Brevet FR2544841A1 — publié le 19841026

La présente invention a trait à un système de refroidissement de l'air, plus particulierement pour des questions de confort, dans lequel l'air à refroidir arrive avec un taux d'humidité initial relativement faible de sorte qutil peut entre refroidi aussi bien directement qutindi- rectement à travers des étages de refroidissement par Evaporation mettant en oeuvre le recyclage de l'eau. L'utilisation du refroidissement par évaporation à la fois pour un liquide et pour l'air est connu depuis longtemps. Dans des zones relative ment arides, telles que la partie Sud-Ouest des Etats-Unis, on le pratique pour conditionner l'air en vue du confort humain. Cela s'est fait avec un degré de succès variable, plus particulièrement dans les systèmes n'exigeant qu'une faible dépense d'énergie, par exemple pour les résidences. ku cours de ces dernières années, et plus particulièrement en raison de la nécessite des économies d'énergie, on a assisté a un besoin accru de perfectionnements dans l'efficacité et les caractéristiques opératoires des systèmes de ce genre. Pour trouver dans la technique antérieure des exemples de système de refroidissement par evaporation pour l'air et pour l'eau, on peut se référer aux brevets américains suivants : Ray 1 990 194, Crawford Re 20 469, Coey 2 162 158, Pennington 2 464 766, flerlowitz 2 488 116, Pennington 3 116 612; Zusmanovich 3 718 008, 3 808 832 et 3 905 205, Brown 2 812 686, 3 861 164 et 3 890 797, Scholm 4 023 949 et 4 156 351. On peut encore consulter l'article Systèmes indirects/directs de refroidissement par évaporation de Neil Eskra, paru dans la revue ASERAE Journal, Nai 1980, pages 21-25. L'invention concerne un procédé et un appareil suivant lesquels de l'air à faible taux humidité est introduit dans un refroidisseur à évaporation, à l'intérieur duquel il est refroidi indirectement sans augmentation de sa teneur en humidité par une première unité d'évaporation à recyclage d'eau dans un premier et un second étage, puis subit encore un refroidissement indirect et direct dans une unité de troisième, et de quatrième étage. Dans le troisième et le quatrième étage, l'air refroidi indirectement est utilise pour refroidir à son tour l'eau de recyclage dans la phase de refroidissement direct de l'unité d'évaporation du quatrième étage. Un objet visé par l'invention consiste par conséquent en une combinaison d'étages d'unités de refroidissement indirect et direct avec recyclage de l'eau, de façon à refroidir de l'air relativement sec et chaud jusqu' une température au thermomètre sec relatlvement basse et avec seulement une légdre augmentation de sa teneur totale en hmiditê. L'invention vise encore a refroidir ainsi de lQair -relativement chaud jusqu'S une basse température mesurée au thermometre sec en n'augmentent que faiblement sa teneur totale en humidité et avec une consommation d'énergie relativement faible. Le dessin annexé, donné à titre dselsemples permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est un schéma des circuits d'un système de réfroidisse- ment suivant la présente invention. Fig. 2 est un diagramme psychrométrique illustrant les divers étages opératoires traversés par l'air dans un exemple utilisant la forme d'exécution de fig. 1. Fig. 3 montre un diagramme psychrométrique comparatif en supposant que le transfert de chaleur s'effectue avec un rendement de 100 X dans l'installation. L'appareil de refroidissement par évaporation 10 représenté comporte un premier étage 11 et un second 12. Ce dernier comprend une première unité à recyclage dans laquelle de l'eau est pompée à partir d'une bâche 14 par une pompe 15 à travers une canalisation 16 pour traverser le serpentin 17 d'un échangeur de chaleur 18, puis arriver par une autre canalisation 19 a un pulvérisateur 20 qui débite dans un milieu 21 saturé d'eau et pour revenir ainsi 9 la boche 14. Le serpentin 17 de l'échangeur 18 est préférablement du type classique a ailettes et il est logé dans un carneau 22, lequel comporte une entrée 23 et une sortie 24.Un premier courant d'air extérieur, préférablement à faible teneur en humidité, s'écoule ainsi dans le carneau 22 pour pénétrer dans l'appareil. Le milieu saturé 21 est préférablement constitué par un tampon d'une cellulose convenablement traitée et propre à maintenir un haut degré de saturation. Ce