Brevet FR2255567A1 — publié le 19750718

La présente invention concerne un échangeur statique de chaleur entre des courants gazeux à basses températures, et à pressions égales ou peu différentes, destiné à permettre un échange de calories, notamment par transfert d'enthalpie de vapeur d'eau, entre au moins un courant de gaz chaud et humide, à température relativement basse, et au moins un courant de gaz froid et sec, comportant au moins un premier conduit de gaz chaud (ou froid) et au moins un second conduit de gaz froid (ou chaud). Le but de la présente invention est en particulier d'élaborer un échangeur de chaleur du type défini ci-dessus, qui soit de construction simple, qui ne requière qu'un entretien réduit, qui soit relativement peu coûteux à fabriquer, et qui, surtout, permette d'obtenir, par rapport aux échangeurs statiques connus Jusqu'à présent, une augmentation très notable des coefficients d'échange. Cette derniere qualité présente en effet une grande importance sur lé plan du rendement énergétique dans de nombreuses installations, par exemple dans les installations de conditionnement d'air de 1 o c a u x , dans lesquelles on envisage de récupérer les calories de l'air vicié, humide et chaud extrait des locaux pour préchauffer l'air frais et sec prélevé à l'extérieur, avant de l'amener aux batteries de chauffe. Conformément à l'invention, ces différents buts et avantages sont atteints grâce à un échangeur de chaleur du type susdécrit, caractérisé en ce que le ou les premiers conduits possèdent avec le ou les seconds conduits au moins une paroi commune de transfert d'enthalpie du ou des conduits de gaz chaud et humide vers le ou les conduits de gaz froid et sec, ladite paroi étant en une matière perméable à la vapeur d'eau. La vapeurd'eau contenue dans le courant de gaz chaud et humide est ainsi adsorbée par ladite paroi commune de transfert, traverse ladite paroi, puis pénètre dans le courant de gaz froid et sec. Il y a donc à la fois transfert de la chaleur sensible et de la chaleur latente de la vapeur d'eau, c'est-à-dire trans fert de son enthalpie, du courant de gaz chaud vers le courant de gaz froid. On conçoit que, grâce à cette disposition, on puisse obtenir des coefficients d'échange bien supérieurs a ceux que l'on obtient avec les échangeurs statiques classiques à conduits étanches, dans lesquels il n'y a qu'un transfert de la chaleur sensible par convection. Avantageusement, et à peu de frais, on peut prévoir que ladite matière perméable à la vapeur d'eau est réalisée en un matériau poreux tel que le bois, le carton, le papier, le tissu,ou en une matière synthétique. Selon les matériaux utilisés et si cela s'avère avanta- geux, on peut prévoir d'ailleurs, en outre, que ladite matière perméable à la vapeur d'eau est imprégnée d'un produit hygr-sco- pique tel que le chlorure de lithium ou analogue. Selon un mode de réalisation de l'inventIon, au moins un premier (ou second) conduit est disposé en sandich entre au moins deux seconds (ou premiers) conduits. D'une manière générale ou en combinaison avec la disposition particulière qui précède, on peut également prévoir qu'au moins un premier conduit est disposé suivant la me me direction qu'au moins un second conduit, ou suivant une direction perpendiculaire à celle de ce dernier. De façon avantageuse, et dans le but de simplifier la construction de l'échangeur, il peut être encore prévu que celuici comporte au moins un conduit constitué d'une manche en une matière perméable à la vapeur d'eau, entourant un organe raidisseur. Cet organe raidisseur est surtout utile lorsque le matériau poreux qui constitue ladite paroi commune de transfert n'a pas de tenue mécanique propre, comme c'est le cas pour le tissu ou le papier, mais dans le cas contraire, par exemple lorsqueS'or utilise du carton ou du bois, il peut encore être utile pour améliorer la tenue mécanique de la paroi. De toute façon, on peut prévoir que l'organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une tôle en un matériau bon conduc et teur de la chaleur et/ou de la vapeur d'eau Xrésentant des surfaces de convection à l'intérieur du conduit considéré. L'organe raidisseur remplit alors un double rôle : le rôle d'un raidisseur proprement dit et le rôle d'ailettes de convection. D'une façon particulièrement simple et peu coûteuse, ledit organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une tôle repliée en accordéon, ce qui lui permet de remplir de façon optimale le double rôle susmentionné. Selon une variante, ledit organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une