Brevet FR2732413A1 — publié le 19961004

La présente invention est relative à un dispositif de mise en mouvement de très grandes quantités de fluides, dont l'une au moins des échelles caractéristiques est supérieure à 100 mètres. Ce dispositif est, en particulier, destiné à permettre le déplacement de l'atmosphère d'agglomérations urbaines soumises à l'accumulation de pollutions sous l'effet de phénomènes d'inversion de température. I1 peut etre également envisagé pour effectuer une récupération de l'énergie éolienne. D'autres applications selon l'invention concernent le déplacement de masses de liquide, comme par exemple dans les lacs, les ports, les lagunes ou les mers pour traiter des problèmes locaux de pollution ou récupérer de l'énergie hydraulique diffuse. On sait que les grands centres urbains sont souvent le siège de phénomènes de pollution résultant de la production d'effluents gazeux parfois chargés d'aérosols provenant de diverses sources, automobiles, chauffage urbain, cheminées d'usine, décharges en particulier. Lorsque se produit le phénomène dit d'inversion thermique de l'atmosphère, les déchets produits ont tendance à stagner dans l'atmosphère sous forme de strates à une cote donnée, ceci d'autant plus qu'il n'y a pas de vent. Une telle situation peut devenir extrêmement critique et certaines villes sont réputées pour hêtre le siège de telles situations qui provoquent des problèmes importants de santé publique, pouvant aller jusqu'au décès de personnes vulnérables. Jusqu'à présent, les responsables de la gestion de l'air dans les villes se contentaient de réaliser des études permettant de décrire l'évolution des phénomènes et donc de juger de la pertinence des implantations industrielles ou domestiques et d'éviter ou de limiter l'émission de polluants par diverses mesures à caractère technologique ou réglementaire. Certains projets de très grandes machines thermodynamiques destinées à déplacer l'air des villes ou à briser les couches d'inversion ont fait l'objet ou font encore l'objet d'études, mais leur mise en oeuvre n'a jamais été réalisée, en raison de l'impact polluant acoustique, éolien ou esthétique qu'elles risqueraient d'engendrer. La me me problématique se retrouve dans les étendues d'eau qui peuvent également stagner sous l'effet d'inversions de température, comme dans les lacs, ou sous l'effet de confinement, comme dans les ports ou les lagunes. Là encore, les seuls outils communément utilisés sont les simulations et le traitement de la pollution à la source. La présente invention est relative à un dispositif destiné à déplacer de très grands volumes de fluide initialement contenus dans un espace dont l'une au moins des dimensions caractéristiques est supérieure à 100 mètres, cet espace étant lui nrême inclus dans un espace de dimensions encore supérieures, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un très grand nombre de machines thermodynamiques, typiquement supérieur à 100, dispersées dans l'espace à traiter et engendrant des flux de fluide qui, après qu'ils soient mélangés au fluide environnant l'entraînent dans une direction privilégiée qui est celle vers laquelle on cherche à déplacer lesdits grands volumes de fluide. Dans une approche simplifiée du problème, on sait qu'une couche de fluide particulière d'une inversion se mélange très mal avec les couches immédiatement supérieure et infërieure. On conçoit donc qu'il soit possible de la faire glisser horizontalement entre ses deux couches voisines à condition d'effectuer cette opération sans trop créer de turbulence. Ceci exclut pratiquement la mise en oeuvre de très grands ventilateurs dont le diamètre serait du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la couche à déplacer. Par contre, en mettant en oeuvre dans cette couche fluide un très grand nombre de petits ventilateurs dont le diamètre est très inférieur à celui de la couche à traiter, cesdits ventilateurs étant répartis dans tout le volume à déplacer, on peut imaginer que la turbulence induite par un ventilateur unique n'induira pas de gros tourbillons loin dudit ventilateur