Brevet FR2747181A1 — publié le 19971010

La présente invention concerne un appareil utilisable pour le renouvellement de l'air destiné à la respiration humaine, ce renouvellement étant obtenu par remplacement de l'air vicié à l'intérieur de l'immeuble par de l'air propre extérieur. La combinaison des différentes parties qui le constituent permet de renouveler l'air non seulement des locaux d'habitation mais également des bureaux, des ateliers, des éc@les, des hôpitaux ou des locaux à usage commercial. ETAT DE L'ART ANTERIEUR Lorsque l'air extérieur est relativement propre la méthode traditionnelle de dépollution d@s locaux consiste à renouveler l'air par aération (ouverture des fenêtres) ou circulation forcée du type ventilation mécanique contrôlée (VMC) L'inconvénient principal de ces méthodes, en plus des problèmes de poussières et de bruit, es@ le cout énergétique du renouvellement, l'air i@@érieur étant typiquement à 22 0C tan@@@ que l'air extérieur pe@t être à -5 C (hiver) ou +32 C (été On a proposé, mai, uni ement pour des locaux de a-s grana volume, de r@2upérer l'énergie des effluents gazeux, à l'aide d'appareils dérivés du préchauffeur Ljungstrom, un système contim. et régénératif utilisant un rotor et une séparation de l'air chaud et He l'air frcid avec des joints appropriés. Initialement ce type d'appareil était réservé à des applicaticis industrielles (rotor de t de diamètre et température de l'air chaud pouvant atteir re 800 C) : voir Chemical Engineers'Handbook, rection 9, .eat Generation and Transport . Cependant à l'échelle industrielle on r'a jamais recherché à réduire simulta@ément le volume des échangeurs, le coût énergétique et le coût d'investissement de ces appareils ainsi que leur niveau sonore, 1 quantité de ca@orie@ récupérables (températures élevées et/fru dé its très importants) était en effet compatible a ec ces coûts et ces nuisance Ces réductions simultanées sont un facteur essentiel pour qu'un appareil ait un prix acceptable pour les applications qui concernent plus directement les gens qui ont besoin d'air purifié, c'est à dire que pour la dépollution des locaux le coût unitaire du m3 doit être très bas. Cette invention souligne que, par la combinaison de différents moyens, on peut obtenir sim@ltarément une réduction importante du volume de l'appareil, de sa consommation d'énergie et de son coût d'investissement et, par conséquent, obtenir un système à bas prix qui peut être installé à proximité des gens (maisort, atelier, école, commerce, etc...) Comme nous le verrons dans ce qui suit, cette réduction importante des coûts, telle qu'elle résulte de la présente invention permet non seulement e concevoir un appareil électroménager de bas prix, ^-is également un appareil capable de traiter de plus granos débits d'air pour des locaux plus mporta@ts. En d'a@tres termes, les appareils se@@@ @invention, peuve@@ purifier des débits d'air compris en @@ 100 m3/heure et 20000 m3/heurn et les principes de le@r construction @ont identiques dans es deux cas extrême Les détails caractéristiques Je ce purificateur sont indiqués clairement dans la description qui suit et dans le dessin qui l'accompagne à titre d'illustration et utilisant les mêmes signes de référence. DESCRIPTION DU DESSIN DE L'INVENTION a figure 1 montre le schéma de @ @incipe du purificateur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Un ventilateur (1), muni d'un filtre (2) destiné 3 éliminer les poussières, les @@rticules en suspension, etc. souffle l'air à purifier (air vicié) provenant de l'immeuble lui-même et est équipé de deux électrovannes (3) qui, par action d'un programmateur cyclique (13) permettent d'introduire cet air à l'un ou l'aut@e des deux bacs (4 et 5). Dans la position indiquée dans la figue, l'air entre en (6) en haut du premier tac et sort en 7). Dans la deuxième moitié du cycle, après l'inversion des électrovannes, l'air vicié entre en haut du deuxième bac (8) et sort en (9). L'air propre, actionné par un deuxième ventilateur (10), également équipé d'un filtre (11) et de deux électrovannes (12) circule en sens inverse (de bas en haut), dans le bac non alimenté en air vicié. Le programmateur cyclique est programmé pour établir deux demi-cycles de durée, rigoureusement identiques. Chacun des deux bacs