Brevet FR2671860A1 — publié le 19920724

a a présente invention concerne un procédé de diffusion d'air en jet tourbillonnaire d'axe vertical ainsi qu'un diffuseur réglable assurant une telle diffusion et son dispositif de règlage pour une utilisation en aérotherme ou en bouche de soufflage L'objet de la diffusion dair dans un local est d'obtenir le meilleur mélange possible entre l'air ambiant et l'air diffusé pour renouveller, chauffer ou réfrigérer l'atmosphère du local avec la moindre gène possible pour les occupants bu local. Il existe de nombreux types de diffuseurs qui sont soit raccordés à un réseau de gaines d'amenée d'air (bouches de soufflage) soit directement à un ventilateur (aérothermes). Tous ces diffuseurs produisent des jets air dont les caractéristiques peuvent se résumer comme suit Le jet en dard qui est matérialisé sous forme visible par la flamme d'un chalumeau de soudure I épanouissement du jet en dard se fait suivant un cône dont l'angle au sommet est constant quelle que soit la vitesse initiale de l'air à itorigine du jet. Cet angle est de l'ordre de 23 à 25 . Le dard est la partie de l'écoulement où l'air conserve la vitesse d'origine. Le jet en dard peut prendre diverses formes suivant 1 orifice a travers duquel passe 1-air : iet rond au travers d-un orifice ronds jet plat au travers d'une +ente, etc., La portée du jet en dard dépend de la pression dynamique de l'air à la sortie de orifice. On rencontre ce type de jet dans la quasi totalité des appareils de chauffage à air pulsé dans lesquels on ajoute des volets d'orientation du jet pour rabattre, par exemples n jet d'air chaud horizontal vers le bas. Des corps de déviation permettent de modifier la forme du cône d'épanouissement. C-est le cas des diffuseurs plafonniers dans lesquels on dirige lair dans une direction plus ou moins horizontale. On réalise ainsi des diffuseurs à plaque dans lesquels on dispose une plaque horizontale devant l'orifice de soufflage, des diffuseurs coniques dans lesquels on dispose des déviateurs coniques devant l'orifice de soufflage, etc.. Une autre technique de modification du cône d'épanouissement du jet en dard consiste à disposer des corps de déflexion sous forme ailettes radiales à un orifice circulaire de soufflage. Dans ce cas on transforme partiellement la vitesse axiale du jet en vitesse tangentielle. Cette composante tangentielle dépend de la +orme des ailettes, de leur recouvrement axial et de leur inclinaison. On provoque ainsi un mouvement tournant dont l'expansion dépend de la composante de vitesse tangentielle. On augmente l'expansion d'un tel jet par l'introduction d'un disque plein concentrique à l'orifice et de diamètre inférieure à celuici.Dans la couronne constituant l'orifice de passage de l'air on dispose dailettes radiales dont l'inclinaison peut ?tre règlable. Au centre dun jet tournant il existe une dépression qui est augmentée par le sillage du disque concentrique à l'orifice. Il s'agit de l'effet cyclone qui a notamment l'avantage de provoquer un entrainement par viscosité des masses d'air en périphérie, ce qui favorise le mélange. On pratique de plus en plus la diffusion de l'air dans les locaux dans le sens vertical du haut vers le bas. est en effet au plafond qu'un diffuseur est le moins encombrant et les gaines d'amenée d'air peuvent être installées derrière un faux plafond. Il en est de même pour une usine ou les appareils de chauffage installés en toiture permettent un gain de place au sol. Souffler l'air du haut vers le bas est favorable à un meilleur équilibre des températures dans le sens vertical. Notamment quand on chauffe le local, on tend à éviter l'accumulation d'air chaud en parties hautes aux dépends des parties basses : on n'est donc pas obligé de surchauffer les parties hautes pour obtenir la température requisse au niveau du sol. La inverse est aussi vrai lorsqu'il s'agit de refroidir l'atmosphère d'un local dans le cas en particulier ou l'occupation est sur plusieurs niveaux. Tous les jets décrits précédemment présentent l'inconvenient d'imposer une vitesse axiale minimum de I-air qui rend d'autant plus impossible la maîtrise des vitesses résiduelles qu'il faut aussi tenir compte de la densité relative de l'air diffusé par rapport à l'air ambiant. L'air chaud et/ou humide tend à refuser de descendre, l'air froidet/ou sec descend trop vite. - dans le cas du jet en dard. cette vitesse axiale conditionne à elle seule la portée du jet L'effet direct du jet en dard n'autorise généralement pas son utilisation en diffusion verticale. - Dans le