Brevet FR2770631A1 — publié le 19990507

La présente invention se rapporte à un procédé d'optimisation de la consommation d'énergie d'une machine de séchage par courant d'air de produits ou matériaux disposés dans une enceinte. Les machines telles que les sèche-linge et les lavantes-séchantes consomment beaucoup d'énergie pour assurer le séchage du linge, d'autant plus que pour réduire la durée du séchage on doit augmenter la puissance de séchage afin d'élever la température de l'air de séchage, ce qui augmente la vitesse d'évaporation de l'eau contenue dans le linge. L'énergie de séchage mise en jeu est généralement comprise entre 3,5 et 4 kWh pour une charge normalisée de 4,5 kg de linge. Or, les labels de qualité de consommation d'énergie qui sont actuellement attribués à de telles machines correspondent, pour le label " 4,5 kg), et à partir de 900 Wh, le label est " mauvais ">. En plus de cet inconvénient de forte consommation d'énergie, ces machines ont des températures de fonctionnement élevées. Par conséquent, le linge et les composants des machines sont soumis à des températures proches des limites tolérables, ce qui présente des risques de dégradation du linge, des risques de brûlures pour l'usager, et nécessite l'emploi de matériaux résistant à la chaleur pour fabriquer ces machines, d'o un prix de revient élevé. La présente invention a pour objet un procédé de séchage de produits ou de matériaux qui soit économe en énergie, tout en étant au moins aussi efficace que les procédés connus, et qui ne présente de risques ni pour ces produits ou matériaux, ni pour l'utilisateur. La présente invention a également pour objet une machine mettant en oeuvre un tel procédé, qui ne soit pas plus onéreuse à produire que les machines connues. Le procédé conforme à l'invention consiste à apporter à l'air de séchage au moins en fin de séchage l'énergie de chauffage juste nécessaire pour assurer l'évaporation de l'eau contenue dans les produits ou matériaux, en fonction de l'état de ces produits ou matériaux et des conditions de fonctionnement de la machine. La machine conforme à l'invention comporte un dispositif de commande de la puissance de chauffage d'air de séchage et de régulation des conditions de fonctionnement de la machine, relié à un dispositif de détermination de degré de séchage de son contenu et, le cas échéant à un capteur de température de son contenu. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mise en oeuvre, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un chronogramme de la température d'une charge de linge humide soumise à un processus de séchage, et - la figure 2 est un chronogramme de l'évolution des débits d'air et de la puissance de chauffage de l'air de séchage dans un processus de séchage conforme à l'invention. L'invention est décrite ci-dessous en référence à une machine telle qu'un sèche-linge ou une lavante-séchante, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans de nombreux autres processus de séchage par air chaud. Dans les sèche-linge actuels, de l'air asséché et chauffé à " haute " température (environ 120 C) par passage sur une résistance chauffante de forte puissance (généralement 2 400 à 2 800 W) est injecté à l'intérieur du tambour dans lequel est disposé le linge à sécher. Cet air chaud, en augmentant la température du linge, permet la vaporisation de l'eau contenue dans les fibres de ce linge, et se charge des molécules d'eau vaporisées. La vaporisation de l'eau du linge est d'autant plus rapide que la température du linge est élevée (c'est le phénomène bien connu de la chaleur latente de vaporisation de l'eau). D'autre part, I'aptitude de l'air à se charger en molécules d'eau est d'autant meilleure que sa température est élevée. Dans le cas des machines à évacuation, cet air humide est rejeté à l'extérieur des machines, avec une température d'environ 60 C, ce qui constitue une déperdition d'énergie importante. Selon la présente invention, le séchage est effectué de façon à apporter à la masse de linge à sécher juste le minimum d'énergie nécessaire pour vaporiser l'eau qu'il contient. Etant donné