes de réalisation du dispositif régulateur; et - la Fig.3 est un graphique illustrant l'effet bénéfique du dispositif régulateur suivant l'invention. En se référant tout d'abord à la Fig.l, l'installation représentée est un réfrigérant atmosphé-rique à tirage naturel comprenant une tour 1 formant cheminée pourvue à sa base d'une ouverture d'entrée d'air périphérique 2 dans laquelle est dispose un dispositif 3 régulateur d'écoulement d'air. Ce type de réfrigérant est parfaitement classique et c'est la raison pour laquelle tous ses équipements intérieurs destinés à la mise en contact direct ou indirect du fluide à refroidir avec l'air atmosphérique qui sont bien connus des spécialistes de la technique ne seront pas décrits ici.On notera en outre que l'application du dispositif régulateur suivant l'invention à un réfrigérant atmosphérique à tirage naturel n'est donnée qu'à titre d'exemple et que ce dispositif pourrait être appliqué à tout type de réfrigérant atmosphérique humide ou sec, c'està-dire à mise en contact direct ou indirect du fluide à refroidir avec l'air atmosphérique, qu'il soit à tirage naturel ou à ventilateur et, dans ce cas, à ventilateur aspirant ou à ventilateur soufflant. Plus généralement encore, il doit être compris que le dispositif régulateur d'écoulement d'air décrit dans la suite de la description peut être appliqué à tout type d'installation de mise en contact d'un fluide avec l'air atmosphérique. Comme représenté plus en détail sur les Fig. 2a à 2g, le dispositif régulateur 3 est constitué par une structure multicellulaire ouverte définissant une multitude de conduits d'air horizontaux 4 orientés sensiblement perpendiculairement à l'ouverture 2 d'entrée d'air dans laquelle la structure 3 est montée. Dans les exemples des Figea à 2c, les conduits 4 ont une section transversale carrée.Toutefois, en variante,cette section pourrait être en forme de rectangle ,de losange ou autre quadrilatère. Sur la Fi.2a, la structure 3 est constituée de plaques verticales de grande longueur 5 définissant deux à deux des colonnes de conduits4 et entre lesquelles sont disposées des plaques 6 plus petites formant cloisons.Dans l'exemple de la Fig.2b,les plaques 5 de grande dimension sont disposées horizontalement et les plaques 6 formant cloisons sont orientées verticalement. Enfin, dans l'exemple de la Fig.2c, les plaques 5 sont disposées obliquement et, plus précisément, elles sont inclinées de 450 sur la verticale, tandis que les cloisons 6 sont disposées perpendiculairement aux plaques 5 et sont par conséquent inclinées également de 450 sur la verticale. Dans les exemples des Fig. 2d et 2e, les conduits 4 sont définis par des cellules jointives 7 de forme hexagonale. Ces cellules peuvent avoir deux caties opposés parallèles de plus grande longueur que les autres côtés de l'hexagone et ces grands côtés peuvent être orientés verticalement comme représenté à la Fig.2d ou horizontalement comme représenté à la Fig. 2e. Bien entendu, une orientation différente peut être adoptée et, plus généralement, les cellules 7 peuvent présenter n'importe quel contour polygonal approprié. Enfin, dans les exemples des Fig.2f et 2g, les conduits 4 ont une section transversale circulaire, la structure multi-cellulaire. 3 étant constituée par un empilement de tubes 8. Ces tubes 8 peuvent être dispo sés en quinconce comme représenté sur ces Fig. ou ils peuvent être alignés en rangées et colonnes perpendiculaires. Dans l'un ou l'autre cas, les interstices 9 entre les tubes peuvent être laissées libres comme representé à la Fi9.2f ou ils peuvent etre bouchés,par exemple au moyen d'une substance 10 formant joint, ou support, ou raidisseur, ou entretoise, comme représenté à la Fig 2g. La structure multi-cellulaire 3 peut être réalisée, par exemple, en béton, en amiante ciment, en bois, en talle métallique, en polymère organique ou en tout autre matériau approprié. De préférence, la longueur des conduits 4 est de plusieurs fois supérieure à leur plus grande dimension transversale; Plus précisément, la longueur des conduits 4 peut être de l'ordre de quelques centimètres à plusieurs métres et leur plus grande dimension transversale peut être respectivement de l'ordre du centimètre à plusieurs décimètres. En outre, tous les conduits 4 d'une même structure 3 ont de préférence les mêmes dimensions. Le choix des dimensions dépend, suivant chaque -type de dispositif régulateur, d'un compromis entre le coût, crois- sant avec les dimensions, et les pertes de charges qui diminuent avec l'augmentation des dimensions ( pour un même rapport longueur de conduit / plus grande dimension transversale). De préférence, pour les grands réfrigérants circulaires, la structure multi-cellulaire sera constituée par la juxtaposition de cellules polygonales à grand nombre de côtés pour approcher la forme circulaire. Le degré d'ouverture de la section frontale de la structure multicellulaire 3 sera aussi grande que possible pour que la section nette de passage de l'air soit aussi proche que possible de la section de l'ouverture