Brevet FR2463376A1 — publié le 19810220

L'invention a trait à un dispositif destiné au transfert d'énergie thermique entre deux veines gazeuses, où un liquide d'échange circulant en circuit bouclé traverse successivement l'une et l'autre veine à l'état pulvérisé dans des échangeurs respectifs, en sorte que l'énergie cédée au liquide d'échange par une veine soit rétrocédée à l'autre veine. Les dispositifs de ce genre constituent une catégorie particulière d'échangeurs thermiques gaz/gaz. Alors que les échangeurs les plus classiques sont disposés avec deux veines gazeuses à températures différentes passant à contre-courant de part et d'autre d'une paroi étanche aux gaz et thermiquement bonne conductrice, les échangeurs à liquide d'échange comportent deux échangeurs disposés sur chaque veine gazeuse, et l'on fait circuler le liquide d'échange en circuit bouclé successivement dans les deux échangeurs où il est pulvérisé, en sorte que la surface d'échange est constituée par la surface des gouttelettes de liquide, en contact direct avec la veine gazeuse.En choisissant un liquide d'échange qui donne une vapeur de mme espèce que les vapeurs normalement contenues dans les veines gazeuses, les échanges thermiques portent aussi bien sur la chaleur sensible des gaz que sur la chaleur latente des vapeurs contenues dans les veines0 Ceci joint à la surface directe d'échange considérable qui rdsul- te de la pulvérisation en gouttelettes du liquide d'échange permet de réaliser des dispositifs échangeurs compacts et de faible encombrement, qui conviennent particulièrement bien lorsqu'il s'agit de réaliser des échanges thermiques entre veines à très grand débit et énergies internes relativement peu différentes. Notamment en climatisation, on peut éviter le reoylage partiel de l'air extrait de locaux, tout en conservant une consommation énergétique acceptable des groupes de climatisation0 Ceci est particulièrement intéressant lorsque les locaux climatisés sont la source d'une pollution non négligeable, tels par exemple qu'un hôpital, où une climatisation avec recyclage nécessiterait une aseptisation soignée de l'air envoyé dans les locaux, pour éviter la dispersion de germes pathogènes0 Mais les dispositifs connus d'échangeurs avec un liquide d'échange intermédiaire souffrent d'une imperfection inhérente au processus utilisé, en ce sens que le rendement est limité aux environs de 50%, alors que les Bnangeur à contre-courant peuvent atteindre théoriquement 100% à condition d'être suffisamment longs, c'est-à-dire que l'énergie transférée de la veine à densité énergétique élevée à la veine à densité énergétique basse ne dépasse pas de beaucoup la moitié de l'énergie en excès dans la veine à densité énergétique élevée par rapport à l'autre.En première approximation on comprendra que le liquide d'échange est à un état énergétique médian entre les états énergétiques des deux veines gazeuses aux entrées dans les échangeurs à pulvérisation, de sorte que, avec un échange intégral, les veines en sortie d'échangeur sont à meAme densité énergétique, moyenne des densités des veines à l'entrées L'invention a pour objet un dispositif de ce genre qui pré- sente un rendement de transfert amélioré dans une mesure sensible. L'invention a également pour objet un dispositif de ce genre qui en conserve les propriétés de compacité et de faible encombrement, tout en approchant les rendements des échangeurs à contre-courant0 Alces effets l'invention propose un dispositif destiné au transfert d'énergie thermique entre deux veines gazeuses, où un liquide d'échange circulant en circuit bouclé traverse successivement l'une et l'autre veine à l'état pulvérisé dans des échangeurs respectifs, en sorte que l'énergie thermique cédée par un fluide au liquide d'échange soit rétrocédée à l'autre veine, caractérisé en ce qu'il comporte une multiplicité de circuits bouclés disposés en parallèle avec chacun un échangeur sur chaque veine, les échangeurs étant en série sur- chaque veine, en ordre inversé par rapport à l'autre veine pour chaque circuit0 Sans entrer dans des considérations thermodynamiques théoriques, on comprendra que le liquide d'échange, dans