Brevet FR2487450A1 — publié le 19820129

Chambre de circulation d'un courant de fluide L'invention est relative à une chambre de circulation d'un courant de fluide gazeux qui est utilisée pour la mise en contact avec un solide dans un appareil tel qu'un séchoir ou un four, ou encore pour la mise en contact avec un liquide ou un solide en sus- pension dans un appareil, tel qu'une tour de lavage, d'absorption ou de refroidissement. Les chambres de circulation de fluide comportent habituellement une grille distributrice d'entrée du fluide et une grille distibutrice de sortie du fluide ou de reprise. Les grilles d'entrée ont pour but de provoquer une déviation de l'écoulement avec décélération du fluide, et la grille de sortie une déviation de l'écoulement avec accélération du fluide, de manière à établir un champ de vitesse uniforme entre ces grilles. Dans les modes habituels de réalisation des chambres de ce type, il est fait usage de grilles de distribution d'entrée d'air et/ou de reprise constituées de t8les perforées minces et planes, généralement associées à des couloirs d'entrée et de sortie de hauteur constante. Comme les perforations à bord mince de ces grilles n'ont aucun effet redresseur sur les composantes tangentielles de l'air à l'entrée, il subsiste, malgré un effet de répartition du débit à l'entrée, des composantes obliques importantes d'écoulement dans la chambre qui, combinées avec les effets de paroi de la chambre, laissent subsister une mauvaise répartition de l'air. Le système correcteur d'entrée du fluide peut être amélioré en créant un effet redresseur de l'écoulement à l'aide d'une épaisse t8le perforée, telle que le rapport de l'épaisseur de cette t8le au diamètre des perforations soit suffisamment élevé et supérieur à cinq. Le fluide, qui pénètre en jet oblique dans les perforations recolle aux parois desdites perforations, sort alors en jets de direction sensiblement normale au plan de cette tôle. Cette disposition a l'incon- vénient de nécessiter soit l'usage de t8les épaisses, lourdes et coûteuses, soit de tôles d'épaisseur moyenne très finement perforées, ce qui les rend sensibles à l'encrassement par les particules solides qui peuvent être en suspension dans l'air de séchage. Une variante parfois utilisée avec un certain succès consiste à utiliser des panneaux en forme de nid d'abeilles en épaisseur suffi- -2 - sante pour obtenir un bon redressement de l'écoulement. Le nid d'abeilles présente cependant l'inconvénient d'une perte de charge faible et de valeur très variable suivant l'angle d'incidence du fluide à sa surface. Son application reste ainsi limitée aux situations dans lesquelles le fluide à dévier est lui-même amené sur le panneau avec une vitesse et une direction très régulière, ce qui peut conduire à adjoindre une tôle perforée pour créer une perte de charge moyenne supplémentaire répartitrice. De plus, les nids d'abeilles collés présentent une tenue très limitée en température. De même, à la sortie de la chambre, la t8le perforée n'ayant aucun effet déflecteur sur l'air qui la traverse à peu près normalement, il se crée, pour mettre en mouvement l'air à grande vitesse suivant une direction généralement parallèle à la grille dans le couloir de sortie, une différence importante de pression dans ce couloir par rapport à son extrémité disposée à l'aspiration d'un ventilateur. Pour remédier à cette différence de pression, qui déséquilibre la distribution de l'écoulement dans la chambre, il convient de donner à la grille de sortie une perte de charge extrêmement élevée pour compenser cette différence de succion qui s'exerce au travers. On est donc ainsi conduit à utiliser des t8les avec des pertes de charge excessives pour un résultat médiocre, même en utilisant des couloirs divergents. L'invention a pour but une chambre de circulation d'un courant de fluide dont les grilles d'entrée et/ou de reprise autorisent sans perte de charge considérables une distribution convenable du courant de circulation. L'invention a pour objet une chambre de circulation d'un courant de