d'entrée d'air 2, c 'est-à-dire que les parois des cellules seront aussi minces que la cohésion dela structure et les coûts de fabrication le permettent.Etant donne que la longueur des conduits 4 est de plusieurs fois supérieure à leur plus grande dimension transversale, l'air qui y pénètre est contraint de prendre un mouvement horizontal perpendiculaire à l'ouverture d'entrée 2. I1 en résulte un accroissement des performances du réfrigérant qui peut se traduire, soit par une température plus basse du fluide refroidi ou une plus grande puissance thermique évacuée, c'est-à-dire une amélioration de la qualité de réfrigération, soit, dans le cas de réfrigérants à ventilateurs, par une diminution des frais d'exploitation au niveau de la puissance de ventilation résultant de pertes de charge moindre, soit encore par une réduction des frais d'investissement due au fait que, grâce à ces pertes de charge moindre, on peut utiliser des ventilateurs ou une cheminée de dimensions plus réduites.Bien entendu, on peut également exploiterl'effet bénéfique du dispositif régulateur suivant l'invention pour combiner les avantages mentionnés ci-dessus. Ces avantages seront mieux compris à la lumière des explications données ci-après. Par exemple, dans le cas d'un réfrigérant circulaire, le dispositif régulateur 3 ne donne pas, lorsque le vent souffle, une vitesse d'entrée d'air uniforme tout au long ae la périphérie intérieure du dispositif, mais par contre la direction de l'air à ce niveau est optimale. Le dispositif régulateur empêche l'air de pénétrer dans le réfrigérant, tant avec une composante tangentielle due à l'effet du vent qu'avec une composante verticale descendante résultant d'un appel d'air, cette dernière inhibition se manifestant independamment du vent, et donc déjà par vent nul. Elle conduit par conséquent à une amélioration de la distribution d'air dans le réfrigérant ce qui, d'une part réduit la perte de charge de l'air et, d'autre part, améliore la réfrigération.En effet, grâce au cloisonnement horizontal de l'ouverture d'entrée d'air dans le sens de la hauteur, l'air prend une trajectoire horizontale, et cela sur toute la hauteur d'entrée d'air. Sans ce dispositif, l'air qui entrait dans le réfrigérant par la partie supérieure de l'ouverture d'entrée d'air aurait une importante composante verticale descendante.Dans le cas de réfrigérants à mise en con tact direct du fluide avec l'air atmosphérique, le changement de direction de celui-ci à l'intérieur du réfrigérant,essentiellement dans la zone à forte densité de pluie,jusqu'à la zone où l'air prend une trajectoire essentiellement verticale ascendante, provoquerait une constriction de la veine gazeuse, engendrant ainsi une plus grande vitesse d'air pour un même débit, ce qui se traduirait dans l'ensemble par d'importantes pertes de charge globales et, comme indiqué précédemment, par un moins bon échange thermique fluide-air atmosphérique. Ainsi, quoique le dispositif régulateur selon l'invention soit un élément matériel ayant ses propres pertes de charge, il réduit,si ces dernières ne sont pas anormalement élevées, les pertes de charge globales dans le réfrigérant.Cette amélioration du fonctionnement aéraulique d'-un réfrigérant atmosphérique à mise en contact direct fluide-air due au dispositif régulateur est encore accentuée lorsqu'il y a du vent car, dans tout l'espace situé sous le corps de mise en contact fluide-air dont les dimensions peuvent atteindre, par exemple, 150 m de diamètre et 13 m de haut,et où toise une pluie très dense (environ 1000 fois plus dense que la pluie naturelle en ordre de grandeur), les mouvements de l'air atmosphérique sont beaucoup plus réguliers et les tourbillons sont supprimés. En se reportant à la Fig.3, les droites A et B représentent les variations de pertes de charge globales à l'entrée d'un réfrigérant atmosphérique en fonction du vent respectivement pour un réfrigérant dépour- vu de dispositif régulateur et pour un réfrigérant identique équipé d'un tel régulateur.Les coordonnés & p et t v sont des grandeurs sans dimension, 2 v représentant le rapport entre la pression dynamique du vent et la pression dynamique de l'air à l'intérieur du réfrigérant et ? p représentant le rapport entre les pertes de charge globales à l'entrée d'air et la pression dynamique de l'air à l'intérieur du réfrigérant. I1 résulte de ce graphique que le rapport Z p est plus petit pour un réfrigérant équipé du dispositif régulateur (courbe B) que pour un réfrigérant qui en est dépourvu (courbe A) pour unememe valeur de Zv, ce qui correspond à de moindrespertesde charge dans le réfrigérant. Le dispositif régulateur suivant l'invention présente également une bonne efficacité dans le cas de réfrigérantsà ventilateuls soufflants. En effet, pour ces réfrigérants, l'entrée d'air est constituée par des viroles ou des pavillons d'aspiration dans lesquels sont montés les ventilateurs. De ce fait, la distribution de l'air attaquant la zone d'échange thermique du réfrigérant est caractéristique de la présence des ventilateurs, c 