et que la couche de fluide, sous effet de cette pluralité de petites forces réparties se déplacera entre ses deux couches voisines sans se mélanger à elles. Cette multitude de ventilateurs entrainera le fluide sans induire de turbulences très importantes. Un autre avantage de la mise en oeuvre de très petits ventilateurs est qu'à performances égales, leur poids est très inférieur à celui de grands ventilateurs. Pour des ventilateurs de géométries semblables, la masse théorique totale des dispositifs mis en oeuvre, y compris celle des moteurs électriques d'entraînement pour de mêmes performances aérauliques est inversement proportionnelle à la racine carrée du nombre de ventilateurs. Le nombre de ventilateurs est, quant à lui, proportionnel au carré de leur diamètre. La masse totale du dispositif sera donc proportionnelle au diamètre des ventilateurs. On conçoit l'économie spectaculaire de matière réalisée lorsqu'on augmente le nombre de ventilateurs mis en oeuvre. Il en résulte une baisse sensible des investissements lorsque le nombre de ventilateurs est tel qu'on puisse les produire avec des techniques modernes de série.A ces avantages s'ajoute le fait que des petits ventilateurs peuvent être entrainés sans nécessiter de réducteur par des moteurs électriques du commerce. Les machines sont donc beaucoup plus simples à réaliser et, de ce fait, moins onéreuses. Enfin, des petits ventilateurs peuvent être produits en très grandes séries en utilisant les techniques industrielles modernes et donc à des prix de revient unitaires très faibles. Ce même raisonnement peut s'appliquer à une situation d'inversion dans un liquide ou plus généralement au déplacement d'une masse liquide d'épaisseur donnée. Dans le cas de traitements d'atmosphères urbaines, la présence des immeubles et des rues crée une rugosité très importante qui pourrait gêner le mouvement de l'air à évacuer. Le dispositif selon l'invention dont la dimension des ventilateurs le constituant est très petite par rapport à celle d'une rue ou d'un immeuble permet d'éviter cet inconvénient. On peut imaginer que les ventilateurs élémentaires placés dans une rue soufflent tous dans l'axe de ladite rue, de telle sorte qu ils engendrent par effet d'entraînement un écoulement canalisé dont on maitrise la vitesse. On imagine également qu en privilégiant pour ces écoulements élémentaires une direction d'écoulement générale dans le sens souhaité du déplacement de la masse d'air, on puisse remplacer petit à petit l'air de ces rues par de l'air provenant de zones non polluées initialement situées à l'extérieur de l'agglomération. La disposition des ventilateurs et la direction et la puissance des flux d'air dans les différentes voies constituant la ville pourraient faire l'objet d'une étude de simulation préalable au moyen de modèles mathématiques ou d'essais en soufflerie ou en tunnel hydrodynamique. Ces techniques sont actuellement bien maitrisées par les spécialistes. De manière générale, la gestion optimisée d'un tel système se ferait au moyen d'un ordinateur central prenant en compte les résultats de ces essais, la topographie de la ville, les prévisions météorologiques, I'heure, la saison, la production de pollution et de nombreux paramètres d'influence secondaires. Ces machines tournantes pourraient etre utilisées pour traiter d'autres situations dans lesquelles on a à déplacer de grandes masses de fluide. Citons, par exemple, le traitement de zones froides de fond de vallées pour éviter le gel des cultures. De telles situations peuvent apparaître lorsque les microclimats sont modifiés par la présence d'un remblai d'autoroute ou de chemin de fer qui peut gêner la circulation de l'air sur une hauteur de quelques mètres. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de I'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description de réfere aux figures annexées sur lesquelles: - les figures la et lb donnent une représentation du principe de l'invention dans lequel les machines thermodynamiques sont des ventilateurs répartis dans l'espace dont on veut renouveler l'air. La figure la schématise la localisation des ventilateurs sur divers supports typiques du mobilier urbain. La figure lb donne une vue d'un des ventilateurs. - la figure 2 montre l'evolution d'un nuage de pollution urbaine selon qu'on met en route ou non un dispositif objet de l'invention. - la figure 3 montre les directions des vents artificiels à créer dans une ville selon qu'on se trouve en partie supérieure des immeubles ou, au contraire, dans les rues ou les espaces abrités. La figure la montre de manière schématisée un site urbain I à dépolluer caractérisé par la présence de bâtiments et de supports divers, bâtiments collectifs 2, maisons individuelles 3, poteaux électriques ou téléphoniques 4, panneaux de signalisation 5, lieux de cultes 6 etc... Tous ces supports portent de petits ventilateurs axiaux 7 qui sont dirigés dans le sens dans lequel on souhaite déplacer la pollution. En raison de leur faible dimension. ces ventilateurs n'induisent pas de fortes turbulences et leur effet ne se fait sentir que dans la couche atmosphérique dans laquelle ils sont situés. La ligne 8 schématise la limite au dessus de laquelle ils n'ont pas d'influence et qui est située à une hauteur légèrement supérieure à celle de ladite couche.La figure 2b montre un ventilateur 7 composé d'un moteur électrique 9, d'un redresseur 10 et d'un rot or axial 11. Afin d'éviter la dégradation de l'appareil en raison des intempéries, le groupe motoventilateur est placé dans une tuyère 12 servant à la fois de protection, de filtre acoustique et de composant aérodynamique. Cette tuyère est munie de grilles de protection 13. A titre d'exemple, nous allons considérer le dimensionnement d'une installation de ventilateurs destinée à déplacer une masse d'air de 5 km de longueur, 5 km de largeur et 100 mètres de hauteur à une vitesse de I m/s. Les aérodynamiciens savent qu'il est nécessaire d'appliquer le théorème des quantités de mouvement pour résoudre ce problème. La quantité de mouvement q à créer pour déplacer horizontalement une masse d'air de masse volumique p d'une surface S verticale de 500 000 m2 caractérisée par une hauteur h de 100 m et une largeur L de 5000 m à une vitesse V selon un débit Q est égale à: q=pQV soit, q=pSV2 ou q=phLV2 Si on met en oeuvre pour effectuer cette opération un nombre n de ventilateurs de diamètre D produisant un jet à la vitesse Vj, la quantité de mouvement à produire par ces ventilateurs pour assurer la fonction est égale à la quantité de mouvement q souhaitée. La quantité de mouvement provoqué par les ventilateurs s'écrit: q = PS VJ2 S' étant ta somme des surfaces des jets produits par les ventilateurs immédiatement à leur sortie. n étant le nombre de ventilateurs et s leur surface unitaire, on écrit donc: q = npsV,2 On en déduit donc que la surface cumulée S' à mettre en oeuvre est égale å: V2 S=S V, Quant à la puissance à mettre en oeuvre, elle est égale å: P = S' 2 pV3 2 Soit, encore P = S 1 pVjV2 2 Dans l'exemple que nous avons choisi, on en déduit que, pour une vitesse V de 1 m/s et une vitesse Vj de 10 m/s, la surface S' est de 5000 m2 et la puissance théorique à mettre en oeuvre de 3 250 kW.La masse d'air de 100 m d'épaisseur, de 5 km de largeur est alors déplacée en I heure sur une distance de 4 km environ. La masse d'air mise en mouvement est alors de plusieurs millions de tonnes. Typiquement, selon l'invention, le nombre n de ventilateurs sera de 25 000 et leur diamètre unitaire de 500 mm. Leur puissance unitaire théorique sera de 130 Watts. La puissance réelle sera légèrement supérieure compte tenu des rendements et des frottements. On peut l'estimer à 200 Watts. Ces ventilateurs seront répartis de manière préférablement uniforme dans la ville, sans que ceci constitue une obligation. Ces chiffies montrent qu'un tel projet est réalisable, malgré la très grande masse d'air à mettre en mouvement et que la solution objet de l'invention est particuliérement élégante et facile à mettre en oeuvre, tout en ne nécessitant pas d'investissements très importants. On notera que la mise à une vitesse supérieure peut se faire, soit en