FR2825455A1 - Procede et dispositif de refroidissement des alveoles d'un four a chambres - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de refroidissement d'une alvéole (2) de four à feu tournant comprenant la production d'un flux de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole (2) et l'écoulement d'au moins une partie Fr dudit flux de manière sensiblement verticale le long de surfaces déterminées des parois (2A, 2B) de l'alvéole (2). L'invention a également pour objet un dispositif apte à mettre en oeuvre le procédé. L'invention permet d'accélérer considérablement la vitesse de refroidissement d'alvéoles de four à feu tournant.

Description

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PROCEDE ET DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT DES ALVEOLES
D'UN FOUR A CHAMBRES
Figure img00010001

Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des fours à chambres dit à feu tournant ( ring furnace en anglais) pour la cuisson de blocs carbonés, et notamment les fours à chambre de type ouvert. L'invention concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif pour refroidir des alvéoles de tels fours avant des interventions d'entretien et de maintenance.
Etat de la technique Les fours à feu tournant à chambres de type ouvert sont bien connus en eux-mêmes et décrits notamment dans les demandes de brevets français FR 2 600 152 (correspondant au brevet américain US 4 859 175) et FR 2535 834 (correspondant à la demande britannique GB 2 129 918).
Un four à feu tournant comprend une succession de chambres alignées, chaque chambre comprenant une pluralité d'alvéoles de forme allongée séparées par des cloisons chauffantes creuses.
Un cycle de cuisson de blocs carbonés, pour une chambre donnée, comprend typiquement le chargement des alvéoles de cette chambre en blocs carbonés crus, le chauffage de cette chambre jusqu'à la température de cuisson des blocs carbonés (typiquement de 1100 à 1200 C), le refroidissement de la chambre jusqu'à une température qui permette d'enlever les blocs carbonés cuits et le refroidissement de la chambre jusqu'à la température ambiante. Le principe du feu tournant consiste à effectuer successivement le cycle de chauffage sur les chambres du four par un déplacement des moyens de chauffage (tels que des rampes de brûleurs) et des moyens d'aspiration.
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Ainsi, une chambre donnée passe successivement par des périodes de préchauffage, de cuisson et de refroidissement. Typiquement, une dizaine de chambres sont actives simultanément : quatre dans une zone dite de refroidissement, trois dans une zone dite de chauffage, et trois dans une zone dite de préchauffage. Les chambres actives constituent ce qu'on appelle un feu .
Or, les temps de refroidissement des alvéoles après le retrait des blocs carbonés, qui sont très longs, limitent la productivité des fours lorsque des interventions sont requises sur le four, notamment le remplacement de cloisons, car il n'est pas possible, pour des raisons sanitaires, de faire intervenir des opérateurs à l'intérieur des alvéoles avant que la température des parois ne soit inférieure à environ 30 C, ce qui nécessite des temps d'attente généralement supérieurs à 3 jours.
La demanderesse a donc recherché des moyens simples et industrialisables pour accélérer le refroidissement des alvéoles.
Description de l'invention L'invention a pour objet un procédé de refroidissement d'une alvéole de four à feu tournant caractérisé en ce qu'il comprend la production d'un flux F de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole et en ce qu'au moins une partie Fr dudit flux F s'écoule de manière sensiblement verticale le long de surfaces déterminées des parois de l'alvéole.
L'invention a également pour objet un dispositif de refroidissement d'une alvéole de four à feu tournant caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un premier moyen apte à produire un flux F de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole, tel qu'un moyen de ventilation ; - au moins un deuxième moyen apte à provoquer un écoulement sensiblement vertical d'au moins une partie Fr dudit flux F le long de surfaces déterminées des parois de l'alvéole, tel qu'un moyen de confinement.
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L'invention a également pour objet un procédé de refroidissement d'une alvéole de four à feu tournant utilisant le dispositif de l'invention.
La demanderesse a constaté que l'écoulement sensiblement vertical du flux de fluide de refroidissement à proximité des parois de l'alvéole permettait d'accélérer considérablement la vitesse de refroidissement de cette dernière. L'invention peut ainsi permettre, dans certains cas, de supprimer une chambre par feu dans un four de dimension industrielle.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures et de la description détaillée qui suit.
La figure 1 illustre une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un four à feu tournant.
La figure 2 illustre, vue du dessus (axe Z), une travée de four à feu tournant.
La figure 3 illustre un mode de réalisation du dispositif de l'invention, en position d'attente, (a) vu du côté étroit (axe X) et (b) vu du côté large (axe Y).
