Brevet FR2822935A1 — publié le 20021004

La présente invention concerne un procédé de diffusion d'air par modules vectoriels utilisés seuls et plus généralement associés en diffuseurs de différents types et permettant de délivrer un débit massique d'air constant et homogène quelle que soit la température de l'air et de maîtriser simultanément les effets de souffle. La diffusion d'air dans un local fermé a deux fonctions principales : - Il s'agit de chauffer ou de refroidir l'atmosphère interne du local. Dans ce cas l'air diffusé sera prélevé à l'intérieur même du local, chauffé ou refroidi suivant les cas par un échangeur approprié et ensuite diffusé dans le local. On est en recyclage de l'air interne au local. - Il s'agit aussi d'assainir l'atmosphère interne du local. Il est toujours nécessaire de renouveler l'air par introduction d'air extérieur, dit"air neuf, et extraction simultanée de l'air interne pollué. La diffusion de l'air neuf est réalisée après préchauffage ou refroidissement. Un bon renouvellement d'air est celui ou une extraction est compensée par une introduction d'air extérieur au local en quantité égale ou légèrement supérieure. - Un bonne diffusion sera celle qui assurera le meilleur mélange possible de l'air diffusé avec l'air ambiant, la plus grande homogénéité de température interne et surtout sans effet de souffle. Dans les locaux de faibles dimensions, habitat et bureaux par exemple, la diffusion d'air est facilitée par les effets des parois sur le jet d'air diffusé dans le local : l'air diffusé a tendance à coller aux parois et ainsi à mieux se répartir dans le local. Dans les locaux de grandes dimensions, locaux industriels ou équivalents, ces effets de parois sont généralement inexistants ou négligeables : la diffusion est faite en champs libre. Il est aussi vérifié que la meilleure façon de diffuser l'air en champs libre dans un local est la diffusion verticale du haut vers le bas. On maîtrise mieux les conséquences de l'effet de gravité par des vitesses d'air et des orientations de jets appropriées. Il faut cependant satisfaire aux deux impératifs que sont l'homogénéisation par effet induit, qui conditionne l'effet de mélange, est la maîtrise des effets de souffle, qui conditionne le confort. Parmi les procédés de l'état antérieur de la technique, deux d'entre eux ont été techniquement prépondérants : Le premier procédé, dite"à effet cyclone", consiste à transformer un jet vertical en en trois composantes : une composante radiale, une composante tangentielle et une composante axiale verticale dite composante résiduelle. On obtient ainsi un effet cyclone concrétisé notamment par une dépression centrale du haut vers le bas due à l'expansion du jet et une mise en rotation des masses d'air-l'effet de mélange par effet induit est certain. Mais la vitesse axiale verticale résiduelle, qu'il est impossible de réduire suffisamment, impose des hauteurs minima d'installation pour chaque débit d'appareil qu'il est imprudent de transgresser et, bien que représentant un grand progrès par rapport aux solutions traditionnelles, l'effet cyclone reste encore directif. La plage de réglage et l'adaptabilité au site restent insuffisantes. Le second procédé, dit à"jet tourbillonnaire", consiste à mettre simultanément en oeuvre plusieurs jets en dard horizontaux tangentiels à une galette circulaire. Lorsque l'air diffusé a une densité égale à celle de l'air ambiant, les jets en dard seront simultanément déviés vers le bas en fonction de la hauteur d'installation du diffuseur et des encombrements internes jusqu'à obtention de l'effet désiré. Si l'air est plus léger, c'est à dire plus chaud et/ou plus humide, il suffira d'augmenter autant que nécessaire l'angle de déviation vers le bas des jets en dard pour obtenir l'effet désiré. Si l'air est plus lourd, c'est à dire plus froid et/ou plus sec, on réduira l'angle de déviation verticale des jets en dard jusqu'à obtention de la diffusion désirée. L'inclinaison pouvant être nulle, voire négative, l'air descendra par gravité. L'air diffusé par chacun des jets en dard se mélange par effet induit avec l'air ambiant. D'autre part, du fait de l'expansion relative des jets, il se crée une dépression verticale, du bas vers le haut, au centre du jet tourbillonnaire. Enfin, l'ensemble des jets en dard entraîne par viscosité les masses d'air environnantes qui, ainsi mises en rotation, s'infiltreront dans tous les obstacles internes. En configuration simple flux, le mélange de l'air recyclé avec l'air