Brevet FR2069950A1 — publié le 19710910

- i - 2069950 La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'échange thermique entre l'air extrait des locaux et l'air neuf admis. Il est nécessaire, dans un souci d'hy-5 giène et de confort, d'assurer dans les locaux occupés par des hommes ou des animaux un taux de renouvellement d'air minimum, et cela quelles que soient les conditions extérieures. Ce renouvellement doit cependant être limité, en fonction de la nature de l'occupation des locaux, pour des raisons économiques, dans 10 les périodes où les conditions extérieures imposent soit un chauffage, soit un refroidissement des locaux. La difficulté d'obtenir un résultat satisfaisant en ventilation naturelle conduit au développement de la ventilation contrôlée, qui peut se borner à une extraction contrôlée de l'air vicié (l'amenée d'air neuf se pro-15 duisant d'une façon naturelle ou semi-naturelle au niveau de chaque local), mais peut comporter aussi, et comportera de plus en plus, une insufflation mécanique de l'air neuf, dont les avantages sont évidents. (Possibilité d'un traitement central de l'air neuf : humidification, dépoussiérage, ionisation, suppression des 20 ouvertures en façade en zone de bruit, etc...). Dès lors que de tels systèmes d'extraction et de soufflage se trouvent en place, apparait l'intérêt économique d'une récupération des calories ou des frigories de l'air extrait au profit de l'air neuf. L'étude montre d'ailleurs 25 que cette possibilité de récupération peut suffire à justifier économiquement la présence d'une extraction et d'un soufflage mécanique dans beaucoup de cas. Le problème est donc d'échanger de la chaleur entre : 30 - un air extrait de température 15 à 30° C, et de degré hygrométrique variant de 0 à 100 %, - un air extérieur dont la température varie, selon la saison et la zone climatique, de - 25° C à + 35° C, et dont le degré hygrométrique varie de 0 à 100 %. \ 35 II est impératif que soit exclue toute 69 43226 - 2 - 2069950 possibilité de recyclage d'odeur ou d'impureté, ce qui exclut donc tout contact, direct ou indirect, entre les deux courants gazeux. Il convient d'autre part d'assurer le fonctionnement continu du dispositif, de telle sorte qu'il soit possible de 1'uti-5 liser en période très froide, ce qui impose la présence d'un dispositif efficace de dégivrage. Enfin les pertes de charge de l'é-changeur doivent être suffisamment faibles pour que les consommations électriques des ventilateurs soient compatibles avec la rentabilité recherchée. 10- Les solutions d'êchangeurs thermiques en toutes gammes de températures et entre divers médias sont nombreuses. Dans le domaine d'application envisagée, on connait déjà différentes solutions. Suivant un procédé connu, on tïtîilise le passage alternatif des courants gazeux sur deux masses de matière 15 divisée, l'inversion de sens intervenant à intervalles plus ou moins longs. Cependant dans ce procédé, un certain volume de gaz vicié peut se trouver systématiquement recyclé au cours de chaque inversion, même si l'on a prévu un système de purge; de plus, les dépôts d'impuretés ou de condensats sur le matériau divisé peuvent 20 induire une pollution de l'air soufflé. Par ailleurs, le dégivrage pose des pro- •h blêmes. Suivant un autre procédé, on utilise des échangeurs constitués d'un tambour rotatif traversé alterna-25 tivement par les courants gazeux, qui s'écoulent en sens inverse de part et d'autre d'une paroi disposée selon un plan diamétral du tambour. Le tambour accumulateur peut être constitué, soit d'une matière divisée (du type- "paille de fer"), soit de fins carreaux parallèles aux flux gazeux. Toutefois ce procédé présen-30 te les mêmes inconvénients que le procédé précédent. Il existe aussi la solution consistant à faire circuler à contre courant un fluide caloporteur en boucle fermée dans deux échangeurs, constitués de batteries de tubes à ailettes ou d'êchangeurs à plaques disposés convenablement dans 35 les deux courants. La circulation du fluide intermédiaire est as- 69 43226 - 3 - 2069950 surëe par une pompe. Satisfaisante du point de vue de 1'hygiène, cette solution paraît l'être moins quant au bilan économique (rendement assez faible, fortes pertes de charge...) et quant aux risques de givrage. 