La figure 4 illustre un mode de réalisation du dispositif de l'invention, en position déployée, (a) vu du côté étroit (axe X) et (b) vu du côté large (axe Y).
Les figures 5 et 6 illustrent le mouvement du flux de fluide de refroidissement obtenu avec le mode de réalisation préféré du dispositif de l'invention.
Tel qu'illustré aux figures 1 et 2, un four à feu tournant comprend une succession de chambres (10, 11,12,...) disposées en série. Chaque chambre comprend une alternance, dans le sens transversale (axe Y), d'alvéoles (2) de forme allongée et de cloisons chauffantes creuses (3) disposées dans le sens longitudinal (axe X). A titre d'illustration, la ligne pointillée (1) de la figure 1 délimite une des chambres et
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montre qu'elle comprend plusieurs alvéoles (2) disposées en parallèle et séparées par des cloisons (3).
Les alvéoles (2) sont délimitées par des cloisons chauffantes (3), des piliers de murs transversaux (4) et un plancher (24). Les cloisons chauffantes (3) et les piliers de murs transversaux (4) forment des parois sensiblement verticales (2A, 2B) ; le plancher (24) forme un fond sensiblement horizontal (2C). Les extrémités des cloisons chauffantes (3) comprennent généralement des murs transversaux (5) munies d'ouvertures (6). Les cloisons chauffantes (3) comprennent des parois latérales (9) minces généralement séparées par des entretoises (7) et des chicanes (8).
Les cloisons chauffantes (3) sont munies de moyens d'accès (20) appelés ouvreaux qui servent notamment à introduire des moyens de chauffage (tels que des injecteurs de brûleurs) (non illustrés) ou des moyens d'aspiration (21,22). Les éléments (2,3, 4,5, 24) du four sont formés de matériaux réfractaires, typiquement à
Figure img00040001

l'aide de briques réfractaires. Chaque alvéole (2) a typiquement une profondeur de 5 m.
La figure 1 montre un empilement typique de blocs carbonés (31) dans une alvéole (2), avec une poudre d'enrobage (32), lors d'une opération de cuisson de ceux-ci.
Les chambres forment une longue travée dans le sens C du feu. Un four à feu tournant comprend typiquement deux travées parallèles, chacune ayant une longueur de l'ordre d'une centaine de mètres. Les travées sont généralement délimitées par des murs latéraux (23).
Lors des opérations de cuisson, un flux gazeux constitué d'air, de gaz de chauffage, de vapeurs dégagées par les blocs carbonés ou de gaz de combustion (ou, le plus souvent, d'un mélange de ceux-ci) circule, dans le sens long du four (axe X), dans une succession de cloisons chauffantes creuses (3) qui communiquent entre elles. Ce flux gazeux est soufflé en amont des chambres actives et est aspiré en aval de cellesci. La chaleur produite par la combustion des gaz est transmise aux blocs carbonés (31) contenus dans les alvéoles (2), ce qui entraîne leur cuisson.
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Description détaillée de l'invention
Selon l'invention, le procédé de refroidissement d'une alvéole (2) de four à feu tournant, ladite alvéole (2) comprenant des parois (2A, 2B), est caractérisé en ce qu'il comprend la production d'un flux F de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole (2) et ce qu'au moins une partie Fr dudit flux F s'écoule de manière sensiblement verticale le long de surfaces déterminées des parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
L'intérieur de l'alvéole correspond à l'espace normalement occupé par les blocs carbonés (31) et la poudre d'enrobage ou poussier (32) en cours de cuisson.
Un écoulement sensiblement vertical s'entend d'un écoulement pour lequel la composante verticale du flux F de gaz est nettement plus grande que les composantes horizontales (typiquement environ dix fois plus grande), de manière à maximiser le flux d'énergie thermique extraite des parois et évacuée à l'extérieur de l'alvéole.
Ledit écoulement est de préférence peu turbulent, et de préférence encore sensiblement laminaire. Ledit écoulement vertical peut être ascendant ou descendant.
Ledit flux F est typiquement un flux forcé, qui est produit par exemple par soufflage ou aspiration de fluide de refroidissement.
Ladite partie Fr dudit flux F circule typiquement dans une section dite d'écoulement S à proximité des parois de l'alvéole, avec un écoulement rapide dudit fluide dans une direction sensiblement parallèle aux dites parois. Le flux Fr circule de préférence dans un volume V restreint, à proximité desdites parois, ce qui permet d'obtenir une évacuation efficace de la chaleur des parois pour des débits de fluide acceptables (typiquement compris entre 1 et 10 Nm3/s).