est partiellement rempli par un empilement de toiles métalliques (14 et 15). Ces empilements jouent le rôle d'échangeurs de chaleur ou plus exactement d'accumulateurs. L'air qui traverse un empilement pendant un demi-cycle cède ou récupère une partie très importante de l'enthalpie accumulée dans le métal pendant le demi-cycle précédent. La propriété essentielle de l'appareil selon l'invention est de minimiser l'énergie corsommée par les ventilateurs (1) et (10) et par conséquent lswr niveau sonore et cela sans préjudice pour la récupération d'énergie et sans augmentation du Cott d'investissement. Pour atteindre ce résultat, on a trouvé que le système d'échange de chaleur (sections 14 et 15) devait satisfaire aux conditions suivantes a) Augmentation de l'efficacité de l'échange de chaleur grâce à l'utilisation d'un garnissage de grande surface spécifique (mètres carrés de surface par mètre cube de garnissage). Cela ne peut être obtenu que par utilisation de fils métalliques de petit diamètre d'un matériau relativement inoxydable. L'efficacité d'un garnissage est définie en termes scientifiques, par le NTU (nimber of Transfer Units) c'est à sire Nombre d'Unités de Transfert, par unité de longueur. Pour une même longueur du garnissage, l'échauffement et le refroidissement seront d'autant plus grand que la valeur du NTU est grande. Avec les fibres métalliques, ze très petit diamètre, on peut augmenter cette efficacité et réduire ainsi la longueur de garnissage nécessaire mais il en résulte une perte de pression dans le garnissage trop élevée, ce qui n'est pas compatible avec les critères mentionnés, relatifs à un appareil économique et de faible niveau acoustique. b) On a trouvé que le meilleur compromis entre volume, efficacité thermique et perte de charge s'obtient à l'aide de garnissages de porosité volumique relativement élevée (75 à 95z) constitués de fils d'un diamètre, ni trop petit, ni trop grand, compris entre 0,lmm et lmm. c) La fréquence du cycle d'inversion de flux doit être élevée et dans tous les cas supérieur à 60 cycles à l'heure. d) Il est également indispensable que les fils métalliques qui constituent le garnissage soient placés dans une position globalement perpendiculaire aux flux de l'air. De préférence, on utilise des toiles métalliques, coupées en forme de grilles de section carrée (ou rectangulaire). Comme nous le verrons dans la description des exe-.lples illustratifs, quand ces conditioro sont satisfaites, on obtient un appareil qui combine les caracteristiques suivantes Son volume est petit Sa perte de pression ainsi que le coût des ventilateurs et le niveau acoustique sont faibles Son efficacité thermique est élevée. L'eLt~~acité thermique peut être définie par référence à un échangeur classique continu à contre-courant. Les différences de température entre le fluide chaud et le fluide froid aux deux extrémités de cet échangeur équivalent, ne devrait pas dépasser 2 ou 3 C. Nous verrons dans les exemples qui suivent quelles sont dans ces conditions les différences d'enthalpie entre l'air rejeté à l'extérieur et l'air introduit à l'intérieur. Il faut toutefois souligner que dans le cas de l'accumulateur cyclique les températures des deux fluides (vicié et propre) à la sortie de l'appareil évoluent au cours du temps, pendant un demi-cycle. Les différences de températire mentionnées (2 ou 30C) représentent donc la moyenne entre les écarts au début et à la fin d'un demi-cycle. On obtient donc une efficacité thermique élevée combinée à une faible perte de charge grâce au choix des caractéristiques des toiles métalliques et à la fréquence élevée d'inversion du flux gazeux. Ce phénomène avait été revendiqué précédemment par l'auteur de la présente demande ; la revendication avait été présenté dans la demande PCT/FR93/00693 du 6 Juillet 1993 mais elle concernait un appareil catalytique opérant à température relativement élevée destiné à détruire les polluants. Les deux empilements de toiles métalliques et la couche catalytique étaient disposés en série ce qui, associé a la nécessité d'obtenir une efficacité thermique encore plus élevée (le nombre de grilles par empilement étant plus du double de celui actuellement revendiqué), entraînait une perte de charge totale dans les trois couches supérieure