armature en treillis. Avantageusement, et afin d'augmenter la surface utile de la paroi commune de transfert sans augmentation considérable de l'encombrement extérieur, ladite paroi commune comporte des plissures. Selon une premiereforme de réalisation, les lignes de pliage desdites plissures sont dirigées suivant 1 t axe du conduit considéré. Dans ce cas, lesdites plissures peuvent avoir en coupe transversale une forme en dents de scie et être disposées suivant les deux grands cotés d'un conduit de forme génére parallélépipédique, ou bien avoir en coupe transversale la forme des branches d'une étoile réparties à la périphérie d'un conduit de forme générale tubulaire. Selon une seconde forme de réalisation, les lignes de pliage desdites plissures sont dirigées suivant la périphérie du conduit considéré De façon à améliorer les échanges thermiques, un échangeur de chaleur selon l'invention peut encore être caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit dans lequel sont disposés des moyens propres à entretenir une turbulence du courant gazeux correspondant. Lorsque l'organe raidisseur mentionné plus haut est élaboré sous la forme d'une tôle, notamment d'une tôle repliée en accordéon, lesdits moyens peuvent être simplement constitués par des crevés ménagés dans ledit organe raidisseur. De toute façon, ces moyens peuvent aussi être constitués d'une sorte d'hélice disposée coaxialement dans le conduit correspondant. Différents modes de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, et différentes applications de celui-ci sont décrits ci-dessous à titre d'exemples nullement limitatifs, en référence aux figures schématiques du dessin annexé dans lequel - la figure 1 montre en perspective le principe de l'invention - la figure 2 montre un premier mode de réalisation drun échangeur de chaleur conforme à l'invention, qui comporte un conduit de gaz chaud et humide disposé perpendiculairement et en sandwich entre deux conduits de gaz froid et sec - la figure v représente en plan un second mode de réalisation, selon lequel l'échangeur comporte deux conduits à paroi de transfert plissée, dont les lignes de pliage sont dirigées suivant l'axe des conduits et forment, en coupe transversale, des dents de scie: - les figures 4 et 5 sont des vues en coupe, la figure 4 avec arrachement partiel, respectivement suivant les lignes IV-IV et V-V de la figure 3 - la figure 6 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 4 et montrant des conduits dont les parois de transfert sont plis sées et ont des lignes de pliage dirigées suivant l'axe des co, duits, les plissures ayant en coupe transversale la forme des branches d'une étoile - la figure 7 représente un troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention - la figure 8 représente un quatrième mode de réalisation - la figure 9 est une vue en coupe avec arrachement partiel suivant la ligne IX-IX de la figure B - la figure 10 représente en plan un cinquième mode de réalisation - et la figure Il est une vue en coupe de l'échangeur de chaleur représenté à la figure 10, suivant la ligne XI-XI. -Sur la figure 1, on a symbolisé par une flèche 1 un courant de gaz chaud et humide à température relativement basse, c'est-à-dire de l'ordre de quelques dizaines de OC au plus. La flèche 2 représente un courant de gaz froid et sec, dont la température peut etre inférieure de quelques dizaines de OC ou de quelques OC à celle du courant de gaz chaud. Ces courants 1 et 2 s'écoulent en sens inverse, respectivement dans un premier conduit 3 et dans uitecond conduit 4, lesquels possèdent une paroi commune de transfert 5 de l'enthalpie du courant de gaz chaud 1 vers le courant de gaz froid 2. Cette paroi 5 divise en deux parties un caisson étanche 6, et elle est constituée d'une matière perméable à la vapeur d'eau, par exemple en bois d'okoumé, en papier, en tissu, en carton. On obtient ainsi un excellent transfert des calories du courant 1, qui se refroidit et s'assèche, vers le courant 2 qui se réchauffe et s'humidifie. D'une façon générale, et ce sera le cas dans tous les exemples qui suivront, la paroi 5 peut être constituée de ntim- porte quel matériau poreux convenable, perméable à la vapeur d'eau, mais étanche aux gaz secs lorsque la différence des pres sfans qui agissent sur ses faces opposées est faible, de l'ordre de quelques deca Pascals ; cette paroi peut éventuellement être imprégnée d'un produit hygroscopique, tel que le chlorure de li thium, pour favoriser l'adsorption de la vapeur d'eau. Dans le premier mode de mise en oeuvre du principe