chacun des circuits bouclés, se trouve dans un état énergétique médian entre les états énergétiques des deux veines à leur entrée dans les échangeurs de ce circuit, en sorte que les états énergétiques des différents circuits bouclés sont échelonnés entre l'état énergie~ tique de la veine à densité énergétique élevée et celui de la veine à densité énergétique basse à l'entrée dans le dispositif0 Mais la veine à densité énergétique basse aura,en sortie du dispositif9l'état énergétique du liquide d'échange dans le circuit bouclé qui se trouve le plus haut dans l'échelonnement, tandis que la veine à densité énergétique élevée aura, en sortie du dispositif, l'état énergétique du liquide d'échange dans le circuit bouclé qui se trouve le plus bas dans l'échelonnement. Il est clair qu'en multipliant les circuits bouclés, on multiplie les échelons et partant on accroît le rendement0 Dans la pratique, on préférera souvent réaliser le dispositif avec deux circuits bouclés de liquide d'échange, ce qui permet d'approcher des rendements de 70%. I1 est clair que le gain de rendement diminue au fur et à mesure que s'accroît le nombre de circuits bouclés de liquide d'échangez Ce liquide sera de préférence une solution aqueuse de chlorure de lithium, qui présente des variations importantes d'énergie latente avec la concentration (le chlorure de lithium est hygroscopique), et en outre des propriétés antiseptiques marquées, en sorte qu'en climatisation, l'air frais aspiré est débarrassé de la majorité des germes pathogènes présents dans l'atmosphère, et l'air vicié rejeté est débarrassé des germes qu'il aurait recueilli dans les locaux climatisés0 Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels t la figure 1 représente schématiquement une coupe d'un dispositif selon l'invention g les figures 2A et 2B sont des diagrammes de transfert énergétique respectivement d'un dispositif connu et d'un dispositif selon l'invention t la figure 5 représente une variante de dispositif0 Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, le dispositif 1 de transfert thermique est disposé entre une gaine 2 d'aspiration d'une veine d'air frais, et une gaine 3 de refoulement d'une veine d-'air vicié d'une installation de clisa- tisation, non représentée0 La gaine 2 est munie d'une ouie 4 d'aspiration dans l'atmosphare à l'extérieur des locaux à climatiser, et de façon analogue la gaine 3 est munie d'une bouche 5 d'échappement à l'atmosphère extérieure. Sur les gaines 2 et 3 sont disposés deux caissons, respectivement 2a et Sa, composés chacun de deux échangeurs accolés 8, 9 et 10, 11, respectivement0 Ces échangeurs accolés sont alignés de façon qu'ils soient traversés horizontalement par les veines des gaines 2 et 3, sans rupture de direction.Les échangeurs 8 à 11 sont équipés respectivement de batteries de buses de pulvérisation 12 à 15, situées au-dessus des veines respectives, et se terminent en partie basse par des bacs de reprise respectivement 16 à 19o Le bac 16 est relié à la batterie 14 par une canalisation 6b, de hauteur verticale suffisante pour assurer une pulvérisation correcte de la batterie 14 ; de même le bac 17 est relié à la batterie 15 par une canalisation 7b. Par ailleurs, les bacs 18 et 19 sont reliés respectivement aux batteries de buses 12 et 13 par des canalisations 6a, 7a équipées respectivement de pompes de circulation 20 et 21. Ainsi les échangeurs 8 et 10 forment avec les canalisations 6a et 6b un circuit bouclé où la pompe 20 peut mettre en circulation forcée une solution aqueuse de chlorure de lithium à une concentration pondérale de 10 à 15%.Les échangeurs 9 et 11 avec les canalisations 7a et 7b forment un circuit bouclé analogue, Entre les échangeurs 8 et 9 est disposée une cloison perforée 22, constituant séparateur sommaire, pour éviter un transport excessif de solution de l'échangeur 8 à l'échangeur 9 sous l'effet de la veine d'aspiration. Entre les échangeurs 10 et 11 est disposée une cloison 24 similaire. On notera toutefois que les transports sont sensiblement équilibrés, de sorte que le résultat global se limite à un très faible transport d'énergie. Par contre, en sortie des échangeurs 9 et 