que, comme expliqué ci- dessous, ni la vitesse de vaporisation de l'eau contenue dans le linge, ni le débit d'air de séchage ni les autres conditions de fonctionnement de la 2770 / 631Ut machine ne sont constants au cours du processus de séchage, le minimum d'énergie n'est pas constant, et le procédé de l'invention consiste à doser l'énergie de chauffage d'air en fonction de l'état du linge et des conditions de fonctionnement de la machine. Par conséquent, le séchage du linge est effectué à " basse " température (à la limite, cette température est légèrement supérieure (de quelques degrés) à la température ambiante. Il en résulte que l'on compense à la fois la diminution de la vitesse d'évaporation de l'eau contenue dans le linge et l'aptitude réduite de l'air à se charger en eau par une augmentation de la durée du processus de séchage et par une optimisation des conditions de brassage du linge dans le tambour de la machine. Il faut noter que la seule diminution de la température de l'air de séchage ne suffit pas à obtenir tous les avantages de l'invention, en particulier du fait que l'abaissement de la température de l'air de séchage doit être compensé par une meilleure efficacité de cet air, afin de ne pas allonger démesurément la durée de séchage. Dans les machines actuelles, les différents programmes de séchage font intervenir en général cinq paramètres: 1 ) la durée de séchage - Celle- ci est soit sélectionnée par une minuterie manoeuvrée par l'utilisateur, soit déterminée automatiquement par détection d'un état de " fin de séchage ". Cet état peut être détecté soit par une mesure de la résistivité du linge à l'aide de deux électrodes en contact avec le linge, soit par une mesure de température (absolue ou relative). ) Le cadencement de rotation du tambour contenant le linge. Cette rotation peut être commandée dans un seul sens ou alternativement dans les deux sens. Dans ce dernier cas, le rapport T entre les durées de rotation dans chacun des deux sens est généralement différent de 1. Il est par exemple égal à 4/1 (c'est-à-dire 80 % de la durée T d'une période dans un sens, et 20 % dans l'autre sens). 3 ) La durée T de la période de cadencement du moteur d'entraînement du tambour (c'est-à-dire le laps de temps séparant deux débuts de rotation dans un même sens. Selon un exemple courant, T = 4 mn, et si r = 4/1, la rotation dans un sens dure 192 s, et celle dans l'autre sens dure 48 s. Il faut toutefois noter que l'on prévoit des temps d'arrêt du tambour (par exemple d'environ 4 s) pris à la fin de la rotation dans chaque sens, pour tenir compte de l'inertie du tambour et ne pas inverser brusquement le sens de rotation de son moteur d'entraînement. 4") Les débits de ventilation. Il existe des dispositifs de ventilation à pales symétriques ou à pales dissymétriques. Dans la plupart des sèche- linge à évacuation, la turbine de ventilation est solidaire du moteur d'entraînement du tambour, afin d'économiser un moteur. Lorsque les pales sont symétriques, le débit d'air est constant, quel que soit le sens de rotation du tambour. Dans le cas de pales dissymétriques, le débit d'air dépend du sens de rotation de la turbine. On a, par exemple, un débit d'air de 150 m3/h dans un sens de rotation et 40 m3/h dans l'autre sens. ") Les puissances de chauffage de l'air de séchage. Elles peuvent être différentes suivant le débit d'air: par exemple de 2 800 W pour un débit de 150 m3/h et de 1 000 W pour un débit de 40 m3/h. Dans d'autres machines, cette puissance peut être constante, quel que soit le débit d'air, par exemple de 2 000 W. Pour mieux comprendre l'invention, on va d'abord exposer les différents phénomènes se produisant au cours d'un processus de séchage de linge, que l'on peut décomposer en trois phases principales: 1 ) Phase de montée en température et de stabilisation à une température donnée. Les calories fournies par le dispositif de chauffage de la machine servent principalement à chauffer l'ensemble comportant les structures de la machine, le linge à sécher et l'air de séchage. 