ci-dessus décrit pour la réalisation d'un échangeur de chaleur exploita- ble industriellement, selon la figure 2, on a prévu un premier conduit 7 de gaz chaud, disposé en sandwich entre deux seconds conduits 8 de gaz froid. Le courant de gaz chaud et humide est symbo lisé~ par des fleches 9, et les courants de gaz froid et sec par des flèches 10. Lesdits seconds conduits 8 sont constitués chacun d'une mancherlt en une matière perméable à la vapeur d'eau, par exemple en tissu, entourant un organe raidisseur 12. Cet organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une tôle d'aluminium repliée en accordéon, de sorte qu'il présente de nombreuse surfaces de convection, chaque plan délimité par deux lignes de pliage successives constituant une sorte d'ailette. Le raidisseur du second conduit supérieur est disposé parallèlement à celui du second conduit inférieur. Quant audit premier conduit 7, disposé entre les deux conduits susnommés, il est constitué d'un simple raidisseur 13, élaboré de la même manière que les raidisseurs 12, mais dont les lignes de pliage sont perpendicudaires aux lignes de pliage des raidisseurs 12. Ainsi, le courant'gaz chaud 9 est perpendiculaire aux courants de gaz froid 10, et 1 'on obtient un échangeur de haleur à courants croisés. Le fonctionnement d'un tel échangeur est conforme au principe exposé en référence à la figure 1, les parois perméables à la vapeur d'eau qui séparent les conduits 8 du conduit 7 étant constituées par les surfaces de la manche 11 qui sont en contact avec les lignes de pliage du raidisseur 13. On peut prévoir dans les conduits 7 et 8 des crevés propres à entretenir une turbulence des courants 9 et 10, ce qui améliore les échanges thermiques. Ces crevés, non représentés, ne sont évidemment pratiqués que sur les surfaces de convection internes. Selon le second mode de réalisation des figures 3, 4 et 5, l'échangeur de chaleur comporte deux conduits parallèles 14 dont les parois 15 de transfert d'enthalpie comportent des plissures. Les lignes de pliage 16 desdites plissures sont dirigées suivant l'axe des conduits 14 et ces plissures ont en coupe transversale (figure 4) une forme en dents de scie, lesquelles s'étendent suivant les deux grands côtés du conduit 14 correspondant, les conduits 14 ayant une forme générale parallélépi pédique. Les parois 15 sont par exemple en papier, en carton ou en bois. Pour améliorer leur tenue mécanique, et pour les mainte nir convenablement en position, on peut prévoir, à l'intérieur des conduits 14, des organes raidisseurs 17, par exemple en trel- lis. Ces raidisseurs sont maintenus à leurs extrémités opposées par raccordement à des conduits plats étanches d'entrée et de sortie, respectivement 18 et 19. Les conduits 14 sont placés dans un caisson étanche 20. Ce caisson comporte une ouverture d'entrée 21 communiquant avec les conduits 18. et une ouverture de sortie 22 communiquant avec les conduits 19, pratiquées aux extrémités opposées du caisson. Ce dernier comporte en outre une ouverture latérale d'entrée 23 et une ouverture latérale de sortie 24, lesquelles communiquent avec l'espace 25 ménagé entre les parois internes du caisson et la surface extérieure des parois perméables à la vapeur d'eau 15. L'ouverture d'entrée 23 est pratiquée latéralement à proximité de l'ouverture de sortie 22, et l'ouverture de sortie 24 est pratiquée latéralement à proximité de l'ouverture d'entrée 21. Cet échangeur de chaleur peut être utilisé de la façon suivante, par exemple dans une installation de conditionnement d'air de locaux : l'air chaud, humide et vicié extrait des lo- caux est introduit dans l'espace 25 par l'ouverture 23 et s'en échappe, refroidi, par l'ouverture 24. L'air neuf, froid et sec, est introduit dans les conduits 14 par l'ouverture 21 et les conduits 18 et s'en échappe, réchauffé, par les conduits 19 et l'ouverture 22. On obtient ainsi un échangeur de chaleur récupérateur de calories du type à contre-courant. Selon la variante de réalisation représentée en coupe transversale à la figure 6 dans laquelle les éléments analogues. à ceux de la figure 4 ont été reperés par les mêmes références, les lignes de pliage 16 des plissures sont encore dirigées suivant l'axe du conduit considéré, mais les plissures présentent en coupe transversale a forme des branches d'une étoile répar ties à la périphérie des conduits 14, de forme générale tubulaire. Le principe de fonctionnement d'un échangeur de chaleur équipé de la sorte peut bien entendu être exactement le même que celui qui a été expliqué ci-dessus. Selon le troisième mode