5 On connait un procédé dans lequel l'ê- changeur est constitué par les conduits de soufflage et d'extraction eux-mêmes, disposés l'un à l'intérieur de l'autre sur toute la hauteur de l'immeuble, les gaz circulant évidemment à contre courant. Cette solution ne semble pas conduire à de bons rende-10 ments, ni autoriser un traitement homogène de l'air soufflé. Conformément à la présente invention, on utilise un procédé d'échange thermique entre l'air extrait des locaux par ventilation mécanique et l'air neuf provenant de l'extérieur qui est admis dans lesdits locaux, caractérisé en ce 15 qu'on fait circuler l'air évacué et l'air neuf suivant deux courants croisés dans un échangeur de part et d'autre*-des plaques empilées. Le résultat industriel recherché, suivant la présente invention, est la réalisation d'une gamme d'ê-20 changeurs correspondant aux conditions précitées (sans contact ni recyclage et avec prévention du givrage...) dont le rendement moyen est suffisamment élevé pour que le bilan économique, résultant de leur utilisation, soit nettement favorable, tant en chauffage qu'en conditionnement d'air, et ceci pour des débits 25 d'air variant de celui d'un appartement moyen (soit environ 200 m3/heure) à celui de l'ensemble des appartements d'une montée d'escaliers dans un immeuble de grande hauteur, d'un atelier, d'une serre, etc... (ordre de 10.000 m3/heure). L'utilisation de tels échangeurs peut autoriser l'emploi de forts renouvellements 30 d'air, ou pour le chauffage l'utilisation compétitive d'énergie relativement chère (électricité) présentant des avantages au plan du confort. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante 35 d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non 69 43226 - 4 - 2069950 limitatif, description faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif d'échange thermique suivant l'invention. 5 - La figure 2 est une vue en plan d'un échangeur suivant l'invention. - La figure 3 est une vue en coupe de 1'échangeur suivant la ligne III III de la figure 2. - La figure 4 est une vue en coupe de 10 l'échangeur suivant la ligne IV IV de I3, figure 2. - La figure 5 est une vue en coupe, suivant la ligne V-V de la figure 2. - La figure 6 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un élément d'échangeur. 15 - La figure 7 est une vue en perspecti ve d'un mode de réalisation d'un échangeur constitué de plusieurs éléments. - La figure 8 est une vue en plan d'un échangeur comportant un organe déflecteur. 20 - La figure 9 est une vue en plan mon trant un dispositif de dégivrage à résistance électrique chauffante. - La figure 10 est une vue en plan d'un dispositif de dégivrage par radiateur branché sur le circuit de 25 chauffage de l'immeuble. - La figure 11 est une vue en plan, montrant la zone de givrage. - La figure 12 est une vue en plan, . montrant un dispositif de dégivrage à volet mobile. 30 - La figure 13 est une vue en plan, indiquant la manière d'éviter le by-passage du volet. - La figure 14 est une vue en perpecti-ve d'un dispositif de dégivrage à écoulement de saumure. - La figure 15 est une vue en plan d'un 35 dispositif de modulation du temps de fonctionnement de l'échan- 69 43226 '2069950 - 5 - geur. - La figure 16 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une installation d'échange thermique suivant 1"invention. 5 - La figure 17 est une vue en coupe de l'installation côté entrée de 1 'air neuf. - La figure 13 est une vue de 1'installation côté entrée de l'air extrait. Aux figures 1, 2, 3, 4 et 5, on a re-10 présenté un mode de réalisation d'un échangeur suivant l'invention, dans lequel on-fait circuler l'air extrait des locaux suivant la flèche A et l'air neuf suivant la flèche B ou vice et versa, de manière à obtenir une circulation des deux fluides suivant deux courants croisés dans un échangeur de part et d'au~ 15 tre de plaques empilées 1., L'échangeur est constitué par un empilage de plaques telles la, lb, le, ld, assemblées