Brevet FR3013823A1 — publié le 20150529

ECHANGEUR AIR/AIR A DOUBLE FLUX, INSTALLATION DE TRAITEMENT D'AIR ET METHODE DE NETTOYAGE D'UN TEL ECHANGEUR L'invention concerne un échangeur air/air à double flux à contre-courant, ainsi qu'une installation de traitement d'air comprenant un tel échangeur. Dans le domaine des échangeurs de chaleur air/air à double flux, il est connu notamment de FR-A-2 961 891, d'utiliser des échangeurs à alvéoles à contre-courant (ou fonctionnement « méthodique ») mettant en oeuvre un réseau de canaux répartis dans des plaques dans lesquelles circule un flux d'air selon une direction longitudinale de l'échangeur dans un premier sens. Un second flux d'air, avec lequel des échanges thermiques ont lieu, circule entre les plaques selon la direction longitudinale de l'échangeur et dans le sens inverse au premier flux d'air. Une telle technologie permet des échanges thermiques à haut rendement. De tels échangeurs présentent l'inconvénient d'être sensibles au givre, ce qui provoque d'importantes pertes de charge, un dysfonctionnement, voire une détérioration. Pour éviter le givrage de l'échangeur, il est connu d'utiliser des éléments de chauffage électrique pour le dégivrer, ou empêcher l'apparition du givre, ou de mettre en oeuvre un pilotage « tout ou rien » permettant de stopper complètement, de façon temporaire, les échanges thermiques dans l'échangeur. De telles techniques ont l'inconvénient de générer des pertes d'énergie du fait de la non-récupération de la chaleur, ou un surcoût d'énergie dû au chauffage auxiliaire nécessité par le dégivrage. C'est à ces inconvénients qu'entend remédier l'invention en proposant un nouvel échangeur air/air à contre-courant dont la structure permet une gestion du dégivrage plus efficace et offrant plus de possibilités de contrôle. A cet effet, l'invention concerne un échangeur air/air à double flux à contre-courant comportant un premier réseau de canaux orientés selon un axe longitudinal de l'échangeur, dans lequel passe un premier flux d'air dans un premier sens, et un second réseau de canaux orientés selon l'axe longitudinal de l'échangeur, dans lequel passe un second flux d'air dans le sens opposé au premier flux d'air, le second flux d'air entrant dans l'échangeur par une ouverture d'entrée située sur un premier côté d'une face de l'échangeur et sortant par une ouverture de sortie située sur un côté de ladite face de l'échangeur opposé au premier côté. Cet échangeur est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de protection contre le givre incluant des organes d'inversion du sens d'écoulement du second flux d'air dans le second réseau de canaux. Grâce à l'invention, le fonctionnement de l'échangeur peut être modifié de manière à fonctionner en co-courant (ou fonctionnement « antiméthodique »), c'est-à-dire que les échanges thermiques ont lieu entre deux flux d'air circulant dans le même sens. De ce fait la source chaude entre du même côté que la source froide, les profils de température en sont donc modifiés, ce qui a pour effet une température de sortie du fluide froid inférieure à la température de sortie du fluide chaud. La formation de givre dans l'échangeur est donc évitée. Cependant, les échanges thermiques sont toujours actifs, ce qui permet d'éviter la perte totale de l'énergie calorifique contenue dans le flux d'air le plus chaud, notamment dans le cas d'un flux d'air extrait d'une pièce d'un local chauffé. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel échangeur peut également incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - Les organes d'inversion du sens d'écoulement du second flux d'air dans le second réseau de canaux comprennent : un premier compartiment de dérivation, ne comprenant aucune surface d'échange thermique avec le premier réseau de canaux, et reliant fluidiquement l'ouverture d'entrée du second flux d'air et l'ouverture de sortie du second flux d'air, un organe de direction de flux adapté pour diriger sélectivement le second flux d'air vers le second réseau de canaux ou vers le premier compartiment de dérivation, et - des moyens d'obturation de la première ouverture de sortie du second flux d'air de manière que le second flux d'air passe dans le second réseau de canaux après son passage dans le premier compartiment de dérivation. Les moyens d'obturation de la première ouverture de sortie du second flux d'air comprennent un volet monté pivotant par rapport à la face de l'échangeur dans laquelle est ménagée la première ouverture de sortie. - L'organe de direction du second flux d'air est adapté, lorsqu'il dirige le second flux d'air vers le second réseau de canaux, pour empêcher le passage du second flux d'air dans le premier compartiment de dérivation. - L'échangeur comprend un