Brevet FR2576399A1 — publié le 19860725

PROCEDE DE CONDITIONNEMENT D'ATMOSPHERE ET CLIMATISEUR METTANT EN OEUVRE LE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de conditionnement d'atmosphère. Elle concerne aussi un climatiseur mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Elle trouve application dans le contrôle d'environnement notamment en climatisation aéronautique ou de véhicules. Dans l'art antérieur du cycle à air, on sait réaliser des clima- tiseurs qui comportent un compresseur qui aspire de l'atmosphère extérieure pour la refouler sur un échangeur capable d'abaisser sa température tout en gardant sa pression aux pertes de charge près. L'atmosphère refroidie subit un refroidissement supplémentaire par détente dans une roue de turbine qui refoule dans une enceinte à climatiser. Cette succession d'opérations thermodynamiques en- traîne l'apparition d'eau liquide, produit de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air à l'entrée du compresseur. Les vannes d'accès de l'enceinte à climatiser peuvent ainsi être ob- struées par du givre. Pour porter remède à cet inconvénient, l'art antérieur a déjà proposé d'utiliser un extracteur d'eau placé entre l'échangeur et la turbine de détente ou entre la turbine de détente et l'enceinte à climatiser. D'autres systèmes combinent ces deux arrangements. La technique d'extraction consiste cependant en une seule collation de l'eau liquide dans l'échangeur. L'invention est un perfectionnement notable à ces techniques par extraction d'eau. En effet, l'invention concerne un procédé de conditionnement d'atmosphère d'une enceinte, procédé du genre consistant à com- primer de l'atmosphère extérieure, à la refroidir dans un échangeur et enfin à la détendre. Le procédé se caractérise principalement par le fait qu'on réalise une dessiccation de l'atmosphère sortie de l'échangeur avant sa détente afin de limiter le taux de vapeur humide dans l'atmosphère détendue. L'invention concerne aussi un climatiseur mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Un tel climatiseur comporte notamment au moins un compresseur, au moins un échangeur, au moins une turbine de détente et un dessiccateur entre la sortie de l'échangeur et l'entrée de la turbine de détente. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à l'aide de la description et des figures annexées qui sont: - la figure I un schéma général d'un climatiseur selon l'art antérieur, - la figure 2 un schéma de principe d'un climatiseur selon l'invention, - la figure 3 un schéma d'une partie d'un climatiseur selon une variante exécution de l'invention, - la figure 4 le schéma d'une partie d'un climatiseur selon une variante de l'invention, - la figure 5 un mode de réalisation particulier d'un composant d'un climatiseur selon l'invention. A la figure I on a représenté un climatiseur selon l'art antérieur. L'atmosphère extérieure, comme de l'air atmosphérique par exemple, entre par une canalisation d'accès 1 dans un compres- seur 2. Le compresseur comporte un arbre Il motorisé qui élève la pression et la température de l'air aspiré. La sortie 3 du compres- seur 2 est fournie à l'entrée d'un échangeur 4. L'échangeur 4 reçoit un fluide frigorigène qui élimine les calories transportées par le flux entrant 3. Le fluide frigorigène est transmis d'une pipe d'entrée 5 à une pipe de sortie 6. La canalisation 7 de sortie de l'échangeur est fournie à une turbine de détente 8 dont l'arbre moteur 12 peut être commun avec celui du compresseur 2. La sortie de la turbine 8 est fournie à l'enceinte à climatiser à travers un séparateur d'eau non représenté. A la figure 2 on a représenté un premier mode de réalisation selon l'invention. Selon le schéma, un premier compresseur 21 aspire en 20 l'air extérieur ou de l'air préalablement comprimé et le fournit par une canalisation 22 à l'échangeur 23. L'air préalablement com- primé puis refroidi dans l'échangeur 23 est fourni à un extracteur d'eau 25 qui prélève l'eau de condensation en phase liquide issue de l'échangeur 23. L'air traverse ensuite un dessiccateur 26 qui absorbe lI'eau non extraite en phase liquide et une partie de l'eau en phase vapeur. Un dessiccateur convenable pour l'invention peut être du genre à tamis moléculaire. La sortie,du dessiccateur est fournie à l'entrée de la turbine de détente 28. La sortie de la turbine de détente 28 est connectée à l'enceinte 30 à climatiser. La circulation de fluide frigorigène dans