deux à deux par leurs bords d'entrée 2 et 3 notamment par une bordure 11, pour présenter des ouvertures 4 et 5 pour le passage croisé des 20 deux fluides, suivant les flèches A et B. Chaque plaque telle que lb est conformée pour présenter une surface d'échange 6 comportant sur une face une première série de plots 7b en contact avec une série de plots 7a correspondant d'une plaque adjacente supérieure la, de 25 manière à ménager des passages 8 entre les deux plaques telles la et lb pour l'un des fluides notamment l'air extrait d'un local. La plaque lb est conformée pour présenter sur son autre face une seconde série de plots 9jb décalés 30 suivant deux vecteurs orthogonaux I et J par rapport à la première série de plots 7b. Cette seconde série de plots 9b est en contact avec une série de plots correspondants 9c d'une plaque adjacente inférieure lç, de manière à ménager des passages 10 entre les deux plaques telles que lb et le pciur l'autre fluide, 35 notamment l'air neuf. 69 43226 - 6 - 2069950 Un échangeur de ce type est constitué par un empilage 12 de plaques la, lb, le, assemblées de la manière décrite ci-dessus pour former un élément d'échangeur 13, comme représenté à la figure 6. Dans ce but et comme représenté aux 5 figures 1 et 2, des échancrures 14 sont prévues aux quatre angles des plaques, dans lesquelles sont montées des entretoises 15 constituées par des cornières ou des tasseaux qui sont fixés à leurs deux extrémités sur deux plaques rigides 16 et 17 pour former un élément d'échangeur. 10 Un échangeur tel que 18 représenté à la figure 7 peut comporter un nombre plus ou'moins grand d'éléments échangeurs 13 empilés suivant la surface d'échange demandée et le volume des fluides à traiter. Ces éléments d'échangeur 13 sont assemblés entre eux par des cadres amovibles 19 et 20. 15 L'examen de la configuration des échan ges révèle que la zone 21 des plaques la plus éloignée des entrées A et B de fluides est celle où s'effectue le moins de transfert (figure 8). Et par conséquent il est possible d'améliorer localement 1'échange par la modification des écoulements 20 dans cette zone 21.. Dans ce but, on dispose des déflecteurs 22 obturant certains passages, de manière à rapprocher l'écoulement obtenu d'un écoulement à contre-courant et à obtenir un gain de rendement global pouvant atteindre 5 %. Le domaine de travail de 1'échangeur 25 décrit,- pour ce qui est de la température et de la nature des médias qui baignent les plaques, est tel que l'on peut utiliser pour leur fabrication soit des métaux, soit des matières plastiques. Dans le cas de matières plastiques, on 30 utilise des feuilles ou plaques minces, en films, susceptibles d'être mis à la forme décrite (l'épaisseur de matière utilisée est la plus mince compatible avec la tenue mécanique désirée; exemple : 0,17 mm suffisent pour un polymère d'acétate de cellulose) . 35 Liste non limitative des matériaux uti 69 43226 - 7 - 2069950 lisables : - Acétate de cellulose. - Acëtobutyrate de cellulose. - Propionate de cellulose. 5 - Chlorure de polyvinyle et copolymères vinyliques. - Ionomères. - Polystyrène. - Acrylonite Butadiène Styrène. - Polyéthylène haute densité. 10 - Polypropylène. - Polymêthyl-Pentène. - Polyméthylméthacrylate. - Méthacrylate Butadiène Styrène. - Plycarbonate. 15 (le choix est fonction dans chaque cas des facilités de collage ou de soudage, de la résistance mécanique, de la tenue à la vapeur d'eau et du prix...). La mise à la forme décrite s'effectue selon le cas : 20 - par emboutissage à froid, - par thermoformage par emboutissage, - par thermoformage par aspiration, - par thermoformage par soufflage, - par calandrage continu sur cylindres â plots. 