Ledit flux F comprend typiquement deux composantes principales, à savoir ladite partie Fr, qui lèche les parois de l'alvéole, et une partie Fo, qui introduit le fluide
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de refroidissement dans l'alvéole. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les flux Fr et Fo sont sensiblement parallèles et circulent dans des directions opposées, tel qu'illustré à la figure 6. Les débits de Fr et Fo sont typiquement sensiblement identiques.
Le fluide de refroidissement est de préférence un gaz, ou un mélange de gaz. Il est avantageux d'utiliser de l'air afin de limiter les coûts d'exploitation, c'est-à-dire que ledit fluide contient de l'air. Le fluide de refroidissement est avantageusement humide, c'est-à-dire qu'il contient de l'eau (typiquement sous forme de vapeur ou de fines goulettes), de manière à augmenter sa capacité thermique spécifique. Le taux d'humidité du fluide peut être ajusté, par exemple en fonction de la température des parois de l'alvéole. Dans une variante préférée de l'invention, ledit fluide comprend un mélange d'air et d'humidité. Typiquement, le fluide qui est injecté dans l'alvéole est de l'air à la température ambiante plus ou moins chargé en humidité.
Le flux de fluide de refroidissement peut être en circuit ouvert, en ce sens qu'il est évacué dans l'atmosphère ambiante après avoir absorbé une partie de la chaleur des parois d'une alvéole lors de son écoulement à l'intérieur de celle-ci.
Selon l'invention, le dispositif de refroidissement (100) d'une alvéole (2) de four à feu tournant, ladite alvéole (2) comprenant des parois (2A, 2B) et un fond (2C), est caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un premier moyen (101) apte à produire un flux F de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole (2) ; - au moins un deuxième moyen (103) apte à provoquer un écoulement sensiblement vertical d'au moins une partie Fr dudit flux F le long de surfaces déterminées des parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
Ledit premier moyen (101) est typiquement un moyen de ventilation, tel qu'un moyen d'aspiration ou de soufflage.
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Ledit deuxième moyen (103) est avantageusement un moyen dit de confinement apte à réduire la section d'écoulement S dudit flux F à proximité des parois de l'alvéole, de manière à provoquer un écoulement rapide dudit fluide dans une direction sensiblement parallèle aux dites parois. Le flux F circule alors dans un volume V restreint à proximité desdites parois.
La section d'écoulement S est approximativement égale à L x P, où L est la largeur de confinement et P est le périmètre intérieur moyen de l'alvéole. La largeur L est de préférence comprise entre 5 cm et 25 cm, et de préférence encore comprise entre 10 cm et 20 cm. Une largeur trop faible conduit à des pertes de charge importantes. Une largeur trop grande conduit à une vitesse d'écoulement trop faible, et par conséquent une vitesse de refroidissement insuffisante.
De préférence, le confinement dudit flux F entraîne également une augmentation de la vitesse d'écoulement Ve dudit fluide. La vitesse d'écoulement du fluide de refroidissement dans ladite partie Fr dudit flux F se situe avantageusement entre 2 et 20 m/s. Une vitesse trop faible ne permet pas de réduire de manière intéressante le temps de refroidissement d'une alvéole. Une vitesse d'écoulement très élevée nécessite en revanche des moyens de ventilation coûteux et une consommation énergétique élevée. Le débit de fluide dudit flux est typiquement compris entre 1 et
10 Nu 3/S pour des fours industriels.
Le moyen de confinement (103) est typiquement un conduit, tel qu'un conduit rigide ou flexible ou une jupe flexible, dont une première extrémité est reliée au dit (ou à chaque dit) moyen de ventilation (101) et dont une seconde extrémité (104) peut être placée à l'intérieure de l'alvéole (2). Dans ce cas, le fluide de refroidissement, qui est mis en mouvement à l'aide du (ou des) moyen (s) de ventilation (101), est guidé par le conduit et injecté dans l'alvéole (ou aspiré de celle-ci) par au moins une ouverture située à ladite seconde extrémité (104). Le conduit restreint la surface d'écoulement S dudit flux en forçant ledit flux à s'écouler entre la surface dudit conduit et lesdites parois (2A, 2B).
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Le moyen de confinement (103) est avantageusement amovible et/ou rétractable, de manière à faciliter la mise en place du dispositif. Par exemple, le moyen de confinement (103) peut être un conduit rigide détachable (c'est-à-dire un conduit qui peut être détaché du dispositif (100)) qui peut être mis en place dans l'alvéole et raccordé ensuite aux moyens de ventilation (101) dudit dispositif.
Le moyen de confinement (103) peut être raccordé au moyen de ventilation (101) à l'aide d'un moyen de raccordement (102).
