Brevet FR2594046A1 — publié le 19870814

La présente invention concerne un appareil collecteur d'eau. Le courant d'air froid déchargé à partir d'un échan- qeur de chaleur à condensation d'une installation de condi- tionnement d'air à cycle d'air pour un aéronef, transporte des gouttelettes d'humidité qui sont généralement éliminées par un appareil collecteur d'eau. A moins que l'humidité ne soit éliminée du courant d'air, ces gouttelettes, lorsqu'elles sont déchargées dans la cabine de l'aéronef. créent un brouillard ou une atmos- phère humide ou bien éventuellement elles gèlent pour for- mer de la glace. En outre les échangeurs de chaleur, les turbines et les conduits de l'installation peuvent être obstrués par suite de la formation de glace, ce qui réduit le rendement de l'installation et provoque une usure des composants du système. Habituellement l'eau devant être éliminée est con- centrée sur les parois des conduits en amont de l'appareil collecteur d'eau, par un type de séparation centrifuge réalisée par suite du trajet tortueux qui suivent les con- duits. Par conséquent la partie du courant d'air la plus proche des parois des conduits transporte la plus grande concentration en eau. Les appareils collecteurs d'eau con- nus antérieurement se sont révélés quelque peu inefficaces en ce qui concerne l'extraction de cet air fortement chargé en humidité à partir du courant principal de l'écoulement de l'air. Une telle installation connue antérieurement utilise un conteneur annulaire autour d'un intervalle annulaire dans un conduit d'air, afin de recueillir l'eau se déplaçant sur les parois du conduit. Puisqu'il n'y a aucun orifice de sortie dans le conteneur, l'air chargé d'humidité remplit le conteneur en créant une zone à haute pression à l'intérieur de celui-ci, ce qui force l'eau formée sur les parois du conduit à tra- verser l'intervalle au-dessus de l'air à haute pression. Bien qu'une telle installation puisse permettre d'éliminer la plus grande partie de l'eau à partir d'un courant d'air se déplaçant relativement lentement (13,7 mètres par secon- de), elle n'est toutefois pas capable de sécher suffisamment un courant d'air à plus grande vitesse (de 18,3 à 30,5 mè- tres par seconde), que l'on rencontre couramment dans les installations de réfrigération modernes'à cycle d'air. Pour de telles vitesses élevées du courant d'air, un agencement en série de plusieurs intervalles et conteneurs peut être nécessaire pour assécher efficacement le courant d'air, ce qui rend l'installation encombrante. L'installation décrite dans le brevet US-3 834 126 constitue une amélioration par rapport à celle connue anté- rieurement dont il a été question ci-dessus. De même que l'installation précitée, l'installation suivant ce brevet US comporte un intervalle annulaire prévu dans un conduit d'air et entouré par un conteneur destiné à recueillir l'eau se déplaçant sur les parois du conduit. Cependant l'installa- tion suivant ce brevet US utilise également des tubes évents entre le conduit et le conteneur, en amont de l'intervalle, afin d'abaisser la pression de l'air dans le conteneur, ces tubes amenant le courant d'air et l'eau à se déplacer à travers eux. Cependant dans certaines applications le cou- rant d'air à travers le conteneur peut ne pas être suffisant pour empêcher que l'eau ne traverse l'intervalle. En fait le brevet US précité indique que des gouttelettes d'eau peuvent être transportées au-delà de l'intervalle, ce qui entraîne le risque d'une rétention d'eau indésirable en quantité excessive dans le courant d'air. Par conséquent un appareil collecteur d'eau à hautes performances, et à rendement accru, pour extraire de l'eau à partir d'un courant d'air à grande vitesse s'échappant d'une turbine d'une installation de réfrigération à cycle d'air, est désirable. Suivant l'invention, un appareil collecteur d'eau amélioré utilise une prise d'air pour séparer, à partir d'un courant d'air, la partie de celuici qui est la plus chargée en humidité, un diffuseur qui abaisse la pression et qui ralentit la partie séparée du courant d'air, afin d'amener l'humidité à tomber naturellement à partir d'elle, et un éjecteur situé en aval de la prise d'air et du diffuseur, éjecteur à travers lequel l'air séché est réintroduit dans le courant d'air. Dans la forme d'exécution préférée la prise d'air est disposée à l'endroit d'une partie externe, dans le sens radial, d'un conduit recevant le courant d'air, si bien que l'écoulement de l'air relativement sec au centre du conduit n'est généralement pas affecté. Pour obtenir une simplicité de la structure, la