tampon est convenablement supporté dans un carneau 25 de sorte qu'un second courant d'air entrant en 26 et sortant en 27 peut être mis en circulation à travers lui par un ventilateur 28 entraîné par un moteur 29. Si désiré l'air destiné à réaliser ce second courant peut être prélevé à partir de la zone refroidie par l'air du premier courant. Le premier étage 11 se trouve en amont de l'échangeur 18, mais en aval du tampon saturé 21. I1 comprend un échangeur de chaleur air-air 33, lequel peut comporter une série de canaux ou tubes 34, convenablement espacés les uns des autres, que le premier courant d'air traverse avant de pénétrer dans l'échangeur 18 précité, tandis que le second courant d'air provenant du tampon 21 circule autour de ceux-ci, le premier débouchant dans un espace 35 à l'intérieur du carneau 22 et le second dans un autre espace 36 correspondant au carneau 25. Bien que la disposition de l'échangeur 33 en amont de l'échangeur 18 assure en général un meilleur rendement, dans centaines conditions l'on peut adopter l'arrangement inverse.Le second courant d'air qui arrive dans l'espace 36 peut ou bien être évacué à l'extérieur, ou bien s'utiliser pour refroidir d'autres appareils ou milieux. A la sortie de l'échangeur 33, l'air de l'espace 35 s'écoule dans l'échangeur 18, puis dans l'espace 35' pour arriver ainsi aux troisième et quatrième étage 37 et 38, lesquels comprennent une seconde unité de circulation d'eau 39. Dans celle-ci l'eau est pompée à partir d'une bâche 40 par une pompe 41 pour arriver par une canalisation 42 dans le serpentin à ailettes 43 d'un échangeur de chaleur 44, puis par une autre canalisation 45, à un pulvérisateur 46 qui débite sur un milieu ou tampon saturé 47, et pour revenir de là à la bâche 40. Le premier courant d'air provenant de l'espace 35' du carneau 22 traverse d'abord l'échangeur indirect 44, sort de celui-ci dans un espace 49, puis traverse le tampon saturé 47 de la seconde unité à recyclage d'eau 39 pour aboutir à la sortie 50.Il arrive ainsi à un appareil de circulation d'air 51, tel qu'un ventilateur ou analogue et parvient enfin à l'atmosphère à conditionner. En se référant à fig. 1 et 2 on peut décrire comme suit un exemple de traitement d'air. L'air disponible en été, par exemple à Albuquerque, Nouveau Mexique, peut notamment présenter une température de 960F (35,360C) au thermomètre sec et de 610F (16,110C) au thermomètre humide. Cela correspond au point A du diagramme de fig. 2. Dans le premier étage de refroidissement, cet air traverse l'échangeur air-air 33 dans lequel sa température s'abaisse à 780F (25,260 C) au thermomètre sec et 550 F -(12,780 C) au thermomètre humide sans aucune élévation de son point de rosée de 380F(3,330C). Toutefois son humidité relative s'élève de 13 % au point A à 23 % au point B. Dans l'échangeur indirect 18 on réalise un gain de rendement, l'air se refroidissant encore de la température sèche de 780F (25,260C) à 64,50F (18,050 C) au point C, sans que se modifie son point de rosée, mais son humidité relative s'élevantkà 38 %. Eh raison de 11 abaissement considérable de la température de thermomètre humide qu'il comporte alors dans l'espace 35 (point C) sur le diagramme de fig. 2 > cet air peut maintenant être traité en vue d'accrottre substantiellement son pouvoir de refroidissement. On le fait donc passer dans l'échangeur indirect 44, puis à travers le tampon d'échange direct 47 avant de le déverser dans l'atmosphère conditionnée. Dans l'échangeur 44 sa température atteint 52 > 50F (11,40 C) au thermomètre sec et 450F (7,220C) au thermomètre humide, avec une humidité relative de 58X, mais sans modification du point de rosée. Cet état correspond au point D du diagramme de fig. 2. L'air qui sort de l'échangeur 44 a cette température de 450F (7,220C) au thermomètre humide s'utilise alors pour refroidir l'eau qu'on recycle à travers le milieu de saturation 47, cependant que ce même air se trouve lui-mme refroidi à une température de 46s5 F (8,05 C) au thermomètre sec, donc peu au-dessus de sa température de 45 > F (7,22 C) au thermomètre humide, avec un point de rosée de 440F (6s67 c) et une humidité relative de 90% à la sortie (point E du diagramme). On voit par conséquent que l'air qui entre à une température de 960F (35,36 C) au thermomètre sec se trouve refroidi jusqu'3 celle relativement très basse