Brevet FR2495742A1 — publié le 19820611

La présente invention concerne un appareil du genre climatiseur d'air, plus particulièrement pour l'usage d'un ou plusieurs individus. De tels climatiseurs, notamment conçus pour des voitures automobiles, petits bateaux, caravanes, baraques de chantiers, bureaux, appartements, etc... ont des puissances frigorifiques de l'ordre de quelques centaines à quelques milliers de Fg/h. Ces climatiseurs ne sont pas à proprement parler des conditionneurs. Leur rôle consiste surtout pendant la saison chaude à rafraîchir l'air admis dans l'enceinte à traiter en abaissant sa température de 6 à 7 C sans contrôler son huai- dité. Connua sous diverses variantes de réalisation, ces appareils sont basés sur la compression et la vaporisation d'un gaz liquéfiable Cou fluide frigorigène). La vaporisation a pour effet de refroidir un médium réfrigérant circulant au contact de l'évaporateur. La vapeur du fluide évaporé est récupérée à l'état liquide par compression et refroidissement dans un circuit frigorigène hermétiquement scellé. Ces appareils sont onéreux et complexes avec leur agencement comportant un moto-compresseur, des appareils de réglage, de contrôle et de régulation. Ils consomment en outrez une énergie loin d'être négligeable. En fin de compte, leurs prix de revient et d'entretien sont élevés. I1 existe par ailleurs une pratique ancestrale de rafrai- chissement d'air par évaporation d'eau. Dans les pays chauds il est usuel d'arroser le sol d'une pièce à rafratchir. En effet, ai l'air qui rentre dans cette pièce n'est pas déjà saturé de vapeur d'eau il va provoquer l'évaporation de 1' eau disposée sur le sol. Cette évaporation a pour effet de libérer des frigories. Des appareils récents mettent en oeuvre ce principe de rafratchissement de l'atmosphère. Tel est le cas de 1' évaporateur-rafraichisseur décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 978 174 déposé le 31 août 1976. Le rafratchissement d'air ainsi obtenu est peu onéreux, la seule énergie consommée étant celle du ventilateur éventuellement mis en oeuvre. L'inconvénient majeur de ce type d'appareil est le fait que l'air rafraîchi voit sa teneur en eau augmenter sans jamais atteindre pour autant une température voisine de celle dite du "bulbe humide". La présente invention a pour obJet un appareil rafrai- chisseur d'air offrant dans le domaine d'applications considéré, des performances comparables à celles des climatiseurs usuels dans des conditions aussi économiques que les appareils du genre évaporateurs-rafratchisseurs précités. A cet effet, la présente invention propose un appareil rafratchisseur d'air du genre comportant un évaporateur et un échangeur montés en série dans un circuit fermé de transfert de calories dans lequel circule un médium réfrigérant, le refroidissement de l'air étant obtenu par son passage sur l'échangeur, ledit appareil étant caractérisé en ce que l'évaporateur est adapté à évaporer de l'eau par circulation d'air, la vapeur étant évacuée dans l'atmosphère. De par sa structure, cet appareil pallie les inconvE- nients cités plus haut. En effet, le fluide frigorigène étant de l'eau consommable sans problème, le motocompresseur des climatiseurs classiques destinés à recomprimer la vapeur n'a donc plus lieu d'être. De ce fait, 1' élément consommant la plus grande quantité d'énergie dans un tel climatiseur ou rafraichisseur a disparu. I1 en est de même pour les moto-ventilateurs du condenseur. De plus, l'entretien d'un appareil selon l'invention est très simplifié. Par rapport aux évaporateurs-rafratchisseurs, l'appareil selon l'invention a pour avantage de fournir de l'air rafraîchi gans augmenter la teneur en eau. Enfin, les prix de revient et d'entretien d'un appareil selon l'invention sont particulièrement bas, principalement dû au fait de l'absence d'un moto-compresseur. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une première forme de réalisation de l'appareil selon l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'une application du schéma de la figure 1 à un véhicule automobile; - la figure 3 est une représentation schézatique d'une deuxième forme de réalisation de l'appareil selon 1' invention; - la figure 4 est une vue en perspective d'un ensemble d'éléments représentés schématiquement à la figure 3; - la figure 5 est une vue de face et en coupe partielle de l'évaporateur de la figure 4; - la figure 6 est une vue en élévation d'une ailette destinée à l'évaporateur de la figure 4;; - la figure 7 est une coupe de l'ailette suivant la ligne VII-VII de la figure 6; - la figure 8 est une vue de dessus de la même ailette; - la figure 9 est une vue en plan de l'ensemble des ailettes de l'évaporateur de la figure 4, suivant la ligne IX-IX de la figure 5 - la figure 10 est une vue en coupe d'un échangeurévaporateur d'une troisième forme de réalisation de 1' appareil selon l'invention0 Suivant la forme de réalisation choisie et représentée schématiquement à la figure 1, un conduit 1 de circulation d'air entoure un échangeur-évaporateur 2, adapté à évaporer de l'eau, disposé en série dans un circuit 6 de transfert de calories dans lequel circule un médium réfrigérant. En aval de l'évaporateur 2, dans une enceinte 40 à rafraîchir, se trouve un échangeur 4 air-médium réfrigérant, à la suite duquel se trouve une pompe de circulation 3. Un deuxième échangeur air-médium réfrigérant 9 est monté en série dans le circuit de transfert 6 en amont de l'entrée du médium réfrigérant dans l'évaporateur 2 et disposé en aval de cet évaporateur par rapport à l'air soufflé dans ce dernier. Le circuit du médium réfrigérant est ainsi bouclé. Un réservoir 5 alimente en eau, au travers d'une électro-vanne 10, la surface de l'évaporateur 2 où doit se produire l'évaporation. Cette surface comporte un revêtement absorbant se mouillant bien tissu, fibre, produits floqués, etc...).De par ses qualités, ce revêtement reste toujours humide Si on le met en communication avec le réservoir d'eau 5 précite. Ce dernier, quant à lui peut par exemple être un réservoir à niveau constant alimenté par l'eau de la ville dans le cas de bureaux ou d'habitations. La circulation de l'air dans le conduit 1 peut être forcée au moyen d'un ventilateur 15. Cette circulation provoque l'évaporation de l'eau retenue par le revêtement se mouillant biat Cette évaporation absorbe des calories ce qui provoque le refroidissement du médium réfrigérant qui traverse l'échangeur-évaporateur 2. le médium réfrigérant arrive ensuite dans l'échangeur 4 air-médium réfrigérant sur lequel passe l'air à rafraîchir. Cet air peut être de l'air 8 pris à l'extérieur de l'enceinte 4O à rafraîchir ou au contraire de 11 air 7 pris à l'intérieur de cette dernière, ou les deux à la fois.Cet air peut également être de l'air 8A pris à la sortie de l'évaporateur 2 ou de l'échangeur 9 si on désire augmenter la teneur en eau de l'enceinte 40. Le médium réfrigérant sort ensuite de 1' échangeur 4, pour pénétrer dans la pompe 3 dont la fonction est de faire circuler le médium réfrigérant dans le circuit 6. Le médium réfrigérant qui s'est réchauffé au contact de l'air extérieur dans l'échangeur 4 est pré-refroidi dans l'échangeur 9. En effet, cet échangeur 9 se trouve a' la sortie de 1 évaporateur 2, si bien que l'air ayant servi & l'évaporation passe au travers de cet échangeur 9. Cet air, charge d' humidité, est à une température nettement plus busse que la température ambiante du fait des frigories libérées par 1' évaporation de l'eau. Ze médium, dont la température est déjà inférieure à la température ambiante, est admis dans l'évaporateur 2 où le processus décrit ci-dessus va se renouveler. La température du médium réfrigérant se trouve déterminée par la température extérieure et le degré hygrométrique de l'air extérieur et plus exactement la "température humide" de cet