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de confinement (103) est un conduit tubulaire rétractable ayant au moins une position rétractée (tel qu'illustré à la figure 3) et au moins une position déployée (tel qu'illustré à la figure
4). La longueur dudit conduit peut alors être variable ou ajustable. Ce mode de réalisation présente l'avantage de permettre une mise en place aisée du dispositif.
Tel qu'illustré aux figures 3 et 4, le conduit tubulaire rétractable peut être en forme de soufflet (typiquement lorsque la section est sensiblement circulaire ou ovoïde) ou d'accordéon (typiquement lorsque la section est sensiblement rectangulaire ou carrée), ce qui facilite son déploiement. Ledit conduit peut également avoir d'autres structures, telles qu'une structure télescopique formée de plusieurs tronçons de conduit insérés les uns dans les autres de manière coulissante. Le conduit (103) peut être rétracté ou déployé à l'aide des moyens de déploiement (106,107), tels qu'un moteur et des câbles.
Le conduit (103) est de préférence tel qu'il peut être déployé jusqu'à une faible distance D du fond (2C) de l'alvéole, ladite distance D étant de préférence inférieure à 50 cm environ. La distance D est typiquement de l'ordre de 20 cm.
Les dimensions du conduit sont de préférence telles que la distance moyenne E entre celui-ci et les parois de l'alvéole se situe entre 5 et 25 cm, et de préférence encore entre 10 et 20 cm. Une distance trop faible conduit à des pertes de charge importantes qui peuvent être rédhibitoire. Une distance trop grande conduit à une
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vitesse d'écoulement trop faible, et par conséquent une vitesse de refroidissement insuffisante. Une distance de 15 cm environ a été trouvée très satisfaisante.
Dans une variante de l'invention, lesdits premiers moyens (qui sont typiquement des moyens de ventilation) peuvent produire un flux descendant dans le ou chaque dit conduit et un écoulement vertical ascendant le long desdites parois (2A, 2B) de l'alvéole (2). Dans une autre variante de l'invention, lesdits premiers moyens peuvent produire un flux ascendant dans le ou chaque dit conduit et un écoulement vertical descendant le long desdites parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
Les moyens de ventilation (101) sont des moyens de soufflages, tels qu'un ventilateur, lorsqu'on cherche à créer un écoulement ascendant le long des parois (2A, 2B) et des moyens d'aspiration lorsqu'on cherche à créer un écoulement descendant le long des parois (2A, 2B).
De préférence lorsque ledit écoulement vertical est ascendant le long des parois (2A, 2B) de l'alvéole (2) (et donc descendant dans le ou les conduits), l'extrémité dite ouverte (104) du (ou de chaque) conduit (103) peut être munie d'un diffuseur (108) apte à favoriser une déflection vers le haut du flux de fluide sortant du conduit par ladite extrémité. Le diffuseur est avantageusement tel qu'il réduit les pertes de charge à l'extrémité dite ouverte (104) du (ou de chaque) conduit (103).
Le conduit est de préférence constitué d'un matériau flexible, à module élevé, apte à
Figure img00090001

résister à des températures inférieures ou égales à environ 250 C et à la pression de soufflage, tel qu'une fibre polyamide aromatique (telle que le Kevlar@). Ledit matériau peut être un composite, tel qu'un multicouche. Ledit matériau est de préférence encore étanche afin de réduire notamment les pertes de charge le long dudit conduit. Dans ce but, ledit matériau peut être, par exemple, un composite multicouche comprenant un tissu flexible (tel qu'un tissu de Kevlar@) et une couche étanche (telle qu'une couche aluminium). L'utilisation d'un multicouche comprenant une couche flexible et une couche en aluminium (en surface extérieure du conduit) permet également de réfléchir le rayonnement thermique provenant des parois de
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l'alvéole et d'éviter ainsi un réchauffement trop important de la couche flexible sous- jacente.
Le dispositif de l'invention (100) est de préférence amovible. Il comprend avantageusement des éléments de support (105) qui permettent de le manipuler et de le positionner au-dessus d'une alvéole.
Le dispositif selon l'invention est apte à mettre en oeuvre le procédé de refroidissement de l'invention.
Le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans un procédé de refroidissement d'une alvéole (2) de four à feu tournant comprenant : - la mise en place du dispositif de refroidissement (100) de l'invention ; - le déploiement du moyen de confinement (103) ; - le production d'un flux de fluide de refroidissement à l'aide du ou des moyen (s) de ventilation (101).
Ces opérations sont normalement réalisées après l'enlèvement des blocs carbonés cuits et du poussier contenus dans l'alvéole.