second compartiment de dérivation incluant une entrée communiquant fluidiquement avec le second réseau de canaux du côté de l'ouverture d'entrée du second flux d'air et, une sortie, formant une seconde ouverture de sortie du second flux d'air, au voisinage de la première ouverture de sortie du second flux d'air. - L'échangeur comprend un volet d'obturation de la seconde ouverture de sortie du second flux d'air. - L'organe de direction du second flux d'air est adapté, lorsqu'il dirige le second flux d'air vers le premier compartiment de dérivation, pour diriger le second flux d'air vers le second compartiment de dérivation après le passage du second flux d'air dans le second réseau de canaux, et pour empêcher le second flux d'air sortant du second réseau de canaux de sortir de l'échangeur par l'ouverture d'entrée du second flux d'air. - L'organe de direction de flux comprend des moyens de séparation qui empêchent le passage du second flux d'air dans le premier compartiment de dérivation lorsque l'organe de direction de flux dirige le second flux d'air vers le second réseau de canaux. - L'organe de direction de flux est une vanne mobile en rotation selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'échangeur. L'invention concerne également une installation de traitement d'air comprenant un échangeur tel que mentionné ci-dessus, le second flux d'air étant un flux d'air extrait d'un local. L'invention concerne également un procédé de nettoyage d'un échangeur tel que mentionné ci-dessus caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à nettoyer le réseau de canaux dans lequel s'écoule le flux d'air le plus chargé en particules en inversant ce flux d'air de manière qu'il s'écoule dans le même sens que le flux d'air le moins chargé en particules. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un échangeur et d'une installation de traitement d'air conformes à son principe, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : les figures 1, 2 et 3 sont des vues en perspective schématique d'un échangeur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, dans une première, une deuxième et une troisième configuration de fonctionnement ; les figures 4, 5 et 6 sont des vues de coté à une échelle inférieure à celle des figures 1 à 3, d'un échangeur conforme à un second mode de réalisation de l'invention, dans les première, deuxième et troisième configurations de fonctionnement. Sur les figures 1 à 3 est représenté un échangeur 1 à double flux à contre-courant. L'échangeur 1 comporte un compartiment d'échange 3 qui inclut un premier réseau de canaux 31 et un second réseau de canaux 32 orientés selon un axe longitudinal X-X' de l'échangeur 1. Un premier flux d'air F1 circule dans le réseau de canaux 31 entre une ouverture d'entrée 51 ménagée dans une face latérale 5 de l'échangeur 1 et une ouverture de sortie non représentée ménagée dans une face latérale 6 de l'échangeur 1 opposée selon l'axe X-X' à la face latérale 5. De façon connue en soi, le premier réseau de canaux 31 est formé d'une pluralité de colonnes de canaux superposés les uns aux autres. En variante, les canaux du premier réseau de canaux 31 peuvent être groupés horizontalement par rangées. Les canaux du premier réseau de canaux 31 ont, de préférence, une section transversale de la forme d'un parallélogramme, de préférence d'un losange. Un second flux d'air F2 circule dans le second réseau de canaux 32. Le second flux d'air F2 entre dans l'échangeur 1 par une ouverture d'entrée 81 d'une face supérieure 8 de l'échangeur 1 située du côté de la face latérale 6, et en sort par une ouverture de sortie 82 de la face supérieure 8 située du côté de la face latérale 5. Le second réseau de canaux 32 est formé par des espaces délimités par les colonnes de canaux du premier réseau de canaux 31. Au voisinage des faces 5 et 6, le compartiment comprend des ouvertures 33 qui débouchent respectivement en regard des ouvertures de sortie 82 et d'entrée 81 du second flux d'air F2, de sorte que le second flux d'air F2 entre et sort du compartiment d'échange 3 et de l'échangeur 1 parallèlement à un axe Z-Z' perpendiculaire à la face supérieure 8. Les canaux 31 et 32 sont placés de manière à permettre des échanges thermiques entre le premier flux d'air F1 et le second flux d'air F2. Dans une configuration de fonctionnement normal de l'échangeur 1 représentée à la figure 1, le second flux d'air F2 circule, entre l'ouverture d'entrée 81 et l'ouverture de sortie 82, dans un sens opposé au premier flux d'air F1, afin d'obtenir des échanges thermiques à contre-courant. Afin d'éviter le givrage de l'échangeur 1, l'échangeur 1 comprend des moyens de protection contre le givre incluant des organes d'inversion du sens d'écoulement du second flux d'air F2 dans