de 4 à 5 fois à la perte de charge des empilements 14 ou 15. Une perte de charge élevée est favorable à l'obtention de profils de vitesse relativement plats dans une section transversale et par conséquent der profils de température également plats et cela bien que les conditions régnant à l'entrée et à la sortie des empilements ne soient pas idéales (changement de direction en particulier). Les données présentées dans l'art antérieur ne permettaient donc pas de conclure que le choix des caractéristiques des toiles et le choix de .a fréquence d'inversion seraient identiques dans les deux cas. Pour minimiser la distorsion des profils de vitesse dans une section de l'empilement les essais préliminaires ont conduit à adopter la géométrie de l'appareil présentée dans la figure 1. L'espace libre dans chaque bac, au dessus et au dessous de l'empilement, est relativement important, supérieur au volume de l'empilement lui-même, et l'air entre dans ce volume horizontalement grâce au volet de la vanne qui joue également le rôle d'un déflecteur. Par ailleurs au dessus de chaque empilement on dispose un distributeur spécifique consistant en une plaque perforée d'environ 60 trous aJnt les diamètres peuvent être différents les uns des autres ; l'exemple 3 indiquera comment on détermine les diamètres de ces trous. Mais l'effet du distributeur serait annulé si on ne respectait pas rigoureusement le principe fondamental de construction d'un appareil symétrique :après l'inversion de flux les conditions aérauliques en amont et en aval de l'empilement doivent rester identiques. De même le gain important résultant du rapport très élevé entre la conductivité radiale et la conductivité axiale de ces empilements, phénomène déjà mentionné dans la demande précédente serait en grande partie annulé si les conditions précédentes n'étaient pas remplies. La réduction des perturbations dans les espaces vides et la correction des perturbations résiduelles grâce aux deux distributeurs spécifiques 16 et 17 imposent de façon pratiquement unique le dessin de l'appareil. L'utilisation de deie bacs superposés (4 et 5) quI permeL de réduire l'encombrement total tout en contribuar@@@à à l'établissement dUs conditions aérauliques symétriques est donc indispensable ou du moins extrêmement souhaitable. Nous avons construit un appareil unique conforme au schéma de la figure 1 équipé des deux distributeurs spécifiques définis par la procédure de l'exemple 3 et dont les caractéristiques principales sont les suivantes Section des bacs : 30cm x 30cm Nature des empilements : toile acier galvanisé type moustiquaire, ouverture nominale 1,5 mm, diamètre des fils 0,315 mm, porosité volumique 84% Hauteur des empilements : environ 4cm pour 60 grilles de 0,63 mm d'épaisseur Surface métallique d'un empilement : 7,3 m2 Hauteur des espaces vides : 6,6 cm et 10 cm Diamètre des turbines des ventilateurs : 20 cm Vitesse de rotation : 2475 tr/mn :Débit d'air : 300m3/h (22oC, 1 Bar) (on néglige la vartion de débit avec la teneur en eau) Fréquence d'inversion du flux : dans tous les exemples qui suivent cette fréquence était de 6 cycles par minute, c'est à dire qu'un demi-cycle durait 10 secondes. EXEMPLE 1 RECUPERATION DES CALORIES DE L'AIR VICIE Cet exemple correspond au fonctionnement en hiver. Air vicié : 220C, humidité Relative (HR) 60%, enthalpie totale pour 400m3,31700 Kioules(KJ), Air frais : 0 C, HR 100% soit enthalpie : 13100 KJ, On a mesuré les grandeurs suivantes Air vicié refroidi : 30C, HR 100% soit enthalpie 15900 KJ, Air frais préchauffé : 20 C, HR 50% soit enthalpie 27200 KJ. Le bilan enthalpique fait apparaître un déficit apparent de 1795 KJ/h qui ne sont pas transférés à l'air frais, ce déficit est même égal à 2500KJ si on tient compte des 720 KJ dégagés par les deux ventilateurs. L'expliçation est simple : pendant un demi-cycle l'air vicié condense sur les fils des toiles métalliques environ 8,2g d'eau dans chacun des bacs, dont les 2/3 sont revaporisés par l'air frais dans le demi-cycle suivant. Il y a un écoulement de l'eau vers le bas (et c'est la raison principale du choix de l'écoulement vertical de haut en bas pour l'air vicié). La quantité recueillie dans le fond du bac est de 8,2/3 = 2,7g par cycle complet soit 985g/h. Une quantité égale est