2 ) Phase de palier de séchage. Lorsque ledit ensemble a été chauffé jusqu'à une température de fonctionnement normal (fonctionnement à une température à peu près stable), les calories communiquées à l'air de séchage servent prioritairement à vaporiser l'eau contenue dans le linge, et en particulier celle se trouvant à la périphérie des fibres du linge. Cette phase dure par exemple jusqu'à l'obtention d'un taux de séchage d'environ % (le taux de séchage étant défini comme le rapport entre la masse d'eau contenue dans le linge et la masse de linge sec). 3 ) Phase de fin de séchage. Lorsque l'eau contenue à la périphérie des fibres du linge a été évaporée, les calories transportées par l'air de séchage servent à vaporiser l'eau restant dans le " coeur " des fibres. Ce processus est beaucoup plus lent que celui de l'évaporation de l'eau contenue à la périphérie, car les molécules d'eau migrent difficilement vers la périphérie des fibres, et il est alors très difficile de ne pas gaspiller de calories. Les machines actuelles sont prévues pour sécher une charge de linge " normalisée " (4,5 kg) en un temps minimum (généralement 90 mn). A cet effet, elles consomment beaucoup d'énergie (par exemple 800 Wh/kg de linge, soit 3,6 kWh pour la charge normalisée). La puissance de chauffage est maximale pour monter en température ledit ensemble (structures de la machine, linge et air de séchage) et pour vaporiser le plus vite possible l'eau contenue dans le linge. Pour ce qui concerne la première phase du séchage lo et une partie de la deuxième, un tel procédé peut être considéré comme assez efficace, car la plupart des calories de l'air de séchage servent effectivement à chauffer ledit ensemble, ce qui est inévitable, puis à vaporiser l'eau se trouvant à la périphérie des fibres. Par contre, à la fin de la deuxième phase, et surtout pendant la troisième phase, il y a une forte déperdition de calories à cause de la lenteur de migration des molécules d'eau vers la périphérie des fibres (il suffirait de très peu de calories pour vaporiser le peu de molécules d'eau parvenant à la périphérie) et à cause d'un manque d'optimisation de l'apport de calories au linge. Le procédé de l'invention agit tout au long du processus de séchage, sur tous les paramètres mentionnés ci-dessus, afin d'éviter pratiquement toute déperdition de calories, ce qui, bien entendu, allonge le temps total de séchage, sans que toutefois le rapport entre le temps de séchage selon l'invention et le temps " normalisé " atteigne le rapport entre l'énergie consommée par une machine connue et l'énergie consommée par une machine conforme à l'invention. Selon le procédé de l'invention, on diminue très sensiblement par rapport à l'art antérieur (dans un rapport compris entre 7/1 et 3/1 environ) la puissance de chauffage pendant au moins la fin du processus de séchage. Cette diminution peut être effectuée de plusieurs façons: soit une diminution à une valeur fixe (par exemple 400 W) pendant toute la durée du séchage, soit par paliers en cours de séchage, (par exemple une première diminution à la fin de ladite première phase, et une seconde diminution à la fin de la deuxième phase), soit progressivement tout au long du processus (par exemple en fonction du taux de séchage, comme exposé ci-dessous en référence à la figure 1). Bien entendu, si l'on ajoute du linge en cours de séchage, on peut prévoir une augmentation temporaire de la puissance de chauffage (augmentation à une valeur inférieure ou égale à la puissance des machines de l'art antérieur). Dans tous les cas, la puissance de chauffage au tout début du processus de chauffage peut être inférieure ou égale à celle des machines de l'art antérieur. On a représenté en figure 1 I'évolution de la température du linge en fonction du temps, et on a également porté sur l'axe des abscisses trois valeurs moyennes de taux de séchage de ce linge, et on y a indiqué les trois phases précitées du processus de séchage (P1 à P3), et ce, pour une l o puissance de chauffage de 400 W, selon l'invention. On constate qu'au cours de la première phase (P1), la température du linge, qui est supposée être égale à la température ambiante (20 C par