Brevet FR2675247A1 — publié le 19921016

PROCEDE DE DESHUXIDIFICATION DE L'AIR ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne un procédé de déshumidification de l'air et le dispositif de mise en oeuvre du procédé. Il est connu dans les procédés de déshumidification de gaz ou d'air à la pression atmosphérique, de refroidir l'air jusqu'au point de rosée en fournissant la chaleur sensible nécessaire à l'abaissement de température et la chaleur latente nécessaire à la condensation. Ensuite le liquide est séparé du gaz et purgé. Ce procédé, appliqué dans la déshumidification de l'air conditionné ou sous pression, présente l'inconvénient de consommer énormément d'énergie et de ne pas pouvoir être appliqué en dessous de zéro degré celsius. Dans l'art antérieur, pour la déshumidification de l'air au-dessous de zéro degré celsius, on applique des techniques chimiques. Un premier but de l'invention est donc de proposer un nouveau procédé de déshumidification économe en énergie. Ce but est atteint par le fait que le procédé de déshumidification des gaz comprend les étapes suivantes - circulation de l'air dans un échangeur pour mise en contact de l'air avec des parois froides de l'échangeur de façon que l'écoulement de l'air soit laminaire et subisse une pluralité de changements de direction. - récupération et évacuation de l'eau condensée sur les parois froides. Selon une autre particularité, l'écoulement de l'air à une vitesse voisine ou inférieure à lm/s. Un deuxième but est de permettre l'utilisation de ce procédé pour les températures avoisinant ou inférieures à zéro degré celsius. Ce but est atteint par le fait que le procédé de déshumidification de l'air est utilisé dans deux échangeurs imbriqués à parois froides alimentés chacun par un système frigorifique les maintenant à une température inférieure à zéro degré celsius et comprend les étapes suivantes: - circulation de l'air dans un dispositif à double échangeurs pour mise en contact de l'air avec les parois froides des échangeurs placés transversalement au sens de circulation de l'air - mise en dégivrage simultanée du second échangeur imbriqué dans le premier échangeur - alternance de la mise en dégivrage des échangeurs. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de déshumidification pour la mise en oeuvre du procédé. Ce but est atteint par le fait que le dispositif comprend un échangeur comprenant des parois constituant des passages pour l'air et alimenté par un système frigorifique pour refroidir les parois, les passages sont constitués par des chicanes dont le nombre au mètre linéaire est compris entre 20 et 400. Selon une autre particularité, le nombre de chicane au mètre linéaire est compris entre 100 et 200. Selon une autre particularité, l'échangeur est constitué d'un volume de circulation de liquide de refroidissement délimitant un volume cylindrique de circulation de l'air comportant à l'intérieur des parois formant chicane. Selon une autre particularité, les parois forment des chevrons disposés transversalement au sens de circulation de l'air et selon des directions opposées. Selon une autre particularité, l'échangeur est constitué d'un volume cylindrique de circulation de l'air comportant à l'intérieur des parois formant chicane et un tube de refroidissement reliant les parois entre elles. Selon une autre particularité, le volume cylindrique de circulation de l'air est à section circulaire. Selon une autre particularité, le volume cylindrique est à section carrée ou rectangulaire. Selon une autre particularité, le volume cylindrique est à section triangulaire. Selon une autre particularité, les parois formant chicane forment un premier jeu de séparations partielles du volume défini et sont disposées perpendiculairement à l'axe de symétrie du volume et entrelacées avec un second jeu de séparation. Selon une autre particularité, les parois formant chicane forment un premier jeu de séparations partielles du volume défini et sont disposées parallèlement à l'axe de symétrie du volume et entrelacées avec un second jeu de séparation. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de déshumidification permettant soit le fonctionnement à un point de rosée négatif avec fonctionnement alterné, soit à un point de rosée positif sans fonctionnement alterné. Ce but est atteint par le fait que le dispositif de déshumidification mettant en oeuvre le procédé comprend un premier sous-ensemble de parois constituée chacune par une tôle pourvue d'une pluralité de perforations disposées selon une grille, un deuxième sous-ensemble de parois constituée chacune par une tôle pourvue d'une pluralité de perforations disposées selon une deuxième grille de façon que les perforations du deuxième sous-ensemble se trouvent en vis-à-vis des parties pleines des tôles du premier sous-ensemble ; le premier sous-ensemble est imbriqué dans le deuxième sousensemble et disposé tranversalement au sens de circulation de l'air dans une gaine de circulation d'air, chaque sous-ensemble est relié à un évaporateur de fluide frigorigène indépendant. Selon une autre particularité l'évaporateur est constitué d'un faisceau de tubes en contact intime avec chaque tôle. Selon une autre particularité le faisceau de tubes forme des lacets de haut en bas du déshumidificateur. Selon une autre particularité un bac récupérateur est disposé en dessous des sous-ensemble et récupère les condensats de l'évaporateur correspondant. Selon une autre particularité chaque sousensemble est mis alternativement en fonctionnement par alimentation en froid. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un diagramme psychrométrique représentant la différence de dépense d'énergie et les différences de cycle de fonctionnement entre le fonctionnement selon l'art antérieur et celui de l'invention ; - la figure 2 représente une vue en perspective et en coupe partielle d'un dispositif échangeur selon un premier mode de réalisation l'invention ; - la figure 3 représente une vue en perspective et en coupe partielle d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;; - la figure 4 représente une vue en perspective de l'enveloppe externe partiellement coupée d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 5 représente une vue de dessus du dispositif de la figure 4 en coupe selon une ligne étagée passant pour chaque cloison par les ouvertures, la paroi supérieure de l'enveloppe ayant été enlevée - la figure 6 représente une vue latérale du dispositif de la figure 4, en coupe selon une ligne étagée passant pour chaque cloison par les ouvertures, la paroi latérale ayant été enlevée. Dans le diagramme psychrométrique de la figure 1, dans lequel le procédé est comparé au procédé antérieur, l'axe des X représente la température en degrés Celsius du bulbe sec alors que l'axe des Y représente la teneur en grammes d'eau par kilogramme d'air et les courbes (15) représentent les humidités relatives de l'air. Les échelles (16) représentent l'enthalpie en kilo-calorie par kilogramme d'air sec. Lorsque, comme représenté sur la figure 1, on veut abaisser l'humidité d'un volume d'air pour le faire passer d'un point (A) où la teneur en eau est de 10,7 g/kilo d'air à une température de 30 C, pour l'amener à un point (B) où la teneur en eau est de 3g d'eau, on est obligé de fournir au volume d'air l'énergie nécessaire à la condensation de l'eau de façon à abaisser le degré d'humidité. L'énergie ainsi fournie représentée par la droite (13) et correspond à une enthalpie de 12,5 k/calorie. Dans le procédé de l'invention on fait circuler l'air à vitesse très lente le long de parois refroidies, ce qui permet de n'avoir à fournir à l'air que la chaleur latente permettant sa condensation. La fourniture d'énergie correspondant à la chaleur sensible est supprimée car l'air circulant selon un écoulement laminaire, il n'y a pratiquement pas d'échange de chaleur avec la paroi froide et la chaleur sensible à fournir est nulle. Ainsi avec le procédé de l'invention, la circulation de l'air le long d'une paroi froide s'effectue avec une vitesse d'écoulement telle qu'elle forme des écoulements turbulents. La figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de déshumidification. Le dispositif (2) de déshumidification est constitué d'un échangeur formé par un tube (20) à section cylindrique, par exemple, dans lequel une succession de parois (22A, 22B) obturant partiellement le tube jusqu'à une hauteur supérieure au rayon mais inférieure au diamètre sont disposées transversalement par rapport à l'axe de symétrie du tube et de façon à alterner pour que lors de l'ouverture le passage (23A) situé au-dessus de la paroi (22A) soit diamétralement opposé au passage (23B) situé en dessous de la paroi (22B).Les sections des ouvertures et des passages d'écoulement qui peuvent se former entre deux parois successives sont calculées de façon que la relation cébit sur section soit inférieure à 1, débit créé par un système de ventilation ou de compression placé en amont ou en aval de l'échangeur. L'échangeur comprend ainsi une succession de parois (22A, 22B, 22C) disposées à intervalles réguliers et en nombre compris entre 20 et 400. Les parois sont reliées entre elles par au moins un tube (par exemple les deux tubes 21) de section réduite dont l'axe est pratiquement confondu avec l'axe de symétrie ou placé de façon à ce que ce tube vienne traverser chacune des parois alternées. Ces tubes (21) sont alimentés en liquide de refroidissement de façon à refroidir chacune des parois. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l'échangeur dans lequel l'échangeur (3) est constitué d'une enveloppe annulaire (30) de section, par exemple, carrée ou rectangulaire, cette enveloppe (30) définissant deux espaces annulaires (31) dans lesquels circule un liquide de refroidissement (34). Le volume interne (35) à section rectangulaire reçoit sur ses parois définissant l'intérieur de ce volume des cloisons perpendiculaires à l'axe de symétrie de ce cylindre à section rectangulaire. Une succession de cloisons (321, 323, 325, 327) sont disposées adjacentes à un côté de la paroi de ce cylindre (350) alors qu'une autre succession de cloisons (322, 324, 326) sont disposées perpendiculairement à l'autre côté (351) constituant le deuxième sous-ensemble de cloisons de l'enveloppe cylindrique interne (35).Les cloisons (321, 322) sont disposées de façon alternée