de 46,50F (8,05 C), laquelle convient aussi bien pour les résidences que pour les locaux commerciaux. I1 y a là un contraste marqué par rapport à une unité habituelle de réfrigération avec compresseur, condenseur et évaporateur, du système à étage unique, consommant beaucoup d'énergie et qui refroidirait l'air jusqu'a 580F (14,440C) au thermomètre sec et 550F (12,78 C) au thermomètre humide. I1 a été relevé qu'en raison de l'efficacité propre du présent système, on peut obtenir un refroidissement net sensible de l'air sous un débit par minute inférieur a 400 pieds-cube (11,2 m ) par minute et par tonne de réfrigération (1 tonne de réfrigération correspondant à l'absorption de 50 000 calorie/min.), au lieu de 400 a 500 (11,2 à 14 m ) avec les installations de réfrigération normalisées et de 1 000 (28 m ) dans le cas des réfrigérateurs a évaporation du type ordinaire à étage unique. A titre de comparaison le diagramme de fig. 3 illustre la position des points A', B', C', D' et E' en supposant un rendement de 100 z dans les divers échangeurs de chaleur. On peut ainsi voir à quel point le présent système se rapproche de ce qu'on pourrait ainsi obtenir avec des échangeurs parfaits. Bien que le système suivant l'invention tel qu'on vient de la décrire soit a préférer en raison de son efficacité maximale, on comprend que diverses modifications peuvent y etre apportées. Ainsi par exemple l'évaporateur d'une unité de réfrigération 52 pourrait s'utiliser en aval du quatrième étage 38 aux cas où les conditions rencontrées exigeraient encore un abaissement de la température au thermomètre sec. Dans certains cas le système suivant l'invention peut être arrangé de façon telle que l'échangeur 33 se trouve en aval de l'échangeur 18 et non plus en amont comme en fig. 1. On peut encore envisager que dans certaines situations le système puisse être simplifié et fonctionner cependant de façon satisfaisante, en éliminant soit l'échangeur 18 (auquel cas la pompe. 15 recycle simplement l'eau à travers le milieu 21), soit l'échangeur 33. Un système ainsi simplifié peut s'utiliser avec l'évaporateur d'un dispositif classique de refroidissement par réfrigération 52. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. - REVENDICATIONS 1. Procédé pour refroidir un premier courant d'air, caractérisé en ce qu'il comprend les phases opératoires ci-après - on fait passer ce courant d'air (entrant par 22) dans un premier échangeur (33) en échange de chaleur avec un second courant d'air (entrant par 26) qui traverse une première masse d'eau (14) en circulation avec recyclage (14, 15) et que ce second courant d'air refroidit par évaporation - on fait passer le premier courant d'air dans un second échangeur (44) en échange de chaleur, mais sans contact mutuel, avec une seconde masse d'eau (40) en circulation avec recyclage (40, 41), refroidie par évaporation en aval de cet échangeur par ledit premier courant d'air - et l'on fait enfin passer ce premier courant d'air en contact d'échange de chaleur direct dans un troisième échangeur de chaleur (47) traversé par ladite seconde masse d'eau (40) refroidie par évaporation. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait passer le premier courant d'air (entrant par 22) dans un quatrième échangeur de chaleur (15) en relation, mais sans contact mutuel, avec la première masse d'eau (14)en circulation avec recyclage, après que ledit premier courant d'air ait traversé le premier échangeur de chaleur (33). 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications let 2, caractérisé en ce qu'on fait passer le premier courant d'air (entrant par 22) en échange de chaleur avec l'évaporateur (52) d'un système de réfrigération après son passage dans le troisième échangeur de chaleur (47) précité. 4. Procédé pour refroidir un premier courant d'air, caractérisé en ce qu'il comprend les phases opératoires suivantes - on fait passer ce courant d'air (entrant par 22) dans un premier échangeur (t8) en échange de chaleur, mais sans contact mutuel, avec une première masse d'eau (14) en circulation avec recyclage et mon se condcourant d'air refroidit par évaporation - on fait passer le premier courant d'air dans un second échangeur (44) en échange de chaleur, mais sans contact, avec une seconde masse d'eau (40) en circulation avec recyclage, refroidie par évaporation en aval par ce premier courant d'air - et l'on fait passer le premier courant d'air en contact d'échange de chaleur direct dans un troisième échangeur (47) traversé par la seconde masse d'eau (40) refroidie par évaporation. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on fait passer le premier et le second courant d'air (entrant par 22 et 26) dans un quatrième échangeur (33) en échange de chaleur indirect l'un avec l'autre avant que le premier ne traverse le second échangeur (18). 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le quatrième échangeur (33) est prévu en amont du premier (18). 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'on fait passer le premier courant d'air (entrant par 22) en échange de chaleur avec l'évaporateur (52) d'un système de réfrigération après son passage dans le troisième échangeur de chaleur (47). 8. Appareil de conditionnement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison les éléments suivants dont certains au moins sont connus soit à l'état isolé, soit dans des combinaisons différentes de celle ci-après - une première masse (14) d'eau refroidie par évaporation - un premier échangeur de chaleur (33) - un premier courant d'air (entrant par 22) traversant ce premier échangeur {33) - un second courant d'air (entrant par 26) refroidi par la première masse d'eau (14) précitée et qui traverse ce premier échangeur (33), mais sans se trouver en contact avec le premier courant d'air - un second échangeur de chaleur (44) comportant un système de canalisation (45, 44, 42) dans lequel coule une seconde masse d'eau (40) - des moyens pour faire passer cette seconde masse d'eau (40) sur une zone superficielle étendue (47), puis pour la recycler dans ladite canalisation (45, 44, 42) - des moyens (51) pour faire passer le premier courant d'air dans le second échangeur (44) en échange de chaleur avec ladite canalisation - et des moyens t49) pour faire passer le premier courant d'air dans un troisième échangeur de chaleur (47) englobant ladite zone superficielle étendue de la seconde masse d'eau (40). 9. Appareil de conditionnement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison les éléments suivants dont certains au moins sont connus soit à l'état isolé, soit dans des combinaisons différentes de celle ci-après - un premier échangeur de chaleur (18) comprenant une première canalisation (16, 17, 19) dans laquelle coule une première masse d'eau (14) - des moyens (20, 15) pour faire passer cette première masse d'eau sur une première zone superficielle étendue (21) et pour la recycler dans la première canalisation de ce premier échangeur - des moyens (51) pour faire passer un premier courant dgair (entrant par 22) dans le premier échangeur (18) en échange de chaleur avec la première canalisation (16, 17, 19) - des moyens (28, 29) pour faire passer un second courant d'air (entrant par 26) sur la zone superficielle étendue (21) de la première masse d'eau (14) ; - un second échangeur de chaleur (44) comportant une seconde canalisation (42, 43, 45) dans laquelle coule une seconde masse d'eau (40) ; - des moyens (41, 43, 45) pour faire passer cette seconde masse d'eau sur une seconde zone superficielle étendue (47), puis pour la recycler dans la seconde canalisation - des moyens (52) pour faire passer le premier courant d'air dans le second échangeur (44) en échange de chaleur avec la seconde canalisation - et des moyens (49) pour faire passer le premier courant d'air sur un troisième échangeur de chaleur (47) englobant la zone superficielle étendue de la seconde masse d'eau (40). 10. Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un quatrième échangeur de chaleur (33) qui reçoit le premier courant d'air (entrant par 22) du premier échangeur et le second à partir de la première masse d'eau (14), pour les mettre en échange de chaleur l'un avec l'autre. 11. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un système de réfrigération avec évaporateur (52) et des moyens (50) pour faire passer le courant d'air provenant de la seconde masse d'eau en échange de chaleur avec ce système. 12. Système suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le premier et le second échangeur de chaleur (18, 44) comprennent des serpentins à ailettes, tandis que la première et la seconde zone superficielle étendue (21, 47) sont constituées par des tampons saturés d'eau.