Brevet FR2955384A1 — publié le 20110722

DEFINITION DE L'INVENTION La présente invention concerne une structure d'échangeur thermique à plaques caractérisée en ce qu'elle est composée d'un empilement de plusieurs échangeurs thermiques à flux croisés formant un ensemble monobloc et dans laquelle les flux d'alimentation sont dirigés dans un axe parallèle à l'axe d'empilement afin de pouvoir alimenter en série les différents échangeurs thermiques à flux croisés. CONTEXTE DE L'INVENTION Dans le domaine du bâtiment, la diminution de consommation d'énergie des locaux chauffés est une exigence croissante. Dans l'industrie la réduction de la consommation d'énergie des équipements et processus est de plus en plus prise en compte. Dans les applications de récupération d'énergie de l'air extrait des locaux chauffés des solutions techniques à hauts rendements d'échanges thermiques existent mais elle sont complexes, coûteuses et encombrantes et les solutions techniques économiques, notamment celles des échangeurs à plaques à flux croisés ont des rendements d'échanges thermiques opérationnels inférieurs à 60% . Dans l'industrie les solutions complexes à haut rendement sont souvent retenues, les performances attendues étant prioritaires sur les coûts. Les recherches d'échangeurs thermiques à très grand rendement d'échange 20 thermique, compacts et économiques sont une préoccupation forte. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention permet la réalisation économique d'échangeurs thermiques à très haut rendements d'échange thermique, monoblocs, composés d'un empilement de plusieurs échangeurs thermiques à flux croisés fonctionnant en série destiné à la récupération 25 d'énergie de l'air extrait des locaux chauffés et plus généralement à l'échange de chaleur entre 2 fluides. L'invention est une structure d'échangeur thermique monobloc à très haut rendement constituée d'un empilement d'échangeurs à flux croisés et dans laquelle les fluides sont dirigés parallèlement à l'axe d'empilement afin de permettre l'alimentation en 30 série de ces échangeurs et par conséquence de bénéficier du cumul des échanges thermiques de chacun des échangeurs à flux croisés Le guidage des flux soit est réalisé en périphérie des échangeurs par des panneaux latéraux dans lesquels sont aménagés des chambres pour guider les alimentations comme présenté dans la Fig.2 soit par des ouvertures aménagées à l'intérieur des plaques 35 d'échanges comme présenté dans les Fig.3 à Fig.6 Dans l'empilement chaque échangeur à flux croisés peut avoir ses propres caractéristiques de fabrication et/ou de performances. L'invention par son principe de construction permet d'insérer entre chaque échangeur des fonctions complémentaires telles que des assècheurs d'air présentés en fig.6. 40 Les débits d'air d'un habitat individuel sont compatibles avec des assècheurs passifs à membranes, pour des débit beaucoup plus importants des assècheurs par réfrigération pourront être choisis. L'invention permet une construction économique où l'alimentation radiale des plaques est réalisée par des ouvertures ménagées dans les plaques d'échanges thermiques 45 comme présenté dans les Fig3 à Fig.6 Dans les applications de récupération d'énergie des locaux chauffés et en présence d'air neuf très froid les échangeurs thermiques à flux croisés sont sensibles à l'obstruction 2955384 -2- des alvéoles des plaques d'échanges thermiques par givrage de l'humidité du flux d'air extrait des locaux chauffés. L'invention permet d'adjoindre un étage de préchauffage passif de l'air neuf froid sans composant électrique comme présenté en Fig.3_3 Les exemples d'applications présentés dans les dessins montrent des empilements 5 mettant en série de 4 échangeurs à flux croisés, dans la pratique d'autres empilements sont possibles dépendant des rendement unitaires de chaque échangeur et du rendement total désiré. L'invention par son assemblage monobloc permet de se soustraire à la mise en oeuvre du volumineux caisson obligatoire dans les échangeur thermiques classiques et 10 permet son implantation dans des locaux exigus. La Fig.1 montre la solution classique d'échangeur thermique à flux croisés Les applications présentées dans les Fig.2 à Fig.4 concernent la récupération d'énergie dans les flux d'airs chauds extraits pour ventilation de locaux chauffés. La Fig.5 montre l'application de l'invention à l'échange thermique entre 2 liquides 15 La fig.6 montre le montage d'assècheurs d'air passifs à membranes entre les différents échangeurs thermiques. Pour