Brevet FR2466736A1 — publié le 19810410

La présente invention concerne un dispositif d'échange thermique entre deux flux gazeux circulant chacun dans une gaine. Elle concerne également un procédé relatif à ce dispositif, et des applications au conditionnement d'air. Un tel échange se rencontre fréquemment dans le domaine du conditionnement d'air, où l'on désire récusé rer la chaleur contenue dans l'air vicié extrait d'un local pour échauffer de l'air frais introduit. Cetéchange peut s'effectuer de façon classique au moyen d'échangeurs secs, à plaques, qui sont des appareils lourds, chers et encombrants et, de ce fait, réservés surtout aux applications industrielles. On peut également utiliser entre les deux flux l'intermédiaire d'un caloduc, à gravité ou à capillarité, qui fait intervenir un fluide auxiliaire jouant un rôle caloporteur. Mais le caloduc est un système difficile à régler voir même à arrêter lorsqu'il est en fonctionnement. En dehors de l'arrêt des flux gazeux, la seule façon efficace de l'arrêter consiste pratiquement à le renverser, solution assez peu commode. La présente invention vise à réaliser un dispositif d'échange simple et léger, notamment en vue du conditionnement d'air domestique, qui ne présente pas les inconvénients précités et soit notamment facile à régler. Suivant l'invention, le dispositif d'échange de chaleur entre deux flux gazeux circulant chacun dans une gaine comprend un circuit auxiliaire fermé pour un fluide caloporteur traversant les deux flux gazeux, et il est caractérisé en ce que le circuit auxiliaire comprend un certain nombre de tubes montés en série, chaque tube traversant successivement les gaines des deux flux gazeux. Pour arrêter le fonctionnement du dispositif d'échange, il suffit d'interrompre la circulation du fluide caloporteur par un moyen quelconque. En outre, pour une vitesse donnée du fluide dans les tubes, la disposition en série permet de diminuer le débit de fluide mis en jeu. Enfin, l'alternance du passage du fluide dans les flux gazeux limite les variations de température de ce fluide. Suivant une réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend une vanne de réglage montée sur le circuit auxiliaire. On peut donc non seulement arrêter ou mettre en service facilement l'installation, mais encore moduler à volonté son réglage en jouant sur le débit de fluide caloporteur, ce qui est difficile avec un caloduc. Suivant une réalisation pratique de l'invention, les tubes constituant le circuit auxiliaire sont répartis en un certain nombre de nappes situées chacune dans une section droite des gaines de flux gazeux. Les différentes nappes peuvent alors être montées en parallèle dans le circuit auxiliaire. Toutefois, de préférence, un certain nombre de nappes sont montées--en-série dans-le circuit auxiliaire, de manière à accentuer l'effet "série" indiqué plus haut dans la mesure où le nombre de tubes ainsi mis en série ne crée pas une perte de charge trop élevée. Suivant un autre aspect de l'invention, le procédé d'échange de chaleur entre deux flux gazeux utilise un fluide caloporteur circulant alternativement dans les deux flux et il est caractérisé en ce qu'on donne au fluide caloporteur une vitesse suffisante pour que, dans un cycle de sa circulation entre les deux flux, sa température reste comprise dans un intervalle prédéterminé. En augmentant la fréquence des passages alternatifs du fluide caloporteur dans les flux gazeux, on parvient à réduire les variations de température de ce fluide dans un intervalle qui peut être de l'ordre de 2 à tC, ce qui, entre autres avantages, supprime pratiquement les problèmes liés aux dilatations. Suivant une première application de l'invention, une installation de conditionnement d'air d'un local comprend une pompe à chaleur munie d'un évaporateur, d'un condenseur, comportant chacun un échangeur de chaleur, et d'un dispositif d'échange tel que celui décrit plus haut, et elle est caractérisée en ce que les flux gazeux circulant dans les gaines sont respectivement de l'air extrait du local et de l'air neuf injecté dans le local. Ces gaines sont respectivement reliées, en aval du dispositif d'échange précité, aux échangeurs de la pompe à chaleur, et le circuitauxiliaire de ce dispositif est monté en série sur IeciTcuit de fluide frigorifique de la pompe à chaleur dans la zone où ce fluide est en phase liquide. Entre autres avantages, une telle installation ne nécessite pas de circulateur pour le fluide auxiliaire, ce qui constitue une économie importante d'investissement et de fonctionnement. Elle tolère même des pertes de charge