Brevet FR2950419A1 — publié le 20110325

L'invention concerne un procédé de traitement thermique utilisant une roue dessiccante et un système de traitement thermique mettant en oeuvre un tel procédé. Notamment, l'invention est destinée à un système de rafraîchissement. La figure 1 illustre un système de rafraîchissement solaire par dessiccation selon l'état de la technique, tel que par exemple décrit dans le document US4594860. Dans un tel système, l'air extérieur pénètre dans une roue dessiccante 1 après passage par un ventilateur 2. La roue dessiccante a pour fonction de déshumidifier l'air entrant par adsorption lors de son passage. Il en ressort de l'air sec et chaud qui est ensuite pré-refroidi dans un échangeur sensible 3 puis refroidi lors de son passage dans un échangeur de chaleur 4, de type humidificateur à contact direct, pour atteindre le niveau de température et/ou d'humidité souhaitée, avant d'entrer finalement dans le bâtiment 5. En parallèle, l'air sortant du bâtiment, sous l'effet d'un ventilateur 7, est refroidi par humidification à contact direct 6 de manière à augmenter son potentiel de refroidissement de l'air traité, lors de son passage dans l'échangeur 3. Ensuite, l'air sortant est chauffé par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur air fluide 8 utilisant la chaleur fournie par un générateur 9, par exemple de type solaire. L'air chaud obtenu, dit air « de reprise », traverse ensuite la roue dessiccante 1 de manière à régénérer l'adsorbant qu'elle contient, avant d'être évacué vers l'extérieur. Cette régénération des matériaux dessiccants de la roue dessiccante nécessite une température de source chaude de l'ordre de 45 à 95 °C. La roue dessiccante 1 est un organe central d'un tel système thermique, car, en déshumidifiant l'air par adsorption, elle détermine la quantité de froid pouvant être produite lors de l'humidification à contact direct. Or son utilisation n'est pas optimisée dans les systèmes existants.30 II existe un besoin d'améliorer la performance d'un tel système thermique à roue dessiccante. Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution 5 optimisée du fonctionnement d'un système thermique à roue dessiccante. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de traitement thermique comprenant l'utilisation d'une roue dessiccante, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à faire varier la vitesse (Vrot) de la roue 10 dessiccante. La vitesse (Vrot) de la roue dessiccante peut être une fonction de l'humidité (Wads) et de la température (Tads) de l'air à déshumidifier en entrée de la roue dessiccante, et de la température de l'air (Tfeg) de reprise de 15 régénération de la roue dessiccante en entrée de la roue dessiccante. Le procédé de traitement thermique peut comprendre une régulation de la vitesse (Vrot) de la roue dessiccante autour d'une vitesse optimale (Vrot_opt) obéissant à la loi suivante : 20 F4- F14 Wads - F134 Wads Treg Vrot_opt = - F24 Tads - F34 Treg - F124 Wads Tads - F234 Tads Treg - F1234 Wads Tads Treg 2 F44 où les neuf valeurs (F4 à F44) de cette équation sont des constantes caractéristiques du fonctionnement de la roue dessiccante. 25 Le procédé de traitement thermique peut comprendre une étape de calcul de la vitesse optimale (Vrot_opt) de la roue dessiccante avec un pas temporel de régulation prédéterminé, en fonction des mesures des paramètres de fonctionnement (Wads, Tads, Treg) de la roue dessiccante à chaque pas temporel, et comprendre une transmission d'une commande à un moteur à vitesse variable de la roue dessiccante afin d'obtenir la vitesse optimale calculée. Le procédé de traitement thermique peut comprendre une étape d'identification expérimentale des neuf constantes (F4 à F44) à partir d'un minimum de neuf mesures des paramètres physiques (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) de la roue dessiccante. Les au moins neuf mesures des paramètres physiques (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) de la roue dessiccante peuvent être obtenues soit sur un banc d'essai aéraulique, soit directement in situ sur l'installation de traitement thermique, par une procédure d'auto-apprentissage d'un régulateur. Les valeurs des neuf constantes (F4 à F44) de la roue dessiccante peuvent être obtenues à partir des mesures des paramètres physiques (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) et par la résolution du système d'équations suivant, pour x variant de 1 à 9 : F4 + F14 Wadsx + F24 Tadsx + F34 Tregx + F124 Wadsx Tadsx + F134 Wadsx Tregx + F234 Tadsx Tregx + F1234 Wadsx Tadsx Tregx + 2 F44 Vrotx = 0 L'invention porte aussi sur un système de traitement thermique comprenant une roue dessiccante, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à vitesse variable pour l'entraînement à vitesse variable de la roue dessiccante. Le système de traitement thermique peut comprendre un régulateur mettant en oeuvre le procédé de traitement thermique tel que décrit précédemment, et trois sondes pour la mesure de respectivement l'humidité (Wads) et la température (Tads) de l'air à déshumidifier en entrée de la roue dessiccante, et de la température de l'air (Treg) de reprise pour la régénération de la roue dessiccante en entrée de la roue dessiccante. Le système de traitement thermique peut être un système de rafraîchissement solaire. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente schématiquement un système de rafraîchissement à roue dessiccante selon l'état de la technique. La figure 2 représente le fonctionnement d'une roue dessiccante dans un système thermique selon un mode d'exécution de l'invention. La figure 3 représente l'influence de différents facteurs sur les performances d'une roue dessiccante d'un système thermique. La figure 4 illustre schématiquement une roue dessiccante selon un mode d'exécution de l'invention dans le fonctionnement d'un système de rafraîchissement. 25 Le concept de l'invention consiste à prévoir un système thermique à roue dessiccante dans lequel la roue dessiccante fonctionne à vitesse variable. Un tel système permet d'optimiser la vitesse de la roue dessiccante pour obtenir un fonctionnement amélioré de l'ensemble du système thermique en fonction de l'environnement. 30 L'invention va être illustrée dans le cadre d'un système de rafraîchissement comprenant une roue dessiccante 11, illustrée sur la figure 2, montée mobile en rotation au sein d'un caisson 21, dont la rotation est assurée par un moteur à vitesse variable 17 par l'intermédiaire d'une courroie 16. Chaque section de la roue passe par sa rotation d'un état d'adsorption à un état de régénération. Selon l'invention, il a été mis en évidence que les performances de la roue dessiccante 11 dépendent de différents facteurs, illustrés sur la figure 3. Le premier facteur correspond à l'humidité de l'air Wads en entrée de la roue, le second facteur correspond à la température de l'air Tads en entrée de la roue et le troisième facteur correspond à la température de l'air Treg de reprise en entrée de la roue dessiccante. Enfin le quatrième facteur correspond à la vitesse de rotation Vrot de la roue dessiccante 11. Ensuite, la performance de la roue dessiccante dépend aussi d'autres facteurs correspondant à différentes combinaisons des quatre facteurs principaux précédents. La figure 3 représente en ordonnée l'importance des facteurs mentionnés ci-dessus et disposés en abscisse, sur les performances en déshumidification de la roue. Comme les trois premiers facteurs principaux mentionnés ci-dessus sont indépendants du système et non directement maîtrisables, puisqu'ils dépendent des conditions extérieures, l'invention repose sur le contrôle de la vitesse de la roue dessiccante 11 afin d'optimiser les performances du système thermique. Cette vitesse de la roue sera de préférence une fonction des autres paramètres influents du système, c'est-à-dire l'humidité de l'air Wads et la température de l'air Tads en entrée de la roue, et la température de l'air Tfey de reprise en entrée de la roue dessiccante. En variante, cette vitesse de la roue pourrait être déterminée par toute autre approche, empirique et/ou théorique. La figure 4 illustre ainsi un système de rafraîchissement incluant une roue dessiccante 11 selon un mode d'exécution de l'invention. L'air provenant de l'extérieur arrive par une entrée 12, traverse la roue dessiccante 11 puis en sort par une sortie 13 avant d'atteindre les autres composants du système thermique, similaires à ceux explicités en rapport avec la figure 1. En parallèle, de l'air réchauffé provenant de l'intérieur du bâtiment arrive en sens inverse par une entrée 14 dans la roue dessiccante 11 et en ressort par une sortie 15 vers l'atmosphère. Cet air dit « de reprise » a pour fonction de régénérer la roue dessiccante 11, comme cela a été rappelé précédemment. La roue dessiccante est mise en rotation par un moteur 17 par l'intermédiaire d'une courroie 16. L'air extérieur entrant dans la roue dessiccante traverse un premier capteur 18 de mesure d'humidité Wads et un second capteur 19 de mesure de température Tads. De plus, un autre capteur 20 de mesure de température Tfeg est positionné sur l'entrée 14 de reprise. Les différentes mesures obtenues par ces trois capteurs 18, 19, 20 sont transmises à un régulateur 10, qui détermine la vitesse de rotation de la roue en agissant sur le moteur à vitesse variable 17. L'invention porte aussi sur un procédé d'optimisation d'un système thermique tel que décrit ci-dessus, comprenant l'étape essentielle consistant à optimiser la vitesse variable de rotation de la roue dessiccante. 