ambiant pour le chauffage ou le refroidissement sans effet de souffle perceptible, est meilleur. On étend ainsi la plage de réglage des appareils et leur adaptabilité s'en trouve notablement accrue. Cette dépression centrale verticale du bas vers le haut, constatée dans les deux procédés précités, est bien plus importante dans le jet tourbillonnaire. Il a été possible d'ouvrir le centre du jet diffuseur et d'y établir un conduit coaxial d'extraction du bas vers le haut. Le jet ainsi obtenu devient un système à double flux : l'air pulsé vient de l'extérieur du bâtiment, la dépression centrale verticale entraîne vers le haut les masses d'air située dans la zone l'influence du jet tourbillonnaire et les amène à portée de captage de la bouche d'extraction. Le flux entrant compense le flux sortant, un tel système fonctionne en équilibre de pression. Si la zone couverte par le jet tourbillonnaire est une zone polluée, le système concentre les effluents au centre du jet, les amène à portée d'extraction par la bouche centrale. Cet air pollué et alors extrait et peut être alors traité de manière appropriée. L'ensemble des jets en dard orientés vers le bas fait office de hotte. Chacun des jets en dard constitue l'élément d'une paroi de séparation entre la zone d'influence du jet tourbillonnaire et les zones extérieures environnantes. On obtient en quelque sorte une hotte aéraulique par analogie à une hotte à parois pleines. Des mesures effectuées sur site on donné des résultats encourageants dans les cas de particules fines en suspension dans l'air (brouillard d'huile, effluents légers, air pollué chaud...). En utilisation simple flux, la diffusion d'air en jet tourbillonnaire est la source d'un certain progrès en termes de qualité de mélange par effet induit, en termes de confort et enfin en termes de facilités d'adaptation aux sites et de facilités de réglage. Cependant, une répartition différenciée des vitesse d'éjection de l'air de chaque bouche a été constatée : l'air allant plus vite sur l'extérieur. Je jet en dard se trouve déformé et perd une partie de ses avantages : l'orientation par des volets est limitée et les effets de souffle (vitesses résiduelles a distance des bouches) peuvent devenir aléatoire. On retrouve ce même inconvénient en utilisation double flux. L'homogénéité de la parois de la hotte aéraulique est insuffisante pour assurer une bonne séparation entre le coeur du jet tourbillonnaire et l'environnement extérieur. Il en résulte des zones de fuites par lesquelles les effluents à extraire peuvent s'échapper, surtout dans le cas de particules plus lourdes. Toutes les méthodes de diffusion d'air, et notamment les deux méthodes précitées, sont efficaces pour une vitesse d'air diffusé donnée, donc pour un débit volumique déterminé. Ceci est incompatible avec la notion d'équilibre de pression d'un local ou l'extraction d'air pollué et l'introduction d'air neuf, qui sont soumises à des différences de températures généralement importantes, doivent être traités en débit massique. Par sa conception modulaire, la présente invention est innovante : -La vitesse résiduelle de chaque module est réglable pour permettre, à débit massique constant, de contrôler à volonté la vitesse résiduelle et ainsi de maîtriser les effets de souffle. - La vitesse à l'orifice de sortie de chaque module est homogène et la forme du jet est réglable par rapport au module voisin et réciproquement et le vecteur résultant est orientable. - Les modules peuvent être ainsi associés entre eux pour constituer des ensembles de diffusion simple ou double flux standardisé ou adaptés à chaque cas à traiter. La présente invention ayant pour but de permettre la réalisation de diffuseurs simple flux et de diffuseurs double flux adaptés au caractères spécifiques de chaque site à traiter, le fait de pouvoir, a partir d'un module standard, adapter les applications de l'invention à toutes les situations sans pénaliser les coûts de l'adaptation et de la mise en oeuvre, confère à l'invention un intérêt industriel et économique majeurs. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme de mise en oeuvre de la présente invention en référence aux dessins annexés : Les figures 1 et 2, représentent le module complet suivant l'invention suivant les deux modèles asymétrique et symétrique. Les figures 3 et 4 représentent la grille de diffusion d'un module. Les figures 5 et 6 représentent deux des diverses possibilités de réglage de la grille de diffusion. Le réglage de l'orientation du module complet asymétrique ou symétrique est représenté par les figures 7a, 7b, 8a et 8b. Les figures 9,10, 11,12 et 13 représentent à titre d'exemples non limitatifs quelques une des disposition possibles de diffuseurs à partir du module objet de la présente invention. Le module suivant l'invention (fig. 1 et fig. 2) est composé d'une grille de diffusion (a) incorporée dans un cadre asymétrique (b) ou symétrique (c). La grille de diffusion (a) est solidaire de son cadre, (b) ou (c), par l'intermédiaire d'un axe de rotation (d) qui permet un réglage directionnel suivant un plan perpendiculaire au dit axe et suivant une seule direction et avec un incidence plus grande dans le cas du cadre asymétrique (b), et suivant deux directions symétriques dans le cas d'un cadre symétrique (c). La grille de diffusion (fig. 3 et fig. 4) comprend les flancs (e), horizontaux dans la représentation, composant avec les flancs (f) un cadre dans lequel est soutendu, côté entrée d'air, une grille fixe (g) composée d'éléments perpendiculaires d'une largeur appropriée et suffisante pour que la grille fasse office de redresseur d'air. A la sortie de la grille fixe (g), l'air est divisé en autant de vecteurs vitesse égaux qu'il y a de mailles dans la grille et qui pourront être déviés à volonté par les volets (h) et (i) réglables en rotation d'axes suivant les génératrices de sortie d'air de la grille fixe (g). Les inclinaisons différenciées des volets (h) d'une part, et (i), d'autre part, autorisent tous types de réglage des vecteurs vitesse précités : la figure 4 représente un réglage suivant lequel on concentre les jets sur un point de focalisation de telle sorte que les vitesses résiduelles au point de focalisation s'additionnent ; la figure 5 représente un réglage suivant lequel on disperse les vecteurs vitesse suivant deux directions de telle sorte que la vitesse résiduelle du vecteur résultant soit réduite par rapport aux vitesses résiduelles de chaque vecteur vitesse. Ainsi, pour une masse d'air donnée, le cumul des pressions dynamiques de chaque jet à la sortie de la grille fixe est constant et varie en plus ou en moins lorsque l'on s'éloigne de l'orifice de sortie d'air. Lorsque le réglage est nominal il y a cumul des pressions dynamiques de chaque vecteur vitesse ; lorsque le réglage de focalise sur point donné à distance de la bouche, la pression dynamique augmente en ce point, alors que dans le cas d'une expansion relatives des différents vecteurs vitesse la pression dynamique perçue en un point donné à distance de la bouche tendra vers la pression dynamique individuelle de chaque jet perçue à ce point. On obtient ainsi un des buts recherchés qui est la maîtrise des vitesses résiduelles perçues à débit massique constant et à débit volumique variable. De même qu'il sera possible d'expanser le jet de part et d'autre et ainsi d'obtenir un recouvrement contrôlé avec le jet d'un module voisin réglé de la même manière afin d'homogénéiser la paroi aéraulique ainsi constituée. On a vu que module suivant l'invention est composé d'une grille de diffusion (a) incorporée dans un cadre asymétrique (b) ou symétrique (c). La grille de diffusion (a) est solidaire de son cadre, (b) ou (c), par l'intermédiaire d'un axe de rotation (d) permet un réglage directionnel suivant un plan perpendiculaire au dit axe et suivant une seule direction mais avec un incidence plus grande dans le cas du cadre asymétrique (b), et suivant deux directions symétriques dans le cas d'un cadre symétrique (c). Les figures 7a et 7b, 8a et 8b, montrent ces possibilités qui s'ajoutent aux possibilités de réglages précédentes. L'association de plusieurs modules permet ainsi de créer une variété infinie de diffuseurs d'air simple ou double flux. Les figurent 9 à 13 représentent quelques exemples donné à titre non limitatif. La figure 9 représente un exemple de diffuseur constitué de dix modules suivant figure 2 et montés à 450 sur un corps de diffuseur (j) et dans lequel l'air est introduit à la partie supérieure, diffusé par les modules à une vitesse initiale qui dépend du débit volumique global et du nombre de modules. Dans ce cas on peut, par exemple, assurer l'homogénéité de la diffusion par l'évasement unidirectionnel précité des jets de chaque module, contrôler l'importance de la dépression centrale verticale par un réglage directionnel de chaque module et ainsi, amener à portée de captage de l'extraction (k) l'air enfermé dans le jet global. De la même manière, un tel diffuseur peut être utilisé en