ne pas surcharger les dessins l'évacuation des condensats effectuée de façon classique n'est pas montrée dans les dessins. LES DESSINS. Description de la fig.l: La Fig1 est destinée à montrer le fonctionnement d'un échangeur thermique classique à plaques à simple flux croisés. Le flux d'air vicié chaud (Il a) extrait des locaux chauffés traverse l'échangeur thermique à plaques empilées(10) pour céder sa chaleur au flux d'air neuf froid (12a) et sort 25 en flux d'air refroidi (1l b). Le flux d'air neuf froid (12a) traverse l'échangeur thermique (10a) pour prendre la chaleur du flux d'air vicié chaud (11 a) et sort en flux d'air neuf réchauffé (12b). Le rendement d'échange thermique opérationnel de ce type d'échangeur dans lesquels les 2 flux ne se croisent qu'une seul fois est de l'ordre de 50à 60%. 30 Description de la fig.2 La fig.2 montre les principes de l'invention et un exemple de réalisation d'échangeur thermique monobloc à 4 échangeurs à croisement de flux. Pour garder de la clarté dans les dessins, les flux sont repartis en parallèle sur 3 plaques d'échanges thermiques; dans la pratique les plaques mise en parallèle sont 35 beaucoup plus nombreuses afin d'obtenir une surface d'échange thermique correcte et limiter les pertes de charges des flux d'air; les profondeurs des chambres de renvois de flux dans les panneaux (26) et (27) sont présentées plus profondes qu'en réalité Le flux d'air vicié chaud (23a) est guidé vers les plaques de l'échangeur thermique(20b) par les panneaux latéraux (26) et (27) pour y céder sa chaleur au flux d'air 40 neuf froid (24a). Les panneaux (26) et (27) comportent des chambres permettant le renvoi des flux d'air (25) dans l'échangeur (20b). Les panneaux (26) et (27) sont présentés en coupe (26a) et (27a) sur l'ensemble échangeur. Les flux (23a) et (24a) se croisent 4 fois. Pour un rendement d'échange thermique 45 unitaire de chaque échangeur à flux croisés de 60% le rendement total est de 97%. 2955384 -3- L'ensemble étant monobloc, il n'y a pas de perte de chaleur entre chaque échangeur à flux croisés. La distribution radiale des alimentations d'air offre un ensemble échangeur thermique multiflux croisés très compact autorisant sont installation dans des locaux exigus. 5 Description de la fig.3_1, fig.3_2: Les fig3_1, 3_2 et 3_3 présentent des réalisations faites à partir de plaques standard alvéolaires en pvc extrudé ayant des alvéoles de 3x3mm de section de passage fréquemment utilisés dans les échangeurs thermiques d'entrée de gamme, lesquels ne dépassent des rendement de 50% que dans des conditions d'utilisations extrêmement 10 limitées. Faciles à mettre en oeuvre, le rendement d'échange thermique des plaques alvéolaires est dégradé par la difficulté d'assurer le contact total entre 2 plaques adjacentes. Pour garder de la clarté dans les dessins, les flux sont repartis en parallèle sur 3 plaques d'échanges thermiques; dans la pratique les plaques mise en parallèle sont beaucoup plus nombreuses afin d'obtenir une surface d'échange thermique correcte et 15 limiter les pertes de charges des flux d'air. Les échangeurs présentés dans les figures sont réalisés à partir de matériaux en pvc destinés à l'habitat individuel, pour des applications en habitat collectif ou des application aux bâtiments agricoles les composants sont réalisables avec d'autres matériaux, par exemple à partir d'alliage d'aluminium. 20 La mise en oeuvre de l'invention permet d'obtenir des rendement élevés par la mise en série de plusieurs échangeurs à flux croisés. A partir d'un rendement unitaire de 50% la mise en série de 4 échangeurs permet d'atteindre 93% de rendement total. L'ensemble (37) présenté en fig 3_1 est un assemblage de plaques d'échange thermique (41) et de plaques d'interface (32) et constitue un empilement de 4 échangeurs à flux croisés. La coupe (37a) ainsi que la présentation éclatée de la fig.3_2 montrent l'arrangement des plaques (31) et (32). Les plaques d'échange thermique (31) comportent 2 ouvertures (31 a) permettant au fluide de circuler dans les alvéoles et d'échanger la chaleur avec les plaques d'échanges thermiques adjacentes. Les plaques d'échange thermique (31) comportent 2 ouvertures (31b) permettant au fluide des plaques adjacentes de traverser la dite plaque (31). Les alvéoles, en extrémité des plaques (31) sont obturées par soit des bouchons, du mastic silicone ou du ruban adhésif. Les plaques d'interface (32) comportent 2 ouvertures (32a) permettant aux 2 fluides 35 de passer entre 2 échangeurs thermiques. Les plaques d'adaptation (33) servent à passer les fluides entre les plaques de connexion ((34) et l'échangeur thermique (37). Description de la fig.3_3: Pour la clarté du dessin, un nombre de plaques d'échange thermique limité est mis 40 en oeuvre, dans la pratique le nombre de plaques d'échange thermique mises en parallèle dépendra des conditions d'applications. La vue en éclaté et la vue en coupe (39a) montre l'arrangement des différents composants. L'ensemble (39) est destiné au préchauffage de l'air neuf froid en évitant les risques 45 d'obturation du circuit de l'air chaud et humide extrait des locaux chauffés. 