l'échangeur 23 peut être assurée par un ventilateur ou une pompe qui peut être montée sur le même arbre 35 que le compresseur 21 et la turbine 28. Dans un mode de réalisation de l'invention, un ventilateur 33 permet d'aspirer de l'air vicié dans l'enceinte 30 pour le rejeter vers l'extérieur. Pour cela, la canalisation d'entrée du ventilateur 33 est connectée à une canalisation 31 de sortie de l'enceinte à climatiser 30. Cette canalisation 3i sert, après mélange 31a avec de l'air extérieur, à refroidir l'échangeur 23. Elle est donc fournie à l'entrée frigorigène de l'échangeur 23 dont la sortie 32 est alors connectée à l'entrée du ventilateur 33. Le ventilateur 33 rejette l'air vicié 34. Les trois unités 21, 28 et 33 sont motorisés par un arbre unique 35. On constate que l'enthalpie à la sortie de l'échangeur 23 est notablemment diminuée sans perte supplémentaire dans le cycle. On a constaté aussi que le dessiccateur 26 et l'échangeur 23 fournissent un gain important d'enthalpie par unité d'air pompé par rapport au schéma classique tout en assurant l'abaissement de teneur en vapeur d'eau. Cette différence d'enthalpie est rejetée à l'air ambiant extérieur par l'échangeur 23. La perte de charge supplémentaire à l'entrée de la turbine 28 est compensée dans l'invention par la suppression de la perte dûe au séparateur d'eau qui est classi- quement disposé en aval. Ce séparateur d'eau selon l'art antérieur était généralement disposé entre la turbine de détente 8 et l'en- ceinte 10 de la figure 1 Il permettait d'éviter la formation rapide de givre à l'entrée de l'enceinte à climatiser. On constate ainsi que l'enthalpie de sortie est plus basse et que la puissance frigorifique est augmentée. Pour une puissance frigorifique donnée, la chute d'enthalpie à la turbine peut être diminuée par réduction de la puissance mécanique fournie au système. A la figure 3 on a représenté une variante de l'invention représentée à la figure 1. Dans cette variante l'extracteur d'eau 25 permet par des canalisations 45, de prélever du liquide de conden- sation que l'on projette par des pulvérisateurs 41, 46 dans les pipes d'entrée 42 ou 47 d'échangeurs 23 ou 49. A l'échangeur 23 le pulvérisateur 41 permet d'extraire des calories du flux d'air entrant dans l'échangeur 23. Dans l'installation selon l'invention représentée à la figure 3, on a rajouté un second échangeur 49 à la sortie du dessiccateur 26. Les entrées de refroidissement des deux échangeurs 23 et 49, qui sont les entrées 42 et 47, sont connectées ensemble à la pipe 31 de mélange d'air vicié de l'enceinte à climatiser 30 et d'air extérieur fourni par une pipe 31a. De même, les sorties 43, 48 de ces deux échangeurs sont connectées ensemble à la canalisation 32 qui va vers le ventilateur d'aspiration. Les flux de refroidissement tra- versant les échangeurs suivent donc deux chemins parallèles. L'invention permet d'extraire l'eau contenue dans l'atmosphère soufflée dans l'enceinte suivant une méthode différente de l'art antérieur et bien supérieure en performances. Une mesure de la performance peut être qu'à conditions égales de pression, température et débit à la sortie des échangeurs 4 ou 26, l'enthalpie du mélange eau-air contenu dans l'atmosphère soufflée dans l'enceinte soit le plus bas possible pour extraire le plus de chaleur possible de l'enceinte à température égale. - L'évolution des pressions et enthalpies dans un cas courant est indiqué dans un tableau ci-après. Le tableau permet de comparer cette évolution pour un certain nombre de paramètres concernant des organes de la figure I pour Part antérieur et de la figure 3 pour l'invention. Les références de ces organes sont rappelées. Dans le tableau, on a utilisé mb pour millibar comme sous multiple de l'unité de pression, g/kg comme pour gramme de vapeur d'eau par kilogramme d'air humide comme mesure de la teneur en vapeur d'eau, KJ/kg pour kilojoules par kilogrammes comme unité d'enthalpie et C pour l'unité de température. Para màtres Ré. Art Paramètres. Antérieur Réf. Invention Antérieur Pression entrée 8 4 000 mb 28 3 800 mb turbine Température entrée 8 48 C 28 48 C turbine Teneur en vapeur 8 18g/kg 28 6g/kg d'eau à l'entrée de Enthalpie entrée 8 93 KJ/kg 28 64K3/kg turbine Pression sortie turbine 8 1 150 mb 28 I 050 mb Chute d'enthalpie dans 8 77 KJ/kg 28 79 KJ/kg la zone Enthalpie à l'entrée de 10 16 KJ/kg 30 -15 K3J/k l'enceinte Enthalpie à la sortie de10 39 K3/kg 30 39 KJ/kg