Brevet FR2690510A1 — publié le 19931029

DESCRIPTION L'invention est relative à un procédé de refroidissement d'un gaz par vaporisation de microgouttelettes de liquide pulvérisé par ultrason ainsi qu'à un appareil de refroidissement mettant en oeuvre le dit dispositif. Cette invention est destinée par exemple à la climatisation de locaux d'habitation ou d'habitacle de véhicules de transport de quelque nature que ce soit. Cette invention peut être étendue aux applications de refroidissement et d'humidification d'un gaz par vaporisation de microgouttelettes, de dimensions bien calibrées, générées par concentration d'ondes ultrasonores. Actuellement, on peut distinguer dans les grandes lignes trois procédés différents pour refroidir un gaz pour des puissances de l'ordre de quelques centaines de Watts. Le plus connu de ces procédés fait appel à des machines frigorifiques à compression de vapeur. La chaleur échangée à la source froide est due à la vaporisation d'un fluide de travail soumis à un cycle thermodynamique. Dans ce cas, le fluide de travail constitue un système fermé, où les échanges de chaleur nécessitent un travail mécanique important régit par le rendement thermodynamique du système. Dans le cadre de la climatisation d'un volume de gaz de plusieurs m3, les énergies mécaniques à mettre en oeuvre sont de l'ordre de plusieurs kW. De plus, les échanges gaz-liquides nécessitent de grandes surfaces d'échange et des moyens mécaniques forçant ces échanges par convection qui se traduisent par un coût final important de l'installation. Le deuxième procédé concerne les machines frigorifiques par absorption. Ce procédé met en oeuvre un système fermé complexe pouvant comporter plusieurs sources de chaleurs et plusieurs solides ou fluides de travail. L'énergie échangée à la source froide est due à la vaporisation d'un fluide de travail dont le cycle comprend une phase de mise en solution dans un liquide ou une absorption par un solide. Ce système est complexe à mettre en oeuvre par le nombre de ses constituants et des équipements annexes. Son rendement est inférieur aux machines à compresseur et son poids est un handicap pour les utilisations en système embarqué. Le coût final de l'installation reste élevé. Le troisième procédé permet de refroidir un gaz par échange direct avec le fluide de travail. Dans le cas de l'air et de l'eau par exemple, la vaporisation de l'eau et sa diffusion dans l'air permet de refroidir l'air tout en l'humidifiant jusqu'à saturation. Les échanges d'énergie ainsi créés peuvent être très importants sans recours ni à une puissance mécanique, ni à des échangeurs. Pour améliorer les échanges, l'eau est soit distribuée par aspersion, soit par capillarité à travers des surfaces poreuses. L'avantage de ce procédé est sa simplicité et donc son faible coût. Cependant, sa puissance de refroidissement est limitée par la saturation de l'air humide mais aussi par la surface libre entre l'air et l'eau. De plus, si l'aspersion d'eau est mal contrôlée, l'eau ne se vaporise pas mais se redépose ou se recondense. Pour améliorer la performance de ce procédé, il est nécessaire de pulvériser des microgouttelettes calibrées, de très faible dimension de 1 à 10 Cun, et en quantité suffisante de l'ordre de l litre par heure et par mètre cube. Ceci permet d'augmenter le rendement, la puissance et d'éviter les phénomènes inopportuns de dépôt d'humidité. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir ces caractéristiques, en vaporisant un liquide en grande quantité et en fines particules sous faibles consommation électrique dans un gaz. Pour simplifier la description, nous prendrons l'eau et l'air comme couple liquide-gaz. Le dispositif comporte en effet selon une première caractéristiques, un émetteur à ultrason haute fréquence de quelques Mégahertz, générant un faisceau d'ultrasons dans l'eau. Cet émetteur est associé à une surface réfléchissante appropriée qui concentre l'énergie à l'interface eau-air. Cette interface, due aux forces de tension superficielle, constitue un guide d'onde en forme de jet. L'énergie concentrée dans le guide d'onde se transforme, soit en vibration acoustique, en mode axiale, soit en ondes capillaires. Lorsque les deux modes sont en résonance, les ondes sont arrachées au guide d'onde et projetées dans l'air ambiant. La taille des gouttes est de l'ordre de la demi-longueur d'onde capillaire soit: D = 0,34 (8 II T/pF) T tension superficielle p masse volumique F fréquence L'ensemble des microgouttelettes forme un brouillard qui constitue un échangeur à contact direct avec l'air ambiant. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il utilise des moyens pour homogénéiser le mélange air-eau afin de vaporiser plus rapidement et d'éviter la recondensation des microgouttelettes. L'intérêt de ce dispositif réside dans l'expression du transfert de masse et d'énergie des microgouttelettes vers l'air. P=h[iSAT-ia] s S surface d'échange constituée par les microgouttelettes avec l'air iSAT enthalpie à saturation de l'air ia enthalpie de l'air h coefficient d'échange d'enthalpie P puissance thermique échangée Si on considère l'échange approximativement isenthalpique, le bilan d'énergie permet de mettre en évidence le refroidissement de l'air: me.L = ma Cpa ATa ATa écart de température résultant du refroidissement de l'air ma masse d'air Cpa chaleur massique de l'air me masse d'eau vaporisée L chaleur lente de vaporisation Selon des modes particuliers de réalisation: o La vaporisation des microgouttelettes peut être améliorée en utilisant la dépression due à un effet venturi ou vortex. De plus, la réduction de la pression totale permet d'augmenter le débit des microgouttelettes arrachées au guide d'onde. Comme la viscosité, la tension superficielle, la pression de vapeur, la densité ; la pression totale est un paramètre fondamental dans la génération des microgouttelettes. La surface réfléchissante, permettant la concentration des ondes acoustiques peut être rapportée sur le boîtier réalisé par exemple en matériaux plastiques. Dans certaines applications, le jet correspondant au guide d'onde peut être gênant car il génère de grosses gouttes et un débit de liquide néfaste à la vaporisation. Pour minimiser les effets du jet et en réduire la taille, le dispositif selon l'invention peut comporter: - une géométrie permettant une propagation verticale des ondes ultrasonores dans le liquide et une focalisation appropriée, afin que le jet soit tangentiel à la surface du liquide. - un aménagement de la circulation du liquide ("streaming"), due aux phénomènes de propagation non linéaire des ondes acoustiques. En effet, la focalisation dans la colonne de liquide créée par la surpression due au phénomène de "streaming" permet de limiter la quantité de liquide mise en jeu dans le jet. Pour sauvegarder le bon fonctionnement du transducteur piézoélectrique le dispositif selon l'invention peut comporter un moyen de refroidissement qui peut consister en: - une cavité remplie de liquide (qui peut être différent du liquide à vaporiser) dont, au moins, une des parois est constituée par un matériau caractérisé par une impédance acoustique appropriée permettant le passage des ondes acoustiques sous faibles atténuations. - une architecture du dispositif telle que l'axe des transducteurs étant vertical, le liquide recouvre en permanence la surface dite active. affin de refroidir des débits d'air compatibles des systèmes de climatisation, les systèmes actuels de pulvérisation dispose de débits trop faibles en comparaison de la puissance électrique consommée. Le dispositif selon l'invention peut utiliser plusieurs transducteurs, notamment piézoélectriques et de géométrie circulaire, disposés de manière adéquate vis-à-vis d'une surface réfléchissante afin de focaliser l'ensemble des ondes acoustiques sur un seul point. e Le dispositif selon l'invention est compact et léger lorsqu'il comporte le système de réduction de jet déjà décrit. Ce dispositif est très adapté à la climatisation d'enceinte mobile comme les habitacles de véhicules de transport ou les "shelters" d'équipements électroniques en site chaud. Pour réduire encore les dimensions, le dispositif selon l'invention peut intégrer l'électronique alimentant le transducteur. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente en coupe le dispositif selon l'invention comportant le système de vaporisation par effet vortex, autour du guide d'onde en forme de jet vertical. La coupe BB de la figure 3 met en évidence, la forme possible des entrées d'air pour créer l'effet vortex au centre du dispositif. La figure 2 représente en coupe, une variante du dispositif utilisant d'une part la dépression de l'effet venturi et d'autre part la propagation verticale des ondes ultrasonores. La section A.A de la figure 4 met en évidence les 3 cavités circulaires prévues pour 3 transducteurs fonctionnant simultanément et la section de la cuve contenant le liquide à vaporiser. Les descriptions qui suivent ne sont données qu'à titre indicatif et constituent des exemples de réalisation pour la compréhension du dispositif selon l'invention. D'autres mises en oeuvre de la présente invention à la portée de l'homme de l'art pourrait également être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. En référence à ces dessins, le dispositif selon l'invention comporte un boîtier (1) comportant une cuve (2) contenant un liquide à vaporiser par exemple de l'eau. Le boîtier (1) comporte des cavités (3) dans lesquelles sont fixées les transducteurs électrostrictifs ou piézoélectriques (4). Ces transducteurs électromécaniques peuvent être de forme circulaire et vibrer autour de quelques Mégahertz. La fixation du transducteur doit être étanche, et suffisamment souple. Un collage sur la périphérie du transducteur, par exemple avec une colle époxy, donne entière satisfaction. Pour évacuer les calories générées par ce transducteur, il est impératif que la face active soit constamment en contact avec un liquide. Pour ce faire, le présent dispositif comporte une cellule (5) remplie d'un liquide de refroidissement, et dont au moins une paroi (6) est constituée d'une membrane réalisée en matériau dont l'impédance acoustique est proche du liquide, par exemple en latex. La cavité (3) à l'arrière du transducteur doit être remplie d'un fluide, par exemple de l'air, de faible impédance acoustique afin d'augmenter l'énergie acoustique transmise au liquide. Selon une variante, non illustrée, le transducteur électromécanique peut être collé sur une lame d'adaptation d'impédance placée entre le transducteur (4) et le liquide de propagation des ondes acoustiques. Cette même lame sera collée ou fixée afin d'assurer l'étanchéité entre le liquide de propagation et la cavité (3). L'ensemble transducteur (4), cellule (5) et cavité (3) peut constituer un ensemble associé ou rapporté sur le boîtier (1). Dans la forme de réalisation selon la figure 2, l'axe vertical du transducteur (4) combiné à l'orifice (7) permet de conserver la face active du transducteur (4) toujours en contact avec le liquide restant dans la cuve (2). Les ondes acoustiques générées par le transducteur (4) sont focalisées sur une surface appropriée (8), réalisée en fonction des lois de la réflexion permettant l'obtention d'un guide d'onde en forme de jet (2) de liquide. L'élément (10) comportant la surface réfléchissante doit être réalisé en matériau caractérisé par une forte impédance acoustique par exemple en acier inox. L'élément (10) peut être rapporté sur le boîtier (1). Le débit de liquide pulvérisé est directement dépendant de la pressions statique située au dessus du liquide. En effet, une dépression créée autour du jet (9) permet d'augmenter ce débit de liquide pulvérisé en réduisant la puissance d'alimentation du transducteur (4). De plus, il est connu qu'il est d'autant plus facile à vaporiser un liquide que la pression totale au-dessus du liquide est faible. Pour créer la dépression adéquate autour du jet (9), l'air à refroidir rentre tangentiellement par les ouïes (11) du déflecteur (12). La forme des ouïes (11) est telle que l'accélération centrifuge de l'air tournoyant à l'intérieur du déflecteur (12) crée un phénomène de vortex autour du jet (9). La vaporisation quasi instantanée due d'une part à la surface d'échange des microgouttelettes (13) ( Selon la variante de la figure 2, la position verticale de l'axe de la surface