prise d'air peut faire partie intégrante d'un orifice d'entrée du diffuseur tandis que l'éjecteur peut faire partie intégrante de l'orifice de sortie du diffuseur. L'appareil collecteur d'eau amélioré présente les avantages suivant: l'air chargé d'humidité ne peut pas traverser l'intervalle tandis qu'il est extrait du courant principal; aucune pression d'air dans l'installation de réfrigération n'est perdue parce que l'air séché dans le diffuseur est réintroduit dans le courant d'air principal à travers l'éjecteur, en aval de la prise d'air; l'eau est collectée avec un rendement très élevé et l'appareil collec- teur d'eau est caractérise par une économie de structure avec un minimum de parties constitutives. On décrira ci-après,à titre d'exemples non limita- tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe axiale, d'un appareil collecteur d'eau suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe partielle faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe axiale schématique d'une variante d'exécution de la présente invention. Si on se réfère aux figures du dessin, on voit que ces fiqures représentent un appareil collecteur d'eau 1 comportant un premier conduit 2 communiquant, par une sec- tion d'entrée 4 et une section de sortie 6 de ce conduit, avec un conduit d'air 7 dans lequel le collecteur est dis- posé. A titre illustratif on supposera que le conduit 7 est le conduit de décharge d'un échangeur de chaleur à condensa- tion faisant partie d'une installation de conditionnement d'air à cycle d'air qui reçoit un écoulement d'air réfrigé- ré, chargé d'humidité, à des vitesses allant de 18,3 à 30,5 mètres par seconde. Typiquement la section d'entrée du con- duit peut avoir un diamètre allant de 2,5 à 12,7 centimètres bien qu'un diamètre de 3,2 à 6,4 centimètres soit particu- lièrement bien représentatif. Comme la section d'entrée la section de sortie du conduit peut avoir un diamètre allant de 2,5 à 12,7 centimètres, un diamètre de 3,2 à 6,4 centi- mètres étant tout à fait courant. La section de sortie 6 du premier conduit 2 comporte une extrémité libre 8 évasée vers l'extérieur. L'évasement vers l'extérieur est orienté à l'opposé de l'écoulement du courant d'air qui est représenté par les flèches 9 dans le collecteur. La section d'entrée du premier conduit se ter- mine par une paroi 10 qui diverge d'une manière uniforme et continue dans la direction de l'écoulement de l'air en formant un angle compris entre 5 et 120 avec la direction de l'écoulement de l'air, un anqle de 100 étant préféré pour un courant d'air à une vitesse élevée. Un intervalle 12 est délimité entre l'extrémité évasée de la section de sortie 6 et l'extrémité libre de la paroi divergente 10 de la section d'entrée 4. Pour décélérer un écoulement d'air chargé d'humidi- té, un diffuseur d'air annulaire 14 entoure concentriquement le premier conduit 2 et il est fixé à celui-ci respective- ment à l'endroit des sections d'entrée 4 et de sortie 6. La paroi du diffuseur externe peut être construite en segments 16,18 pour faciliter l'assemblage. Une section externe du diffuseur 14 définit une chambre de dépôt 21 dans laquelle l'humidité contenue dans le courant d'air décéléré tombe naturellement à partir de celui-ci. Le diffuseur 14, con- jointement avec un guide d'air 20 décrit ci-après, définit un trajet tortueux, en forme de Z, à partir de la paroi divergente 10. Le guide d'air annulaire 20 a une section droite en forme de U et il est disposé dans l'intervalle 12, une par- tie de ce guide faisant saillie dans le conduit 2 tandis que l'autre partie s'étend dans le diffuseur 14. Le guide est fixé à la surface interne d'une paroi externe de la section du diffuseur, au moyen d'une pluralité d'ailes espacées circonférentiellement (l'une d'entre elle est représentée en 22), lesquelles sont disposées parallèlement à la direction de l'écoulement de l'air. Le trajet en forme de Z défini par le guide d'air et la paroi externe du diffuseur crée un circuit d'écoulement long ayant un volume croissant progres- sivement, afin de permettre une décélération appréciable du courant d'air dans des dimensions axiale et radiale relati- vement courtes, tout en réduisant au minimum les chutes de pression tandis que l'air s'écoule dans le corps principal du diffuseur. Un second conduit 25 est fixé au guide d'air, à l'intérieur du premier conduit, et il s'étend vers l'amont à partir du guide, en définissant, avec le premier conduit, une embouchure de prise d'air étroite à son extrémité amont 30. Une partie médiane du second conduit 25 définit une partie amont 32 (interne dans le sens radial) du diffuseur 14. Le second conduit s'étend également vers l'aval à partir du guide, afin de définir un éjecteur 28 entre sa partie extrême 34 et la section de sortie 6 du premier conduit. Une partie 36 du second conduit a une forme convergente vers l'intérieur vers l'aval, afin d'accélérer le courant d'air s'écoulant à l'intérieur, et d'aspirer l'air séché prove- nant du diffuseur 14, à travers l'éjecteur 28. Le second conduit 25 est monté sur le premier conduit à l'endroit d'une pluralité d'ailes espacées circonférentiellement (l'une d'entre elle est représentée en 38), ces ailes étant attachées à la partie médiane du second conduit, à l'endroit des bords opposés, dans le sens radial, des ailes, par toute technique appropriée de fixation ou de collage. Le second conduit 25 est disposé de manière à former un écran vis-à-vis de l'intervalle 12 entre la section d'entrée 4 et la section de sortie 6 du premier conduit. La largeur de l'ouverture de l'éjecteur 28 peut aller de 1,5 à 4,7 milli- mâtres. Une largeur d'environ 3,2 millimètres est idéale pour des courants d'air à grande vitesse. La largeur de l'ouverture de la prise d'air 26 est comprise entre 1,5 et 2,5 millimètres, une largeur de 2,0 millimètres étant idéale pour des courants d'air à grande vitesse. Uin réservoir d'eau 40 et un orifice de purge 42 sont prévus à la partie inférieure du diffuseur 14. L'emplacement de l'orifice de purge dépend en général de l'orientation angulaire du réservoir, afin de permettre une purge par gravité. Les premier et second conduits, le guide d'air 20 et le diffuseur 14 peuvent être réalisés en toute matière mé- tallique ou plastique appropriée. Cependant il est préféra- ble d'utiliser de l'aluminium à haute résistance. En fonctionnement l'air s'écoule à travers le col- lecteur 1 à partir de la section d'entrée 4 vers la section de sortie 6 du conduit 2. Habituellement l'eau qui a été concentrée sur les parois du conduit par suite de la sépa- ration centrifuge dont il a été question précédemment, se déplace le long des parois du conduit en étant entraînée par le courant d'air. Lorsqu'elle atteint la section d'entrée 4, la prise d'air sépare l'eau sur la paroi du conduit et l'air chargé d'humidité adjacent à la paroi 4 du premier conduit, du courant d'air principal. L'air et l'eau ainsi séparés s'écoulent à l'extérieur du second conduit 25 pour pénétrer dans le diffuseur 14. Par suite de l'augmentation du volume le long du circuit de l'écoulement sur le trajet en forme de Z dans le diffuseur 14, l'écoulement de l'air est ralenti à moins de trois mbtres par seconde et la pression chute légè- rement, ce qui ambne les gouttelettes d'eau se trouvant dans la chambre de dépôt 21 à tomber naturellement dans le réservoir d'eau 40, pour être ensuite évacuées à travers l'orifice de purge 42. Les gouttelettes d'eau demeurant sur les parois internes des segments 16 et 18 du diffuseur sont entraînées le long des ces parois par le courant d'air jus- qu'à ce que les gouttelettes soient piégées entre l'extré- mité évasée 8 et le segment de diffuseur 16, o elles tom- bent alors dans le réservoir 40. L'eau est ensuite utilisée pour le refroidissement ou le lavage ou bien elle est éva- cuée. L'air qui n'est pas séparé par la prise d'air 26, est accéléré légèrement dans le second conduit par suite de légère conicité assurée par la section 36. L'air ainsi ac- céléré dépasse l'éjecteur 28 en aspirant l'air sec, se déplaçant lentement, en provenance du diffuseur 14. Ce phénomène d'induction amène également davantage d'air à s'écouler à travers la prise d'air 26, en assurant ainsi que l'eau présente sur les parois et l'air fortement chargé en humidité passent à travers le collecteur 1 sans créer une zone à haute pression dans le diffuseur qui, sans celà, empêcherait de recueillir l'eau. Le diffuseur 14 et l'éjec- teur 28 coopèrent de manière à assurer que l'air passant à travers la prise d'air 26 et le diffuseur 14 ne soit pas perdu à partir de l'installation de conditionnement d'air à cycle d'air et qu'il y ait une chute de pression minimale à travers l'appareil collecteur d'eau. Ce collecteur enlève effectivement plus de 99% de l'humidité sur les parois et dans l'air. Dans le cas o l'humidité n'est pas concentrée au voisinage des parois du conduit, par suite, par exemple, d'une courbure insuffisante des parois, l'air fortement chargé en humidité et les gouttelettes d'eau peuvent être dirigés vers la paroi externe du collecteur par des aubes de création de tourbillons 44 fixées à la section d'entrée 4 du premier conduit. Ces