Brevet FR2266117A1 — publié le 19751024

La présente invention concerne un procédé pour augmenter l'efficacité de systèmes de récupération de chaleur, dans des installations d'aération, comprenant un ou plusieurs échangeurs de chaleur, par exemple des accumulateurs à plaques, disposés, respectivement, dans la gaine d'alimentation en air et la gaine d'échappement d'air de l'installation, des tuyauteries reliant les échangeurs de chaleur, et une pompe faisant circuler un fluide chaud à lrétat liquide, dans les tuyauteries et les échangeurs de chaleur, pour le transfert de chaleur entre l'air évacué et l'air amené. Les échangeurs récupérateurs de chaleur, reliés par du liquide, ont de plus en plus été utilisés ces dernières années, pour la récupération de chaleur dans des installations d'aération. Ces unités de récupération de chaleur, dans leur forme la plus habituelle, comprennent deux accumulateurs à pla ques, interconnectés, du ctté liquide, et une pompe pour faire circuler le liquide entre - les deux accumulateurs.L'échange de chaleur entre l'écoulement d'air évacué du système d'aération et de ventilation, c'est-à-dire l'écoulement d'air chauffé, et 11 écoulement d'air froid améné, a lieu par le fait qu'un accumulateur à plaques est monté dans la gaine flair d'évacuation et l'autre accumulateur est monté dans la gaine d'air d'alimen tation. Rabituellement, les accumulateurs à plaques sont formés de serpentinsde tubes en cuivre, et de brides ayant la forme de disquesen aluminium fixés aurserpentins On utilise habituel lement, comme fluide de transport de chaleur, un mélange liquide d'eau et de glycol. Les unités de récupération de chaleur de la sorte décrite ci-dessus, présentent,entreaIdeq autres, l'avantage que les gaines d'air d'alimentation et d'évacuation peuvent être à une longue distance l'une de l'autre, et que l'on peut éliminer prati quement toute la fuite d'air des gaines d'alimentation vers les gaines d'évacuation, et inversement. L'unité de récupération de chaleur en question présente l'inconvénient que de la glace se forme sur 1' accumulateur à plaques dans la gaine d'évacuation d'air, à de faibles températures externes. La formation de glace sur l'accumulateur dans la gaine d'évacuation d'air, est dte au fait que l'air évacué est habituellement humide. Par conséquent, lorsque cet air est refroidi, de l'eau de condensation se dépose sur les surfaces des tubes et des disques, et se transforme en glace lorsque la température de ces surfaces est inférieure à OOC. La température de l'air externe à laquelle la formation de glace dans la gaine d'évacuation d'air se produit, dépend, bien entendu, du degré d'efficacité thermique de l'unité, et de la température et de l'humidité relative de l'air évacué. On peut citer à titre de valeurs typiques du degré d'efficacité thermique de l'unité de récupération de chaleur en question, de 50 à 70%, et l'humidité relative de l'air évacué peut souvent atteindre 20 à 50%.Cela implique qu'un risque de formation de glace existe habituellement pour des températures externes situées entre -5 C et -150C, lorsque la température de l'air évacué est de +220C, ctest-à-dire la température ambiante normale. La façon la plus classique d'empêcher la formation de glace, sur l'accumulateur à plaques , dans gaine d'air d'évacuation, est d'abaisser le degré d'efficacité thermique de 1' unité, pour de basses températures externes. Une autre façon d'empêcher la formation de glace, consiste à préchauffer l'air externe avant de le faire passer dans l'unité de récupération de chaleur. Dans les deux cas, l'effet thermique que l'unité peut transférer, est restreint. La présente invention a pour objet de surmonter les problèmes ci-dessus mentionnés. Par la présente invention, l'effet de transfert est sensiblement accru, en comparaison des unités classiques. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques,détails et avantages de celle-ci apparattront mieux au cours de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 montre, de façon schématique, la structure d'une unité de récupération de chaleur dans un système d'aération, où de la chaleur est amenée au fluide par un échangeur de chaleur; - la figure ta est un diagrammemontrant la température du fluide transportant la chaleur, en fonction du temps; - la figure 2 montre de façon schématique une unité de récupération de chaleur, où de la chaleur est amenée au fluide par un dispositif de chauffage électrique;; - la figure 3 montre de façon~schématique une unité de récupération de chaleur dans laquelle on diminue, par dérivation, l'écoulement liquide dans ltéchangeur de chaleur d'air évacué; et - la figure 3aest un diagramme montrant la progression d'écoulement et de température en fonction du temps L'unité de récupération de chaleur sera décrite en plus de détail dans ce qui suit, en se reportant aux figures 1 et la, dans un cas où de la chaleur est amenée au fluide de transport par un circuit d'après-chauffage.L unité de récupération de chaleur comprend un accumulateur à plaques l (ou autre échangeur de chaleur air/liquide similaire), un accumulateur à plaques 2 et une pompe de circulation 3, par laquelle est mis en circulation le fluide de transport de chaleur, de préférence à contre-courant, dans la tuyauterie 4. L'accumulateur est disposé dans la gaine d'alimentation d'air 5, et l'accumulateur 2 dans la gaine d'évacuation d'air 6. Pour chauffer ltair externe à la température souhaitée, on dispose habituellement également un accumulateur d'aprèschauffage 7, dans la gaine dtair d'alimentation 5. De l'eau à une température de l'ordre de 800C, provenant, par exemple, d'une chaudière à mazout, circule dans cet accumulateur par la tuyauterie 8. On peut dire que l'unité de récupération de chaleur décrite jusqu'à maintenant fonctionne d'une façon classique. Comme on peut le voir sur la figure 1, un échangeur de chaleur liquide/ liquide 9aétériiéà I'unité,etil communique, par la tuyauterie 10, avec la tuyauterie 8 En fermant temporairement la vanne 11 et en ouvrant simultanément la vanne 12, de la chaleur peut être amenée au fluide de transport de chaleur, qui circule dans les accumulateurs 1 et 2. (Si il y a une chute de pression suffisante dans la tuyauterie 10, la vanne 12 peut être omise, et l'écoulement de liquide vers l'échangeur de chaleur 9 peut être contrôlé simplement en ouvrant et en fermant la vanne 11).Il est bien entendu également possible de placer 11 échangeur de chaleur liquide/liquide dans la tuyauterie 4, d'une façon différente que ce qui est illustré sur la figure 1. Lorsque de la chaleur est amenée au fluide de transport de chaleur, circulant dans les accumulateurs 1 et 2, la température des disques de ces accumulateurs augmente et, en conséquence, la glace éventuellement formée sur l'accumulateur 2 fond. Ainsi, toute l'unité de récupération de chaleur peut fonctionner avec un degré d'efficacité moyen, selon les températures exterRes,qui est sensiblement plus élevé que ce qui est autrement possible.En d'autres termes, l'effet de transfert thermique peut etre accru pour dgibasses températures externes, parce que l'air dans la gaine d'évacuation, peut être refroidi en dessous de OOC, en comparaison de la limite de refroidissement de l'ordre de +4OÇ en fonctionnement classique, étant donné le risque de formation de glace sur l'accumulateur d'air d' évacuation. Tandis que de l'air est amené de façon intermittente au fluide de transport d'air dans le circuit 4, la progression dans le temps de la température du liquide tv, à l'entrée de l'accumulateur 2, peut être indiquée comme sur la figure 1a. Pendant le temps T1, de la vapeur d'eau se condense de l'air évacué sur l'accumulateur, et elle gèle. Au même moment, la température de l'air sortant est considérablement réduite. Pendant le temps 22 de la chaleur est amenée, comme décrit ci-dessus, au fluide de transport de chaleur dans le circuit 4, ainsi la glace produite fond.L'énergie thermique récupérée de l'air évacué pendant le temps T1 est date, en grande partie, au refroidissement de l'air et à la condensation de la vapeur d'eau, et n'est dt qu'à un faible degré, à la chaleur de formation de glace. L'énergie thermique à amener pour fondre la glace, en conséquence, est sensiblement plus faible que l'énergie supplémentaire récupérée pendant le temps 1 de au fort refroidissement. Généralement, le temps T2 peut être consédirablement plus court que le temps 1' , mais l'unité de récupération de chaleur peut également Qtre dimensionnée pour qu'un dégivrage ne soit nécessaire que pendant la nuit.Pour permettre une formation importante de ,lace, on choisira de préférence une distance entre les disques de l'accumulateur d'air évacué, supérieure à la distance classique. Si le dégivrage n'a lieu que pendant la nuit (ou pendant une autre période pendant laquelle la chaleur ne doit pas être récupérée), ou si il a lieu d'une façon plus fréquente, par exemple, une