de réflexion (8) permet d'une part de réduire la taille du jet (9) et d'autre part d'implanter plusieurs transducteurs par exemple 3, tels que indiqués sur la section A.A. de la figure 4, afin d'augmenter la puissance du dispositif pour un faible volume. L'effet de succion ou de "streaming" dû au comportement non linéaire de la propagation des ondes acoustiques dans la colonnes du liquide (15) située au dessus du transducteur (4) a pour effet de limiter la quantité de liquide mise en jeu au stricte nécessaire à la formation du guide d'onde en forme de jet (9). L'effet de succion est contrôlé par l'orifice (7). L'ensemble du phénomène se traduit par une réduction de la taille et une courbure du jet mettant en évidence uniquement le brouillard de microgouttelettes (13). Selon une variante non illustrée, l'orifice (7) peut être utilisé pour alimenter la colonne de liquide (15) située en regard du transducteur (4) via une canalisation. Dans ce cas la dépression nécessaire à la vaporisation est créée par une réduction de la section (16) de passage de l'air dans le déflecteur (12). Le flux d'air est assuré par un ventilateur (14). Pour réduire d'avantage l'encombrement du dispositif et pour le rendre plus autonome, l'alimentation et le contrôle électronique (17) du transducteur (4) peut être intégrée au boîtier (1). A titre d'exemple non limitatif, le boîtier aura des dimensions de l'ordre de 1 1 pour un débit d'eau pulvérisé de 1 à 5 1/heure pour des débits d'air de quelques m3/heure. L'air peut être refroidi de l'ordre de quelques dizaine de degrés en fonction du taux d'humidité qu'il contient. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la climatisation de locaux d'habitation, d'habitacle de véhicule de transport ou de "shelter" d'équipement électronique sur site. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de refroidir un gaz, notamment de l'air, par vaporisation d'un liquide, par exemple de l'eau, destinés notamment à la climatisation d'enceintes ou de locaux, selon lesquels on utilise la vaporisation d'un brouillard de microgouttelettes généré par ultrasons, caractérisés en ce que les ondes ultrasonores sont focalisées dans un jet (9) pour créer un brouillard de microgouttelettes (13) qui se vaporise dans un déflecteur d'air de forme adéquate (12). 2. Dispositif autorisant la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que les ondes ultrasonores délivrées par un transducteur (4) sont focalisées par réflexion sur une surface géométrique (8) appropriée. 3. Dispositif autorisant la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (12) crée une dépression au niveau du jet (9) par le fait qu'il comprend des formes d'ouïes (11) et des variations de section (16) adéquates permettant de générer des phénomènes de vortex ou des effets venturi. 4. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'axe de révolution de la surface (8) de réflexion est vertical de telle manière que le jet (9) soit tangent à la surface du liquide. 5. Dispositif autorisant la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur (4) est un constituant d'une cellule (5) qui comprend un liquide de propagation acoustique et une paroi (6) en forme de membrane réalisée en matériau dont l'impédance acoustique est proche du liquide à pulvériser et une cavité (3) d'impédance acoustique proche de rair. 6. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs transducteurs (4) de caractéristiques différentes dont les ondes ultrasonores sont focalisées sur le même élément (10). 7. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément (10) réalisé en matériau métallique est rapporté sur un boîtier (1) en matière plastique. 8. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orifice (7) utilise la dépression créée sur le transducteur (4) pour alimenter en liquide la colonne de liquide (15) à pulvériser en regard du transducteur (4). 9. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transducteur (4) est fixé sur une lame d'adaptation d'impédance, elle même fixée de manière étanche sur la cellule (5). 10. Application du procédé aux refroidisseurs et aux humidificateurs d'air.