cas des diffuseurs plafonniers l'effet directif est atténué et la vitesse axiale peut être réglable soit par un changement de position des corps de déviation de l'air soit, plus généralement, par variation du débit d'air. En effet les plages de règlage de tels diffuseurs sont généralement absorbées, pour un débit donné, par les contraintes d2implantailon dans le local (hauteurs d'installation, encombrement internes.Ce qui fait que le règlage de la portée d'air est généralement pratiqué par variation du débit : mi on souffle de l'air chaud, il faut augmenter le débit, si on souffle de l'air réfrigéré il faut réduire le débit. ans les échangeurs, les écarts moyens de températures entre l'air et le fuide caloporteur sont plus grands dans le cas d'un chauffage de l'air que dans le cas de son refroidissement : augmenter le débit d'air chaud est favorable à des échangeurs de moindre surface d'échange, donc plus économiques, par contre, diminuer le débit d7air froid oblige à augmenter de manière importante la surface d'échange. Ceci complique, voire rend impossible, l'utilisation d'une même installation pou le chauffage et la réfrigération d'un local. - La situation est pratiquement la meme dans le ras des diffuseurs à jet tournant ou à effet cyclone, sachant toutefois que les plages de réglage des diffuseurs à effet cyclone sont plus étendues que dans les autres types de diffuseurs. A l'exception des locaux dont le volume interne est entièrement libre, la détermination d-une installation de diffusion d'air est encore compliquée par la grande diversité des encombrements internes. Ces encombrements pouvant eux-mêmes varier dans le temps et rendre une installation partiellement QU totalement inutilisable. La présente invention consiste à produire un jet tourbillonnaire horizontal composé de plusieurs jets en dard tangentiels à un caisson de détente, chacun de ces jets en dard étant ensuite dévié verticalement de manière à créer un cône de diffusion dont l'angle dépendra conjointement du réglage de la déviation verticale et de la densité relative de l'air diffusé par rapport à l'air ambiant. On obtient un tel jet au moyen d'un caisson de détente d'axe vertical tee que représenté sur les figures 1 et 2 Deux polygones identiques constituent les faces horizontales supérieure(1) et inférieure(2) du caisson de détente. La face supérieure(1) comporte une ouverture circulaire(3) pour une introduction axiale de l'air soit AU moyen dun ventilateur, soit au moyen d'une gaine d'amenée d'air. La face inférieure(2) est fermée. Ces de polygones sont en dents de scie(4) de telle sorte que les côtés AB et A'B' d'une dent soient respectivement perpendiculaires aux cotés AB1 et A'B'1 de la dent suivante. On ferme les surfaces verticales ABiBiA par une cloison verticale(5).On obtient ainsi plusieurs orifices de sortie d'air(6) dont le nombre correspond au nombre de dents des polygones (1) et (2). La direction de l'air, axiale à l'origine, est ainsi déviés deux dais successives : une première fois suivant un plan horizontal par percussion sur la face inférieure(2), une deuxième fois dans des directions tangentielles provoquées par déviation sur les cloisons verticales(5). on obtient ainsi plusieurs jets en dard horizontaux et tangentiels au caisson de détente qui créent un tourbillon dont la puissance est proportionnelle à la vitesse de sortie d'air et au débit. Une incidence verticale est donnée à chacun de ces jets en dard par des dispositifs de déviation appropriés et règlables à partir de l'horizontale, c'est à dire d'une incidence nulle.A titre d'exemple non limitatif, les figures 3 et 4 représentent un tel dispositif de déviation axiale des jets en dard : devant chaque orifice de sortie d'air on dispose d'une ou de plusieurs ailettes(7) orientables autour d'un axe(8) horizontal et perpendiculaire à la cloison(5). Pour éviter que l'air ne s'échappe latéralement lorsqu'on incline les ailettes(7), on dispose de plans verticaux(9) parallèles aux cloisons(5). Les axes de rotation(8) des ailettes(7) sont éloignés du plan des orifices de sortie d'air(6) de telle sorte que ia section de sortie d-air varie peu @ lorsqu'on incline les ailettes.Dans 1 exemple représenté par les figures 3 et 4, chaque orifice de sortie dair est équipé de deux ailettes dont les axes de rotation sont dans un plan incline à 45 par rapport au plan de l'orifice. La figue 3 montre le diffuseur règlé pour générer un jet tourbillonnaire plat. La figure 4 montre un mgme jet dévié verticalement. On transforme ainsi le jet tourbillonnaire plat en jet