Brevet FR2687464A1 — publié le 19930820

L invention a pour objet une installation de récupération de chaleur au moyen d'un caloduc à circuits superposés, utilisant un mélange de fluide zéotropique. On connaît déjà des installations de caloducs utilisant des circuits superposés tel par exemple celles utilisant des tubes horizontaux lisses reliés entre eux par des coudes comme décrit dans le brevet portugais 92109, et les brevets français 9012975 et 9200281 de Mr Jacques BERNIER. Ils utilisent tous un fluide pur. L' intérêt de ce type d'installation réside dans le fait que les ailettes serties sur les tubes sont verticales, permettant ainsi mXe bonne évacuation de l'eau condensée lors du refroidissement de l'air circulant en partie basse du caloduc. Un autre intérêt réside également dans le fait que l'étanchéité entre les deu > - flux gazeux peut être parfaite car seuls les collecteurs verticaux reliant chaque nappes entre elles traversent la plaque de séparation des flux ou ils sont brasés. Ce mode de réalisation présente néanmoins les inconvénients suivants: - Un remplissage en fluide frigorigène par nappe de tubes. - Le positionnement du caloduc doit être proche de l'horizontale. - Une vanne de régulation par nappe de tubes. On connaît également des caloducs gravitaires utilisant des tubes verticaux lisses intérieurement et reliés extérieurement entre eux par des coudes ou par des collecteurs comme décrit dans le brevet français 7503133 de Mr Jacques BERNIER. Ce mode de réalisation présente néanmoins les inconvénients suivants: - Etanchéité difficile à réaliser entre les deux flux d air car tous les tubes du caloduc traversent la plaque séparatrice. - Rendement d'échange limité par la circulation à contre courant dans un même tube du gaz et du liquide de travail. C'est d'une manière générale, un but de l'invention de fournir une installation qui ne présente pas les inconvénients rappelés ci-dessus, des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir une installation dont le transfert de chaleur du flux gazeux chaud inférieur vers le flux gazeux supérieur à chauffer s'effectue au moyen d'un dispositif à caloduc superposé permettant la circulation des fluides de travail à contre courant à l'intérieur des tubes des différentes nappes, ce qui est rendu possible par le fait que les températures d'ébullition et de condensation ne sont pas eonstantes. C'est aussi un but de l'invention de fournir une installation à calcduc superposé comportant une structure interne dans chaque tube destinée à améliorer les échanges thermiques. Selon l'invention, les dits moyens comprennent deux échangeurs thermiques superposés, l'un étant balayé en partie inférieure par un flux gazeux chaud dont on souhaite récupérer la chaleur, 1 'autre étant balayé en partie supérieure, à contre-courant, par le flux gazeux à réchauffer; les deux échangeurs étant reliés entre eux par des collecteurs placés à l'entrée et à la sortie de chaque échangeur. Le ou les circuits formés sont remplis d'un mélange non azéotropique de fluides frigorigènes permettant , à pression constante, d'avoir une température variable d'ébullition puis de condensation. L'invention sera bien comprise par la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lequel: - La figure 1 est un schéna d'une installation selon l'invention. - La figure 2 représente des courbes d'évolution des températures des flux d'air et du mélange de fluide de travail. - La figure 3 est une variante de la figure 1, avec un orifice de remolissage unique pour l'ensemble du système. - La figure 4 est une variante de la figure 3 mais avec seulement deux collecteurs de liaison entre les deux échangeurs. - La figure 5 est une variante de la figure 4 avec un distributeur de liquide et une vanne de régulation, ou une pompe de transfert. - La figure 6 est une variante comportant un dispositif de variation du transfert de chaleur constitué d'une bouteille chauffée ou refroidie. - La figure 7 représente le principe be circuitage des tubes des deux échangeurs superposés. - Les figures 8 et 9 représentent, vue dans les deux sens, une variante de l'invention avec une conception à tubes verticaux. Une installation de caloduc selon l'invention, figure 1, comprend deux échangeurs superposés 2 et 3, constitués d'une série de tubes horizontaux ailettés formant un ou plusieurs circuits fermés (trois sur l'exemple de la figure l). L'échangeur inférieur 3 est parcouru par un flux d'air chaud entrant en C.E et sortant refroidi en C.S, alors que l'échangeur supérieur 2 est parcouru par un flux d'air froid entrant en F. E et sortant réchauffé en F.S. L'échangeur 2 est un condenseur constitué de x nappes de tubes 4 indices a,b,c,d,e,f..x, reliés entre eux par des coudes pour former des couches de nappes horizontales nl,n2,n3..., l'échangeur 3 est un évaporateur constitué de y nappes de tubes 5 indices y. .. ,f,e,d,c,b,a, reliés entre eux par des coudes pour former des couches de nappes horizontales ...,m3,m2,m1. Chaque circuit condenseur est relié au circuit évaporateur de même indice par un collecteur de liquide 6, et par un collecteur de gaz 7 également de mêmes indices. Chaque circuit comporte un orifice de remplissage 8 indice 1,2,3... destiné au tirage au vide du circuit et au remplissage en mélange de fluide de travail. Reportons nous à la figure 7 et à la figure 2 pour comprendre le fonctionnement du système. Le mélange non azéotropique de fluide frigorigène pénètre liquide dans l'échangeur inférieur par le collecteur o2 à la température Tl, le liquide le plus volatil va se vaporiser, puis le moins volatil, de telle manière que la température d'ébullition va évoluer de Tl à Tg au fur et à mesure du passage sur la surface d 'échange à contre courant avec le flux d'air entrant en C E et sortant en C.S. Les gaz formés vont remonter naturellement vers 1 'échangeur supérieur par le collecteur 43.Le gaz le moins volatil va tout d abord se condenser dans l'échangeur supérieur, puis le plus volatil, de telle manière que la température de condensation va évoluer de Tg à T1 au fur et à mesure du passage sur la surface d'échange à contre courant. Les liquides formés vont ainsi retourner gravitairement vers l'échangeur inférieur pour former un nouveau cycle. La circulation du mélange de fluides s'effectue naturellement grace à la différence de densité entre le mélange de liquides et le mélange de gaz. La composition du mélange zéotropique sera fonction des écarts de températures attendus au niveau des deux flux d'air, pour un écart de 10 degrés Celsius on pourra choisir par exemple un mélange composé de 10% de R23 et de 90% de R22 . Les ailettes serties sur chaque nappes 4a,4b,4c,4d,4e,4f. . ,et ... 