Brevet FR2670275A1 — publié le 19920612

PREPARATEUR D'AIR DE REFROIDISSEMENT POUR MATERIELS ELECTRONIQUES La présente invention concerne un dispositif destiné à maintenir à des conditions de température et d'hygrométrie relative acceptables, l'air utilisé pour la ventilation et le refroidissement de matériels électroniques de puissance ( onduleurs, émetteurs, redresseurs...) Pour assurer leur fonctionnement, les matériels électroniques tels que ceux précités, nécessitent une ventilation spécifique de leurs organes sensibles dans laquelle ils rejettent les calories produites par leur fonctionnement. Pour une évacuation correcte des calories, la température de ce flux d'air ne doit pas dépasser certaines limites ( en général 27 à 28 C); par ailleurs, une hygrométrie excessive de cet air centaine condensations, oxydations et vieillissement prématuré des matériels ventilés, il est généralement admis une hygrométrie relative ne dépassant pas 80 à 85%. L'appareil objet de l'invention a pour rôle le maintien en deçà des maximum de température et d'hygrométrie relative (28'C; 80% HR) du flux d'air utilisé pour la ventilation des matériels électroniques. Cet appareil prend uniquement à l'extérieur l'air de ventilation; il est capable, grâce à deux circuits thermodynamiques, de refroidir, déshumidifier voire refroidir et déshumidifier simultanément ce flux d'air. Le préparateur d'air de refroidissement se présente sous la forme d'une armoire de traitement d' air à flux vertical inversé; l'aspiration de l'air extérieur s'effectuant par la partie supérieure et le soufflage par la partie inférieure de l'armoire; ceci afin d'approvisionner en air traité le vide sous plancher du local technique utilisé comme plénum de soufflage pour conduire l'air vers les matériels électroniques. La figure t représente le schéma de principe du préparateur d'air dans son installation. L'air est pris directement à l'extérieur par l'intermédiaire d'une grille pare-pluie (2); il franchit ensuite un filtre (3). Trois échangeurs et un volet (16) s'offrent alors au flux d'air filtré: deux évaporateurs (4) et (5) et un condenseur (6). Evaporateurs, condenseur et volet ont, à leur débit nominal déterminé par le calcul, les mêmes pertes de charge aérauliques. Deux compresseurs (tel) et (12) activent chacun un circuit frigorifique. Deux ventilateurs (7) et (8) insufflent l'air sous le plancher technique (9), cet air pénètre ensuite dans l'enceinte technique par les bouches de soufflage (10) assurant la ventilation des matériels électroniques (1). L'air échauffé est ensuite rejeté à l'extérieur au moyen de deux ventilateurs (13) et (14). Le système frigorifique est également doté d'un condenseur extérieur (15) à deux circuits frigorifiques.Ce condenseur peut être utilisé simultanément par les deux compresseurs (11) et- (12); cependant l'un des compresseurs peut aussi lui substituer le condenseur intérieur (6) placé dans le fïux d'air traité, passant ainsi d'un fonctionnement en réfrigération à un fonctionnement en déshumidification La figure 2 décrit le fonctionnement frigorifique du préparateur d'air. Le compresseur frigorifique (12) est en mesure de refroidir l'air qui traverse l'évaporateur (5) en assurant sa condensation dans le condenseur extérieur à deux circuits (15).De la même manière le compresseur frigorifique (il) est en mesure de refroidir l'air qui traverse l'évaporateur (4); mais par le jeu de l'électrovanne normalement ouverte (17) et de l'électrovanne normalement fermée (18), les gaz de refoulement peuvent être déviés vers le condenseur intérieur (6), dans ces conditions, ce circuit frigorifique effectue de la déshumidification. Les détendeurs thermostatiques (20) assurent l'alimentation en fluide frigorigène des évaporateurs. Les clapets de retenue (19) évitent tout retour indésirable de fluide dans les condenseurs (6) ou (15). La vanne de régulation de pression d'évaporation (21) prévient tout risque de givrage de l'évaporateur (4) lors de son fonctionnement en déshumidifi cati on. Les systèmes frigorifiques ne sont sollicités que si la température extérieure est supérieure à 28"C ou si l'hygrométrie est supérieure à 80% avec