tourbillonnaire conique dont on maitrise parfaitement l'angle de diffusion quelle que soit la densité relative de l'air diffusé : - Lorsque air diffusé est d'une densité égale à l'air ambiant. on inclinera les ailettes(7) en fonction de la hauteur d'installation du diffuseur et des encombrement internes jusqu'à obtention de la diffusion désirée. - Lorsque l'air diffusé est d'une densité inférieure à la densité de l'air amhiant (air chaud etsau humide), il suffira d'augmenter autant que nécessaire l'inclinaison des ailettes(7) pour obtenir la diffusion désirée. - Lorsque l'air diffusé est d'une densité supérieure à la densité de l'air ambiant (air froid et/ou sec), on réduira l'inclinaison des ailettes(7) jusqu'à obtention de la diffusion désirée ; il sera même possible de diffuser en jet tourbillonnaire horizontal Si l-ecart des densités suffit à faire descendre 1 air par gravité. - Dans tous les cas ci-dessus, il n'y a plus aucune contrainte de débit d'air diffusé. En effet, à conditions égales de densité relative de l'air diffusé, augmenter le débit conduit à réduire l'inclinaison des ailettes(7 > s réduire le débit conduit à augmenter l'inclinaison des ailettes(7). Il est alors possible d'adapter le débit à la puissance d'échange désirée, notamment sur un échangeur à fluide caloporteur froid. La diffusion désirée signifie une homogénéité de mélange entre l'air ambiant et l'air diffusé sans effet de souffle perceptible par les occupants du local. La maîtrise de l'effet de souffle est assurée par le réglage approprie de l'inclinaison de ailettes(7). L'homogénéité de mélande entre l'air ambiant et l'air diffusé résulte de l'association de l'effet de mélange dans le cône de diffusion de chacun des jets en dard; une mise en rotation d'axe vertical de lensemble de l'atmosphère du local et un entrainement radial dû à l'expansion du jet tourbillonnaire. Dans le cas où le jet tourbillonnaire est plat, l'entrainement radial crée une dépression centrale au dessus du jet symétrique d'une même dépression centrale en dessous du jet. Au centre du jet, les mouvements d'air sont verticaux, du haut vers le bas dans la dépression au dessus du jet tourbillonnaire, du bas vers Èe haut en dessous du jet tourbillonnaire. Lorsque le jet tourbillonnaire est en c::3ne de diffusion, un effet de sillage augmente la dépression centrale verticale au centre du cône de diffusion Dans ce cas, l'air vient percuter la face inférieure du diffuseur dans une variante d'utilisation de la présente invention, on dispose un dispositif d'extraction d'air au centre de la face inférieure du diffuseur qui utilisera l'orientation verticale de la dépression centrale d Lane et diffusion ainsi que l'effet de smillage pour concentrer et extraire diverses formes de pollution internes (fumées, gaz, aérosols). ta figure 5 montre une coupe du jet troubillonnaire plat, la figure montre une coupe du jet tourbillonnaire conique, la figure 7 montre l'utilisation de la dépression centrale du cône dans le cas d'une extraction centrale. Le dispositif de règlage consiste à commander simultanément et d-un même angle l'inclinaison de chacune des ailettes(7). La figure 8 représente un tel dispositif : chaque ailette(7) est munie d'une bielle verticale(10) du côté de l'axe de rotation(8). Une tringle(11) relie le sommet de la bielle(10) à un câble(12) soutendu sur des poulies de renvoi(13). A chacune des ailettes(7) correspond une poulie de renvoi(13) dont l'axe est au sommet d'un polygone régulier dont les côtés sont perpendiculaires aux axes de rotation(8) des ailettes(7). Un déplacement du câble(12) sur les poulies de renvoi(13) transmet ainsi un mouvement longitudinal et de même grandeur à chacune des tringles(11) qui agissent sur les bielles(10) pour donner simultanément une même inclinaison à toutes les ailettes(7). Le déplacement du câble peut ?tre commandé par un système à vis OU un vérin agissant directement du le câble(12) ou sur l'une des tringles(11). Dans le cas où les orifices du diffuseur comportent plusieurs ailettes superposées, l'ailette commandée par le dispositif décrit cidessus est reliée par une tringle articulée aux autres ailettes du même orifice. REVENDICATIONS 1.- Procédé de diffusion d'air en jet tourbillonaire d'axe vertical obtenu par trois déviations successives d'un jet axial de base : une expansion suivant un plan horizontal par percussion sur une face horizontale d'un caisson de détente, une déviation tangentielle par des cloisons verticales et tangentielles à la périphérie du caisson de détente réalisant ainsi une division du jet précédemment expansé en autant de jets en dard horizontaux et tangentiels qu'il y a de cloisons verticales en périphérie du caisson de détente et enfin une déviation axiale verticale de chacun des jets en dard. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la déviation axiale peut être nulle pour réaliser une diffusion tourbillonnaire horizontale avec une mise en mouvement de rotation des masses d'air en périphérie et apparition de deux dépressions centrales d'axe vertical et symétriques par rapport au plan de diffusion permettant de diffuser de l'air à forte densité relative par rapport à l'air ambiant (froid et/ou sec). 3.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que quel que soit le débit d'air diffusé, la déviation axiale peut être réglée en fonction de la hauteur d'installation du diffuseur, des encombrements internes au local et surtout de la densité relative de l'air diffusé par rapport à l'air ambiant. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le cône de diffusion entraîne les masses d'air en périphérie dans un mouvement de rotation autour de son axe vertical et comporte en son centre une dépression verticale augmentée d'un effet de sillage dû à la face inférieure du caisson de détente. 5.- Procédé de diffusion d'air suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la dépression verticale au centre du cône de diffusion et l'effet de sillage à son sommet peuvent être utilisés pour concentrer et extraire des pollutions internes au local par un orifice d'extraction concentrique. 6.- Diffuseur réalisant une diffusion d'air en jet tourbillonnaire d'axe vertical, mettant en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un caisson de détente dont la face supérieure (1) et la face inférieure (2) sont deux polygones en dents de scie (4) de telle sorte que les côtés AB et A'B' d'une dent soient perpendiculaires aux côtés AB1 et A'B'1 de la dent suivante. 7.- Diffuseur suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la face supérieure (1) comporte une ouverture (3) pour l'introduction axiale de l'air par un ventilateur (utilisation en aérotherme) ou une gaine d'amenée d'air (utilisation en bouche de soufflage) et la face inférieure (2) est fermée pour l'expansion horizontale de l'air. 8.- Diffuseur suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les surfaces verticales AB1 B1'A' sont fermées par des cloisons verticales (5) de déviation tangentielle de l'air au travers des orifices (6) ainsi constitués et dont le nombre dépend du nombre de dents de scie des faces polygonales (1,2). 9.- Diffuseur suivant la revendication 8 caractérisé en ce qu il comporte, devant chaque orifice (6), une ou plusieurs ailettes (7) orientables autour d'un axe de rotation (8) parallèle au plan de l'orifice (6) et perpendiculaire à la cloison (5), pour une déviation axiale de l'air. 10.- Diffuseur suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9 caractérisé en ce que la cloison (5) d'une dent de scie est prolongée parallèlement à la cloison (5) de la dent de scie suivante par un plan vertical (9) qui évite que l'air ne s'échappe latéralement lorsque les ailettes (7) sont inclinées. 11.- Diffuseur suivant l'une quelconque des revendication 9 et 10 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande simultané des ailettes (7). 12.- Diffuseur suivant la revendication -11 caractérisé en ce que chaque ailette (7) est munie d'une bielle verticale (10) reliée par une tringle (11), perpendiculaire à l'axe de rotation (8), à un câble (12) passant sur des poulies de renvoi (13). 13.- Diffuseur suivant la revendication 12 caractérisé en ce que les poulies de renvoi sont situées aux sommets d'un polygone dont les côtés sont paralléles aux tringles (11) de telle sorte que tout mouvement du câble (12) provoque le déplacement simultané et de même grandeur de toutes les tringles (11) et par conséquent l'inclinaison ou le relèvement simultanés et de même grandeur de toutes les ailettes (7). 14.- Diffuseur suivant l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le déplacement du câble (12) est réalisé au moyen d'un système à vis ou d'un vérin agissant directement sur le câble (12) ou sur une des tringles (11). 15.- Diffuseur suivant l'une quelconque des revendications 6 à 14 caractérisé en ce qu'il peut lui être incorporé un conduit d'extraction axiale concentrique à la face inférieure (2), pour extraire les pollutions interne au local, concentrée au centre du cône de diffusion par la dépression verticale et l'effet de sillage de la face inférieure (2).