recueillie dans le deuxième bac. L'eau condensée est éliminée par l'intermédiaire de 2 siphons. On voit donc que l'entraînement vers le bas d'une partie de l'eau condensée permet de déshumidifier le local puisque dans le cas étudié 24 l d'eau seraient ainsi éliminés chaque jour. En vérité le rendement de la déshumidification doit être évalué autrement Les 400 m3/h d'air frais à la sortie de l'appareil contiennent 1,471 d'eau en mins que l'air vicié, ce qui veut dire que le rendement vrai est de 351/jour. De même le rendement thermique global est le suivant consommation de 0,2kw des ventilateurs, consommation de 0,27 kw pour ramener la température de l'air frais à la température du local par chauffage classique (c'est à dire échauffement de 20 C à 22 C). Il en coûterait 3kw (plus l'énergie d'un ventilateur de ventilation mécanique contrôlée) pour effectuer le renouvellement et le chauffage sans utiliser l'appareil selon l'invention et l'air introduit serait trop sec (ce qui conduirait à utiliser un humidificateur plus un complément de chauffage pour compenser le refroidissement associé à la saturation adiabatique). En d'autres termes l'appareil selon l'invention permet d'éliminer les polluants atmosphériques sans trop éliminer l'humidité concenue dans l'air du local. EXEMPLE 2 RECUPERATION DES FRIGORIES DE L'AIR VICIE Cet exemple correspond au fonctionnement en été. L'air vicié à l'entrée de l'appareil (à l'aspiration du ventilateur) est à@ 220C, HR 90%, ''air extérieur est à 320C, HR 90% également à l'aspiration ts ventilateur. On a mesuré les grandeurs suivantes Air vicié réchauffé : 300C, HR 90%, Air frais prérefroidi : 240C, HR 100%. En tenant compte des 720 KJ/h (200 watts) dégagés par les deux ventilateurs, le bilan enthalpique est globalement satisfaisant. On n'observe pas de condensation dans les fonds des bacs. L'air chaud extérieur Ferd 4,15 kw en traversant l'échangeur, eoit un gain de 3,95 kw, si on déduit l'énergie consommée par les ventilateurs. Le climatiseur nécessaire pour compenser cette énergie thermique devrait avoir une puissance mécanique de 1,5 kw, ce qui représente un appareil dont le coût opératoire, l'investissement et le coût d'installation sont élevés. On notera que l'air qui contient la plus forte teneur en eau circule cette fois de bas @@ haut, c'est à dire que l'eau condensée n'est pas entraînée rers les fonds des bacs mais revaporisée sur les garnissages. 14g d'eau sont condensés à chaque passage mais si on tient compte de la surface totale des fils d'un garnissage (7,3m2), la couche de condensat est d'environ 0,002mm à la fin d'un demi-cycle, soit 0,6% du diamètre des fils. Les raccordements de l'appareil ne sont donc pas différents pour le fonctionnement en été ou en hiver; la différence principale est que les fonds des bacs et les siphons se maintiennent secs. EXEMPLE 3 FONCTIONNEMENT DANS DES CONDITIONS CLIMATIQUES INTERMEDIAIRES Sans modifier les branchements, l'appareil peut également fonctionner lorsque l'air extérieur est à une température et à une humidité relative intermédiaires entre les deux cas précédents, et cela qu'il y ait ou non présence d'eau liquide dans les fonds des bacs. Lorsqu'il en est ainsi on obtient soit un rendement thermique intermédiaire ou plus simplement lorsque les températures et les humidités extérieures sogt voisines, une ventilation mécanique à double flux. Ce système de -zentilation es@ souvent préconisé, mais rarement utilisé jusqu'ici pour de petites installations, alors qu'il permettrait de supprimer la dépression du logement tout en utilisant des filtres à pc+ zules qui contribuent à maintenir le logement propre. Ce système à double flux est plus efficace, ce qui est égaienttnt le cas pour les exemples précédents, si l'air vicié est prélevé dans une pièce polluée (cuisine par exemple) et refoulé dans une pièce propre (salle de séjour ou chambre). En général on équipe le ventilateur de l'air extérieur avec un filtre de fibres qui peut être lavé dans un lave vaisselle ; on notera cependant que l'inversion du flux gazeux contribue beaucoup, par effet de décolmatage, à la propreté des empilements de grilles. EXEMPLE 4 CARACTERISTIQUES DES DISTRIBUTECRS SPECIFIQUES Les deux distributeurs spécifiques, 16 et 17, placés en haut des empilements de