Brevet FR2313651A1 — publié le 19761231

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la récupération des calories d'un flux d'air soufflé au profit d'un autre flux d'air à tempé rature plus faible, ce procédé étant principalement des tiné à autre appliqué au domaine du b timent. Par souci d'hygiène et de confort, on sait qu'il est nécessaire d'assurer dans les locaux dthabita- tion un renouvellement d'un volume/heure au minimum. Actuellement, ce renouvellement est, le plus souvent, assuré par une ventilation naturelle contrlée par les habitants eux-memes. La difficulté d'obtenir un résultat satis faisant a conduit au développement de la ventilation méca nique contrôlée (VMC) dont les possibilités avantageuses sont nombreuses ( renouvellement d'air selon le taux dési ré; traitements centraux de l'air neuf tels que humidifica tion, dépoussiérage, ionisation; contrôle automatique des températures soufflées en fonction des besoins thermiques, suppression des ouvertures en façade en zone de bruit,etc..). Du point de vue économique, l'intérêt de la récupération des calories évacuées par l'air extrait est évident. Cet air, généralement chauffé à 20 C est le plus souvent rejeté à 11 extérieur, toutes calories perdues. Les récupérateuns de calories permettant d'obtenir cet avantage économique peuvent se classer en quatre grandes categories -2/- Les récupérateurs à plaques à courants croisés ob l'air évacué et l'air neuf circulent suivant deux directions croi sées dans un échangeur constitué de plaques rempilées : leur rendement atteint environ 70%. -2/- Les récupérateurs avec batterie à eau glycolie : une batterie est placée sur le débit d'air extrait, l'autre sur le débit d'air neuf. Leur rendement atteint environ 50%. -3/- Les récupérateurs tournants : une roue entrain? l'air neuf et l'air extrait à travers des canaux très fins où s'effectuent des échanges de chaleur simultanés. Les plus connus sont les "Econovent". Leur rendement atteint environ 70%. -4/- Les pompes à chaleur air-air : le coefficient de perfor mance peut être facilement supérieur à I, mais le coOt dtin- vestissement est beaucoup plus important que dans le cas des catégories précédentes. Le récupérateur de calories suivant la présente invention est composé d'un échangeur de chaleur air-air transférant des calories entre deux flux parallèles et à contre courants. Le récupérateur opère entre une amenée (air récupérateur de calories ou air à réchauffer) et une extraction ( air fournissant les calories ou air à refroidir ). Llinuention peut également autre utilisée comme récupérateur des frigories d'un air froid soufflé au profit d'un air à température plus élevée. Les circuits d'amenée et d'extraction peuvent avoir des dDbits volumiques différents mais, pour conserver un rendement élevé, il est nécessaire que le débit extrait soit égal ou supérieur au débit amené. L'invention concerne donc un procédé pour la récupération, à l'aide d'un échangeur de chaleur, des calories d'un flux d'air soufflé au profit d'un autre flux d'air à température plus faible, procédé caractérisé en ce que l'on fait circuler les deux flux d'air suivant deux directions parallèles et de sens contraires de part et d'autre d'une surface d'échange pour obtenir un transfert des calories d'un courant au bénéfice de l'autre.L'invention s'étend également à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé caractérisé sn ce qu'il est constitué d'un échangeur de chaleur comprenant au moins ne s rapace d'échange comportent une zone de Brassage au relief tourmenté bordée de part et d'autre de zones de résistance thermique moindre dans lesquelles pénètrent dans deux directions, parallèles, étagées et de sens contraire, les deux flux d'air de températures différentes. Suivant un mode de réalisation l'échangeur çomprend plusieurs surfaces d'échange identiques, celles-ci étant superposées et alternativement placées dans un sens et dans l'autre, par renversement de 1(3(30, de sorte que les reliefs tourmentés d'au moins deux surfaces contigus s'associent et se complètent pour former des jonctions. Suivant une caractéristique de l'invention, la zone de brassage de chaque surface d'échange est quadrangulaire et comporte alternativement et de façon symétrique des