une température d'au moins 15 C; soit 10 à 15% du temps. Lorsque la température extérieure est inférieure à 15G, la régulation s'éffectue sur l'apport d'air extérieur en mettant en service ou non les ventilateurs, cette disposition prévient en même temps l'excès d'humidité. Si la température intérieure s'abaisse en deçà de 20 C (matériels électroniques arrêtés par exemple) alors les ventilateurs sont stoppés et la régulation s'effectue par le radiateur électrique (17). EXEMPLE DE DETERMINATION Soit un appareillage électronique qui utilise pour son refroidissement un circuit d'air de 6500 m3/h dans lequel il rejette 22kW (ce qui correspond à une élévation de 10K de la température de l'air). La température de l'air de refroidissement est acceptable jusqu'à 28 C, la température extérieure peut atteindre 36-C avec une hygrométrie de 35X. Le débit total de 650Om/h va se répartir sur les quatre éléments du préparateur d'air de la façon suivante: - 1750m/h sur chaque évaporateur . 2500m3/h sur le condenseur . 500m3 /h sur le volet afin de pouvoir affiner l'équilibrage aéraulique. L'appareil doit permettre un abaissement de 36-28=8K de la température de l'air traité. L'abaissement de la température de l'air traversant les évaporateurs doit donc être de: 8X65O0/3500=14,SK; soit 15K. Pour un rendement frigorifique maximum on déterminera évaporateurs et compresseurs pour un fonctionnement à une température d'évaporation du fluide frigorigène de 10 C pour des conditions d'entrée d'air de 36C; 35%HR. Les évaporateurs déterminés avec les moyens informatiques d'un constructeur français donnent une sortie d'air à 21'C; 66%HR; la puissance frigorifique de chacun étant 12,1kW. Les compresseurs frigorifiques satisfaisant ce fonctionnement ont une puissance électrique unitaire de 3,5kW. En fonctionnement les deux compresseurs provoqueront un abaissement de la température du flux d'air de 6500m3/h de 8K. Lors du fonctionnement d'un seul compresseur, l'abaissement sera approximativement de 4K. En déshumidification, il conviendra, grâce aux moyens informatiques du constructeur de déterminer les caractéristiques de l'évaporateur aux cas limites de fonctionnement. Ces cas limites sont: Le cas où le circuit devra fonctionner en déshumidification (soit 80%HR) avec la température la plus élevée (soit 25eC pour les sites les plus humides en France). Ce qui correspond à un poids d'eau de 16gXkg d'air. Le cas où le circuit devra fonctionner en déshumidification avec la température la plus basse soit 15C puisqu'en deçà de cette température extérieure, il suffira d'élever la température ambiante de 4K (soit en réglant sur la ventilation, soit en activant le radiateur électrique) pour obtenir un abaissement de 20% de l'hygrométrie relative. Les calculs suivants sont établis à l'aide du diagramme psychometrique Pour 25 C; 80%HR les conditions de sortie de l'air de l'évaporateur sont: 15'C; 97%HR pour une température d'évaporation de 10 C. Le poids d'eau condensée est de: 16-10,4=5,6g/kg d'air traité soit: 1750/0,845X516=11600g d'eau sur le débit d'air total (avec 0,845=masse volumique de l'air). La puissance frigorifique latente est de 6960W La puissance frigorifique sensible est de 6640W La puissance calorifique rejetée au condenseur intérieur est de 16750W (donnée par le constructeur du compresseur). L'équilibre thermique s'établit donc à: 16750-6640=10110W. Dans ces conditions de fonctionnement, le système apporte une puissance calorifique de 10110W. I1 sera donc nécessaire de faire fonctionner le deuxième circuit pour compenser cet apport. Celui-ci condensera le même poids d'eau mais apportera 6640W de froid sensible supplémentaire. L'équilibre thermique s'établira alors à 10110-6640=3470W ce qui correspond à une augmentation de température de 3470/6500/0,34=1,6K. La température de l'air à la sortie de l'appareil sera de 25+1,6=26,6 C et son humidité absolue sera diminué de 11600x2=23200g soit 23200/6500/0,845=4, 2g/kg d'air. Les conditions d'hygrométrie absolue à la sortie de l'appareil sont de 16-4,2=11,8g/kg soit pour une température de 26,6 C; une hygrométrie relative de 53%. Si, dans ces conditions, on effectuait la déshumidification