air. En effet, si on souffle de l'air à une température T1 et x % d'humidité relative correspondant à une température humide T2 (évidemment inférieure à & T1) i' évaporation de l'eau au contact de l'air renouvelé constamment, se produira jusqu'à ce que cette eau arrive à la température 2 (limite inférieure absolue). Par exemple, les températures sèches et humides simultanées relevées l'été dans l'ensemble des départements français (conditions normales relevées en juillet à 15h) sont telles que la plupart du temps, la température du médium pourra être de l'ordre de 20 à 220C pour des tempéra- tures extérieures d'environ 30 à 350C. Cette température du médium réfrigérant permet de sou± fler de l'air à environ 230C dans l'enceinte 40 à rafraîchir pour 300C extérieur et à environ 250C pour 350C extérieur. k partir du schéma représenté à la figure 1, plusieurs variantes de réalisation sont possibles par adjonction ou par suppression d'éléments qui y sont représentés. L'évaporation de l'eau dans l'évaporateur peut être naturelle ou accélérée par un moyen approprié, par exemple par circulation forcée d'air au moyen d'un moto-ventilateur 15 à débit constant ou variable. De même, un moto-ventilateur 42 à débit constant ou variable peut être disposé à l'entrée "air" de l'échangeur 4 pour améliorer le rendement de l'installation. La pompe de circulation 3 et l'échangeur 9, quoique améliorant nettement le rendement de l'installation, ne sont pas indispensables au bon fonctionnement de cette dernière. Le réservoir 5 peut être un réservoir à niveau constant, alimenté par l'eau de la ville dans le cas de bureaux ou d'habitations. Dans le cas où on désirerait augmenter la teneur en eau de l'air de l'enceinte 4O, on peut avantageusement admettre tout ou partie de l'air d'évaporation à l'entrée "air" de 1' échangeur 4 comme représenté par les flèches 8A sur la figure 1. La consommation de cette installation est réduite et comprend: - la consommation du moto-ventilateur 15 de l'évapora- teur (le moto-ventilateur, intégré ou non dans le système, peut ne pas être utilisé en permanence); - la consommation du moto-ventilateur éventuel 42 de l'échangeur 4; - la consommation de la pompe 3 (facultative) de circu lation du médium réfrigérant; - consommation d'eau: environ Il/h par 400 Pg/h à environ 10 l/h pour 5000 Fg/h. Selon la variante de réalisation de la figure 2, l'invention est appliquée à un véhicule automobile. On y retrouve les éléments de circuit de la figure 1 qui y sont représentés par les mêmes référencea. Le circuit représenté à la figure 2 vient s'insérer dans le circuit de chauffage classique du véhicule automobile. Dans ce circuit l'échangeur 4AB est le radiateur utilisé en hiver pour le chauffage et sert de radiateur refroidisseur on été. Bien entendu, la surface d'échange de lZédhangeur 4dB est calculée on conséquence Deux robinets trois voies 71 sont disposés d'une part en série dans )circuit 6A du médium réfrigérant (circuit d'été identique à celui de la figure 1), d'autre part en série dans un circuit d'hiver de transfert de calories 6B d'un médium chauffant. De façon classique, le circuit 63 est en parallèle sur le radiateur 17 du moteur 16 du véhicule automobile. Le positionnement des robinets Il permet de sélectionner le circuit d'hiver 11B ou le circuit d'été 11A, en isolant en condition d'été le circuit de transfert de calories 6B du médium chauffant et en condition d'hiver le circuit de transfert de calories du médium réfrigérant. L'enceinte 40AB à rafraîchir ou à réchauffer est l'habitacle dudit véhicule. On va maintenant décrire, en référence aux figures 3 et 4, une forme de réalisation de l'appareil selon la figure 1. La figure 3 représente le schéma de principe de 1' appareil représenté à la figure 4. On y retrouve tous les éléments du circuit de la figure 1, à savoir: un évaporateur désigné dans son ensemble par IC, une pompe de circulation 3C, un échangeur 