grilles sont deux plaques percées d'environ 60 trous équidistants mais dont les diamètres peuvent être différents les uns des autres. En effet l'efficacité de l'appareil suivant l'invention peut être améliorée si on redéfinit le diamètre des trous par la procédure suivante. En l'absence de plaque perforée on note la perte de charge à travers l'empilement. Pour 400m3/h et 60 grilles cette perte de charge est de 11 mm-eau (10,8 Pa). On adjoint la plaque percée de 60 trous identiques de 3,5 cm de diamètre. On augmente la vitesse de rotation du ventilateur pour que le débit d'air soit à nouveau égal à 400m3/h. La perte de charge du distributeur + empilement est égale à 14 mm-eau, une augmentation de 3,0 mm-eau. On remplace le distributeur par une résistance électrique de 30 Ohms constituée de fils équidistants disposés horizontalement L'échauffement moyen de l'air (mesuré à la sortie de l'appareil) est égal à 15,6 C mais un thermocouple déplacé horizontalement, suivant deux axes, à la sortie de l'empilement permet d'observer des différences de températures, ce qui correspond à des différences de débit sur les sections élémentaires. Grâce à ces données on calcule quel devrait être le diamètre de chacun des trous du distributeur qui permettrait de ramener le débit élémentaire au débit moyen. Dans la pratique on ne recalcule pas les 60 diamètres mais on regroupe par famille de 6 trous en utilisant le débit moyen correspondant à cet ensemble. L'exemple 1 avait été obtenu avec un distributeur calculé ainsi. En l'absence de distributeur, pour obtenir 1f. même rendement le nombre de grilles a du être multiplié par 2,2, ce qui a conduit à une perte de charge de 24 mm-eau au débit de 400m3/h obtenu grâce à l'augmentation de la vitesse du ventilateur à 3300 tr/mn. Le volume sonore étant trop élevé, il s'est avéré indispensable de réduire le débit traité. Le distributeur ainsi obtenu joue le même rôle dans les deux demi-cycles puisque les trajets aérauliques présentent les mêmes caractéristiques avant ou après l'inversion. n'IIDICaT1S 1- reil pour purifier l'air qui comprend un échangeur de chaleur constitué par deux bacs (4 et 5) équipés chacun d'un empilement de toiles métalliques (14 et 15) disposées horizontalement et d'un bac pour recueillir et éliminer l'eau condensée, caractérisé en ce qu'il permet de récupérer une partie de l'enthalpie de l'air vicié et de la transmettre à l'air propre grâce au stockage périodique de cette enthalpie dans les deux empilements ; la périodicité est obtenue par inversion, à l'aide d'un programmateur cyclique (13), de quatre électrovannes (3 et 12) qui orientent pour des durées d'un demi-cycle l'air vicié et l'air propre vers l'un ou l'autre des deux bacs ; l'air vicié est mis en circulation par un ventilateur centrifuge (1) et circule de haut en bas dans les empilements, l'air propre est lui-même actionné par un ventilateur (10) et circule de bas en haut dans les empilements. 2- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux bacs sont superposés et alimentés horizontalement en air vicié ou propre tout au long de l'un des côtés de leur section carrée ou rectangulaire, cette orientation étant obtenue grace à un déflecteur qui peut être le volet de l'électrovanne 3- Appareil suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les alimentations horizontales d'air ainsi réalisées circulent dans des espaces vides dont les volumes sont supérieurs aux volumes des empilements et que la symétrie de sa construction permette d'obtenir des trajets aérauliques essentiellement identiques pour les deux circuits d'air vicié et les deux circuits d'air propre 4- Appareil suivant les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que on dispose en haut de chacun des deux empilements une plaque (16 et 17) perforée de nombreux trous de diamètre différents, ce distributeur étant destiné à aplatir les profils de vitesse et de température à l'intérieur des empilements 5- Appareil suivant les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la fréquence d'inversion est élevée, supérieure dans tous les cas à une inversion par minute, et que les toiles métalliques des empilements ont des fils de diamètre inclus entre O,lmm et lmm et que la porosité volumique de ces toiles est incluse entre 75% et 95%.