importantes sur ce circuit. Enfin, le cycle thermodynamique de la pompe à chaleur se trouve amélioré par augmentation du sous-refroidissement du fluide frigorifique à l'entrée du détendeur. Suivant une seconde application de l'invention, une installation de déshumidification d'air comprenant une pompe à chaleur munie d'un évaporateur et d'un condenseur comportant chacun un échangeur de chaleur, et un dispositif d'échange conforme à celui décrit plus haut. Elle est caractériséeen ce que les flux gazeux circulant dans les gaines sont respectivement le flux d'air humide à traiter et le même'flux après passage sur l'échangeur de l'évaporateur de la pompe à chialeur, ce flux étant ensuite dirigé vers le condenseur de la pompe à chaleur, et le circuit auxiliaire étant monté en série avec le circuit de fluide frigorifique de la pompe à chaleur dans la zone où ce fluide est en phase liquide. le pré-refroidissement de l'air à l'entrée de l'évaporateur permet d'augmenter la capacité de l'instalration et, en conséquence, d'atténuer les températures de soufflage. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La Figure 7 est une vue en perspective d'un dispositif conforme à l'invention. La Figure 2-est une vue de côté suivant II-II des Figures 1 et 3, La Figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la Figure 2, La Figure 4 est un diagramme montrant l'éfficacité d'un dispositif d'échange conforme à l'invention. La Figure 5 est une vue schématique d'une installation de conditionnement d'air conforme à l'invention, La Figure est une vue schématique de l'installation de déshumidification d'air conforme à l'invention. En référence aux Figures à 3, le dispositif d'échange comprend deux gaines la et lb appartenant respectivement à un circuit de gaz chaud et à un circuit de gaz froid, ces circuits étant disposés de façon telle que les gaines soient parcourues par les flux gazeux respectifs suivant les flèches FA et FB, c'est-à-dire suivant des courants parallèles. Les gaines sont adjacentes et séparées par une cloison 2. Un circuit auxiliaire 3 comprend des tubes 4 qui traversent chacun successivement la gaine la et la gaine 1b, dans cet ordre ou dans l'ordre inverse. Ces tubes sont montés en série et raccordés les uns aux autres par des coudes 5 à 180 permettant un parcours en retour. Deux tubes 4 successifs sont généralement dans un même plan perpendiculaire à la direction des flux gazeux, de manière à former une nappe 6 dans ce plan. Le dernier tube, inférieur ou supérieur, de la nappe 6 est relié par un coude 7 à 1800 dans un plan horizontal à un tube voisin d'une autre nappe. Tous les tubes 4 du dispositif se suivent ainsi en série de l'entrée 8 à la sortie 9 sur lesquelles se referme le circuit auxiliaire 3. Dans l'exemple décrit, les nappes sont au nombre de cinq. Tous les tubes 4 sont ailetés, soit individuellement,soit par des plaques dans lesquelles sont pris un certain nombre de tubes. le circuit 3 comprend une pompe 11 pour assurer la circulation d'un fluide caloporteur et une vanne 12 en dérivation sur la pompe pour régler le débit de ce fluide. En fonctionnement, un flux gazeux chaud parcourt la gaine la suivant la flèche FA et un flux gazeux froid parcourt la gaine ibsuivant la flèche FB, tandis que le fluide caloporteur du circuit 3 entre en 8 et ressort en 9. En parcourant un même tube 4, ce fluidecommence par s'échauffer dans le flux chaud puis, passant dans la gaine 1b, se refroidit au contact du flux froid dans lequel il effectue deux parcours séparés par un coude 5. Il repasse ensuite dans le flux chaud où il effectue deux parcours analogues, et ainsi de suite. Les alternances rapides et répétées d'échauffement et de refroidissement du fluide caloporteur, liées à l'inertie des phénomènes thermiques, font que les variations de température de ce fluide sont très faibles, ce qui supprime pratiquement les inconvénients liés aux dilatations thermiques différentielles de l'appareillage. Un autre avantage de la limitation des variations de la température du fluide caloporteur, en particulier du côté des basses températures, consiste dans la diminution des possibilités de givrage dans le flux froid. En outre, du fait du montage des tubes en série, le débit de fluide caloporteur est faible, ce qui diminue la puissance installée. Enfin, la mise en service ou l'arrêt de l'échan- ge s'obtiennent de façon très simple par mise en route ou arrêt de la pompe de circulation 11. De même, le réglage est très simple au moyen de la vanne 12 qui permet d'effectuer un retour variable à l'aspiration de la pompe 11. L'exemple numérique qui