multipliant le nombre de ventilateurs, soit en multipliant leur vitesse de rotation proportionnellement aux vitesses V souhaitées. La première solution nécessite des investissements plus importants. La seconde implique la mise en oeuvre de moteurs à vitesse variable ou de ventilateurs à incidence variable dont la puissance sera proportionnelle au cube des vitesses souhaitées. C'est ainsi que pour passer de I à 2 m/s, sans changer les équipements, il faut doubler les vitesses des ventilateurs et multiplier par 8 la puissance des moteurs. La figure 2 montre schématiquement un nuage 14 résultant de l'accumulation de polluants dans une zone urbaine en l'absence de traitement. Si la pollution est constante, la concentration de ce nuage dans les diverses espèces croit linéairement en fonction du temps. Ceci peut amener une situation catastrophique. Au contraire, le nuage 15 est déplacé par le dispositif objet de l'invention selon les flèches F0. La concentration de polluants au dessus de la ville reste alors constante et les risques de catastrophes sont diminués, les concentrations maximales étant proportionnelles à l'inverse de la vitesse du nuage. Pour une ville de 7 km de longueur dans le sens de déplacement du nuage à Im/s, la concentration maximale au point noté A sur la figure, donc à la sortie de la ville dans le sens de déplacement du nuage, serait celle qu'on aurait dans le nuage fixe initialement non pollué au bout de deux heures La figure 3 donne la représentation en plan vu de dessus d'une ville 1 et de ses rues principales 16. La direction générale souhaitée pour les écoulements au dessus de la ville est indiquée par les flèches F0. Les ventilateurs situés sur les toits des immeubles et dans les zones dégagées souffleront donc dans cette direction F0. Par contre, les ventilateurs situés dans les rues de la ville souffleront plus ou moins fort dans le sens F1 desdits rues et selon des directions adaptées afin de les vider des pollutions qu'elles contiennent vers des exutoires dégagés 17 dans lesquels la direction du vent au sol sera celui du vent au dessus des immeubles, et donc donné par les directions générales F0. L'ensemble sera en général commandé par un ordinateur central. Tous ces dispositifs et exemples d'application sont donnés à titre d'illustration de l'invention et ne sauraient être considérés comme exhaustifs, des dispositions variantes pouvant etre développées par l'homme de l'art REVENDICATIONS. 1. Dispositif destiné à déplacer de très grands volumes de fluide initialement contenus dans un espace dont l'une au moins des dimensions caractéristiques est supérieure à 100 mètres, cet espace étant lui meme inclus dans un espace de dimensions encore supérieures, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un très grand nombre de machines thermodynamiques 7, typiquement supérieur à 100, dispersées dans l'espace à traiter et engendrant des flux de fluide qui, après qu'ils soient mélangés au fluide environnant l'entraînent dans une direction privilégiée qui est celle vers laquelle on cherche à déplacer lesdits grands volumes de fluide. 2. Dispositif selon la revendication N 1 caractérisé en ce que le volume à traiter est l'atmosphère d'une ville I et en ce que le fluide environnant l'atmosphère située au dessus et autour de ladite ville, les machines thermodynamiques étant des ventilateurs 7 de petite taille. 3. Dispositif selon les revendications N l et 2 caractérisé en ce que la direction dans laquelle soufflent les ventilateurs est fonction de la topologie du terrain et de la présence de bâtiments. 4. Dispositif selon la revendication N"1 et 2 caractérisé en ce que les ventilateurs sont installés sur des bâtiments ou des supports préexistants. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que les ventilateurs utilisés pour dépolluer ladite ville I sont pilotés par un ordinateur central à partir de données météorologiques. 6. Dispositif selon la revendication N l caractérisé en ce que le fluide à déplacer est de l'eau et que l'espace de plus grandes dimensions est une étendue d'eau naturelle, telle un lac.