rangées orthogonales de saillies et de cavités de même forme et de méme dimension, de sorte que les deux faces de la surface d'échange sont identiques et complémentaires avec une autre surface d'échange contigus. D'autres caractéristiques et avantages de le présente invention ressortiront de la description ci-après et des dessins annexés qui illustrent, à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation, dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 2 est une vue en plan illustrant la circulation des flux d'air, - la figure 3 est une vue en perspective montrant l'assembla- ge des surfaces d'échange. - La figure 4 est une vue en perspective de la zone de bras- sage d'une surface d'échange. - les figures 5 à 8 sont des vues en coupe transversales et longitudinales respectivement suivant les lignes AA'-BB' CC'-DD' de la figure 2. - la figure 9 est une vue coupe transversale partielle de l'échangeur de chaleur au niveau de la zone de brassage, - la figure 10 est une vue an plan illustrant une variante de réalisatiofl de l'échangeur de chaleur, - les figures Ila à llp sont des schémas de montage, - les figures 12 et U sont des vues en perspective, sui- vant deux modes de réalisation, de revêtements adhésifs ou collablas. Ca récupérateur de calories est composé. (fig. 1) d'un bloc échangeur 1, d'un premier collecteur 2, à l'entrée de l'air amsn, d'un second collacteur 3, à la sortie de l'air amené, d'un tr@@sième collecteur 4, à l'entrée de l'air extrait, et d'un quatrième collecteur 5 à la sortie de l'air extrait0 Les quatre collecteurs d'air 2 à 5 sont identiques et la distinction n'est que fonction- nielle. L'échangeur comprend deux faces latérales rectangulaires 6 et 7, une face inférieure et une face su-- - supérieure hexagonale telles que 8 et 9 et quatre facss fron- tales rectangulaires 10 servant à l'admission ou l'évacu@- tion des airs soufflés. Les collecteurs 2 à 5 sont constitués de quatre parois métalliques 13 à 14 orientées selon une disposition tronconique de sorte que l'ouverture rectangulaire 15 située à un bout est d'une surface supérieure 9 celle 16 destinée à être raccordée à l'échangeur. Les plans de ces deux ouvertures rectangulaires forment un angle de 450(fig.2). Seule la face ll est plane, les trois autres sont incurvées. Le plan médian 1? parallèle aux faces latérales 6 et 7 du bloc échangeur (fig.2) fait un angle de 450 avec chacune des quatre surfaces 16 d'admission ou tion des airs soufflés. L'échangeur de chaleur est constitué (fig.3) d'éléments monoblocs ou surfaces d'échange identiques tels que 18-19-2û. Le matériau des éléments monoblocs peut autre du polyacétate de cellulose ou tout autre matériau compatible avec les exigences des règlements d'utilisation de la V.M.C., ainsi qu'avec la mise en forme, la tenue mécanique et l'assemblage décrits dans la présente invention. Chaque élément monobloc 18,19 ou 20 comporte deux surfaces triangulaires 21 et 22 et une surface rectangulaire 23 dite zone de brassage. Celle-ci est formée (fig.4) de saillies et de cavités telles que des monts et des cratères 24 et 25. Les monts et les cratères sont définis par un diamètre d et un rayon r et sont répartis sur n lignes parallèlement aux flux d'air selon les profils 26 ou 27 et sur p rangées perpendiculairement aux flux d'air selon les profils 28 ou 29 (fig.5 à 8). Chaque ligne est distante de la suivante de dl. Chaque rangée est distante de la suivante de d2. L'épaisseur e de la partie rectangulairs (zone de brassage) des éléments monoblocs est inférieure à 0,3 mm de façon à diminusr la résistance thermique de 1'é- lément sans altérer sa rigidité. La surface des parties ou zones triangulaires 21-22 est plane et lisse afin de conserver un écoulement flair régulier et laminaire de façon a diminuer les pertes de charges et l'échange de calories dans cette partie ob les flux d'air croisés ne permettent pas un rendement de récupé ration des calories élevé. t'épaisseur é du matériau des partis triangulaires est au moins égale à 10 ois 11 épaisseur du même matériau dans la zone de brassage de façon à rendre encore plus négligeable le transfert thermique dans cette zone. Chaque élément monobloc est entouré d'une bordure 3û le long de chacun des six cotés, sauf partiellement