va suivre permettra de mieux apprécier les avantages de l'invention. Les flux chaud et froid sont constitués respectivement par de l'air à + 200 C et par de l'air - lO0C, ciculant à une vitesse de 2,5 m/s, dans des gaines d'un mètre de largeur chacune. Les tubes 4, ailetés au pas de 2,12 mm sur 2 x 1 mètre, sont montés au pas de 40,5 mm et ont un diamètre intérieur de 13 mm. Ils sont parcourus par un courant d'eau à la vitesse de 1 m/s ce qui correspond à un débit de 0,46 m3/h. Le coefficient de transfert global entre air et eau est K = 45 kcal/h par mètre de tube et par degré d'écart. On a constaté, dans ces conditions, que la température de l'eau variait entre des extrèmes de + 3,75 C et + 6,250 C, pour une température moyenne de + 50 C. On constate donc que tout risque de givrage est exclu. On a représenté en Figure 4 un diagramme donnant l'efficacité théorique E de ce dispositif en fonction du nombre de nappes n, respectivement pour un appareil à courant parallèles tel que celui décrit plus haut (courbe 13), et à contre-courant (courbe 14) où les flèches FA et FB seraient opposées l'une à l'autre. On sait que, par définition, l'efficacité d'un échangeur est le rapport de la chaleur gardée par le fluide froid à la chaleur qu'aurait pu céder le fluide chaud. Ici, on ne considère que les chaleurs sensibles. Dans le cas présent, un calcul théorique aboutit aux formules suivantes, correspondant approximativement aux courants parallèles et aux contre-courantsn: n (1-2e) E = ---- E =0,5 - 1/e+n-1 2 où e est l'efficacité théorique d'une nappe. Des mesures effectuées sur un appareil à cinq nappes, tel que celui décrit plus haut, ont donné des efficacités réelles respectives de 0,4 et 0,44, très peu inférieures aux efficacités théoriques correspondantes. On a constaté d'autre part que, plus la fréquence des alternances de passage de l'eau dans les flux chaud et froid était élevée > plus la bande de variation de température de l'eau était étroite. On peut donc se fixer a priori une largeur de bande et déterminer une vitesse de l'eau qui permette de respecter cette bande, par exemple par voie expérimentale. L'invention telle que décrite trouve son application dans de nombreux domaines, en particulier dans celui du conditionnement d'air, pour échanger de la chaleur entre de l'air vicié extrait et-de l'air frais entrant, pour déshumidifier l'air par condensation. On peut en particulier adjoindre avantageusement untel appareil à une pompe à chaleur dont il permet d'améliorer le rendement thermique. Dans cet ordre d'idée, on va maintenant décrire, en référence à la Figure 5, un première application de l'invention à une installation de conditionnement d'air d'un local. Cette installation comprend une pompe à chaleur 101 constituée essentiellement d'un compresseur 102 placé sur un circuit 103 de fluide frigorifique. Ce circuit comprend un évaporateur 104 et un condenseur 105, ainsi qu'un détendeur 106 e-t un réservoir tampon 107. Sur le circuit 103 est monté en série, -dans la zone où le fluide frigorifique est en phase liquide, le circuit auxiliaire 108 d'un dispositif d'échange 109 du genre de celui décrit plus haut. Ce dispositif comprend deux gaines 111a et lllb reliées respectivement à l'évaporateur 104 et au condenseur 105, plus précisément aux échangeurs respectifs dont sont munis ces organes. Des moyens de soufflage non représentés sont disposés pour faire circuler dans ces gaines respectivement de l'air extrait du local et de l'air frais prélevé à ltextérieur pour l'ajouter dans le local, suivant un sens tel (flèches F1 et F2) que l'évaporateur 104 et le condenseur 105 se situent en aval du dispositif 109 pour les flux d'air précités. En fonctionnement, l'air extrait (F1) cède une partie de sa chaleur sensible à l'air neuf (F2) dans le dispositif 109, puis va céder sa chaleur résiduelle sur l'évaporateur 104. t-'air neuf ainsi préchauffé va ensuite recevoir un complément de chauffage sur le condenseur 105. Cette installation présente l'avantage de ne pas nécessiter de circulateur pour le fluide circulant dans le circuit auxiliaire 108, la circulation y étant assurée par le compresseur 102. Il est même possible de tolérer des pertes de charge relativement importantes dans ce circuit. D'autre part, le cycle thermodynamique de la machine se trouve amélioré grâce au sous-refroidissement du liquide frigorifique ainsi opéré à l'entrée du détendeur 106. On va maintenant décrire, en référence à la Figure 6, une installation de déshumidification d'air d'un local qui est encore une application du dispositif d'échange décrit plus haut. Cette