l'enceinte Capacité de réfri- 23 KJ/kg 54 KJ /kg gération La capacité de réfrigération est doublée par l'invention pour une même dépense d'énergie. Un problème particulier d'utilisation d'un dessiccateur provient du fait que le dessiccateur est utilisé en adsorption. Il faut donc le regénérer périodiquement en fonction de la charge qu'il dessèche. La regénération d'un dessiccateur par exemple du genre à tamis molé- culaires est la plupart du temps réalisée par un échauffement. Pour réaliser une telle fonction différents moyens, comme une résistance chauffante, sont envisagés dans l'art antérieur de la dessication. Afin de ne pas diminuer le bilan énergétique, la présente invention propose une disposition particulièrement avantageuse à la figure 4. Selon ce mode de réalisation, le dessiccateur est constitué par un organe 50 comportant deux parties dessiccatrices 51 et 55. Ce système dessiccateur 50 est interposé entre l'échangeur 23 et le compresseur d'une part entre l'échangeur 23 et la turbine de détente d'autre part. Sur -la canalisation d'entrée 22 de l'échangeur, on place la partie dessiccatrice 51 en regénération. En effet, la partie dessiccatrice 55 qui est connectée en sortie de l'échangeur, est traversée par une atmosphère plus froide que l'atmosphère échauf- fée par la compression traversant la partie 51 en regénération. On conçoit qu'il puisse alors se produire une vaporisation de l'humidité contenue par adsorption dans le dessiccateur 51. L'eau vaporisée ajoutée à l'humidité de l'air à refroidir est condensée ensuite dans l'échangeur 23 et extraite par un extracteur d'eau 25. On peut regénérer ainsi la partie dessiccatrice 51 pendant que la partie dessiccatrice 55 fonctionne en adsorption puis intervertir les rôles de 51 et 55. On a représenté aussi un moyen pour éviter le givrage des dessiccateurs 51 ou 55. Pour réaliser ce dégivrage, on a proposé de disposer une vanne qui réinjecte, périodiquement ou sur commande d'un opérateur, le flux d'air de sortie d'un dessiccateur. A la figure 5 on a représenté un mode de réalisation d'un dispositif dessiccateur selon la figure 4. Un tel dispositif comporte un moteur 60 destiné à actionner un tambour 62 contenant le dessiccateur. Le tambour 62 est contenu dans une cuve 61. La cuve 61 est fermée par un chapeau 63 qui comporte deux tubulures 68 et 69 qui correspondent axialement aux tubulures 70 et 71 en prove- nance, la première 71 du premier compresseur, la seconde 70 fournissant un flux d'atmosphère séchée vers l'échangeur numéro deux. Sur le trajet aller entrant par la canalisation 71 le flux d'atmosphère rencontre une partie 67 du dessiccateur en cours de regénération tandis que ce flux part vers l'entrée du premier échangeur par la sortie 68. La sortie du premier échangeur est connectée à l'entrée 69 qui fournit un flux d'atmosphère à la partie 66 en adsorption du dessiccateur. La sortie de la partie en adsorp- tion du dessiccateur est en relation avec la pipe 70 de sortie du dispositif de dessiccation. La cuve et le chapeau de cuve comporte des cloisons 72 à 75 qui permettent d'isoler les flux d'atmosphère traversant le dessic- cateur. Dans un exemple de réalisation préféré le tambour de dessiccation comporte six secteurs ou sections angulairement ré- partis sur 360 . Deux des secteurs sont associés à la partie 66 en adsorption tandis que quatre secteurs sont associés à la partie 67 en regénération. Les cloisons 72 et 73 du fond de la cuve 61 sont donc disposées séparées de 120 en regard de la partie en adsorption tandis que les parois 73 et 75 du chapeau répètent cette disposition au-dessus de la partie en adsorption. Dans une variante non représentée aux figures, on ajoute un extracteur de liquide de condensation à la sortie de l'échangeur 49. Le liquide recueillie comme de l'eau, dans le cas habituel de l'air atmosphérique, est prélevé et renvoyé dans le réseau de pulvéri- sation 45. Dans une variante, le dessiccateur est contenu dans deux récipients fixes et le passage en position dessiccateur et régénération se fait par un jeu de vannes faisant travailler chaque récipient alternativement suivant les deux modes. On dispose ainsi de la possibilité de faire un travail en adsorption ou en régénération. Le travail de régénération peut être exécuté par utilisation d'air chaud du circuit décrit ci-dessus ou d'air chaud ou d'un autre flux con- venable provenant d'un appareil de régénération. On remarque que, comme selon le mode de réalisation de la figure 5, la durée de régénération peut être plus longue que celle d'adsorption, selon les conditions d'utilisation. La motorisation per- met ainsi d'amener chaque section du tambour successivement dans une zone de régénération, d'autres sections travaillant en adsorption dans la zone complémentaire d'adsorption, l'ensemble cuve et cha- peau créant par les cloisons 72 - 75 cette répartition en deux zones. Dans un mode de réalisation cette répartition peut être commandée en cours de travail par articulation des deux couples de cloisons. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N9 S 1. Procédé de conditionnement d'atmosphère d'une enceinte, procédé du genre consistant à comprimer (2) de l'atmosphère exté- rieure (1), à la refroidir dans un échangeur (4) et enfin à la détendre avec travail (8) pour la refouler dans l'enceinte (10), caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une dessiccation de l'atmosphère sortie de l'échangeur (4) avant sa détente (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer une partie du dessiccateur en reégénération dans le flux d'atmosphère chaude issue de la sortie du moyen de com- pression, tandis que l'autre partie du dessiccateur travaille en adsorption. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, après l'opération de régénération à condenser dans l'échan- geur (23) l'eau vaporisée par la régénération et accessoirement pour la pulvériser sur l'échangeur afin d'augmenter le pouvoir frigorifique de celui-ci. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste après l'opération de dessiccation à réaliser un refroidis- sement du flux séché par le moyen d'un échangeur (26). 5. Procédé selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce les échangeurs (23 ou 26) sont refroidis par le liquide de conden- sation recueilli avant l'opération de dessiccation, par pulvérisation dans le flux de refroidissement. 6. Dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dessiccateur disposé entre la sortie de l'échangeur (23) et l'entrée de la turbine (28). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que on interpose un extracteur (25) de liquide de condensation de l'échan- geur (23). 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte à la sortie du dessiccateur (50) un échangeur (49) destiné à abaisser la température du flux d'atmosphère à climatiser avant sa détente dans la turbine (28). ' 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les échangeurs (23 ou 49) reçoivent comme fluide de refroidissement une partie de l'atmosphère viciée de l'enceinte (20) climatisée, cette atmosphère étant aspirée par un ventilateur (33) et éventuellement mélangée (31a) à de l'atmosphère extérieure. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un extracteur de liquide de condensation disposé entre l'échangeur (49) etla turbine (28). 11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le liquide de condensation issu des extracteurs (comme 25) est pulvé- risé pour refroidir les échangeurs (23 ou 49). 12. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dessiccateur (50) comporte deux parties dessicatrices (51, 55) alter- nativement en travail d'adsorption et en travail de régénération. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, chaque partie dessicatrice (51 ou 55) est disposée en travail d'ad- sorption ou de régénération par action d'un jeu de vannes. 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dessiccateur comporte un tambour (62) mobile sur un axe, corn- portant des secteurs cycliquement disposés en adsorption (66) puis en régénération (66). 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le tambour est disposé dans une cuve(61) et un chapeau(63) à l'intérieur desquels il tourne pour présenter cycliquement chacune de ses sections dans une zone de régénération (67) ou en adsorp- tion (66), les deux zones étant limitées par des cloisons (72 - 75) et recevant des canalisations (68 - 72) de flux convenable. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le tambour (62) est motorisé (60) à travers (64, 65) la cuve (61) de façon à amener successivement chaque section du tambour dans la zone de régénération. 17. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que pour éviter la formation de givre dans les dessiccateurs, on dispose sur chaque dessiccateur une vanne pour réinjecter périodiquement ou à la demande du flux de sortie du dessiccateur.