25 Selon le mode d'exécution de l'invention, différents facteurs influençant les performances de la roue dessiccante ont été identifiés et il est possible de caractériser la performance de la roue dessiccante par la formule mathématique suivante : 30 dW = Fo + F1 Wads+ F2 Tads+ F3 Treg + F4 Vrot + F12 Wads Tads + F13 Wads Treg + F14 Wads Vrot + F23 Tads Treg + F24 Tads Vrot + F34 Treg Vrot + F123 Wads Tads Treg + F124 Wads Tads Vrot + F134 Wads Treg Vrot + F234 Tads Treg Vrot + F1234 Wads Tads Treg Vrot + F11 Wads2 + F22 Tads2 + F33 Treg 2 + F44 Vrot 2 où dW représente la variation de la performance en déshumidification de la roue dessiccante, où Wads, Tads, Treg, et Vrot sont les facteurs d'influence de la performance de 10 la roue définis précédemment et où les constantes Fo à F44 sont caractéristiques du fonctionnement de la roue dessiccante. Les valeurs de ces différentes constantes caractéristiques d'une roue dessiccante peuvent être par exemple déterminées en utilisant la méthode 15 des moindres carrés récursifs. Ensuite, on obtient l'optimisation de la performance du système en fonction de la vitesse de la roue à partir de l'équation suivante : dW dVrot =0 La résolution de cette équation permet de déterminer la valeur optimale Vrot_opt de la vitesse de rotation de la roue dessiccante en fonction des températures et humidité de l'air entrant dans la roue dessiccante : - F4- F14 Wads - F24 Tads - F34 Treg - F124 Wads Tads - F134 Wads Treg - F234 Tads Treg - F1234 Wads Tads Treg 2 F44 Ainsi, il apparaît donc que cette vitesse optimale Vrot_opt dépend de 9 constantes à identifier. 20 25 Vrot_opt = (l) En variante, les équations précédentes pourraient être simplifiées, en choisissant par exemple par hypothèse de négliger les paramètres les moins influents. Par exemple, on peut considérer que les paramètres dont l'impact (figure 3) est inférieur à 10% de l'impact du paramètre le plus influent sont négligeables. Ensuite, le procédé d'optimisation du système thermique comprend une étape préalable d'identification expérimentale des neufs constantes, à partir d'un minimum de neuf mesures différentes des paramètres physiques Wadsx, Tadsx, Tregx, et Vrotx du système. La détermination des constantes du système consiste finalement en la résolution du système d'équations suivant, pour x variant de 1 à 9 : F4 + F14 Wadsx + F24 Tadsx + F34 Tregx + F124 Wadsx Tadsx + F134 Wadsx Tregx + F234 Tadsx Tregx + F1234 Wadsx Tadsx Tregx + 2 F44 Vrotx = 0 Des variations de fonctionnement du système peuvent être obtenues soit 20 sur un banc d'essai aéraulique par le fabricant, soit directement in situ sur l'installation, par une procédure d'auto-apprentissage du régulateur 10. Dans ce dernier cas, les différentes mesures obtenues par les trois capteurs 18, 19, et 20 représentés sur la figure 4 permettent d'identifier les neuf points de mesure nécessaires à l'identification des constantes du 25 système. Avantageusement, ces mesures peuvent être obtenues sur plusieurs heures de fonctionnement de la roue dessiccante afin d'obtenir des variations climatiques suffisantes pour obtenir des points d'entrée (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) suffisamment éloignés. Ainsi, il est possible de définir un pas d'acquisition, une durée d'acquisition et des vitesses 30 minimales et maximales de rotation de la roue dessiccante pendant cette15 période d'acquisition durant laquelle le régulateur 10 enregistre les mesures des paramètres physiques (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) du système. Lorsque ces différentes mesures sont obtenues, le régulateur résout le système à neuf équations présenté ci-dessus et obtient en sortie les neuf constantes recherchées. Ensuite, le régulateur 10 exploite ces valeurs pour déterminer la vitesse de rotation optimale du système thermique, telle que donnée par la formule (i) ci-dessus. Pour cela, il peut fonctionner avec un pas temporel de régulation prédéterminé, par exemple défini par l'utilisateur. A chaque pas de temps de régulation, il calcule la vitesse optimale de la roue dessiccante en fonction des mesures obtenues par les trois capteurs 18, 19, 20 et transmet la commande correspondante au moteur à vitesse variable 17. Finalement, le système thermique selon la solution proposée présente les avantages suivants : - il permet d'augmenter les performances du système sans modification