Le déploiement du conduit peut suivre une progression prédéterminée ou être piloté en fonction de paramètres mesurables tels que la température des parois de l'alvéole.
Essais Des essais de refroidissement d'une alvéole d'un four à feu tournant ont été réalisés avec un dispositif de l'invention comparable à celui représenté aux figures 3 et 4.
Dans ces essais, l'alvéole avait une profondeur de 4,76 m et une section intérieure de 23,7 m2. Le fluide de refroidissement était de l'air plus ou moins chargé en humidité.
La vitesse du flux d'air était typiquement de 5 à 10 m/s. Le débit d'air était de 3 m3/s environ par ventilateur (et donc de 6 m3/s au total). La distance moyenne E entre les
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parois de l'alvéole et le conduit (103) était de 15 cm environ. Le flux était descendant dans les conduits et ascendant le long des parois de l'alvéole.
Le refroidissement de l'alvéole a été mesuré à l'aide de thermocouples fichés dans ses parois. La température initiale du fond de l'alvéole était de l'ordre de 130 à 200 C environ, selon la position dans le sens du feu.
Sans dispositif de refroidissement, le temps nécessaire pour que la température du fond de l'alvéole chute jusqu'à 20 C était typiquement de 40 heures. Avec le dispositif de l'invention, ce temps a pu être ramené à des valeurs de l'ordre de 10 heures.
Le dispositif de l'invention s'est avéré être peu bruyant.

Claims (23)

REVENDICATIONS
1. Procédé de refroidissement d'une alvéole (2) de four à feu tournant, ladite alvéole (2) comprenant des parois (2A, 2B), caractérisé en ce qu'il comprend la production d'un flux F de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole (2) et en ce qu'au moins une partie Fr dudit flux F s'écoule de manière sensiblement verticale le long de surfaces déterminées des parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit flux F est forcé.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le flux forcé est produit par soufflage ou aspiration dudit fluide de refroidissement..
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement dudit fluide dans ladite partie Fr dudit flux F est comprise entre 2 et 20 m/s.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit de fluide dudit flux est compris entre 1 et 10 Nm3/s.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit écoulement vertical est ascendant.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit écoulement vertical est descendant.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit flux F comprend une partie Fo qui est sensiblement parallèle à la partie Fr et qui circule dans une direction opposée.
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9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit fluide contient de l'air.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit fluide contient de l'eau.
11. Dispositif de refroidissement (100) d'une alvéole (2) de four à feu tournant, ladite alvéole (2) comprenant des parois (2A, 2B) et un fond (2C), caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un premier moyen (101) apte à produire un flux de fluide de refroidissement à l'intérieur de l'alvéole (2) ; - au moins un deuxième moyen (103) apte à provoquer un écoulement sensiblement vertical d'au moins une partie Fr dudit flux F le long de surfaces déterminées des parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit premier moyen est un moyen de ventilation.
13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit deuxième moyen est un moyen de confinement apte à réduire la section d'écoulement S dudit flux F à proximité des parois de l'alvéole, de manière à provoquer un écoulement rapide dudit fluide dans une direction sensiblement parallèle aux dites parois.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit moyen de confinement (103) est amovible.
15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que ledit moyen de confinement (103) est rétractable.
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16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de déploiement (106,107) pour déployer ou rétracter ledit moyen de confinement (103).
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que ledit moyen de confinement (103) est un conduit dont une première extrémité est reliée au, ou à chaque, dit moyen de ventilation (101) et dont une seconde extrémité (104) peut être placée à l'intérieure de l'alvéole (2).
18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit conduit prend la forme d'un soufflet ou d'un accordéon.
19. Dispositif selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que les dimensions dudit conduit sont telles que la distance moyenne E entre ledit conduit et lesdites parois (2A, 2B) de l'alvéole (2) est comprise entre 5 et 25 cm.
20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens sont aptes à produire un flux descendant dans le ou chaque dit conduit et un écoulement vertical ascendant le long desdites parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que ladite seconde extrémité (104) est munie d'un diffuseur (108) apte à favoriser une déflection vers le haut du flux de fluide sortant du conduit par ladite extrémité.
22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens sont aptes à produire un flux ascendant dans le ou chaque dit conduit et un écoulement vertical descendant le long desdites parois (2A, 2B) de l'alvéole (2).
<Desc/Clms Page number 15>
23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 à 22, caractérisé en ce que le ou chaque dit conduit (103) est tel qu'il peut être déployé jusqu'à une distance D du fond (2C) de l'alvéole inférieure à 50 cm environ.
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