installation comprend une pompe à chaleur 201 essentiellement constituée d'un compresseur 202 placé sur un circuit 203 de fluide frigorifique. Ce circuit comprend un évaporateur 204 et un condenseur 205 ainsi qu'un détendeur 206 et un réservoir tampon 207. Sur le circuit 203 est monté en série, dans la zone où le fluide frigorifique est en phase liquide, le circuit auxiliaire 208 d'un dispositif d'échange 209 du genre de celui décrit plus haut. Ce dispositif comprend deux gaines 211a et 211 b. La gaine 211a est reliée d'une part au local et d'autre part à l'échangeur dont est muni l'évaporateur 204. La gaine 211b est reliée d'une part à cet échangeur et d'autre part à l'échangeur du condenseur 209. Des moyens de soufflage non représentés assurent une circulation de l'air dans le sens des flèches F, de manière que l'air humide traverse d'abord le dispositif 209 par la gaine 211a, puis passe sur l'évapora- teur 204 où son humidité se condense, traverse à nouveau le dispositif 209 pâr la gaine 211b et passe ensuite sur le condenseur pour s'y réchauffer avant d'être réinjecté dans le local. L'air subit donc un pré-refroidissement dans le dispositif 209 avant d'atteindre l'évaporateur 204, puis un pré-réchauffage également dans le dispositif 209 avant d'atteindre le condenseur 205. Cet effet diminue donc en quelque sorte l'effort demandé à la machine et permet par conséquent, d'augmenter la capacité d'une machine donnée et aussi d'atténuer les températures de soufflage. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit, mais couvre encore diverses variantes de réalisation. On pourrait ainsi, dans le dispositif d'échange proprement dit, brancher en parallèle, dans le circuit 3, un certain nombre de nappes au lieu de les brancher en série, pourvu que, dans chaque élément paral lèle, le nombre de tubes en série soit suffisant pour conserver les avantages précités de l'invention. De même, dans les applications décrites, on pourrait concevoir des variantes mineures de circuit. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange de chaleur entre deux flux gazeux circulant chacun dans une gaine, comprenant un circuit auxiliaire fermé pour un fluide caloporteur traversant les deux flux gazeux, caractérisé en ce que le circuit auxiliaire comprend un certain nombre de tubes montés en série, chaque tube traversant successivement les gaines des deux flux gazeux. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de réglage montée sur le circuit auxiliaire. 3. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes constituant le circuit auxiliaire sont répartis en un certain nombre de nappes situées chacune dans une section droite des gaines de flux gazeux. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les différentes nappes sont montées en parallèle dans le circuit auxiliaire. 5. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'un certain nombre de nappes sont montées en série dans le circuit auxiliaire. 6. Procédé d'échange de chaleur entre deux flux gazeux, utilisant un fluide caloporteur circulant alternativement dans les deux flux, caractérisé en ce qu'on donne au fluide caloporteur une vitesse suffisante pour que, dans un cycle de sa circulation entre les deux flux, sa température reste comprise dans un intervalle prédéter miné. 7. Installation de conditionnement d'air d'un local, comprenant une pompe à chaleur munie d'un évapora- teur et d'un condenseur comportant chacun un échangeur de chaleur, et un dispositif d'échange conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les flux gazeux circulant dans les gaines sont respectivement de l'air extrait du local et de l'air neuf injecté dans ce local, ces gaines étant respectivement reliées, en aval du dispositif d'échange précité, aux échangeurs de la pompe à chaleur, et le circuit auxiliaire de ce dispositif étant monté en série sur le circuit de fluide frigorifique de la pompe à chaleur dans la zone où ce fluide est en phase liquide. 8. Installation de déshumidification d'air comprenant une pompe à chaleur munie d'un évaporateur et d'un condenseur comportant chacun un échangeur de chialeur, et un dispositif échange conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les flux gazeux circulant dans les gaines sont respectivement le flux d'air humide à traiter et le même flux après passage sur l'échangeur de l'évaporateur de la pompe à chialeur, ce flux étant ensuite dirigé vers le condenseur de la pompe à chaleur, et le circuit auxiliaire étant monté en série avec le circuit de fluide frigorifique de la pompe à chaleur dans la zone où ce fluide est en phase liquide.