sur les deux cotés 31 et 32 pour l'une des faces et sur les deux cotés 33 et 34 pour l'autre face. Il est alors possible d'obtenir l'empilement selon la fig.3 par simple superposition des elé- ments monoblocs préalablement retournés de 180 une fois sur deux et de superposer jointivement les bordures en regard.Ainsi le fond de chaque cratère 25 est alors superposé à la surface supérieure de chaque mont 24 et forme ainsi autant de piliers 35 (fig. 9). L'encombrement du bloc échangeur de chaleur est donné par la largeur # des plaques, la hauteur H d'empilement des plaques et la longueur hors tout L. I1 est possible de couvrir facilement une large gamme de débit en ne réalisant qu'une ou deux sortes d'éléments monoblocs par adaptation du nombre de plaques au débit d'air soufflé. Si on appelle L' la longueur efficace où a lieu l'échange des calories, on a : L = L' +#. tes collecteurs sont reliés au bloc échangeur sur une section de largeur ## telle que /' = 2/iF2. C'iac'n des collecteurs peut autre monté avec deux degrés de liberté de façon que le flux d'air puisse prendre,au choix, soit une direction parallèle aux flux d'air dans l'échan- geur (fio.2),soit une direction perpendiculaire (fig.lO).Cette possibilité ajoutée à la symétrie propre au récupérateur permet une adaptation à un grand nombre de cas (fig.lla å llp). La longueur de ces entrées peut ètre choisie égale à 2 2 et la longueur du récupérateur de calories est alors égale à L (exemple: solution (fig.llf), L * # (exemple: solution (rig. llg), ou L + 2 # (exemple: solution (Fig.llk),selon la combinaison retenue. La section du récupérateur de calories dans un plan médian perpendiculaire à la direction des flux d'air dans l'échangeur est une surface proportionnelle au débit d'air amené. On peut prendre la relation S = 0,4 x 10 3 (S en m2, q v en m3/H) en premier approximation. On réalise le bloc échangeur de chaleur en disposant d'une plaque plane 36 (fig.3) d'épaisseur é (fig.? et 8) de même dimension, vue de dessus, que les éléments monoblocs. Sur la plaque plane 36 placée horizontalement, on place ensuite les uns sur les autres les éléments monoblocs de façon que chaque élément soit superposé jointivement sur le précédent apyres avoir été préalablement retourné de 180 (fig. 3). Pour fermer, on place jointivement une seconde plaque plane 37 qui constitue alors la surface su supérieure du bloc échangeur (fig. 9). Pour rendre étanche les surfaces jointives des éléments monoblocs au niveau des entrées et des sorties du bloc échangeur on utilise (fig.12) un ruban 38 adhésif ou collable comprenant des ouvertures 39 corres- pondant aux sections d'entrée et de sortie du bloc échangeur. Ces ouvertures sont réalisées par découpage et comportent des languettes 4ü permettant de tapisser l'in- térieur des entrées et des sorties du bloc. Un autre ruban 41, sans prédécoupage, est également prévu au niveau des parois latérales du bloc échangeur (fig. 13). L'étanchéité du bloc est alors réalisée par application des rubans, en commençant au niveau des entrées et des sorties, puis, en terminant par les parois lctéra- les avec le second ruban 41. La finition du récupérateur de calories se fait par réalisation d'un emballage métallique recouvrant le dessus, le dessous et les parois latérales du bloc échangeur. Les collecteurs se fixent alors a l'emballage en comprimant, au niveau du raccordement, une épaisseur de matériau élastique entourant les ouvertures pour assurer l'étanchéité. Le trajet de l'air à travers le récupérateur de calories se fait de la façon suivante (fig.2,parcours a b c d e f ): l'air soufflé amené pénètre dans le récupé rateur de calories par le collecteur 2 et est distribué à chacune des entrées rectangulaires du bloc 1. Entre les surfaces triangulaires 21-22 des éléments monoblocs il suit un trajet rectiligne, puis change de direction en pénétrant entre les surfaces rectangulaires de la zone de brassage 23. Les lignes de courant qui composent l'air subissent alors l'effet rotationnel des cratères 25 et des "monts-piliers" 35 : le brassage de l'air et les pertes de charges sont importants.L'air sort ensuite de la zone de brassage-du bloc échangeur en changeant à nouveau de direction, pénètre entre les surfaces triangulaires des