25 (Dans chaque cas, la confection des moules ou matrices découle directement de la description géométrique donnée pour la surface) . Le collage est effectué à l'aide d'une colle à solvant ou d'une colle à durcisseur appropriée. Il est 30 également possible de souder les plaques, avec ou sans apport de matière. Dans le cas de métaux, on utilise des feuilles minces, mise à la forme par : - emboutissage, 35 - repoussage, 69 43226 2069950 - 8 - - formage, - calandrage - gaufrage. On peut envisager de protéger ces pla-5 ques par un revêtement plastique de toute nature. Avec ce type d'échangeur, il est possible d'utiliser plusieurs dispositifs de dégivrage qui sont basés sur : - la fréquence relative des basses températures extérieures 10 - l'importance de l'installation , - le coût de l'énergie récupérée. Dans un premier dispositf, on effectue le préchauffage de l'air neuf soufflé en amont de 1'échangeur, de façon à maintenir au-dessus d'une température To, températu-15 re critique au-dessous de laquelle des perturbations dûes au givrage sont à craindre pour l'application particulière envisagée. (Pour l'habitation, To n'est pas supérieur à - 5° C; ce peut être beaucoup moins si le degré hygrométrique de l'air extrait est faible, ou si cet air contient systématiquement des polluants 20 abaissant la température de congélation des condensats). Comme représenté à la figure 12, on dispose dans le conduit 23 de refoulement d'air neuf soufflé en amont de 1'échangeur 24, une résistance électrique chauffante 25 dont le fonctionnement est contrôlé par un thermostat ou modula-25 teur 26 dont l'organe de prise de température 27 est situé dans le conduit 23 entre la résistance 25 et 1'échangeur 24. Dans une installation importante, une régulation à relais statique et à modulation fine est préférar ble au thermostat par tout ou rien. La puissance de chauffage 30 de la résistance est calculée à l'aide du débit traité, de To, et de la donnée des plus basses températures susceptibles d'être observées au lieu d'implantation de l'appareil. A la figure 13, on a représenté un dispositif dans lequel un radiateur de chauffage 28 est disposé 35 dans le conduit de refoulement 23 de l'air neuf et en amont de 69 43226 ' 2069950 - 9- 1'échangeur 24. Ce radiateur 28 est branché en dérivation sur le circuit 29 de l'installation de chauffage de l'immeuble, au moyen d'une vanne 30 commandée par un thermostat ou modulateur 31 dont l'organe de prise de température est situé dans le con-5 duit 23, entre le radiateur 28 et 1'échangeur 24. (Dans ce cas, il est nécessaire de prendre des précautions au niveau du radiateur 28, contre le givrage du liquide qu'il contient). Comme indiqué à la figure 11, la condensation, puis le givre, apparaissent dans la zone 33 où l'air 10 extrait dirigé suivant la flèche B est le plus refroidi. Il est possible d'éviter ce phénomène en limitant localement le refroidissement par une modification de l'écoulement de l'air frais ainsi qu'il est représenté à la figure 12, au moyen d'un volet mobile 34 susceptible de se dé-15 placer suivant la double flèche F dans le conduit 23 de refoulement de l'air neuf pour obturer plus ou moins la section de passage du fluide. La position du volet 34 est asservie à la température de l'air neuf soufflé en amont de 1"échangeur, au moyen d'un organe de régulation 35 assurant le déplacement du volet 20 en fonction de la température mesurée par l'organe de prise 36. Dans ce cas, il est nécessaire que le volet 34 se déplace très près du bord d'entrée de 1'échangeur ou des plaques, de manière à éviter un by-passage de l'air dans l'intervalle 37, entre ce volet et les plaques de 1'échangeur 25 ' 24, qui rend alors le dispositif inefficace (figure 13). Lorsque la température de l'air extérieur est inférieure à To, on peut mêler à l'air extrait, par pulvérisation, un corps dont la présence dans les condensats a pour effet d'abaisser leur point de congélation au-dessous des températures les plus froides qu'il 30 est possible de rencontrer. Une telle solution n'est sans doute envisageable que dans les installations importantes. Il existe des cas où le mélange peut être effectué de façon systématique en utilisant des sous-produits propres aux locaux dont on traite 35 l'air, notamment des usines. 