le second réseau de canaux 32. Pour cela, l'échangeur 1 comprend un premier compartiment de dérivation 10 qui relie fluidiquement l'ouverture d'entrée 81 à l'ouverture de sortie 82 et ne comprend aucune surface d'échange thermique avec le premier réseau de canaux 31. Autrement dit, le premier compartiment de dérivation 10 constitue un moyen de « by-pass » de l'échangeur 1, permettant de supprimer les échanges thermiques entre le flux d'air F1 et le second flux d'air F2. Le premier compartiment de dérivation 10 communique fluidiquement avec le second réseau de canaux 32 du côté de l'ouverture de sortie 82, de sorte que, au voisinage de la face latérale 5, le premier compartiment de dérivation 10 est apte à communiquer fluidiquement à la fois avec l'extérieur de l'échangeur 1 à travers l'ouverture de sortie 82, et avec le second réseau de canaux 32 à travers les ouvertures 33. L'ouverture d'entrée 81 du second flux d'air F2 communique simultanément avec le second réseau de canaux 32 du côté de la face latérale 6 et avec le premier compartiment de dérivation 10. L'échangeur 1 comprend un organe de direction de flux, formé par un volet 12, adapté pour diriger sélectivement le second flux d'air F2, formé par l'air entrant dans l'échangeur 1 par l'ouverture d'entrée 81, soit vers le second réseau de canaux 32, comme cela est représenté à la figure 1 en configuration normale de l'échangeur 1, soit vers le premier compartiment de dérivation 10, comme cela est représente aux figures 2 et 3. Le volet 12 est monté pivotant selon un axe Y12 perpendiculaire à l'axe X-X'. L'échangeur 1 comprend également des moyens d'obturation de l'ouverture de sortie 82 du second flux d'air F2. Ces moyens d'obturation comprennent un volet 14 monté pivotant par rapport à la paroi supérieure 8 de l'échangeur 1 selon un axe Y14 perpendiculaire à l'axe X-X'. Dans la configuration normale de fonctionnement de l'échangeur 1 représentée à la figure 1, le volet 12 est dans une première position verticale et obture le compartiment de dérivation 10. Le flux d'air F2 entre dans l'échangeur 1 par l'ouverture d'entrée 81, passe dans le second réseau de canaux 32 et sort de l'échangeur 1 par l'ouverture de sortie 82. L'échangeur 1 peut fonctionner selon un mode « by-pass » représenté à la figure 2, dans lequel le volet 12 est dans une seconde position inclinée dans laquelle il oriente le second flux d'air F2 vers le compartiment de dérivation 10. Dans ce cas, le volet 12 est jointif avec une cloison intermédiaire 15 perpendiculaire à la face latérale 6 et ferme l'accès au second réseau de canaux. Le second flux d'air F2 ne passe donc pas dans le second réseau de canaux 32 et sort directement de l'échangeur 1 par l'ouverture de sortie 82, le volet 14 étant ouvert. De cette façon, aucun échange thermique n'a lieu dans l'échangeur 1. Dans un troisième mode de fonctionnement représenté à la figure 3, les risques de givrage de l'échangeur 1 sont réduits, tout en maintenant les échanges thermiques entre les flux d'air F1 et F2. Dans cette configuration, le volet 12 est dans sa seconde position de manière à orienter le second flux d'air F2 vers le premier compartiment de dérivation 10. Dans cette configuration, le volet 14 est fermé de sorte qu'au débouché du premier compartiment de dérivation 10 du côté de la face latérale 5, le second flux d'air F2 est orienté vers le second réseau de canaux 32, qui communique fluidiquement avec le premier compartiment de dérivation 10. Le second flux d'air F2 emprunte donc le second réseau de canaux 32 dans le sens inverse à celui du premier mode de fonctionnement représenté à la figure 1, c'est-à-dire en s'écoulant parallèlement à l'axe X-X', dans un sens allant de la face latérale 5 vers la face latérale 6, comme le premier flux d'air F1. Des échanges thermiques entre les premiers et seconds flux d'air ont donc lieu dans le même sens selon l'axe X-X'. En prenant le premier flux d'air F1 comme source froide et le second flux d'air F2 comme source chaude, on obtient un fonctionnement dans lequel la source chaude entre du même côté que la source froide. La température de sortie du fluide froid est donc inférieure à la température de sortie du fluide chaud, ce qui permet d'éviter le givrage de l'échangeur 1. Pour évacuer le second flux d'air F2 au sortir du second réseau de canaux 32 du côté de la face latérale 6, l'échangeur 1 comprend un second compartiment de dérivation 16, avantageusement placé le long d'une face longitudinale 20 de l'échangeur 1, qui forme un conduit d'évacuation du second flux d'air F2. Le second compartiment de dérivation 16 inclut une entrée 160, formée par un espace compris l'ouverture 33 du côté de la face 6 et la cloison intermédiaire 15, communiquant fluidiquement avec le second