fluide comportant au moins une grille distibutrice d'entrée, carac- térisée en ce que la grille d'entrée est constituée par un panneau à paroi mince à ondulation présentant face à l'écoulement des arrondis parallèles régulièrement répartis, les flancs de deux arrondis adjacents constituant des canaux convergents sur un fond perforé. Selon certaines caractéristiques le rapport de la largeur du fond perforé est au plus égal à 1,5 fois la projection du pas des ondulations, sur un plan perpendiculaire à la direction de l'écoulement incident. La hauteur des ondulations est comprise entre 1,5 et 5 fois la largeur du fond perforé. -3- Selon d'autres caractéristiques les arrondis peuvent présenter des perforations auxiliaires sur le flanc opposé à la direction de l'écoulement. La chambre peut aussi comporter deux grilles d'entrée disposées parallèlement et orientées à 900 l'une de l'autre. La chambre de circulation peut être cylindrique. Selon l'invention une chambre de circulation peut présenter une grille de sortie constituée par un panneau à paroi mince plissée comportant des rangées de lames parallèles équidistantes reliées entre elles par des languettes de découpage de perforation. L'angle d'inclinaison d'une lame sur le plan du panneau est au plus égal à 45 . - Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple et illustré dans le dessin, dans le cadre d'un séchoir à pâtes alimentaires allongées. La figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un séchoir selon l'art antérieur. La figure 2 représente une vue schématique en coupe transversale d'un séchoir selon l'invention. La figure 3 représente une vue en perspective schématique partielle de la grille d'entrée du séchoir selon la figure 1. La figure 4 est une vue en perspective schématique d'une variante de réalisation de la grille d'entrée d'un séchoir selon l'invention La figure 5 est une vue en perspective schématique partielle de la grille de sortie du séchoir selon l'invention. Dans le séchage, et notamment dans le séchage de produits élaborés ou pâteux ne pouvant être disposés en vrac au contact les uns des autres, on est conduit à utiliser des chambres de séchage de grandes dimensions o le produit à sécher offre peu de résistance à l'écoule- ment du gaz chaud caloporteur. Il faut créer dans toute l'étendue de la chambre de séchage à la fois une circulation à vitesse uniforme du fluide lui-même amené à température uniforme pour obtenir un produit séché de qualité régulière, et assurer une vitesse dudit fluide suffi- samment élevée pour augmenter la production du séchoir et réduire le coût des investissements et les déperditions calorifiques par -4- les parois du séchoir. Corrélativement, pour des raisons d'économie, le fluide caloporteur, convenablement réchauffé et desséché, généralement par extraction d'air chaud humide et admission d'air sec frais, est recyclé sur le produit à sécher. Pour les mêmes raisons économiques, l'espace réservé pour loger les circuits de recyclage du fluide est de dimensions si restreintes que le fluide recyclé s'y écoule avec une vitesse très supérieure à celle qu'il possédait en traversant la chambre de séchage; il faut donc contrôler son admission sous vitesse élevée dans la chambre de séchage et sa reprise à la sortie de celle-ci, fonctions qui sont réalisées par l'utilisation des grilles distributrices et de reprise suivant l'invention. Dans la figure 1 la chambre de séchage 1 du séchoir contient les nappes de pâtes 18 suspendues sur des cannes horizontales 2 qui défilent longitudinalement dans le séchoir. Le séchoir représenté ne comporte pour simplifier qu'une seule nappe de pâtes. L'air contenu dans l'enceinte calorifugée 6 du séchoir est recyclé par un ventilateur 3 et une batterie de chauffe 4 installés dans un couloir latéral 5, puis est admis dans un couloir supérieur d'entrée 7 à travers une grille d'entrée plane 11 sur le rideau de pâtes. La vitesse dans le couloir 7 peut atteindre une valeur supérieure d'au-moins trois à cinq fois la valeur de la vitesse moyenne désirée sur le rideau de