10, on a disposé des séparateurs de brouillard respectivement 23 et 24, qui sont constitués par des faisceaux de plaques à ondulations verticales, et disposées en direction génerale de la veine, Par suite de la densité supérieure des-gouttelettes de liquide d'échange, par rapport à la densité de l'air, ces gouttelettes ont tendance à progresser en ligne droite alors que l'air sinue entre les ondulations, et viennent se rassembler sur les plaques, d'où elles retournent- dans le bac. I1 n'y a donc pratiquement pas de diffusion de solution liquide dans l'atmosphère ou les locaux clima tisses, Comme il a déjà été signalé, les solutions de chlorure de lithium sont antiseptiques, et débarrassent l'air des germes pathogènes.En outre, la tension de vapeur saturante d'une solution est abaissée proportionnellement à sa concentration en soluté, selon la loi de Raoult, de sorte que les échanges d'énergie entre la solution et l'air sont constitués en grande partie par des échanges d'énergie latente de vaporisation de l'eau de la solution, qui varie peu en température au cours du cycle d'échan ge, et varie en volume par vaporisation ou condensation, ce qui améliore considérablement la vitesse d'échange. Comme finalement les dimensions des caissons sont déterminées essentiellement par le flux d'énergie à transférer d'une veine à l'autre, le volume d'un caisson est bien inférieur au double de celui d'un échangeur unique prévu pour le même débit d'air. Comme de plus les dimensions linéaires du caisson varient comme la racine cubique de son volume, on conçoit que le prix de revient d'un dispositif selon l'invention est de peu supérieur à celui d'un dispositif classique qui ne comporte qu'un circuit bouclé, pour un rendement supérieur, meme en comptant le doublement des canalisations et des pompes0 Pour expliciter l'amélioration de rendement due au dispositif selon l'invention, on comparera les diagrammes des figures 2A et 23, qui sont des diagrammes de Mollier.Sur les deux figures, la température de l'atmosphere extérieure est Tl et celle de l'air évacué des locaux T2. Sur la figure 2A, qui se rapporte à un dispositif classique à un seul circuit bouclé de liquide d'échange, l'état énergétique de 11 air aspiré est représenté par le point 31, et celui de l'air évacué par le point 32. Après passage dans les échangeurs, l'état énergétique de l'air de la veine d'entrée est passé au point 33, tandis que celui de l'air de la veine de sortie est passé au point 34.En première approhimation, les points 33 et 34 seraient confondus, et le rendement d'échange du dispositif serait de 50%. Dans la pratique, le point 33 peut autre situé un peu au-dessus du point 34, comme il est représenté sur la figure avec un peu d'exagération. Ceci est essentiellement du au fait que les trajets de la veine et du liquide pulvérisé ne sont pas strictement orthogonaux la veine remontant quelque peu dans l'échangeur peur prendre un état d'éanergie plus proche de celui d liquide aux buses de pulvérisation qu'au bac de reprise, Si l'on considère maintenant le diagramme 2B, où les températures T1 et T2 sont les mêmes que sur le diagramme 2A, de sorte que les points 35 et 36 correspondent respectivement aux points 31 et 32, les états énergétiques, en sortie du dispositif à deux circuits bouclés de liquide d'échange, des veines d'entrée et de sortie sont représentées par les points 37 et 38 respectivement0 Or le point 37 correspond sensiblement à l'état énergétique de liquide d'échange dans le circuit éloigné de l'atmosphère extérieure (7a, 7b, 9, 11 de la figure 1), tandis que le point 38 correspond à celui du circuit le plus proche de l'atmosphère ex- térieure (boa, 6b, 8, 10 de la figure 1), de sorte qu'en première approximation le point 37 est le point médian du segment 36-38, tandis que le point 38 est le point médian du segment 35-37. I1 en résulte que les segments 35-38, 38-37 et 37-36 sont pratiquement égaux, de sorte que le rendement d'échange est de 67%. Dans la pratique, pour des raisons analogues à celles qui ont été évoquées à propos du diagramme 2A, on peut prévoir que le rendement atteigne 71%o Des considérations du même genre font apparaître