simple flux, auquel cas la bouche d'extraction (k) sera remplacée par une face fermée. La figure 10 représente un autre type de diffuseur utilisant des modules suivant figure 1 et montés suivant une génératrice verticale (le corps du diffuseur n'est pas représenté). Dans ce cas, outre l'homogénéité de diffusion qui est obtenue de manière identique au cas précédent, le module suivant figure 1 facilite un réglage de la diffusion en cône orienté vers le bas. Les modules étant de section carrée, ceux ci peuvent être tournés à 900 dans un sens ou dans l'autre pour générer un jet comparable au jet tourbillonnaire mentionné précédemment mais plus homogène. La figure 11 représente une autre disposition de modules suivant figure 1 dans laquelle une autre possibilité de diffusion est offerte qui peut être en simple ou double flux. Il en est de même pour la figure 12. Dans tous les cas précités, la répartition des modules est faite sur la périphérie d'un corps de diffusion circulaire. Il aussi contre possible de répartir les modules sur un corps de diffuseur rectangulaire ou elliptique de manière à recouvrir une zone rectangulaire ; une hotte conventionnelle sur les lèvres inférieures de laquelle on dispose les modules en rideau d'air homogène devient une hotte semi-aéraulique qui assure conjointement l'équilibre de pression du local. Un tel dispositif est représenté par la figure 13, ou le corps du diffuseur n'est pas non plus représenté. REVENDICATIONS - 1-Procédé de diffusion d'air par modules vectoriels, utilisés seuls ou en diffuseurs de différents types, où le contrôle des vitesses résiduelles du jet d'air, à débit massique constant, est assuré par la division du jet d'air global en jets d'air partiels dont les vecteurs vitesses sont ou concentrés sur un point distant de la source pour augmenter la vitesse globale en ce point, ou, plus généralement, expansés pour réduire les effets de souffle perçus en ce point. - 2-Module pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une grille fixe (g) qui fait office de redresseur d'air et qui divise le jet global en autant de jets partiels redressés qu'il y a de mailles dans la grille fixe et en ce qu'il comporte en prolongement de la grille fixe (g) un ensemble de volets orientables (h) et (i) permettant, par expansion relative des vecteurs vitesse des jets partiels ou par focalisation des dits vecteurs, de maîtriser, à débit massique constant, la vitesse résiduelle perçue à un point distant de la bouche. - 3-Module vectoriel suivant la revendication 2 caractérisé en ce que l'ensemble grille fixe (g) et volets orientables (h) et (i) est monté dans un cadre asymétrique (b) ou symétrique (c) permettant l'orientation autour d'un axe de rotation (d) de la grille de diffusion par rapport au cadre et suivant les deux possibilités : une inclinaison importante et dans un seul sens pour le cadre asymétrique (fig 7), une inclinaison plus faible mais dans deux sens pour un cadre symétrique (fig 8). - 4-Diffuseur simple flux a soufflage vertical du haut vers le bas caractérisé en ce que plusieurs modules suivant les revendications 2 et 3 sont répartis sur le pourtour un corps cylindrique ou d'un cône tronqué (j) dont le sommet est orienté vers le bas et dans lequel l'air est introduit sur la face supérieure du cylindre ou du cône puis diffusé par les modules, la face inférieure étant fermée. - 5-Diffuseur simple flux a soufflage vertical du haut vers le bas caractérisé en ce que plusieurs modules suivant les revendications 2 et 3 sont répartis sur un plan horizontal suivant un cercle, un rectangle ou une ellipse et où l'air est introduit sur la face supérieure du dispositif puis diffusé par les modules, la face inférieure étant fermée. - 6-Diffuseur double flux caractérisé en ce que la face inférieure d'un diffuseur suivant l'une des deux revendications précédentes est ouverte par une bouche d'extraction coaxiale verticale. - 7-Diffuseur suivant l'une des trois revendications précédentes caractérisé en ce que les modules vectoriels sont ou de type asymétrique (fig 1) ou de type symétrique (fig 2) et de section frontale carrée et peuvent être orientés de manière identique suivant un angle de 0 , 900, 1800 ou 270 . - 8-Diffuseur suivant les revendications 5,6, 7 et 8 caractérisé en ce que la forme du jet émis par un module peut être expansé tangentiellement de manière à être mis en contact avec le jet émis par le module voisin et réglé de la même manière et de telle sorte que le rideau d'air ainsi crée soit homogène.