de réalisation de la figure 7, l'échangeur de chaleur comporte deux conduits parallèles 26~dont les parois 27 de transfert d'enthalpie peuvent comporter des plissures (non représentées) analogues à celles de la figure 6. Ces conduits 26 communiquent respectivement avec des conduits d'entrée et de sortie étanches et bons conducteurs de la chaleur, référencés respectivement en 28 et 29. Les conduits 26 sont placés dans un caisson 30 étanche. Ce caisson comporte une ouverture d'entrée 31 comsuniquant avec les conduits 28 et une ouverture de sortie 32 communiquant avec les conduits 29, pratiquées aux extrémités opposées du caisson.Ce dernier comporte en outre deux ouvertures latérales d'entrée 33 et 34 et une ouverture latérale de sortie 35, lesquelles communiquent avec ltespace 36 ménagé entre les parois internes du caisson et la surface extérieure des parois perméables à la vapeur d'eau 27. L'ouverture d'entrée 34 est prati quée latéralement à proximité de l'ouverture de sortie 32 ; les ouvertures d'entrée 33 et de sortie 35 sont pratiquées latéralement à proximité de l'ouverture d'entrée 31. Cet échangeur de chaleur peut être utilisé de la façon suivante, là encore, par exemple, dans une installation de conditionnement d'air de locaux : l'air chaud, humide et vicié extrait des locaux est introduit dans l'espace 36 par l'ouverture 34 et s'en échappe, refroidi, par l'ouverture 35. En même temps, il est introduit par l'ouverture 33 et sort par la même ouverture 35, après avoir préchauffé les conduits d'entrée 28. L'air neuf, froid et sec est introduit dans les conduits 26 par l'ouverture 31 et les conduits 28, où il est préchauffé, et s'en échappe, ré chauffé, par les conduits 29 et l'ouverture 32. On obtient ainsi un échangeur de chaleur récupérateur de calories du type mixte, le chauffage de l'air neuf s'effectuant à contre-courant, après un préchauffage à courants croisés. Cette disposition présente l'avantage, sur celle décrite en référence aux figures 2 à 6, que l'on augmente la différence des températures sur les deux faces des parois 27 et que 1 'on améliore la récupération des calories en augmentant le transfert de la chaleur latente. Selon le quatrième mode de réalisation des figures 8 et 9, on a élaboré un échangeur de chaleur "en épinglen dont le princi pe de fonctionnement est pratiquement le même que celui de l'é- changeur de chaleur de la figure 7. En conséquence, les éléments analogues à ceux de la figure 7 ont été repéréspar lesmemesDeremes La différence essentielle réside dans le fait que le préchauffage de l'air neuf, froid et sec, s'effectue dans des conduits 37 étanches et bons conducteurs de la chaleur, qui communiquent avec les conduits 26 par un espace 38 ménagé dans le fond du caisson 30, et dans lequel espace l'air neuf suit un parcours en épingle à cheveux en sortant des conduits de préchauffage 37 pour pendtrer dans les conduits d'échange 26. L'air vicié, chaud et humide, pénètre dans l'espace 36 du caisson par l'entrée 34 et en est évacué, refroidi, par la sortie 35. L'air neuf, froid et sec, pénètre dans liéchangeur par l'entrée 31 et s'en échappe, réchauffé, par la sortie 32, après avoir été préchauffé dans les conduits étanches 37 et avoir reçu les calories de l'air chaud et humide dans les conduits 26, par transfert d'enthalpie à travers les parois perméables à la vapeur d'eau 27. Comme cela est visible sur la vue en coupe transversale de la figure 9, ces parois sont plissées comme selon le mode de réalisation de la figure 6, mais elles pourraient l'être comme selon le mode de réalisation de la figure 4, ou de toute autre manière. Enfin, suivant le cinquième mode de réalisation des figures 10 et 11, l'échangeur de chaleur comporte quatre conduits d'échange 39 parallèles, dontles parois 40, perméables à la vapeur d 'eau, par exemple en tissu élasffqpelsont plissées,leslignes de pliage étant dirigées suivant la périphérie des conduits. Ceux-ci sont armés intérieurement par des organes raidisseurs circulaires 41 qui maintiennent la forme des plissures et confèrent aux conduits d'échange 39 une bonne tenue mécanique, notamment en direction transversale.Dans chacun des conduits 39, en outre, sont disposés des moyens propres à entretenir une turbulence du courant gazeux correspondant, et qui gont constitués d'une sorte d'hélice ou vrille 42 disposée coaxialement au conduit correspondant. Un tel échangeur de chaleur peut être utilisé de la façon suivante, là encore, par exemple, dans une installation de conditionnement d'air pour locaux habités : l'air vicié, chaud et humide est introduit dans l'échangeur par une entrée latérale 43 et en est évacué, refroidi, par une sortie latérale 44. L'air neuf, frais et sec est introduit dans l'échangeur par une entrée axiale 45 communiquant avec les conduits 39 et en est évacué, réchauffé, par une sortie axiale 46. On obtient ainsi un échangeur de chaleur à courants croisés. Les raidisseurs circulaires 41 pourraient être remplacés par des raidisseurs hélicoidaux. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention en se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Notamment, l'échangeur qui a été décrit dans ce qui précède pourrait servir, en été de récupérateur de frigories ; dans ce cas, c'est l'air vicié extrait qui est froid et sec et l'air neuf extérieur qui est chaud et humide. A titre d'exemple, les conditions de l'air froid sont : t = 24du, Hu = 50 X et teneur en eau - 9gkg ; celles de l'air chaud sont : t = 30"C, Hu = 50 X et teneur en eau = 13 g/kg. REVENDICATIONJ . changr statique de chaleur entre des courants a zeux - basses températures, et à pressions égales ou peu diffé- rentes, destiné à permettre un échange de calories, notamment par transfert d'enthalpie de vapeur d'eau, entre au moins un courant de gaz chaud et humide, à température relativement basse, et au moins un courant de gaz froid et sec, comportant au moins un premier conduit de gaz chaud (ou froid) et au moins un second conduit de gaz froid (ou chaud), caractérisé en cé que le ou les premiers conduits possèdent avec le ou les seconds conduits au moins une paroi commune de transfert d'enthalpie du ou des conduits de gaz chaud et humide vers le ou les conduits dé gaz froid et sec, ladite paroi étant en une matière perméable a la vapeur d'eau. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière perméable à la vapeur d'eau est réalisée en un matériau poreux tel que le bois, le carton, le papier, le tissu ou en une matière synthétique. 3. Echangeur de chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite matière perméable à la vapeur d'eau est imprégnée d'un produit hygroscopique tel que le chlorure de lithium ou analogue. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un premier (ou second) conduit est disposé en sandwich entre au moins deux seconds (ou premiers) conduits. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un premier conduit est disposé suivant la même direction qu'au moins un second conduit. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un premier conduit est disposé perpendiculairement à au moins un second conduit. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit constitué d'une manche en une matière perméable à la vapeur d'eau, entourant un organe raidisseur. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une tôle en un matériau bon conducteur de la chaleur etc'ou de la vapeur deaue/trésentant des surfaces de convection à l'intérieur du conduit considéré. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une tale repliée en accordéon. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit organe raidisseur est élaboré sous la forme d'une armature en treillis 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caraotérisé en ce que ladite paroi commune comporte des plissures. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les lignes de pliage desdites plis sures sont dirigées suivant l'axe du conduit considéré. 13. Echangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdites plis sures ont ea-coupe transversale une forme en dents de scie et sont disposées suivant les deux grands côtés d'un conduit de forme générale parallélépi- pédique. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 12, carae- térisé en ce que lesdites plissures présentent en coupe transversale la forme des branches d'une étoile réparties à la périphérie d'un conduit de forme générale tubulaire. 15. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les lignes de pliage desdites plis sures sont dirigées suivant la périphérie du conduit considéré. 16. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu?il comporte au moins un conduit dans lequel sont disposés des moyens propres à entretenir une turbulence du courant gazeux correspondant. 17. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit dans lequel sont disposés des moyens propres à entretenir une turbulence, constitués par des crevés ménagés dans ledit organe raidisseur. 18. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdits moyens propres à entretenir une turbulence sont constitués d'une sorte d'hélice disposée coaxialement dans le conduit correspondant.