fois toutes les heures, il faut éventuellement choisir des moyens de contrôle quelque peu différents, pour contr8ler les vannes 1 1 et 12. Lorsque le dégivrage a lieu pendant la nuit, le contre peut être effectué par un thermostat 13, et une unité centrale de contré 14, qui, pour de basses températures de l'air sortant, fait débuter le dégivrage à un moment prédéterminé.Lorsque l'on souhaite des périodes courtes de gel et de dégivrage,la longueur des périodes de dégivrage peut étre contrôlée par les transmetteurs de pression 15 et 16, qui sont également connectés à l'unité centrale de contrôle 14. Le dégivrage commence lorsque la chute de pression sur l'accumulateur 2 a augmenté jusqu'à une valeur prédéterminée, et il est interrompu lorsque la chute de pression a diminué jusqu'à la valeur normale. Que le dégivrage ait lieu à des intervalles longs ou courts, ou avec l'ensemble des deux procédés de contr81e, l'énergie pouvant être récupérée pour de basses températures externes, est sensiblement plus élevé qu'avec une unité de récupération fonctionnant sans dégivrage, parce que la température de l'air évacué peut rarement 8tre- diminuesen dessous de +400. Dans le cas décrit, cependant, la température-de l'air évacué peut souvent atteindre 5 à 1000 en dessous de 00 On notera que, lorsque la chaleur est amenée au fluide de transport de chaleur dans la tuyauterie 4, l'alimentation en chaleur à l'accumulateur d'après-chauffage 7 doit être diminuée. Cela n'implique habituellement pas de complication, parce que cette alimentation chaleur est contrée par la vanne 17, et un thermostat disposé dans la gaine d'air d'alimen tation. On remarquera de-plus que dans certains cas, l'accumulateur d'après-chauffage 7 peut être omis, c'est-à-dire dans les cas où cet accumulateur ne doit donner qu'un faible sup- plément de chaleur, en comparaison de la chaleur obtenue par l'unité de récupération.Cette chaleur supplémentaire peut alors être amenée par le fait qu'une plus faible quantité de liquide peut s'écouler continuement dans la tuyauterie 10, bien qu'il n"y ait pas de risque de formation de glace sur l'accumulateur. De même, à des températures externes très basses, de la chaleur peut être amenée au fluide de transport de chaleur dans la tuyauterie 4, uniquement pour empêcher que ce fluide ne gèle. Un autre procédé pour amener de la chaleur au fluide de transport de chaleur dans la tuyauterie 4, est illustré sur la figure 2. Dans le réservoir 18, qui peut autre rempli, par exemple, d'un mélange d'eau et de glycol, un réchauffeur électrique par immersion 19, a été installé, lequel peut autre mis en fonctionnement et hors de fonctionnement par des signaux de contrôle de l'unité centrale de contrôle 74. De cette façon, de la chaleur peut être amenée de façon intermittente, au liquide dans la tuyauterie 4.Le dégivrage peut débuter comme illustré antérieurement sur la figure 1, lorsque la chute de pression dans l'accumulateur 2, dà la formation de glace, a augmenté au-deld d'une certaine valeur, et il est arrêté lorsque la chute de pression est de nouveau normale. L'unité 14 est alors contrée par des transmetteurs depression dans la gaine d'air d'évacua- tion 6. Lorsque l'on souhaite un dégivrage pendant des périodes où l'installation n'est pas en utilisation, par exemple, pendant la nuit, l'unité de contrôle centrale 14 peut être commandée par un temporisateur et un thermostat disposés dans la gaine d'air d'évacuation 6. On remarquera également que la température de l'air d'alimentation peut être accrue de quelques degrés, et que, par conséquent, dans certains cas, l'accumulateur d'après 'chauf- fage 7 peut être omis lorsqu'un certain effet électrique est amené continuement au réchauffeur 19, à des faibles températures externes. Pour pouvoir faire face à une telle sorte de fonctionnement, le réchauffeur par immersion doit de préférence pouvoir fonctionner en plusieurs étapes. Un autre procédé pour augmenter de façon intermittente la température du fluide de transport de chaleur, circulant dans l'accumulateur 2, est illustré sur la figure 3. Une vanne à trois passages 20, contrôle, par la conduite de dérivation 21, l'écou- lement de liquide passant dans l'accumulateur 2. L'écoulement de liquide-W dans l'accumulateur 2 peut être réduit de façon intermittente par le signal de l'unité de contr8le centralel, comme on peut le voir sur la figure 3a, et ainsi on peut augmenter temporairement la température tZ du liquide