4C à l'intérieur de l'enceinte 40C à rafraîchir, un moto-ventilateur 42C disposé à l'entrée "air" de 1' échangeur 4C, un échangeur 9C servant de sous refroidisseur du médium réfrigérant circulant dans le circuit 6C de transfert de calories. Le moto-ventilateur 15 de la figure 1 est ici un dispositif 15C d'aspirationrefoulement disposé en aval de l'échangeur 90. On remarque que l'ensemble: évaporateur 1C, échangeur 9C et dispositif 15C d'aspiration-refoulement d'air, forme un bloc compact. Ce bloc va maintenant être décrit plus en détails en référence aux figures 4 à 9. L'évaporateur 1C est constitué d'un corps 111, d'un échangeur 112 composé, dans cette forme de réalisation, d'un accolement de seize ailettes creuses 113 dans lesquelles circule le médium à refroidir. Ces ailettes sont recouvertes d'une "chaussette" 114 en coton (figure 5). L'arrive d'eau d'évaporation 115 débouche dans une réserve 61 d'eau d'évaporation qui est logée dans le corps 111 de l'évaporateur 1S et disposée sous la face supérieure de celui-ci. Un répartiteur d'eau d'évaporation 51 est disposé entre la réserve 61 et les ailettes 113.Un collecteur ou "trop-plein" 62 d'eau d' évaporation est disposé en-dessous des ailettes 113. Ce surplus d'eau d'évaporation est évacué en 63. Ce répartiteur 51 est réalisé, dans le cas présent, avec du tissu éponge. On va maintenant décrire plus en détail l'accolement d'ailettes 113, cet accolement étant l'organe essentiel du refroidissement du médium réfrigérant. Les figures 6, 7 et 8 montrent, en plan, en coupe et en vue de dessus, une des ailettes 113. Ces ailettes sont de forme rectangulaire et ont une section en losange aplati. Deux arrivées 113A et 113B, disposées sur deux faces opposées et à deux extrémités opposées dans l'ailette, constituent le départ et l'arrivée du médium réfrigérant dans ladite ailette. Ces ailettes sont ensuite accolées comme représenté à la figure 9. Sur les figures 4, 5 et 9, on peut voir l'arrivée 116 et le départ 117 du médium réfrigérant dans l'évaporateur 1C. L'évaporateur îC offre ainsi (suivant la forme de réalisation représentée), dans un corps de section carrée de 130mm de côté et d'une longueur de 200mm, une surface d' évaporation ou surface "humide" des ailettes de 0,7m2, la surface des ailettes en contact avec le médium réfrigérant étant de 0,6m2. Le dispositif 15C d'aspiration refoulement de l'air d'évaporation a un débit de 200m3/h environ. La pompe 3C représentée sur la figure 4 a un débit de 300 l/h environ. L'échangeur 9C (également représenté sur la figure 4) a une surface d'échange de 1m2 environ.N'ont pas été représentés sur la figure 4 les éléments de la figure 3 suivants: le réservoir 5C d'eau d'évaporation de 5 1, 1' échangeur 4C d'une surface d'échange de 1,5m2, le motoventilateur 42C dont le débit est de 200m /h et l'électro- vanne 100. La mise en route de l'installation se fait par un interrupteur électrique qui, simultanément: - ouvre l'électro-vanne 10C d'admission d'eau d' évaporation - met en route la pompe 3C de circulation du médium - actionne les moto-ventilateurs 42C et 15C L'eau d'évaporation est admise dans la réserve d'eau 61.Un robinet ou diaphragme (non représenté) permet d' humidifier de façon constante les ailettes 113 par 1' intermédiaire du répartitsur d'eau 51. La position verticale des ailettes 113 facilite l'écoulement de l'eau et son contrEle. Le moto-ventilateur aspirant-refoulant 15C accé lêre l'évaporation de l'eau ce qui amende la température du médium réfrigérant à une température voisine de la "température humide" de l'air. Il est a' remarquer que dans le cas d'un véhicule automobile, le moto-ventilateur peut être arrêté, par l'intermédiaire dsun dispositif électrique approprié sensible au débit d'air (non représenté) lorsque la vitesse du véhicule est suffisante pour que le débit d' air circulant dans l'évaporateur rende inutile son emploi. La pompe 3C fait circuler le