profonde de l'architecture du système, puisqu'il suffit de remplacer le moteur initial par un moteur à vitesse variable, d'ajouter deux sondes de température et une sonde d'humidité, et d'ajouter un régulateur de vitesse qui commande le moteur de manière optimale en mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. Le régulateur peut consister en tout dispositif matériel et/ou logiciel, comme un calculateur quelconque, un microprocesseur... - on note une augmentation de la performance en déshumidification de la roue dessiccante allant jusqu'à 24 % ; - il faut aussi souligner la réduction de la consommation électrique du moteur de la roue dessiccante, ce qui permet aussi d'augmenter le 30 rendement électrique du système. Naturellement, l'invention a été illustrée dans le cadre d'un système de rafraîchissement solaire mais elle peut très bien être implémentée plus généralement sur tout système thermique comprenant une roue dessiccante. D'autre part, une régulation précise de la vitesse de la roue dessiccante a été proposée à titre d'exemple avantageux. Toute autre régulation de la vitesse de la roue dessiccante d'un tel système thermique peut être imaginée sans sortir du cadre de l'invention.10 Revendications1. Procédé de traitement thermique comprenant l'utilisation d'une roue dessiccante (11), caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à 5 faire varier la vitesse (Vrot) de la roue dessiccante. 2. Procédé de traitement thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vitesse (Vrot) de la roue dessiccante est une fonction de l'humidité (Wads) et de la température (rads) de l'air à 10 déshumidifier en entrée de la roue dessiccante, et de la température de l'air (Tfeg) de reprise de régénération de la roue dessiccante en entrée de la roue dessiccante. 3. Procédé de traitement thermique selon la revendication précédente, 15 caractérisé en ce qu'il comprend une régulation de la vitesse (Vrot) de la roue dessiccante autour d'une vitesse optimale (Vrot_opt) obéissant à la loi suivante : ( F4- F14 Wads - F24 Tads - F34 Treg - F124 Wads Tads - F134 Wads Treg - F234 Tads Treg - F1234 Wads Tads Treg rot_opt - 20 où les neuf valeurs (F4 à F44) de cette équation sont des constantes caractéristiques du fonctionnement de la roue dessiccante. 4. Procédé de traitement thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de calcul de la vitesse 25 optimale (Vrot_opt) de la roue dessiccante avec un pas temporel de régulation prédéterminé, en fonction des mesures des paramètres de fonctionnement (Wads, Tads, Treg) de la roue dessiccante à chaque pas temporel, et en ce qu'il comprend une transmission d'une commande à un 2 F44moteur à vitesse variable de la roue dessiccante afin d'obtenir la vitesse optimale calculée. 5. Procédé de traitement thermique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'identification expérimentale des neuf constantes (F4 à F44) à partir d'un minimum de neuf mesures des paramètres physiques (Wadsx , Tadsx, Tregx, Vrotx) de la roue dessiccante. 6. Procédé de traitement thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les au moins neuf mesures des paramètres physiques (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) de la roue dessiccante sont obtenues soit sur un banc d'essai aéraulique, soit directement in situ sur l'installation de traitement thermique, par une procédure d'auto-apprentissage d'un régulateur (10). 7. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les valeurs des neuf constantes (F4 à F44) de la roue dessiccante sont obtenues à partir des mesures des paramètres physiques (Wadsx, Tadsx, Tregx, Vrotx) et par la résolution du système d'équations suivant, pour x variant de 1 à 9 : F4 + F14 Wadsx + F24 Tadsx + F34 Tregx + F124 Wadsx Tadsx + F134 Wadsx Tregx + F234 Tadsx Tregx + F1234 Wadsx Tadsx Tregx + 2 F44 Vrotx = 0 8. Système de traitement thermique comprenant une roue dessiccante (11), caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à vitesse variable (17) pour l'entraînement à vitesse variable de la roue dessiccante. 9. Système de traitement thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur (10) mettant en oeuvre le procédé de traitement thermique selon l'une desrevendications 1 à 7, et trois sondes (18, 19, 20) pour la mesure de respectivement l'humidité (Wads) et la température (Tads) de l'air à déshumidifier en entrée de la roue dessiccante, et de la température de l'air (Treg) de reprise pour la régénération de la roue dessiccante en entrée de la roue dessiccante. 10. Système de traitement thermique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il est un système de rafraîchissement solaire.10