àltentrée de l'accumulateur.Ainsi, un dégivrage peut être effectué pendant le temps Tn, Il est également possible de réduire temporairement l'ecoule- ment effectif de liquide dans la tuyauterie, en démarrant et en arrentant la pompe à courts intervalles. Ainsi, la vanne à trois passages peut etre omise, mais cela, à son tour, nécessite un dispositif de contre plus compliqué. Comme on l'a indiqué cidessus, le dégivrage peuiavoir lieu, lorsque la chute de pression dans l'accumulateur 2, de à la formation de glace , a dépassé une certaine valeur, ou il peut avoir lieu pendant une certaine période du jour, lorsque l'installation n'est pas en utilisation. Contrairement aux deuxautres procédés de dégivrage dont il a été question ci-dessus, aucune chaleur supplémentaire n'est amenée au fluide de transport de chaleur dans la tuyauterie 4, Si bien que, dans le cas où le dégivrage a lieu pendant le temps de fonctionnement du système d'aération, une alimentation upplé- mentaire en chaleur provenant de l'accumulateur 7 d'après chauffage, est requise pour empêcher que la température de l'air d'alimentation ne diminue. Les gains en énergie pouvant être obtenus endiauffant de façon intermittente le fluide de transport de chaleur en circulation, seront apparents à la lecture de l'exemple qui suit. On suppose que l'air évacué est à une température de +220 C, et que. l'air extérieur est à 2000. Quand on utilise l'unité de récupération de chaleur d'une façon classique, c'est-à-dire san chauffer de façon intermittente le liquide en circulation, pour dégivrer l'accumulateur dans la gaine d'air évacué , la température de l'air évacué ne peut généralement être diminuée en dessous de +40 0, étant donné les risques de formation de glace. Le degré d'efficacité thermique peut alors être exprimé par 22 - ~22 4 = 18 = 0,429 t22 + 20 42 a' condition que les quantités d'air d'alimentation et d'air évacué soient égales, et qu'aucune humidité ne se dépose sur l'accumulateur par la gaine d'air évacué.Lorsque la teneur en humidité de l'air-évacué est élevée, de l'humidité se dépose sur l'accumulateur, et produit ainsi une certaine augmentation de l'efficacité thermique. Pour une humidité relative de l'air évacué de 40%, on obtient une augmentation du degré d'efficacité de 0,43 à environ 0,45, étant donné l'humidité qui se dépose sur l'accumulateur.L'effet de transfert thermique pour un fonctionnement classique de l'unité de récupération de chaleur est exprimé ci-après par PO. Pour déterminer l'effet de transfert thermique de l'air évacué, qui peut être obtenu par un dégivrage intermittent, on étudiera ci-dessous, trois cas différents avec des teneurs variables en humidité dans l'air évacué: 1 L'air évacué est si sec qu'aucune condensation n'a lieu 2 La condensation a lieu à +40C 3 La condensation a lieu au milieu de l'intervalle de températures+40C à +220C, ctest-à-dire à +1300. On suppose de plus que la température de l'air évacué peut diminuer jusqu'à -50C pendant la période de production de glace. Cela correspond à un degré d'efficacité thermique de 22 + 5 22 + 20 dans le cas où aucune précipitation d'humidité n'a lieu. L'effet de transfert, pour un dégivrage intermittent, est est obtenu dans le cas t selon Pi= 0,643 PO = 1,50 P o o 0,429 Ainsi, dans ce cas, un effet thermique de 50% plus élevé peut être tranféré par l'unité de récupération de chaleur. Lorsque la teneur en humidité de l'air évacué est si élevéequ'un dép8t d'humidité commence à +40C, on trouve que Pi = 1,55 P pendant la période de production de glace. Cependant, pendant la période de dégivrage, 11 effet tranféré par l'unité de récupération de chaleur, provenant de l'air évacué, diminue, si bien que, en moyenne, on peut transférer un effet qui est de l'ordre de 45% supérieur PO, pendant un cycle complet, comprenant une période de production de glace et une période de dégivrage. L'effet moyen correspondant est de l'ordre de 45% supérieur à PO, également dans le cas où le dépôt d'humidité commence à la température de +13 C. Dans une installation d'aération, la teneur en humidité dans l'air évacué varie souvent d'un jour à l'autre et, en outre, l'humidité de l'air diffère considérablement entre des installations et elle dépend, entre autres de la production d'humidité dans le bâtiment, ou dthumidificateuzsd'air spéciaux éventuellement installés. Si l'on considère qu'une humidité relative de 30% de l'sir évacué est une PiLeur typique, qui correspond de très près à la valeur moyenne de la teneur en humiditédasles cas 2 et 3 décritsci-dessus, on trouve que l'effet de transfert thermique, à une température externe de -200Q peut être accrue de 40 à 50% lorsqu'un dégivrage intermittent a lieu à des intervalles courts. Lorsque le dégivrage a lieu pendant une certaine période du jour où 1' installation d' aération ne fonctionne pas, l'effet de transfert thermique peut augmenter de plus, d'une valeur moyenne de l'ordre de 10%. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour augmenter ltefficacité de systèmes de récupération de chaleur dans des installations d'aération, du type comprenant un ou plusieurs échangeurs de chaleur, par exemple des accumulateurs à plaques, disposés dans une gaine d'air d'alimentation et, respectivement, dans une gaine d'air d'échappement de ladite installation, une tuyauterie reliant lesdits échangeurs de chaleur, et une pompe faisant circuler un fluide de transport de chaleur à l'état liquide dans ladite tuyauterie et lesdits échangeurs de chaleur, pour un transfert de chaleur entre l'air évacué et l'air alimenté, caractérisé en ce qu'à de faibles températures externes, le système alterne entre deux cas de fonctionnement, de façon que, pendant le premier-cas, la température du fluide de transport de chaleur traversant lendit accumulateur d t air évacué (2) puisse diminuer à une faible valeur à laquelle on obtient une formation de glace sur ledit accumulateur-, et pendant le second cas de fonctionnement, l'abaissement de la température dudit fluide de transport de chaleur soit restreint de façon que la glace produite fonde. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que htabaissement de la température du fluide de transport de chaleur s'écoulant dans l'échangeur de chaleur (2) précité dans la gaine d'air évacué (6) précitée pendant le second cas de fonctionnement précité est restreint, pour que de la chaleur soit amenée audit fluide de transport de chaleur à partir d'une source séparée. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la chaleur est amenée au fluide de transport de chaleur précité, par un échangeur de chaleur liquide/liquide (9), dont le circuit secondaire est relié à la tuyauterie (4) précitée et dont le circuit primaire (10) est relié à la source de chaleur séparée précitée. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le circuit primaire (10) précité de l'échangeur de chaleur liquide/liquide précité-est relié, avec la tuyauterie (8), à un accumulateur d'après-chauffage (7), inclus dans le système, ledit accumulateur étant disposé dans la gaine d'air d'alimentation (5) précitée et relié à une source séparée de chaleur. 5. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la chaleur est amenée au fluide de transport de chaleur précité en le chauffant électriquement. 6.~Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'abaissement de la température du fluide de transport de chaleur s'écoulant dans l'échangeur de chaleur (2) précité dans la gaine d'air évacué.(6) précitée est restreint pendant le second cas de fonctionnement, pour réduire ainsi ledit écoulement de liquide. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'écoulement de liquide dans l'échangeur de chaleur (2) précité est réduit par dérivation. 8. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'écoulement de liquide dans l'échangeur de chaleur (2) précité est réduit en arrêtant la pompe de circulation (3) précitée. 9. Procédé selon l'une quelconqué des revendications précédentes caractérisé en ce que le second cas de fonctionnement précité a lieu pendant une période où la demande de récupération de chaleur est faible, par exemple pendant la nuit. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le début et la fin du second cas de fonctionnement précité sont contrôlés par des moyens (15,16) détectant la chute de pression dans l'accumulateur d'air évacué (2) précitée façon que le cas de fonctionnement débute lorsque la chute de pression dûe à la formation de glace a augmenté jusqu'à une valeur prédéterminée, et soit arrêté lorsque la chute de pression a diminué jusqu'à une valeur prédéterminée. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaleur de base est amenée au fluide de transpsrt de chaleur précité pendant les premier et second cas de fonctionnement précités. 12. Systèmes de récupération de chaleur caractérisés en ce que leur efficacité est augmentée par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.