'est-à- dire qu'elle se traduit par des distributions locales d'air au niveau de chaque diffuseur ou virole d'un ventilateur, avec un mouvement gyratoire et des profils de vitesse de l'air déterminés par le ventilateur et ses conditions d'aspiration.Un dispositif régulateur suivant l'invention ne donnera donc pas dans ce cas une uniformité de la distribution d'air dans la zone d'échange thermique du réfrigé- rant comme c'est le cas dans un réfrigérant à tirage naturel ou un ventilateur aspirant. Par contre, le dispositif régulateur assurera partout vent une meilleure alimentation en air des ventilateurs, ce qui se traduit par un plus grand débit pour une puissance absorbée moindre et, par conséquent, par un accroissement du rendement des ventilateurs. De plus, le dispositif régulateur suivant l'invention réduit fortement les effets néfastes des rafales de vent sur les ventilateurs et empêche en particulier les rafales obliques sur ceux-ci. Le dispositif régulateur permet en conséquence d'envisager l'utilisation de ventilateurs à axes horizontaux de plus grandsdiamètres que ceux utilisés jusqu'à présent qui avaient au maximum un diamètre de 7 à 8 mètres, cette limitation résultant des dangers de détérioration des ventilateurs par très grand vent. I1 en résulte que la puissance maximale de réfrigération possible sur les grandes tours de réfrigération circulaires à ventilateurs soufflants est accrûe par la présence d'un dispositif régulateur car, pour un diamètre déterminé de ventilateur, la section de l'ouverture d'entrée d'air croit comme le diamètre du réfrigérant, tandis que la section du corps d'échange croit comme le carré de ce diamètre, ce qui détermine un diamètre de réfrigérant maximal au-delà duquel le rapport des vitesses d'air dans l'entrée d'air et dans le corps d'échange conduit à des valeurs inadmissibles. Enfin, le dispositif régulateur d'écoulement d'air selon l'invention a l'avantage supplémentaire de réduire le rayonnement sonore du réfrigérant lorsque des matériaux appropriés possédant des qualités d'absorption acoustique en constituent la structure. Dans ce cas, les parois pourraient être plus épaisses que le minimum requis par la cohésion de la structure et les côuts de fabrication. En résumé, le dispositif régulateur suivant l'invention permet, même par vent nul, d'améliorer légèrement les performances d'un réfrigérant atmosphérique ou autre installation de mise en contact d'un fluide avec l'air atmosphérique, cette amélioration devenant nettement plus significative dès que souffle un léger vent et étant d'autant plus marquée que le vent est plus fort. Enfin, en variante, le dispositif régulateur suivant l'invention peut également être interposé entre les ventilateurs et le corps d'échange, dans le cas de réfrigérants à ventilateurs soufflants. On améliore ainsi la distribution de l'air au corps d'échange. D'autre part, la longueur et/ou la section transversale des conduits peut être différente suivant la position de ces conduits en hauteur et/ou le long de la périphérie de l'installation, afin de compenser au moins partiellement les différences de pertes de charge des filets d'air à l'entrée dans le réfrigérant en fonction de leur position en hauteur dans l'entrée d'air et/ou en fonction de la direction des vents dominants. REVENDICATIONS 1. Dispositif régulateur d'écoulement d'air pour installation de mise en contact d'un fluide avec l'air atmosphérique, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure multi-cellulaire ouverte disposée dans la ou chaque ouverture d'entrée d'air de l'installation, ladite structure définissant une multitude de conduits d'air horizontaux orientés sensiblement perpendiculairement à l'ouverture d'entrée d'air dans laquelle ladite structure est montée. 2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur desdits conduits est de plusieurs fois supérieure à leur plus grande dimension transversale. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur desdits conduits est de l'ordre de quelques centimètres à plusieurs mètres et leur plus grande dimension transversale est de l'ordre du centimètre à plusieurs décimètres. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que tous les conduits de la structure ont les mêmes dimensions. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les conduits ont une section transversale rectangulaire ou carrée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite structure est constituée de plaques de grandes longueurs définissant deux à deux des rangées ou colonnes de conduits et entre lesquelles sont disposées des plaques plus petites formant cloisons. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les conduits sont définis par des cellules jointives de forme polygonale. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les conduits ont une section transversale circulaire. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les conduits sont définis par des tubes disposés côte à cote. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les espaces entre lesdits tubes sont fermés.