exemple) monte rapidement jusqu'à une valeur d'environ 30 C. Au cours de la phase suivante (P2), la température du linge augmente très peu. Lors de la troisième phase (P3), puisqu'il reste peu d'eau à vaporiser, les calories transportées par l'air de séchage augmentent la température du linge. Grâce à la faible puissance de chauffage, cette augmentation est limitée, et la température du linge atteint environ 40 C et s'y maintient. On notera que dans le cas du procédé de l'art antérieur, cette augmentation serait beaucoup plus élevée, et pourrait endommager le linge si le séchage était poursuivi au-delà d'environ 90 mn à la puissance initiale élevée (par exemple 2 800 W). A la fin de P1, le taux de séchage du linge est d'environ 70 %, au milieu de P2, il est d'environ 40 %, et à la fin de P2, il est d'environ 20 % Si l'on régule la puissance de chauffage en fonction du taux de séchage, on peut la faire varier, par exemple entre 1 000 W, au début du processus, et 200 W à la fin du séchage. Cette variation peut alors suivre une courbe dont l'allure est sensiblement inverse de celle de la courbe de la figure 1. Le procédé de l'invention prévoit non seulement d'agir sur la puissance de chauffage, mais également et simultanément sur les autres paramètres cités. La durée de séchage est, bien entendu allongée, comme précisé cidessus, et est, de préférence déterminée automatiquement d'après le taux de séchage du linge. Par ailleurs, la puissance de chauffage peut être asservie au débit d'air de séchage, afin de rendre indépendante du débit d'air l'énergie de vaporisation du fait que le débit d'air peut varier dans de fortes proportions, en fonction du sens de rotation de la turbine du circuit d'air. En outre, selon l'invention, I'un des sens de rotation (sens " + " de la turbine, correspond à un débit d'air élevé et à une puissance de chauffage relativement élevée, alors que l'autre sens de rotation (sens " - ") correspond à un débit d'air plus faible et à une puissance de chauffage plus faible, et le rapport entre les durées respectives de ces deux sens de rotation est variable, et la période de la turbine (c'est-à-dire le laps de temps séparant les débuts de deux rotations consécutives de même sens) varie. Selon l'exemple de la figure 2, la période peut être de 4 mn jusqu'à ce que le taux de séchage atteigne 40 %, puis de 2 mn jusqu'à ce que le taux de séchage atteigne 20 %, et de 1 mn jusqu'à la fin du séchage. Le rapport des durées sens +/sens - est de 5 jusqu'au taux de séchage de 20 %, puis s'inverse (durée sens +/ durée sens - = 1/5). La puissance de chauffage est de 400 W pour un taux de séchage supérieur à 20 %, puis elle est réduite à W. Bien entendu, ces valeurs peuvent être différentes, et varier progressivement tout au long du processus de séchage. La période de la turbine peut ainsi être optimisée de façon que le linge soit réparti de façon régulière dans le tambour en particulier à la fin de la phase P2, c'est-à-dire pour que le linge ne soit pas entortillé ou noué. De cette façon, on améliore l'échange entre l'air chaud et le linge, en particulier pendant la phase P3, et on favorise donc la vaporisation de l'eau. Pendant la phase P3, on modifie sensiblement le rapport puissance de chauffage/débit d'air pour continuer de vaporiser de façon optimale l'eau du linge, avec une déperdition minimale de calories. Cette optimisation est obtenue, dans l'exemple de la figure 2, en diminuant la puissance de chauffage à 200 W, en inversant le rapport des durées sens " + "/sens " ". De plus, pour améliorer le détassage du linge (pour qu'il soit réparti le plus uniformément possible dans le volume intérieur du tambour), on réduit la période de la turbine (réduite à 1 mn dans I'exemple cité). Au lieu de faire varier tous les paramètres précités, ou une partie d'entre eux, par paliers, on peut les faire varier progressivement ou les asservir à la dynamique de séchage du linge. Cette dynamique peut être déterminée à partir des valeurs instantanées ou des gradients de variation suivants: du taux de séchage du linge et/ou de sa température et/ou de la température de l'air