éléments monoblocs, quitte le bloc au travers des sections de sorties rectangulaires 16 et est évacué par le collecteur de sortie 3. L'air soufflé extrait suit un trajet identique à l'air soufflé amené, mais en sens inverse (parco-urs a' b' c' d1 e' f'). La récupération des calories se fait dans le bloc échangeur au niveau de la zone de brassage rectangulaire des éléments monoblocs au travers de chaque paroi séparant l'air extrait et l'air amené, là où ls transferts thermiques ont été favorisés par le brassage de l'écoulement. L'importance 'élevée des pertes de charges dans la zone de brassage du bloc échangeur assure une répartition uniforme de l'écoulement dans cette m8me partie. Si on appelle T1 la température de l'air à réchauffer ( air amené entrant ), T2 la température de l'air réchauffé ( air amené sortant ), T3 la tem- pérature de l'air fournissant les calories ( air extrait entrant ), le rendement d'efficacité en température, à débits extraits et amenés égaux, T2 - T1 T3 - T1 peut atteindre avec une longueur L' suffisante, la valeur théorique les et peut facilement atteindre 90% en pratique. L'énergie éconmisée par le récupérateur peut aisément égaler SO fois l'énergie à dépenser pour vaincre les pertes de charges ( cas d'un rXcupérateur de calories de 15C pascals de pertes de charges et d'un écart de température T2 - T1 = 150C ). Bien entendu ltinvention n'est pas linitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit pour lequel on pourra prévoir d'autres modes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 /- Procédé pour la récupération des calories d'un flux d'air soufflé au profit d'un autre flux d'air soufflé a température plus faible, a l'aide d'échangeurs de chaleur à plaques dans lesquels les flux se propagent d'abord de façon croisée,puis suivant deux directions parallèles et de sens contraires, puis à nouveau de façon croisée, procédé caractérisé en ce que l'on donne aux plaques des échangeurs de chaleur une structure qui favorise le transfert de chaleur lorsque les deux flux d'air sont parallèles et défavorise ce transfert lorsque les deux flux d'air sont croisés. 2 /- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un échangeur de chaleur dans lequel les surfaces d'echange thermique des plaques sont réalisées pour favoriser le transfert de chaleur lorsque les flux sont parallèles et pour défavoriser ce transfert lorsque les flux sont croises. 3 J- Dispositif selon la revendication 2, caracte- risé en ce que les aires des surfaces d'echange entre flux croisés sont réduites et petites par rapport aux aires des surfaces d'échange entre flux parallèles. 4 /- Dr-spositif selon l'une ou i'autre des revendications 2 et 3, caracterise en ce que l'épaisseur du matériau constituant les plaques d'échange est augmentée dans les parties ou les flux sont croisés. 5"/- Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 4, et comportant des plaques d'échange dont-la surface présente un relief tourmenté constitué de rangées orthogonales de saillies et de cavités, dispositif caractérisé en ce que la surface d'échange à relief tourmenté n'occupe que la partie. placée entre les flux parallèles, le reste de la surface d'échange présentant un relief très simplifié. 6 /- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que les plaques d'échange sont assemblées à l'aide de revêtements continus contournant les bords des surfaces jointives correspondantes. 7"/- Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que l'un des revêtements présente des ouvertures réservées à l'entrée et à la sortie des flux d'air entre les surfaces d'échange. 8 /- Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les revêtements sont des rubans adhesifs ou collables. 9"/- Dispositif selon l'une quelconque des reven dictions 6 a 8, caractérisé en ce que les revêtements sont métalliques. 10"/- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les surfaces d'échange entre les flux croises sont situées en regard de collecteurs d'entrée et de sortie des flux d'air. 11 /- Dispositif selon la revendication 10, carac térisé en ce que les collecteurs d'entrée et de sortie sont identiques et permutables et présentent une symétrie permettant pour chacun d'eux de modifier la direction du flux de 90 .