et de manière à laisser entre leur bord supérieur et la paroi opposée un espace suffisant à la circulation d'une veine d'air dont la section (s) est calculée en fonction du débit. La figure 4 représente une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel deux échangeurs imbriqués (41, 42) sont disposés dans une enveloppe (40) constituant une gaine de canalisation d'air à déshumidifier. Chaque échangeur (41, 42) est constitué, comme représenté à la figure 5, d'un sous-ensemble de tôles (410, 411, 412, 413, 414) pour l'échangeur (41) et respectivement (420, 421, 422, 423, 424) pour l'échangeur (42). Les tôles successives d'un échangeur (42) sont imbriquées dans les tôles d'un autre échangeur(41). Chaque tôle (par exemple 410) d'un échangeur comporte une pluralité de perforations (4101) entourées de zones pleines (4100). Ces perforations (4101) sont disposées selon une grille et toutes les tôles d'un échangeur (410, 411, 412, 413, 414) ont leurs perforations (4101, 4111, 4121, 4131, 4141) alignées. Par contre, les tôles du deuxième échangeur (42) imbriqué dans le premier (41) ont des perforations (4201, 4211, 4221, 4231, 4241) qui se trouvent en vis-à-vis des zones pleines (4100, 4110, 4120, 4130, 4140) des tôles du premier échangeur (41). Ceci permet donc de constituer, comme on peut le voir en vue de dessus à la figure 5, un chemin d'écoulement de l'air subissant une pluralité de changements de direction dans une pluralité de chicanes, chaque trou d'une tôle débouchant en face d'une surface pleine et provoquant la déviation de l'air vers deux autres trous adjacents. De même cette situation se retrouve également à la figure 6. Chaque échangeur (41, 42) est refroidi par un système frigorifique relié à un évaporateur formé d'un faisceau de tube en contact intime avec chaque chicane. Ainsi le premier échangeur (41) est relié à un premier faisceau (43) de tubes (430 à 438) et le deuxième échangeur (42) est relié à un deuxième faisceau (44) de tubes (440 à 448). Ce deuxième faisceau (44) est visible dans la vue latérale de la figure 6 et on peut voir qu'entre la sortie (448) et l'entrée de l'évaporateur (440) le tube décrit une succession de lacets de haut en bas formés par les portions (447, 446, 445, 444, 443, 442, 441). Enfin, en dessous de chaque ensemble de deux échangeurs imbriqués (41, 42), est disposé un bac de récupération (45) des condensats, qui lui-même comporte une évacuation (450). Le procédé et le dispositif présentés permettent ainsi de déshumidifier l'air par un procédé plus performant que ceux existant et permettant d'apporter - soit une performance supérieure (point de rosée plus faible) à dépense énergétique équivalente - soit une performance égale (point de rosée identique) pour une dépense énergétique inférieure. En outre le procédé est le premier système de déshumidification par procédé frigorifique avec un fonctionnement continu. Le dispositif des figures 4 à 6 permet d'effectuer la déshumidification de l'air en provoquant de nombreux changements de direction de celui-ci pour favoriser les contacts entre l'air et la paroi froide et obtenir un écoulement laminaire. Ainsi la surface de chaque chicane est calculée en fonction du débit d'air de façon à favoriser un écoulement à faible vitesse à l'intérieur de chaque passage. Cette disposition est destinée à éviter l'entraînement de condensats d'une chicane à l'autre et à éviter l'échange de chaleur sensible entre l'air et la paroi froide. Chaque échangeur est alimenté en froid par un évaporateur de fluide frigorigène. Dans le cas de la recherche d'un point de rosée négatif, les parois froides sont maintenues à une température négative (- 200C par exemple), le contact air/paroi froide entraîne une sublimation (changement d'état de gaz à solide) de la vapeur d'eau. Pour permettre un fonctionnement continu du système représenté aux figures 4 à 6, il convient de faire fonctionner alternativement chacun des échangeurs (41, 42). Dans ce cas le premier échangeur (41) est mis en fonctionnement par alimentation en froid de l'évaporateur (43), une sublimation se produit et les parois se recouvrent de glace. L'alimentation en froid est arrêtée à l'issue d'une période de temps déterminée. Le deuxième échangeur (42) alimenté en froid prend alors le relai pour une nouvelle période de fonctionnement. Pendant le temps d'alimentation en froid de l'évaporateur (44) du deuxième échangeur (42), le premier échangeur (41) continue d'être mis en contact avec l'air à déshumidifier. Ce premier échangeur n'est plus alimenté en froid par l'évaporateur (43) mais l'échange air/paroi froide continue à se produire en provoquant la fonte progressive de la glace. L'eau récupérée est évacuée par l'évacuation (450). Le fonctionnement alterné permet d'obtenir les avantages suivants - fontionnement continu par régénération des parois froides - récupération de l'énergie latente de la transformation en glace pendant la phase de régénération; - diminution de la puissance frigorifique installée d'un montant égal à la récupération précédente. Il est évident que la description faite pour les figures 4 à 6 représentant un dispositif de déshumidification à deux échangeurs peut s'étendre facilement à un dispositif comportant une pluralité d'échangeurs. Cette multiplication du nombre d'échangeurs peut permettre d'engager chaque échangeur en fonction de la demande de déshumidification détectée par une sonde. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de déshumidification des gaz caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - circulation de l'air dans un échangeur pour mise en contact de l'air avec des parois froides de l'échangeur de façon que l'écoulement de l'air soit laminaire et subisse une pluralité de changements de direction ; - récupération et évacuation de l'eau condensée sur les parois froides. 2. Procédé de déshumidification de l'air selon la revendication 1, caractérisé en ce l'écoulement de l'air a une vitesse voisine ou inférieure à lm/s. 3. Procédé de déshumidification de l'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans deux échangeurs imbriqués (41, 42) à parois froides alimentés chacun par un système frigorifique les maintenant à une température inférieure à zéro degré celsius et comprend les étapes suivantes - circulation de l'air dans un dispositif à double échangeurs pour mise en contact de l'air avec les parois froides des premiers échangeurs placés transversalement au sens de circulation de l'air ; - mise en dégivrage simultanée du second échangeur imbriqué dans le premier échangeur - alternance de la mise en dégivrage des échangeurs. 4. Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur comprenant des parois constituant des passages pour l'air et alimenté par un système frigorifique pour refroidir les parois, ledit échangeur comportant un système de mise en circulation de l'air à déshumidifier, caractérisé en ce que les passages sont constitués par des chicanes dont le nombre au mètre linéaire est compris entre 20 et 400. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre de chicanes au mètre linéaire est compris entre 100 et 200. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur est constitué d'un volume de circulation de liquide de refroidissement délimitant un volume cylindrique de circulation de l'air comportant à l'intérieur des parois (321, 322) formant chicane. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur (2) est constitué d'un volume cylindrique de circulation de l'air comportant à l'intérieur des parois (22A, 22B) formant chicane et au moins un tube de refroidissement (21) reliant les parois entre elles. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les parois forment des chevrons disposés transversalement au sens de circulation de l'air et selon des directions opposées. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le volume cylindrique de circulation de l'air est à section circulaire. 10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le volume cylindrique est à section carrée ou rectangulaire. 11. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le volume cylindrique est à section triangulaire. 12. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les parois formant chicane forment un premier jeu (22A, 22C, ; 321, 323 ...) de séparation partielle du volume défini et sont disposées perpendiculairement à l'axe de symétrie du volume et entrelacées avec un second jeu (22B, 322, 324) de séparation. 13. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les parois formant chicane forment un premier jeu (22A, 22C, ; 321, 323 ...) de séparation partielle du volume défini et sont disposées parallèlement à l'axe de symétrie du volume et entrelacées avec un second jeu (22B, 322, 324) de séparation. 14. Dispositif de déshumidification mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un premier sous-ensemble (41) de parois constituée chacune par une tôle (410 à 414) pourvue d'une pluralité de perforations (4101 à 4141) disposées selon une grille, un deuxième sousensemble (42) de parois constituée chacune par une tôle (420 à 424) pourvue d'une pluralité de perforations (4201 à 4241) disposées selon une deuxième grille de façon que les perforations du deuxième sous-ensemble (42) se trouvent en vis-à-vis des parties pleines (4100) des tôles (410 à 414) du premier sous-ensemble (41); le premier sous-ensemble (41) est imbriqué dans le deuxième sous-ensemble (42) et disposé tranversalement au sens de circulation de l'air dans une gaine (40) de circulation d'air, chaque sous-ensemble est relié à un évaporateur (43, 44) de fluide frigorigène indépendant. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'évaporateur (43, 44) est constitué d'un faisceau de tubes (441, 447, 431, 437) en contact intime avec chaque tôle. 16. Dispositif selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le faisceau de tubes forme des lacets (431, 437, 441, 447) de haut en bas du déshumidificateur. 17. Dispositif selon une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'un bac récupérateur est disposé en dessous des sous-ensemble (41, 42) et récupère les condensats. 18. Dispositif selon une des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que chaque sous-ensemble (41, 42) est mis alternativement en fonctionnement par alimentation en froid de l'évaporateur (43, respectivement 44) correspondant.