69 43226 - 10 - 2069950 A la figure 14, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif de dégivrage, dans lequel les plaques 1 de 1'échangeur sont disposées de façon inclinée de manière à faire ruisseler une saumure sur les plaques du cô-5 té extraction d'air. Une rampe 38 pour l'écoulement de la saumure à bas point de congélation, est disposée à la partie supérieure des plaques, alors qu'un bac 39 de récupération est situé à leur partie inférieure. La circulation du liquide ou saumure 10 est assurée par une pompe 40 asservie à un organe 41 de prise de température extérieure. Il est d'ailleurs possible de maintenir ce ruissellement continûment, ce qui peut constituer un nettoyage permanent des plaques de 1'échangeur et présente en outre une amélioration des échanges par convection du côté "ex-15 traction". Le liquide de ruissellement doit être choisi de façon à ne pas présenter de danger de corrosion pour les plaques. Ce dispositif peut être utilisé pour 20 le traitement de forts débits en zone climatique froide et constitue une solution efficace et fiable. / A la figure 15, on a représenté un autre mode de dégivrage dans lequel on utilise la modulation du temps de fonctionnement de 1'échangeur. 25 Dans ce cas, on utilise un conduit de dérivation 42 permettant de dévier le flux d'air neuf provenant du conduit de soufflage 23 et de by-passer 1'échangeur 24 à des intervalles donnés. Le dispositif comprend en outre un re-30 gistre 43 permettant de contrôler 1'ouverture du conduit de dérivation 42, ledit registre 43 étant actionné par un dispositif de commande 44 de type électronique ou électro-mécanique qui est relié à un organe de prise de température extérieure 45. La régulation est obtenue par un décou-35 Page sensiblement proportionnel d'intervalles fixes de temps, en 69 43226 - ii - 2069950 fonction de la température extérieure. Le dispositif d'échange thermique suivant l'invention comprend un ventilateur de soufflage d'air neuf et son raccordement, un ventilateur d'extraction d'air et 5 son raccordement, un échangeur constitué par un empilage de plaques, un dispositif de dégivrage si les conditions climatiques l'imposent, un dispositif d'évacuation des condensats et éventuellement des filtres sur les circuits d'extraction et de soufflage. 10 Le dimensionnement de 1'échangeur est fonction du débit traité, et il est certain que le débit d'une villa et celui d'un immeuble d"habitation élevé ne conduisent pas aux mêmes configurations. Un point demeure cependant : le montage doit être prévu de telle sorte que 1'échange périodique 15 en bloc des plaques ne présente aucune difficulté pratique. Selon l'importance des débits traités, deux dispositifs peuvent être utilisés, 1'un correspondant à de faibles débits (habitation individuelle) pour lequel on peut envisager une présentation compacte des différents éléments énu-20 mérés en un seul appareil, 1'autre correspondant à de forts débits, et pour lequel les différents éléments sont disposés selon les contraintes particulières à chaque cas et représenté à la figure 7. Aux figures 16, 17 et 18, on a repré-25 senté un appareil d'échange thermique pour maison individuelle qui correspond à des débits de l'ordre de 200 à 600 m3/h. L'appareil comprend un piètement métallique 46 sur lequel est monté de façon inclinée un ou plusieurs éléments 47 d'échangeur décrit précédemment et représenté à la 30 figure 6. Latéralement à 1'échangeur sont disposés deux collecteurs 48 et 49 dont l'un présente un orifice d'entrée 50 de l'air extérieur soufflé dans le local et l'autre un ventilateur 51 relié à des conduits de raccordement. A sa partie inférieure, l'appareil 35 comporte un collecteur 52 pour l'air extrait du local, qui pré- 69 43226 - %2 - 2069950 sente un orifice 53 d'entrée d'air et à sa partie supérieure un collecteur 54 muni d'un ventilateur 55 pour l'évacuation de l'air extrait qui est relié à l'extérieur par des conduits de raccordement. 5 Les plaques de 1 'échangeur sont incli nées de manière à faciliter le ruissellement naturel de l'eau de condensation éventuellement fournie; on dispose au fond du collecteur 52 une gouttière 59 pour recueillir cette eau d'où elle est dirigée par un orifice 58 vers un purgeur (figure 18). 10 Le préchauffage est assuré par une ré sistance électrique chauffante 56 dont le fonctionnement est contrôlé par un thermostat 57.