réseau de canaux 32 du côté de l'ouverture d'entrée 81. Le second compartiment de dérivation 16 est muni d'une sortie formant une seconde ouverture de sortie 162 du second flux d'air F2 ménagée au voisinage de l'ouverture de sortie 82 du côté de la face latérale 5. La seconde ouverture de sortie 162 est masquée, dans la configuration des figures 1 et 2, par un volet 18 pivotant selon un axe Y18 perpendiculaire à l'axe X-X'. Les axes Y14 et Y18 sont représentées sur les figures comme étant confondus, les volets 14 et 18 pouvant être manoeuvrés simultanément. En variante, les volets 14 et 18 peuvent être manoeuvrables séparément selon des axes Y14 et Y18 distincts. Dans le troisième mode de fonctionnement, lorsque le second flux d'air F2 sort du second réseau de canaux 32 du côté de l'ouverture d'entrée 81, le volet 12 dirige le second flux d'air F2 vers l'entrée 160. Le second flux d'air F2 est empêché de sortir par l'ouverture d'entrée 81 par le volet 12 et la cloison intermédiaire 15. Le second flux d'air F2 emprunte une trajectoire perpendiculaire à l'axe X-X', tel que cela est représenté à la figure 3, en direction du second compartiment de dérivation 16. L'échangeur 1 est intégré à une installation de traitement d'air et le second flux d'air F2 est un flux d'air extrait d'un local. Le second flux d'air a une température supérieure à la température du premier flux d'air F1. En configuration by-pass de l'échangeur 1, le flux d'air extrait étant naturellement plus chargé en particules est dévié dans le compartiment de dérivation 10, ce qui permet d'éviter l'encrassement du second réseau de canaux 32. Lors du passage du mode de fonctionnement contre-courant en mode co-courant, l'inversion du sens d'écoulement du flux d'air extrait F2 le plus chargé en particules permet nettoyage des couches superficielles de particules qui se seraient éventuellement déposées sur les surfaces du second réseau de canaux 32, le flux d'air extrait étant généralement plus pollué et moins filtré . L'inversion du sens de circulation du second flux d'air permet donc un fonctionnement optimal de l'échangeur 1 dans le temps. Un second mode de réalisation de l'invention est représenté sur les figures 4, 5 et 6. Dans ce mode de réalisation, les éléments similaires au premier mode de réalisation portent la même référence et fonctionnent de la même manière. Seules les différences par rapport au premier mode de réalisation sont détaillées ci-après. Dans le mode de réalisation des figures 4 à 6, l'organe de direction de flux est formé par une vanne circulaire 12. La vanne 12 est montée pivotante selon un axe Y12 perpendiculaire à l'axe X-X' et comprend une paroi centrale 120. La vanne 12 comprend une paroi de séparation 122 qui définit, avec la paroi centrale 120, un premier canal 126. La vanne 12 comprend également une paroi de séparation 124, opposée à la paroi 122 par rapport à l'axe Y12, qui définit avec la paroi centrale 120, un second canal 128. Les canaux 126 et 128 sont aptes à diriger le second flux d'air F2 soit vers le second réseau de canaux soit vers le compartiment de dérivation 10. Sur les figures 4, 5 et 6, les flux d'air F1 et F2 sont représentés comme circulant dans le même plan. En réalité, les flux d'air F1 et F2 circulent dans des plans décalés. Le premier flux d'air sort de la face latérale 6 par une ouverture 61. En outre, dans ce mode de réalisation, l'échangeur 1 comporte un compartiment de dérivation 16 similaire à celui du premier mode de réalisation et qui n'est pas représenté compte tenu de l'orientation des figures 4, 5 et 6. Dans la configuration normale représentée à la figure 4, la vanne 12 est dans une première position dans laquelle les canaux 126 et 128 orientent le second flux d'air F2 vers le second réseau de canaux 32, et le volet 14 est ouvert pour que le flux d'air F2 puisse être évacué de l'échangeur 1. Dans la configuration de la figure 4, la paroi de séparation 122 ferme le premier compartiment de dérivation 10 de manière que le second flux d'air ne puisse pas s'écouler vers le compartiment 10, et la paroi de séparation 124 ferme l'ouverture du second compartiment de dérivation 16. Dans la configuration des figures 5 et 6, le premier canal 126 oriente le second flux d'air F2 vers le premier compartiment de dérivation 10. Dans ce mode de réalisation, l'ouverture 160 est située contre la paroi supérieure 8 et la cloison intermédiaire 15. Dans la configuration de la figure 6, lorsque le second flux d'air F2 sort du second réseau de canaux 32 au voisinage de l'ouverture d'entrée 81, le second canal 128 de la vanne 12 empêche le second flux d'air F2 de sortir de l'échangeur 1 et dirige le second flux d'air F2 vers l'ouverture 160 du second compartiment de dérivation 16, afin qu'il soit évacué de l'échangeur 1 par la seconde ouverture de sortie 162, qui est, dans ce cas, rendue passante par l'ouverture du volet 18. REVENDICATIONS1.