5f,5e,5d,5c,5b,5a, pourront être continues ou plus avantageusement être séparées entre elles de quelques millimètres dans le sens de la circulation d'air afin de rendre totalement indépendantes chaque nappes de tubes, évitant ainsi les transferts thermiques parasites d'une nappe vers 1 'autre. Les tubes constituant les surfaces d'échange pourront être soit lisses intérieurement, soit rainurés, soit équipés d'une structure rapportée interne. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, figure 3, les orifices de remplissage 8 indices 1,2,3..., peuvent avantageusement être remplacés par un orifice unique il raccordé à un collecteur 12 reliant entre eux tous les différents circuits, permettant ainsi un remplissage unique en fluide. L'étanchéité entre les deux flux d'air peut être réalisée de fanon parfaite par la plaque de séparation P, sur laquelle sont brasés les collecteurs de liaison 6 et 7 indices 1,2,3...entre les deux échangeurs. Dans une autre configuration, figure 4, seuls deux collecteurs 14/15, et 17/16, relient les deux échangeurs. Leurs passages sur la plaque P est rendu étanche par brasures. Un seul orifice 18 est utilisé pour le remplissage en fluides. Une autre option 21 sur la figure 5 est un distributeur assurant un répartition uniforme du liquide dans les divers brins de distribution 22 indices 1,2,3...; Sur cette même figure, une vanne 25 (magnétique par exemple), permet en option de réguler le transfert de chaleur entre les deux échangeurs inférieur et supérieur, en empêchant le retour de liquide vers l'échangeur inférieur. Dans le cas où les deux échangeurs sont placés à distance l'un de l'autre, ou que l'échangeur condenseur est placé plus bas que l'échangeur évaporfteur, la vanne 25 sera remplacée par une pompe de circulation (ou par un dispositif dit de ciné-caloduc comme décrit par exemple dans le brevet français de Mr Jean Paul BERNIER). Dans une autre variante, figure 8, un réservoir 33 placé de préférence dans le flux d'air le plus froid F.E, permet 9e piéger le liquide contenu dans le circuit du caloduc à mélange de fluides, permettant ainsi sa régulation de façon proportionnelle. Le chauffage eu le refroidissement de l'élément 34, permet la migration du fluide de remplissage dans, ou à l'extérieur de la bouteille 33. Le remplissage initial s'effectue par l'orifice unique 32. Dans une autre configuration, figures 8 et 9, les tubes 54 sont verticaux et forment chacun un échangeur, condenseur en haut, évaporateur en bas; des coudes 52,51 les relient entre eux de façon indifférente afin de former un seul circuit avec un orifice de charge 53 et un bouchon 55. Le système de la figure 6 s'applique aussi à cette conception verticale. L'invention s'applique à tous types d'échangeurs à contre courant, destinés au réchauffage ou au refroidissement de tous fluides gazeux, liquides, ou solides. L'invention n'est pas limitée, bien sùr, à son application pour la récupération de chaleur dans les installations de ventilation. L'invention est applicable notamment à la climatisation d'abris anti-atomiques du fait que l'étanchéité entre les flux d'air est facilement réalisable avec une protection NBC. L'invention est applicable aux transferts de chaleur dans les climatiseurs à air utilisant un cycle de JOULE. L'invention est également utilisable pour le refroidissement. REVENDICATIONS 1. Installation de récupération de chaleur par caloduc à échangeurs superposés, caractérisée en ce que le fluide de remplissage assurant le transfert de chaleur entre les deux échangeurs est un mélange de fluides zéotropique , passant successivement de l'état liquide à l'état gazeux 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce ce qu un au moins des deux échangeurs est constitué de tubes à ailettes. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la circulation du fluide de travail s'effectue à contre courant. 4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque circuit est équipée d'un dispositif de remplissage. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tubes collecteurs traversant la plaque P sont brasés sur eelle ei. 6. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ailettes de chaque nappe de tubes sont espacées de quelques millimètres. 7. Installation selon la revendication 1, earaetérisée en ce que le ou les colleeteurs de liquides sont équipés d'une vanne manuelle ou automatique. 8. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ee que le retour des gaz s'effectue par un collecteur unique, et ou le départ des liquides s'effectue par un autre collecteur unique. 9. Installation selon la revendication 8 > caractérisée en ce que le collecteur de liquide est équipé d'un distributeur 21. 10. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou les collecteurs de liquide sont équipés d'une vanne 25. il Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la vanne 25 est remplacée par une pompe ou autre dispositif de transfert. 12. Installation selon la revendication l, caractérisée en ce que le circuit comporte un réservoir 33 destiné à piéger le liquide et comportant un dispositif de chauffage, et ou de refroidissement. 13. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les échangeurs à contre courant peuvent être d'un modèle quelconque utilise dans les industries thermiques ou frigorifiques. 14. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les échangeurs sont eonstitués de tubes verticaux 54 reliés entre eux. 15. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que tous les tubes du système forment un circuit unique ne nécessitant qu'un seul orifiee de remplissage.