médium réfrigérant qui passe par l'échangeur 40. L'air chaud qui passe sur-cet échangeur se refroidit & son contact et est soufflé & une température légèrement supérieure à celle du médium. Cet air est soufflé dans l'enceinte 4CC Le moto-ventilateur 42C est utilisé à cet effet mais on peut encore remarquer que dans le cas d' un véhicule automobile son emploi n'est pas indispensable quand le véhicule a atteint une vitesse telle que le débit d'air dans l'échangeur 4C est suffisant.Les performances constatées avec l'appareil selon les figures 3 et 4 sont les suivantes: - Température air extérieur: 260C - Température air extérieur "bulbe humide" ou "température humide" : 190C - Degré hygrométrique de cet air t 52 % - Température du médium réfrigérant : 200C - Température de 1' air à la sortie de l'échangeur 4C t 210C - Consommation électrique : 70 watts Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites et représentées, mais englobe toute variante d'exécution et/ou de combinaison de leurs divers éléments. En particulier, l'accolement de l'échangeur 4C du dispositif représenté à la figure 3 à un corps classique de radiateur de chauffage ne sortirait pas du cadre de l'invention. En effet, dans le cas d'un véhicule automobile, il est possible que la surface de l'échangeur de chaleur destiné au chauffage en hiver ne soit pas suffisante pour être utilisée comme échangeur 4 selon les formes de réalisation représentées aux figures 1 et 2. Dans ce cas, on peut envisager 1' accolement des échangeurs d'été et d'hiver. Cela reste valable dans le cadre de bureaux ou d'habitations. De plus, le système d'évaporation décrit en référence aux figures 4 à 9, est basé sur les ailettes "habillées" d' une "chaussette" et humidifiées par de l'eau à évaporer venant d'un réservoir en charge. Au lieu d'habiller ainsi les ailettes de ltéchangeur-évaporateur, il est également possible d'aménager la surface externe de ces ailettes en leur conférant un relief approprié à la retenue de l'eau à évaporer. D'autres systèmes d'humidification peuvent être envisagés. Notamment, on peut faire ruisseler de l'eau sur ces ailettes par l'intermédiaire d'une micro-pompe aspirant l'eau à partir d'un réservoir dont le niveau est indifférent, cela sans sortir du cadre de l'invention. Enfin, tout autre système d'évaporateur peut être envisagé dans le cadre de l'invention, et en particulier des évaporateurs basés sur l'aspiration et l'accélération de l'évaporation par vide partiel. Une telle réalisation est illustrée schématiquement en figure 10. L'échangeur-éxaporateur est constitué ici dans un conduit 201 par une structure annulaire 202 en serpentin, par exemple, avec un enrobage absorbant 203. Cet échangeur-évaporateur se trouve confiné ici à l'intérieur d'un espace 204 délimité du cêté radialement extérieur par le conduit 201 du côté radialement intérieur par un convergent 205 qui débouche en 206 au col d'un convergentdivergent ou venturi 207. Le moto-ventilateur 215 de circulation d'air est disposé à l'entrée du convergent 205. L'espace 204 est fermé de part et d'autre par des parois annulaires 208, 209, la communication vers l'extérieur ne s'effectuant que par le passage 210 déterminé autour du convergent 205 par le venturi 207. L'espace annulaire 211 entourant le venturi est avantageusement utilisé comme réserve d'eau d'évaporation et une circulation avec ruissellement peut avantageusement Cotre réalisée au moyen d'une micro-pompe 212 alimentant un répartiteur annulaire 213 avec en partie basse une tubulure 214 d'évacuation d'eau en excès. Le videpartiel entretenu ainsi dans l'espace 204 favorise l'efficacité de l'évaporateur. Le médium réfrigérant peut être constitué par un liquide approprié quelconque. Dans les cas d'application du genre décrits en référence à la figure 2 le médium chauffant en régime d'hiver (eau plus antigel) sert de médium-réfrigérant en régime d'été. REVENDICATIONS 1- Appareil rairaichisseur d'air du genre comportant un évaporateur et un échangeur montés en série dans un circuit fermé de transfert de calories dans lequel circule un médium réfrigérant, le refroidissement de l'air étant obtenu par son passage sur l'échangeur, ledit appareil étant caractérisé en ce que 11 évaporateur (2) est adapté à évaporer de l'eau par circulation d'air, la vapeur étant évacuée dans l'atmosphère. 