- Echangeur air/air (1) à double flux à contre-courant comportant un premier réseau de canaux (31) orientés selon un axe longitudinal (X-X') de l'échangeur (1), dans lequel passe un premier flux d'air (F1) dans un premier sens, et un second réseau de canaux (32) orientés selon l'axe longitudinal (X-X') de l'échangeur (1), dans lequel passe un second flux d'air (F2) dans le sens opposé au premier flux d'air (F1), le second flux d'air (F2) entrant dans l'échangeur (1) par une ouverture d'entrée (81) située sur un premier côté d'une face (8) de l'échangeur (1) et sortant par une ouverture de sortie (82, 162) située sur un côté de ladite face (8) de l'échangeur (1) opposé au premier côté, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de protection contre le givre incluant des organes (10, 12, 14) d'inversion du sens d'écoulement du second flux d'air (F2) dans le second réseau de canaux (32). 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes d'inversion du sens d'écoulement du second flux d'air (F2) dans le second réseau de canaux (32) comprennent : - un premier compartiment de dérivation (10), ne comprenant aucune surface d'échange thermique avec le premier réseau de canaux (31), et reliant fluidiquement l'ouverture d'entrée (81) du second flux d'air (F2) et l'ouverture de sortie (82) du second flux d'air (F2), - un organe (12) de direction de flux adapté pour diriger sélectivement le second flux d'air (F2) vers le second réseau de canaux (32) ou vers le premier compartiment de dérivation (10), et - des moyens d'obturation (14) de la première ouverture de sortie (82) du second flux d'air (F2) de manière que le second flux d'air (F2) passe dans le second réseau de canaux (32) après son passage dans le premier compartiment de dérivation (10). 3.- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'obturation de la première ouverture de sortie (82) du second flux d'air (F2) comprennent un volet (14) monté pivotant par rapport à la face (8) de l'échangeur (1) dans laquelle est ménagée la première ouverture de sortie (82). 4.- Echangeur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'organe (12) de direction du second flux d'air (F2) est adapté, lorsqu'il dirige le secondflux d'air (F2) vers le second réseau de canaux (32), pour empêcher le passage du second flux d'air (F2) dans le premier compartiment de dérivation (10). 5.- Echangeur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un second compartiment de dérivation (16) incluant une entrée (160) communiquant fluidiquement avec le second réseau de canaux (32) du côté de l'ouverture d'entrée (81) du second flux d'air (F2) et, une sortie (162), formant une seconde ouverture de sortie (162) du second flux d'air (F2), au voisinage de la première ouverture de sortie (82) du second flux d'air (F2). 6.- Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un volet (18) d'obturation de la seconde ouverture de sortie (162) du second flux d'air (F2). 7.- Echangeur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce l'organe (12) de direction du second flux d'air (F2) est adapté, lorsqu'il dirige le second flux d'air (F2) vers le premier compartiment de dérivation (10), pour diriger le second flux d'air vers le second compartiment de dérivation (16) après le passage du second flux d'air (F2) dans le second réseau de canaux (32), et pour empêcher le second flux d'air (F2) sortant du second réseau de canaux (32) de sortir de l'échangeur (1) par l'ouverture d'entrée (81) du second flux d'air (F2). 8.- Echangeur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'organe (12) de direction de flux comprend des moyens de séparation (122) qui empêchent le passage du second flux d'air (F2) dans le premier compartiment de dérivation (16) lorsque l'organe (12) de direction de flux dirige le second flux d'air (F2) vers le second réseau de canaux (32). 9.- Echangeur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'organe de direction de flux est une vanne (12) mobile en rotation selon un axe (Y12) perpendiculaire à l'axe longitudinal (X-X') de l'échangeur (1). 10.- Installation de traitement d'air caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (1) selon l'une des revendications précédentes, et en ce que le second flux d'air (F2) est un flux d'air extrait d'un local.35 11.- Procédé de nettoyage d'un échangeur (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à nettoyer le réseau de canaux (32) dans lequel s'écoule le flux d'air (F2) le plus chargé en particules en inversant ce flux d'air (F2) de manière qu'il s'écoule dans le même sens que le flux d'air (F1) le moins chargé en particules.