pâtes à travers la chambre de séchage; de même, l'air est repris à la partie inférieure de la chambre de séchage 1 à travers une grille de sortie plane 12 et aspiré par un couloir inférieur de sortie 8 à une vitesse élevée. La forte énergie cinétique de l'air dans le couloir supérieur 7 combinée avec l'aspiration du ventilateur 3 dans le couloir inférieur 8 provoque un fort déséquilibre dynamique qui se traduit par une répartition de vitesse très irrégulière en direction et grandeur sur le rideau de pâtes, des valeurs maximum de deux à trois fois la valeur moyenne attendue pouvant se manifester du c8té opposé au couloir 5 de retour, et des vitesses faibles et même des recirculations de bas en haut pouvant se produire en partie supérieure du rideau de pâtes du côté adjacent au couloir 5. Le degré de séchage des pâtes obtenu est alors très inégal et la production du séchoir s'en trouve diminuée, même si on utilise l'artifice d'inverser périodi- quement le sens de circulation de l'air, car les phénomènes de séchage ne sont pas linéaires en fonction du temps. On est alors conduit - -5- à disposer à la sortie des chambres de séchage un silo de rétention dans lequel le rééquilibrage d'humidité entre les différentes pâtes plus ou moins sèches se produit. Pour simplifier, dans la figure 1, on n'a pas représenté les dispositifs d'extraction d'air humide et d'admission d'air sec destinés à contr8ler l'humidité moyenne de l'air de séchage. Dans la figure 2 on a représenté sous la même forme schématique le séchoir réalisé de manière à obtenir une bonne répartition du flux d'air sur les pâtes. L'air issu du couloir latéral 5 est introduit dans le couloir supérieur 7 après avoir été dévié de manière classique par une grille déflectrice 9. Une forme convergente est donné au cotloir 7 à l'aide de la paroi extérieure supérieure 10 du séchoir qui est disposée en biais, la loi de section linéairement décroissante du canal ainsi formé étant, comme il est bien connu, la loi théorique convenable pour assurer la compatibilité d'un champ hydrodynamique d'approche uniforme en vitesse et pression dans le couloir 7 avec un prélèvement de débit uniforme par la grille distributrice d'entrée 11. Par ailleurs, à la sortie du "lit" de pâtes, une grille de sortie ou de reprise 12, destinée à dévier l'air en l'accélérant, le renvoie obliquement dans le couloir inférieur divergent 8. Ce couloir 8 est réalisé à l'aide de la paroi externe inférieure 13, suivant une loi de section linéairement croissante, convenable pour assurer l'évacuation régulière du débit injecté uniformément par la grille de sortie 12 de la chambre 1. Les champs de vitesse et de pression dans le couloir d'entrée 7, dans la chambre de séchage sur le "lit" de pâtes et dans le couloir de reprise 8, sont alors uniformes si la grille distributrice d'entrée 11 assure la déviation de l'écoulement oblique du couloir 7 en un écoule- ment vertical à l'entrée de la chambre et si la grille de sortie 12 assure une déviation de l'écoulement vertical en un écoulement oblique à sa sortie suivant un angle de fuite égal à l'angle de pente du panneau oblique 13. La grille distributrice d'entrée 11 représentée dans la figure 3 est obtenue à partir d'un panneau mince embouti de manière à former des ondulations présentant face à l'écoulement des arrondis 15 disposés parallèlement suivant un pas référencé en 14. Les arrondis 15 comportent des prolongements constitués par des flancs amont 16 et des flancs aval 16' par rapport à la direction de la vitesse 25 de l'écoulement -6incident, les flancs sont rectilignes et inclinés sur la normale au plan du panneau, de manière à former des canaux 19 légèrement convergents sur un fond perforé 23 constitué par des perforations préalables laissant subsister des languettes entretoises 21. La grille 11 est pliée à fond de canal 19 suivant une forme méplate ou arrondie. La largeur référencée 17, du fond perforé 23 est au plus égale à 1,5 fois la projection du pas 14 des ondulations sur un plan perpendiculaire à la direction généralement oblique de la