2955384 -4- L'ensemble (39) est constitué de 2 échangeurs thermique à flux croisés dans lesquels l'arrangement des plaques permet d'empêcher l'obstruction des alvéoles par givrage de l'air chaud et humide. L'air chaud et humide circulant dans la plaque (38b) bénéficie de la chaleur de l'air 5 chaud circulant dans la plaque (38c) pour résister au givrage en présence d'air neuf très froid circulant dans la plaque (38a). En cas d'obstruction éventuelle de la plaque (38b) par le givre le débit d'air chaud dans la plaque (38c) va alors augmenter fortement et aura une capacité plus élevée de réchauffage de la plaque (38b). Description de la fig.4 10 La solution de réalisation présentée en fig.4 permet de s'affranchir des problèmes de qualité de contact entre les plaques alvéolaires exposées dans la description des fig 3_1, 3_2 et 3_3.. La présence d'une seule épaisseur de pvc sans défaut de contact entre 2 plaques permet de gagner de l'ordre de 15% sur le coefficient global d'échange thermique. Les plaques d'échange thermique (41) sont constituées d'une feuille en pvc (24) de 15 faible épaisseur (0,2 à 0,4 mm) et d'un cadre (43) découpé dans du panneau standard en polystyrène extrudé de 3mm d'épaisseur. La vue en éclaté montre les plaques (41) empilées chacune décalée d'un quart de tour par rapport à la précédente et les plaques d'interface (44) assurant le guidage des flux entre chaque échangeur. 20 Les plaques d'échange (41) peuvent remplacer avantageusement les plaques alvéolaires (31) en PVC extrudé alvéolaire dans les solutions de réalisation des fig.3_1, fig.3_2 et fig.3_3 Description de la fig.5 La fig 5 montre un exemple d'ensemble destiné à l'échange thermique entre 2 25 liquides (55a) et (56a). L'ensemble (50) est composé de cadres (51) ), de plaques (52) d'échanges thermiques, de platines (54) d'extrémités. Chaque cadre (51) comporte un passage (51 a) permettant le passage du liquide entre les 2 cadres adjacents et une chambre (51b) permettant la circulation du liquide pour 30 permettre l'échange thermique sur les plaques (52) Chaque plaque (52) comporte une ouverture (52a) qui s'aligne sur les passages (5la). L'ouverture (52b) permet l'alimentation de la chambre (5lb). Les platines d'extrémité (54) sont destinées à maintenir les cadres et plaques ensemble et à connecter les canalisations externes. Les 4 orifices périphériques présents sur 35 toutes les plaques servent aux passages des boulons d'assemblage de l'ensemble. Description de la fig.6 La fig.6 montre un échangeur thermique constitué de 4 échangeurs à flux croisés entre lesquels sont insérés 3 assècheurs d'air à membranes. Le montage présenté dans cette figure est destiné à assécher l'air chaud et humide 40 extrait des locaux en complément du montage présenté en fig.3_3. L' assècheur (60) est constitué d'un cadre (60a) dans lequel l'ouverture (60c) permet le passage de l'autre flux d'air entre les 2 échangeurs (61) adjacents et de membranes permettant la précipitation de la vapeur d'eau contenue dans l'air humide. Pour la clarté du dessin seules 4 membranes ont été représentées. Deux plaques d'interface (62) sont 45 montées de chaque coté du cadre (60a). 2955384 -5- Entre 2 échangeurs thermiques à flux croisés le flux d'air chaud et humide (63) traverse les membranes des assècheurs pour précipiter tout ou partie de la vapeur d'eau qu'il contient et ainsi réduit fortement les risques de givrage des échangeurs thermiques suivants en présence d'un flux d'air neuf (64) très froid. 5 Le montage d'assècheurs d'air en combinaison avec le montage présenté en fig.3,3 permet de supprimer la solution de préchauffage électrique (typiquement 1kW pour une habitation individuelle) de l'air neuf froid (64). Les assècheurs d'air passifs à membranes peuvent aussi être utilisés pour diminuer l'hygrométrie de l'air neuf en cas d'installation dans des condition de forte hygrométrie 10 environnante.