aubes, comme on peut mieux le voir sur la figure 2, sont conformées de manière à avoir une cam- brure minimale pour réduire au minimum la chute de pression, tout en ayant une courbure importante vers l'arrière pour constituer une surface dirigeant les gouttelettes d'eau se formant sur les aubes 44 vers les parois du conduit. Dans la variante d'exécution de l'invention repré- sentée sur la figure 3, la paroi 10 du premier conduit n'est pas divergente. Cependant le second conduit 46 diminue continuellement de diamètre, à partir d'un diamètre maximal à son extrémité d'entrée 48, jusqu'à un diamètre minimal à son extrémité de sortie 50, en formant ainsi un tronc de cône. Le second conduit diminue ainsi de diamètre en formant un angle compris entre 5 et 120 par rapport à la direction de l'écoulement d'air, un angle de 10 étant usuel pour des courants d'air à grande vitesse. Le conduit tronconique 46 accélère l'air passant à travers lui, afin de contribuer à l'aspiration de l'air sec dans le diffuseur 14, à travers l'éjecteur 28. L'appareil collecteur d'eau suivant l'invention est très efficace puisqu'il élimine plus de 99% de l'eau dans de l'air se déplaçant à des vitesses pouvant aller jusqu'à 30,5 mètres par seconde. Cet appareil collecteur d'eau est ca- ractérisé par une économie de structure avec un nombre mi- nimal de parties constitutives. Aucune zone à haute pres- sion ou turbulente n'est créée lors de l'extraction de l'air chargé d'humidité à partir du courant d'air principal. Les pertes d'écoulement d'air sont réduites au minimum étant donné que l'air séché dans le diffuseur est réaspiré dans le courant d'air principal, par]'éjecteur. On comprendra que cette description de l'invention est destinée à permettre aux spécialistes de la technique de mettre en oeuvre l'invention et que diverses modifications et additions peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier les spécialistes de la technique comprendront qu'en éliminant le second conduit 25 on forme une prise d'air entre un côté amont du guide 20 et la paroi divergente 10 et on forme un éjecteur entre un côté aval du guide 20 et l'extrémité libre évasée 8 de la section de sortie 6. REVENDICATIONS 1.- Appareil pour collecter de l'humidité à partir d'un courant d'air s'écoulant à travers un conduit à une certaine vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend une prise d'air (26) communiquant avec le conduit (2) afin d'extraire, de ce conduit, une partie du courant d'air chargée en humi- dité, un diffuseur (14) disposé autour du conduit (2) et communiquant avec la prise d'air (26), afin de réduire la vitesse de la partie prélevée du courant d'air, dans le but d'extraire l'humidité de celle-ci, et un éjecteur (28) com- muniquant avec le diffuseur (14) et le conduit (2) en aval de la prise d'air (26), afin de réinjecter, dans le courant d'air, la partie précédemment prélevée de ce courant d'air. 2.- Appareil suivant la revendication 1 caractéri- sé en ce qu'il comprend un intervalle (12) dans le conduit (2) et un guide (20) disposé dans cet intervalle (12) dans le conduit (2) pour diriger la partie prélevée du courant d'air à partir de la prise d'air (26) vers le diffuseur (14) et à partir du diffuseur (14) vers l'éjecteur (28). 3.- Appareil suivant la revendication 2 caractéri- sé en ce que le guide (20) comprend en outre une extrémité amont (30) située dans le conduit (2) et délimitant la prise d'air (26), et une extrémité aval (34) située dans le con- duit (2) et délimitant l'éjecteur (28). 4.- Appareil suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les extrémités amont et aval (30,34,48,50) du guide (20) sont reliées l'une à l'autre par une section (36) convergeant vers l'intérieur, dans le sens radial. 5.- Appareil suivant la revendication 4 caractéri- sé en ce que la section (46) est convergente d'une manière continue à partir de l'extrémité amont (48) vers l'extrémité aval (50). 6.- Appareil suivant la revendication 3 caractéri- sé en ce que les extrémités amont et aval (30,34) du guide sont orientées dans le conduit (2) à distance de l'inter- valle (12). 7.- Apparil--sivunt la -revendication 6 caractéri- sé en ce qu'une paroi (10) du conduit entourant l'extrémité amont du guide (20) diverge radialement vers l'extérieur en direction de l'intervalle (12). B.- Appareil suivant la revendication 2 caracté- risé en ce que le guide (20) a une forme annulaire à section droite en forme de U dont une partie est disposée dans le conduit (2) et une seconde partie est disposée en dehors du conduit, afin de diriger].a partie prélevée du courant d'air,.