à la sortie du tambour et/ou de l'humidité relative de l'air à la sortie du tambour ou de la différence d'humidités relatives de l'air pour les deux sens de variation de la turbine. Ainsi, I'invention procure de nombreux avantages: économies d'argent pour l'utilisateur (par diminution de l'énergie de chauffage), pour le fabricant grâce à la possibilité d'utiliser des matériaux moins " nobles " (il n'y a plus besoin d'utiliser des matériaux résistant à de hautes températures), et grâce à la diminution de la puissance de chauffage entraînant la simplification des dispositifs de sécurité (thermostats, fusibles...). En outre, le linge ne risque plus la détérioration due aux températures élevées, et il est peu ou pas froissé, et séché de façon plus homogène (pas de surséchage) et n'a plus besoin d'être trié avant d'être mis dans la machine, ce qui rassure l'utilisateur, d'autant plus qu'il ne risque pas de se brûler au contact de parties chaudes de la machine et que la machine ne présente plus de risques de détérioration par surchauffage et a ainsi une plus grande longévité. De plus, dans le cas des machines à sélection de durée de séchage, il n'y a plus de risque pour les machines ou le linge si l'utilisateur sélectionne une durée trop longue. Les machines conformes à l'invention sont très simples d'emploi: il suffit d'un programme unique (durée choisie par actionnement d'une minuterie ou taux de séchage si la machine est équipée d'une telle détection), sans avoir à proposer de choix de type de textile, et elles peuvent être équipées de divers types de dispositifs de détection automatique de fin de séchage. Enfin, ces machines ne nuisent pas à l'environnement grâce à leur faible consommation d'énergie et grâce au fait que celles du type à évacuation ne rejettent pas d'air chaud. REVENDICATIONS 1. Procédé d'optimisation de la consommation d'énergie d'une machine de séchage par courant d'air chaud passant dans l'enceinte, de produits ou matériaux disposés dans une enceinte de séchage, caractérisé en ce qu'il consiste à apporter à l'air de séchage, au moins en fin de séchage, I'énergie de chauffage juste nécessaire pour assurer l'évaporation de l'eau contenue dans les produits ou matériaux, en fonction de l'état de ces produits ou matériaux et des conditions de fonctionnement de la machine. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'état des produits ou matériaux est déterminé par l'un au moins des paramètres suivants: leur taux de séchage, leur température, leur gradient de variation de taux de séchage, leur gradient de variation de température. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce les conditions de fonctionnement de la machine sont déterminées par l'un au moins des paramètres suivants: débit d'air de séchage, température et humidité relative ou absolue de l'air à l'entrée et à la sortie de l'enceinte, gradients de variation de ces températures et humidités. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, appliqué à un sèche-linge ou une lavante-séchante, caractérisé en ce qu'en outre on agit sur l'un au moins des paramètres suivants: vitesse de rotation du tambour, période de rotation et rapport des durées de rotation dans le cas d'une rotation à sens alternés. 5. Machine de séchage de produits ou matériaux disposés dans une enceinte parcourue par un courant d'air de séchage, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de commande de la puissance de chauffage d'air de séchage et de régulation des conditions de fonctionnement de la machine relié à un dispositif de détermination de degré de séchage de son contenu. 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que le dispositif de commande est relié à au moins un capteur de température de son contenu et/ou de température de l'air de séchage. 7. Machine selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle est un sèche-linge ou une lavante-séchante dont le dispositif de régulation commande la vitesse de la turbine de circulation d'air et/ou la période de rotation de son tambour et/ou le rapport des durées de rotation du tambour dans chaque sens de rotation.