qu'avec 3 circuits de liquide d'échange, le rendement serait en première approximation de 75%, au prise d'une complication du dispositif ; il apparat donc que le gain de rendement devient peu important au-delà de deux circuits.Bien entendu la détermination du nombre de circuits sera fait en tenant compte des répercussions du gain de rendement sur les coûts de fonctionnement de l'installation de climatisation, comparés au surcot d'installation0 En se référant à la figure 3, le dispositif d'échange 41 dans son ensemble est disposé entre une gaine 42 d'aspiration d'air frais et une gaine 43 de refoulement d'air vicié d'une installation de climatisation. La gaine 42 est munie d'une ouie d'aspiration 44 à l'extérieur et la gaine 43 d'une bouche d'échappement 45 dans l'atmosphère extérieure.Sur les gaines 42 et 43 sont disposées deux tours respectivement 42a et 43a, composée chacune de deux échangeurs superposés 48, 49 et 50, 51 respectivement0 Ces échangeurs sont équipés en partie haute de batteries de buses de pulvérisation 52 à 55 respectivement, et de bacs de reprises 56 à 61 en partie basse. Les bacs de reprises 57 et 58 sont annulaires, entourant un orifice central pour le passage de la veine d'air, coiffé d'un chapeau respectivement 70 et 71, formant cloisonnement d'arrêt pour le ruissellement de liquide d'échange pulvérisé par les batteries 53 et 544 Le bac 56 est relié à la batterie 54 par une canalisation 46b sur laquelle est insérée une pompe de circulation 60 et un échangeur secondaire 64. Le bac 58 est relié à la batterie 52 par une canalisation 46a avec une pompe 62 et un échangeur secondaire 66. Le bac 57 est relié à la batterie 55 par une canalisation 47a avec une pompe 63 et un échangeur secondaire 67, et le bac 59 est relié à la batterie 53 par une canalisation 47 avec une pompe 61 et un échangeur secondaire 65. Les échangeurs 48 et 50 forment avec les canalisations 46b et 46a un circuit bouclé où circule une solution aqueuse de chlorure de lithium, et les échangeurs 49 et 51 forment avec les canalisations 47a et 47b un second circuit bouclé pour une solution de chlorure de lithium.On remarquera que la structure générale du dispositif 41 est semblable à celle du dispositif 1 de la figure 1, à deux différences près les veines gazeuses traversent les échangeurs 48 à 51 à contrecourant du liquide d'échange pulvérisé, et des échangeurs secondaires sont disposés sur les canalisations 46a, 46b, 47a, 47b. On verra plus loin à quoi correspond la seconde variante de structure. On remarquera par ailleurs que les pompes 60 et 61 fournissent la pression de pulvérisation aux batteries de buses 53 et 54, car il n'est pas possible d'obtenir cette pression par une colonne hydrostatique comme c1 était le cas pour le dispositif 1, qui d'ailleurs pourrait être équipé de quatre pompes de circulation si les hauteurs hydrostatiques possibles sont insuffisantes. En faisant circuler dans les échangeurs 48 à 51 la veine gazeuse traversant à contre-courant du liquide d'échange pulvérisé, on améliore ainsi le rendement d'échange, la veine gazeuse en sortie est en quasi équilibre avec le liquide d'échange au niveau des buses de pulvérisation, tandis que ce liquide dans le bac de reprise est en quasi équilibre avec la veine gazeuse entrante, Ceci correspond, sur le graphique de la figure 2A à des déplacements des points 33 et 34 respectivement vers les extrémités 32 et 31 ; et le rendement individuel des paires d'échangeurs 48, 50 et 49, 51 arrive à se situer entre 55 et 60%. Les dispositions connues à un seul circuit bouclé de liquide d'échange utilisent parfois des échangeurs à contre-courant de gaz et liquide d'échange.Avec les deux circuits bouclés en parallèle selon l'invention, la disposition à contre-courant permet de dépasser 70ffi0 La disposition d'échangeurs secondaires 64 à 67 sur les canalisations de liaison entre échangeurs liquide gaz 48 à 51 permet de modifier l'énergie interne du liquide d'échange par modification de la température entre la sortie d'un échangeur et l'entrée du suivant dans le circuit bouclé. Normalement les échangeurs secondaires d'un même circuit bouclé (soit 64, 66 ou 65, 67) fonctionnent