2- Appareil selon la revendication 1, prévu pour prérefroidir le médium réfrigérant en amont de son admission dans l'évaporateur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un deuxième échangeur (9) disposé en série dans le circuit de transfert de calories (6) en amont dudit évaporateur (2) et monté en aval de cet évaporateur par rapport à l'air soufflé dans ce dernier. 3- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'une pompe de circulation (3) du médium-réfrigérant est placée en série dans ledit circuit de transfert de calories. 4- appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et destiné en hiver à coopérer avec un circuit de chauffage, ledit circuit de chauffage comportant un circuit de transfert de calories d'un médium chauffant, appareil caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif (11) adapté à isoler, en conditions d'c'té, le circuit de transfert de calories (6B) du médium chauffant, et, en conditions d'hiver, le circuit de transfert de calories (6A) du médium-réfrigérant. 5- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une réserve d'eau d'évaporation (5), alimente ledit évaporateur (2) en eau. 6- Appareil selon la revendication 5, destiné au ra fraîchissement d'air de locaux urbains caractérisé en ce qe ladite réserve (5) est un réservoir à niveau constant alimentée par l'eau de ville 7- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface externe de 1' évaporateur (2), où se produit l'évaporation, est adaptée à être constamment mouillée. 8- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mouillage est assuré au moyen d'un réservoir (5) en charge. 9- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mouillage est assuré en circuit fermé au moyen d'une micro-pompe (212). 10- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un moyen de réglage et d'arrêt(I0)du débit est disposé dans le circuit d'eau de mouillage. 11- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite surface externe est recouverte d'un revêtement absorbant (114). 12- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite surface externe présente un relief adapté à retenir l'eau à évaporer. 13- Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit évaporateur (1C) comporte un échangeur (112) composé d'un accolement d'une pluralité d'ailettes creuses (113) dans lesquelles circule le médium réfrigérant. 44- Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit évaporateur comporte une réserve d'eau (61), un répartiteur d'eau de mouillage (51) et un collecteur (62) de récupération de l'eau de mouillage non évaporée. 15- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évaporation est accélérée par un moyen approprié (15) à forcer la circulation d'air dans l'évaporateur (2). 16- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, ~aractérisé en ce qutune partie au moins de 1' air chargé d'h-midité (8A) sortant de l'évaporateur (2) est admise dans l'enceinte (45) à rafraîchir. 17- Dans un appareil rafraîchisseur d'air selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'évaporateur caractérisé en ce qu'il comporte dans un conduit (1) de circulation d'air entre une entrée et une sortie d'air, un échangeur (2) traversé par le médium réfrigérant, 1' évaporation s'effectuant sur la surface externe mouillée de cet échangeur. 18- Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ltéchangeur-évaporateur est disposé dans un espace confiné (204), la circulation d' air étant adaptée à entretenir un vide partiel dans cet espace.