vitesse 25 de l'écoulement incident. Il en résulte que, pour l'angle normal d'incidence de l'écoulement du fluide à dévier et répartir sur la grille 11, la vitesse d'approche à fond de canal du fluide dévié conserve une valeur voisine et au moins égale à 0,6 fois la valeur de la vitesse 25 de l'écoulement incident 18. L'air s'échappe de la grille 11 à travers les perforations 20 qui peuvent être de forme circulaire, oblongue, carrée ou rectangulaire. Le jour ou taux de perforation créé par les perforations 20 ne dépasse pas 85% de manière à laisser subsister des languettes 21 d'une largeur suffisante afin d'assurer la continuité mécanique des ondulations et la bonne tenue de la grille du panneau. Le jour à fond de canal peut, cependant, être réduit à des valeurs inférieures à 85%, par exemple juqqu'à 50%, pour améliorer si nécessaire les qualités répartitrices de la grille au prix d'une perte de charge accrue. La hauteur du canal référencée en 26 est comprise entre 1,5 et 5 fois la largeur 17 du fond 23 d'un canal 19. L'inclinaison des flancs 16 et 16' des ondulations sur la normale au plan d'ensemble de la grille n'est pas supérieure à 200 d'angle. Le fluide s'échappe des perforations 20 sous forme de jets à grande vitesse, qui après diffusion forment un écoulement de vitesse uniforme qui est rétabli à une distance aval de la grille de l'ordre de dix fois le pas 14 des ondulations. En pratique, une grille distributrice dotée d'un profil donné conserve ses qualités déviatrices et distributrices pour une plage d'incidence importante du fluide à répartir, depuis un angle d'approche normale à la grille jusqu'à une valeur maximale de l'angle d'approche en attaque oblique du panneau d'autant plus élevée que le rapport -7- de l'espace 17 à fond de canal au pas 14 est faible. Pour des angles d'approche trop faibles par rapport au plan de la grille, l'écoulement décolle sur les arrondis 15' pour buter et rebondir sur le flanc aval 16' du canal 19, disposé à l'opposé de l'écoulement incident, les jets de sortie pouvant même être renvoyés dans une direction opposée à la direction d'approche de l'écoulement. Pour améliorer le fonctionnement de la grille aux grands angles d'approche, des perforations auxiliaires 24 peuvent être ménagées dans les flancs aval 16' à la limite de l'arrondi 15 de l'onde, du côté opposé à l'impact oblique du fluide à dévier. Le fluide aspiré par les perforations auxiliaires 24 entraîne la résorption des poches de décollement et provoque parallèlement le bon contournement de l'arrondi 15 de l'ondulation. Il en résulte de plus que le fluide aspiré par les perforations supplémentaires 24 sert à alimenter l'écoulement aval à travers l'espace mort situé sous la grille 11 et améliore ainsi l'uniformité de l'écou- lement du fluide en aval du panneau. La surface auxiliaire perforée 24 peut être au maximum égale à la perforation normale 20 du fond 23 des canaux 19. Les qualités essentielles résultant de la grille distributrice suivant l'invention sont d'ordre hydrodynamique et d'ordre technique et économique. Sur le plan hydrodynamique, la grille s'adapte à un angle d'inci- dence très variable de l'écoulement d'approche jusqu'à un angle limite élevé dépendant des perforations et du profilage de ladite grille, cette bonne aptitude étant liée à la présence des arrondis 15 de l'ondulation face à l'écoulement et à la forme convergente des canaux 19 compris entre les flancs 16 et 16' des arrondis, l'écoulement étant dévié et parcourant lesdits canaux pratiquement sans ralentissement ni pertes. La perte de charge de la grille est faiblement dépendante de l'angle d'approche jusqu'à l'angle limite d'utilisation, la perte étant pratiquement uniquement constituée par la diffusion des jets issus desperforations 20 par élargissement brusque au débouché. La grille possède ainsi pratiquement la perte minimale pour réaliser la déviation et la répartition du fluide en approche oblique. -8- Sur le plan technique, de par le principe de fabrication, par emboutissage, on obtient une grille très régulière, rigide et