de façon complémentaire, en sorte que l'énergie fournie au liquide d'échange par l'un soit sensiblement compensée par l'énergie absorbée par l'autre.On arrive ainsi à déplacer l'un par rapport à l'autre les segments 35, 37 et 36, 38 sur le graphique de la figure 23, en sorte d'ajuster les conditions thermiques de l'air frais dans la canalisation 42, ou de l'air vicié dans la canalisation 44, en sortie du dispositif 41. Ainsi en été on peut réduire le degré hygrométrique de l'air frais, ou en hiver évacuer l'air vicié à température plus basse, c'est-à-dire en récupérer plus d'énergie0 On remarquera quel'on n'améliore pas par ces processus le rendement-intrinsèque d'échange du dispositif 41, puisque le gain de transfert d'énergie entre veines gazeuses provient de transferts auxiliaires dans les échangeurs secondaires.Mais ces a transferts auxiliaires se font dans des échangeurs liquide/iiquîd contre-courant, travaillant dans des zones de températures inter médiaires entre celles de l'air frais à l'entrée 44 et celle de l'air vicié extrait des locaux, zones de températures où les réchauffages et les refroidissements peuvent etre obtenus à peu de frais (eaux de refroidissement de groupes de climatisation, eaux froides de réseau de distribution ou de dérivations de tours de refroidissement).Et l'ajustement des conditions thermiques des veines gazeuses soulage d'autant les groupes de climatisation principaux. I1 est évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples ni à l'application décrits. Notamment le liquide d'échange sera choisi aussi bien en raison de ses propriétés thermodynamiques qu'en raison de sa compatibilité avec la composition et les températures des gaz des veines. I1 est clair que les gaz de veine peuvent être différents d'un air de climatisation, et par exemple des gaz d'entrée et de sortie de fours. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné au transfert d'énergie thermique entre deux veines gazeuses, où un liquide d'échange circulant en circuit bouclé traverse successivement l'une et l'autre veine à l'état pulvérisé dans des échangeurs respectifs, en sorte que l'énergie thermique cédée par un fluide au liquide d'échange sort rétrocédés à l'autre veine, caractérisé en ce qu'il comporte une multiplicité de circuits bouclés disposés en parallèle avec chacun un échangeur sur chaque veine, les échangeurs étant en série sur chaque veine, en ordre inversé par rapport à l'autre veine pour chaque circuit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la multiplicité est égale à deux. 3. Dispositif selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le liquide d'échange est une solution aqueuse de chlorure de lithium. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque échangeur est traversé horizontalement par la veine gazeuse et comporte, au-dessus de la veine une batterie de buses de pulvérisation et en dessous un bac de reprise. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les échangeurs sur une mEme veine sont accolés en formant caisson, avec les trajets de veine en alignement. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les caissons sont munis en sortie de veine d'un séparateur de brouillard avec des cloisons verticales en chicanes, et comportent entre échangeurs des cloisons perforées 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque échangeur est traversé verticalement par la veine gazeuse, en sens inverse du liquide d'échange pulvérisé. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les échangeurs sur une même veine sont superposés en formant tour, avec les trajets de veine en continuité. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les tours sont munies en sortie de veine d'un séparateur de gouttelettes, et comportent entre échangeurs des cloisonnements d'arrêt de ruissellement. 10. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque circuit bouclé comporte entre deux échangeurs secondaires à parois respectivement entre ses deux échangeurs à liquide d'échange, en sorte de modifier la température du liquide d'échange dans le circuit bouclé entre la sortie d'un échangeur à liquide d'échange et l'entrée dans l'autre.