avec un compresseur sans activer le second en réfrigération, on aurait une élévation de température à la sortie de l'appareil de 10110/6500/0,34=4,6K; cette disposition n'est donc acceptable, pour respecter le maximum de 28 C, que jusqu'à une température extérieure de 28-4,6=23,4 C soit 23 C. A cette température, le fonctionnement d'un seul compresseur en déshumidification donne: Entrée 23'C; 80XHR . Sortie 12,5 C; 98%HR Puissance frigorifique totale 12300W . Température d'évaporation: 7 C La quantité d'eau condensée est de: 13,1-8,8=4,3g/kg d'air soit 4,3X1750/0,845=8900g .La puissance frigorifique latente est de 5340W La puissance frigorifique sensible est de 6960 La puissance rejetée au condenseur est de 14300W Les conditions de l'air à la sortie de l'appareil sont: . Equilibre thermique: 14300-6960=7340W . Humidité absolue: 13,1-(8900/6500/0,845)=11,5g/kg . Température: 22+(7340/6500/0,34)=25,3 C Soit: 25,3 C; 57%HR L'action d'un seul compresseur, en déshumidification, du préparateur d'air a fait baisser l'hygrométrie relative de 80 à 57% soit 23%. Dans tous les cas ces 23% sont suffisants puisque l'hygrométrie acceptée est de l'ordre de 80 à 85%. Le dispositif doit pouvoir fonctionner jusqu'à 15 C; 80%HR. A ces conditions là, l'évaporateur donne: . Entrée 15 C; 80%HR . Sortie 6 C; 99%HR . Puissance frigorifique totale 8900W . Température d'évaporation 1 C La quantité d'eau condensée est de 8,5-5,7=2,8gXkg soit 2,8x1750/0,845=5800g. . La puissance frigorifique latente est de 3480W . Lapuissance frigorifique sensible est de 5420W . La puissance rejetée au condenseur est de 11500W Les conditions de l'air à la sortie de l'appareil sont: . Equilibre thermique: 11500-5420=6080W . Humidité absolue: 8,5-(5800/6500/0,845)=7,44g/kg d'air . Température: 15+(6080/6500/0,34)=17,8 C Soit 17,8 C; 58%HR Là encore l'abaissement de l'hygrométrie relative est de 80-58=22%. Le fonctionnement du cycle frigorifique est correct puisque la température d'évaporation reste positive, de toutes façons, une vanne à pression constante préviendra tout risque de givrage. L'obtention d'autres conditions thermiques ou hygrométriques du flux d'air peut conduire à l'adoption de circuits frigorifiques non identiques. Le logigramme suivant établit le fonctionnement des éléments du préparateur d'air pour l'éventail des conditions climatiques extérieures. * Logigramme de fonctionnement * appareil maintenant une température circuit frigo circuit ventilateur ventilateur température hygrométrie température n 1 frigo introducteur extracteur observations extérieure extérieure intérieure n 2 C % C déshu. réfrig. réfrig. n 1 n 2 n 1 n 2 36 > t > 32 / x x x x x x 2 circuits en réfrigération 32 > t > 28 / x x x x x 1 circuit en réfrigération 28 > t > 15 H 80 x x x x ventilation seule 25 > t > 23 H > 80 x x x x x x 1 circuit en déshu,1 en réfri 23 > t > 15 H > 80 x x x x x 1 circuit en déshumidification t 15 / t > 28 x x x x ventilation 2 allure t 15 / t > 25 x x ventilation 1 allure t 15 / t 20 arrêt ventilation,régulation sur radiateur électrique REVENDICATIONS 1- Préparateur d'air de ventilation, pour matériels électroniques ou électriques, s'interposant sur l'admission d'air extérieur caractérisé en ce qu'il est constitué de deux évaporateurs (4) et (5), d'un condenseur (6)-et d'un volet (16) placés de front dans le flux d'air à traiter agencés de façon à n'être traversés que par une partie déterminée dudit flux d'air d'une part, et d'un condenseur à air à deux circuits frigorifiques (15) placé en atrnos- pinière extérieure d'autre part et de moyens (11, 12, 17, 18, 19) destinés, pour l'un des circuits rrigorifiques, à orienter le fluide frigorigène comprimé, sélectivement sur le condenseur extérieur (15) ou sur le condenseur intérieur (6). 2- Préparateur d'air de ventilation selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'évaporateur de déshumidification (4) et le condenseur intérieur (6) sont placés en série dans le flux d'air (Fig 3). 3- Préparateur d'air de ventilation selon la revendication 1 caractérisé en ce que le condenseur intérieur (6) est placé en série dans le flux d'air avec les deux évaporateurs (4) et (5) Fig 4.