(figure 17). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au seul mode de réalisation décrit et représenté, mais 15 en couvre au contraire toutes les variantes. 69 43226 - 13 - 2069950 R E V E" N D I C A T ION S 1) Procédé d'échange thermique entre l'air extrait des locaux par ventilation mécanique et l'air neuf provenant de l'extérieur qui est admis dans lesdits locaux, ca- 5 ractérisé en ce qu'on fait circuler l'air évacué et l'air neuf suivant deux courants croisés dans un échangeur de part et d'autre de plaques empilées. 2) Dispositif d'échange thermique, suivant le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que 10 1*échangeur est constitué par un empilage de plaques assemblées deux à deux par leurs bords d'entrée pour présenter deux passages de fluide croisés, chaque plaque étant conformée pour présenter une surface d'échange comportant sur une face une première série de plots en contact avec une série de plots correspon- 15 dants d'une plaque adjacente supérieure et sur l'autre face une seconde série de plots décalés suivant deux vecteurs orthogonaux par rapport à la première série de plots, ladite seconde série de plots étant en contact avec une série de plots correspondants d'une plaque adjacente inférieure. 20 3) Dispositif d'échange thermique, sui vant la revendication 2, caractérisé en ce que 1'échangeur est constitué de plusieurs éléments de plaques empilées qui sont assemblées pour constituer un échangeur de grande surface. 4) Dispositif d'échange thermique, sui- 25 vant la revendication 2, caractérisé en ce que des organes déflecteurs du courant de fluide sont disposés dans 11intervalle prévu entre deux plaques adjacentes pour le passage du fluide. 5) Dispositif d'échange thermique, suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques sont 30 réalisées à partir de feuilles en matière plastique conformées. 6) Dispositif d'échange thermique, suivant la revendication 2, caractérisé en ce\gue les plaques sont réalisées à partir de feuilles de métal conformées. 69 43226 - 14 - 2069950 7) Dispositif d'échange thermique, suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de raccordement de 1'échangeur à deux ventilateurs de soufflage et d'extraction d'air et des moyens de traitement de 5 l'air. 8) Dispositif d'échange thermique, suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de préchauffage de l'air neuf situé en amont de 1'échangeur. 10 9) Dispositif d'échange thermique, sui vant la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de préchauffage de 1'air est constitué par un moyen de chauffage électrique contrôlé par un thermostat. 10) Dispositif d'échange thermique, sui- 15 vant la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de préchauffage de 1'air est constitué par un radiateur de chauffage branché sur l'installation de chauffage des locaux. 11) Dispositif d'échange thermique, suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'un volet mobile 20 dont la position dans la gaine de soufflage est asservie à la température de l'air neuf soufflé en amont de 1'échangeur, est situé à proximité de l'entrée d'air neuf dans 1'échangeur. 12) Dispositif d'échange thermique, suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'un corps dont 25 la présence dans les condensats a pour effet d'Abaisser leur point de congélation, est pulvérisé dans l'air extrait en amont de 11échangeur. 13) Dispositif d'échange thermique, suivant les revendications 7 et 12, caractérisé en ce qu'on fait 30 ruisseler par gravité sur les plaques de 1'échangeur du côté de . l'air d'extraction, une saumure à bas point de congélation dont la circulation est assurée par une pompe fonctionnant de manière asservie à la température extérieure. 14) Dispositif d'échange thermique, 35 suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'on utilise en 69 43226 - 15 - 2069950 amont de 1'échangeur un conduit de dérivation de l'air neuf dont l'orifice est contrôlé par un registre commandé à partir d'un dispositif de régulation, en fonction de la température de l'air extérieur, afin de moduler le fonctionnement de 1'échangeur. \