légère, sans soudure ni collage, ce qui permet de l'employer à haute tempé- rature si elle est métallique. De plus, la grille est peu sensible au phénomène d'encrassement du fait de sa forme arrondie face à l'écoulement et de l'absence d'angles rentrants, o pourraient se déposer des particules. La fabrication de ces grilles suivant les procédés de fabrication des tôles perforées ondulées classiques, en économisant les coûts de main-d'oeuvre, rend ces grilles particulièrement économiques. L'utilisation de la grille distributrice suivant l'invention n'est pas limitée au seul cas de l'approche générale oblique sous un angle constant de l'écoulement fluide à dévier et répartir, mais peut être étendue au cas de fluides s'approchant sous des angles différents dans l'espace. Dans l'exemple de réalisation de la chambre cylindrique 1 de la figure 4, l'emploi de deux grilles 11 et 11', disposées en série dans des plans parallèles de telle façon que leurs arrondis 15 et ' soient orientés perpendiculairement les uns aux autres, permet de détruire toutes les composantes tangentielles de l'écoulement amont et de restituer une vitesse aval parfaitement orientée suivant la normale au plan des grilles. La figure 5 montre un mode de réalisation de la grille de sortie 12 de la chambre 1 et d'entrée dans le couloir de sortie. La grille de sortie 12 a pour but de dévier l'air et de le renvoyer sous un angle de sortie oblique en l'accélérant. La grille 12 est constituée par un panneau à paroi mince dans lequel on a préalable- ment découpé des perforations 33. Le panneau est ensuite plissé par emboutissage de façon à former des lames 30 parallèles entre elles, au pas référencé en 29. Les lames 30 sont inclinées sur le plan d'ensemble de la grille 12 d'un angle de calage référencé en 31 d'autant plus petit que la déflexion de l'écoulement recherchée est forte. Les lames 30 sont solidarisées mécaniquement entre elles par des languettes 32 subsistant après perforation du panneau. Le fluide qui traverse la grille 12 vient buter contre les lames 30 et passe après séparation du flux sur la lèvre amont 34 _9_ de la lame 30 dans les perforations 33 dégagés par découpage entre les languettes 32. Ces perforations 33 peuvent être de forme carrée ou rectangulaire, ou même oblongue ou circulaire. La déviation recherchée est d'autant plus facilement obtenue et pour une perte de charge d'autant plus faible que la projection référencée en 38 de la lame 30 sur le plan du panneau de la grille 12 est importante par rapport au pas référencé en 29, la projection réfé- rencée en 37 de la languette 32 étant réduite au minimum compatible avec les exigences du pliage de la languette 32. L'écart 37 est à peu près égal à deux fois le rayon interne de pliage minimum du panneau, soit environ cinq fois l'épaisseur du panneau. - La grille de sortie 12 suivant l'invention peut être attaquée par le fluide suivant un angle s'écartant de la normale à la grille. Elle transforme alors la composante tangentielle normale aux géné- ratrices des lames et conserve la composante tangentielle parallèle aux génératrices et restitue la composante normale au plan de la grille après diffusion des jets de sortie. Dans son utilisation la plus fréquente et la plus intéressante, la grille 12 sera utilisée sans composante d'approche parallèle aux génératrices des lames 30. Pour une grille données l'angle de sortie de la vitesse varie en fonction de l'angle d'approche avec la normale à la grille. Pour les grilles suffisamment déviatrices, plus de 700, cet angle de sortie varie cependant de façon assez faible pour une attaque oblique ne s'écartant pas de plus ou moins 200 de l'attaque normale, et une même grille peut être utilisée dans cette plage, ce qui permet de la placer éventuellement obliquement à la sortie de la chambre de séchage. Les grilles de sortie, réalisées suivant l'invention, présentent -des qualités déflectrices et répartitrices, notamment en association avec un couloir de reprise 8 divergent qui rapproche leurs performances de celles que l'on pourrait théoriquement atteindre avec une grille du type d'aube de turbine, tout en gardant les qualités de simplicité et d'économie de réalisation, de robustesse et l'avantage d'un format de grande dimension. Il est évident que l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit et représenté, et qui n'a été donné qu'à titre d'exemple; en particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par d'autres équivalents. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Grille de déflexion et de distribution d'un courant de fluide pour recevoir un fluide arrivant selQn une direction d'incidence (25) et le défléchir selon une direction d'émergence (42) différente tout en distribuant sensiblement uniformément son débit à travers des orifices répartis sur toute la surface de la grille, cette grille étant caractérisée par le fait qu'elle a la forme générale d'un panneau (11) constitué par au moins une tôle mince ondulée et perforée, la direction des ondes étant sensiblement perpendiculaire à la fois aux deux directions d'incidence (25) et d'émergence (42), chaque onde formant au moins deux bandes (23, 16, 16') sensiblement planes dont les longueurs s'étendent selon cette direction des ondes, les perforations (20, 24) de cette tôle constituant lesdits orifices et certaines d'entre elles (20) au moins étant réalisées dans des bandes (23) o la tôle est sensiblement perpendiculaire à la direction d'écoulement aval. 2/ Grille selon la revendication 1, cette grille présentant la forme d'un panneau (11) perpendiculaire à la direction (42) d'émergence du fluide et étant caractérisée par le fait que chaque onde de la tôle comporte, en partant du côté d'émergence, - une bande de fond (23) sensiblement parallèle au plan moyen, - deux bandes de flanc (16, 16') sensiblement planes situées de part et d'autres de cette bande de fond et convergeant vers celle- ci, - et une bande de sommet (15) incurvée raccordant une des bandes de flanc de cette onde à une bande de flanc de l'onde adjacente, la concavité étant disposée du c8té du fluide émergent, - des perforations principales (20) étant formées dans la bande de fond. 3/ Grille selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la largeur de la bande de fond (23) est au plus égale à 1,5 fois la projection du pas d'ondulation sur un plan perpendiculaire à la direction d'incidence (25). 4/ Grille selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la hauteur des ondes est comprise entre 1,5 et 5 fois la largeur de la bande de fond (23). ?487450 - 11 - / Grille selon la revendication 4, caractérisée par le fait que des perforations auxiliaires (24) sont formées à cheval sur la bande de sommet (15) et la bande de flanc (16') située en aval de la bande de sommet par rapport à l'écoulement incident. 6/ Grille selon la revendication 1, cette grille présentant la forme d'un panneau (12), caractérisé par le fait que chaque onde de la tôle est constituée par: - une bande de guidage (30) sensiblement plane qui dévie l'écoulement incident vers des perforations (33), - une bande perforée (32, 33) sensiblement perpendiculaire au plan du panneau, - les perforations (33) s'étendant sur toute la largeur de cette bande perforée de manière que le fluide débouche desdites perforations (33) en jets obliques décollés du panneau, ces jets reconstituant après diffusion un écoulement aval uniforme fortement incliné sur le plan du panneau. 7/ Grille selon la revendication 6, caractérisée par le fait que l'angle (31) d'inclinaison des lames de guidage (30) sur le plan du panneau est au plus égal à 450. 8/ Chambre de circulation d'un fluide pour faire circuler un fluide en circuit fermé en formant un écoulement uniforme dans une chambre interne (1), caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins une grille selon la revendication 1. 9/ Chambre de circulation selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la chambre interne (1) est disposée entre une grille d'entrée (11) selon la revendication 2 et une grille de sortie (12) selon la revendication 6, en regard de la grille d'entrée.