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FR3074889A1 - Systeme et procede de refroidissement d'un flux gazeux au moyen d'un evaporateur - Google Patents

Systeme et procede de refroidissement d'un flux gazeux au moyen d'un evaporateur Download PDF

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FR3074889A1
FR3074889A1 FR1761741A FR1761741A FR3074889A1 FR 3074889 A1 FR3074889 A1 FR 3074889A1 FR 1761741 A FR1761741 A FR 1761741A FR 1761741 A FR1761741 A FR 1761741A FR 3074889 A1 FR3074889 A1 FR 3074889A1
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cooled
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Abstract

Le système de refroidissement d'un flux gazeux principal (A), comporte un évaporateur (1) qui comprend une entrée (11), une sortie (12) et un échangeur dans lequel circule un fluide, et qui permet de refroidir un flux gazeux (B) circulant à travers l'évaporateur entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur, un mélangeur (2) comprenant une entrée principale (21) destinée en fonctionnement à être alimentée avec le flux gazeux principal (A), une entrée secondaire (22) et une sortie (23) qui est raccordée à l'entrée (11) de l'évaporateur (1), et des moyens de recyclage (3) d'une partie du flux gazeux refroidi (C), qui ont pour fonction de prélever une partie du flux gazeux refroidi (C) en sortie de l'évaporateur (1) sous la forme d'un flux gazeux recyclé (D) et de rediriger ce flux gazeux recyclé (D) jusqu'à l'entrée secondaire (22) du mélangeur. Le mélangeur (2) permet en fonctionnement de mélanger le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D) de plus faible température, de manière à obtenir à l'entrée de l'évaporateur (1) un flux gazeux secondaire (B) plus homogène.

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE REFROIDISSEMENT D’UN FLUX GAZEUX AU MOYEN D’UN EVAPORATEUR
Domaine technique
La présente invention concerne le refroidissement d’un flux gazeux, et en particulier d’un air humide, au moyen d’un évaporateur. Elle trouve son application dans différents domaines, et par exemple de manière non exhaustive dans le domaine de la récupération d’énergie dans un flux gazeux au moyen d’une pompe à chaleur comportant un évaporateur, ou de la déshumidification d’un flux gazeux au moyen d’un évaporateur, ou de la récupération d’eau dans l’atmosphère, ou du réglage de l’humidité dans un dispositif frigorifique, de type réfrigérateur, congélateur, chambre froide, ....
Art antérieur
Il est à ce jour connu de refroidir un flux gazeux et notamment de l’air, en le faisant circuler au contact d’un évaporateur. De manière usuelle un évaporateur comporte un échangeur dans lequel circule un fluide, de préférence un fluide frigorigène, qui est vaporisé au contact du flux gazeux avec l’échangeur en absorbant l’énergie thermique du flux gazeux.
Généralement cet évaporateur fait partie intégrante d’un circuit frigorifique dans lequel l’évaporateur est associé au moins à un condenseur, et dans lequel le fluide circule en circuit fermé.
Ces circuits frigorifiques sont par exemple utilisés dans les pompes à chaleur permettant la récupération de l’énergie thermique du fluide en circulation dans le circuit frigorifique ou dans des dispositifs de déshumidification d’un flux gazeux dans lequel on récupère tout ou partie de l’eau dans le flux gazeux par condensation à la surface de l’échangeur de l’évaporateur. Ces dispositifs de déshumidification peuvent notamment être utilisés dans des dispositifs frigorifiques de type réfrigérateurs, chambres froides, ...
Lorsque l’on souhaite refroidir un flux d’air humide au moyen d’un évaporateur, par exemple un flux d’air humide à une température supérieure à 15° C pour l’amener à une température légèrement supérieure à 0°C, il y a un risque important de formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur, car généralement pour obtenir ce résultat le fluide circulant dans l’évaporateur doit être à une température inférieure à 0°C. En cas de formation de givre, on se trouve contraint de mettre en œuvre un cycle inverse de dégivrage, ce qui est coûteux en temps et en énergie.
Une solution classique pour réduire ce phénomène de givrage consiste à augmenter les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur, de manière à augmenter la surface de contact de l’échangeur de l’évaporateur avec le flux gazeux à refroidir, ce qui permet à résultats comparables d’augmenter la température du fluide dans l’échangeur de l’évaporateur. Dans cette solution, plus l’écart de température entre le flux gazeux à refroidir et le flux gazeux obtenu après refroidissement est important, et plus les dimensions de l’échangeur doivent être importantes pour éviter le phénomène de givrage. Cette solution trouve rapidement ses limites car l’augmentation des dimensions de l’échangeur de l’évaporateur augmente le coût de fabrication de l’échangeur et peut dans certaines applications poser des problèmes d’encombrement.
Objectifs de l’invention
Un objectif principal de l’invention est de proposer une nouvelle solution de refroidissement d’un flux gazeux, et notamment d’un flux d’air, au moyen d’un évaporateur, qui d’une manière générale permet d’améliorer le fonctionnement de l’évaporateur sans augmenter les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur.
Plus particulièrement un objectif de l’invention est de proposer une nouvelle solution de refroidissement d’un flux gazeux, et notamment d’un flux d’air, au moyen d’un évaporateur, qui permet d’obtenir un même abaissement de température du flux gazeux avec une température plus élevée du fluide circulant dans l’évaporateur et sans augmenter les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur et/ou avec la même température du fluide circulant dans l’évaporateur et en diminuant les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur ou qui permet d’obtenir un abaissement de température plus important du flux gazeux sans modifier la température du fluide circulant dans l’évaporateur, ni les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur.
Plus particulièrement, dans le domaine de la déshumidification, un objectif secondaire de l’invention est de proposer une nouvelle solution de refroidissement d’un flux gazeux humide, et notamment d’un flux d’air humide, au moyen d’un évaporateur, qui permet d’obtenir un flux gazeux déshumidifié ayant un poids en eau plus faible, sans modifier les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur.
Plus particulièrement, un objectif secondaire de l’invention est de proposer une nouvelle solution de refroidissement d’un flux gazeux, et notamment d’un flux d’air, au moyen d’un évaporateur, qui permet de diminuer, et de préférence d’éviter la formation de givre sur l’échangeur de l’évaporateur, et en particulier en abaissant la température du flux gazeux à une température proche de 0°C.
Résumé de l’invention
L’invention a ainsi pour objet un système de refroidissement d’un flux gazeux principal (A) qui présente les caractéristiques techniques suivantes. Le système de refroidissement comporte un évaporateur qui comprend une entrée, une sortie et un échangeur dans lequel circule un fluide, et qui permet de refroidir un flux gazeux (B) circulant à travers l’évaporateur entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur, un mélangeur comprenant une entrée principale destinée en fonctionnement à être alimentée avec le flux gazeux principal (A), une entrée secondaire et une sortie qui est raccordée à l’entrée de l’évaporateur, et des moyens de recyclage d’une partie du flux gazeux refroidi (C), qui ont pour fonction de prélever une partie du flux gazeux refroidi (C) en sortie de l’évaporateur sous la forme d’un flux gazeux recyclé (D) et de rediriger ce flux gazeux recyclé (D) jusqu’à l’entrée secondaire du mélangeur ; ledit mélangeur permet en fonctionnement de mélanger le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D) de plus faible température, de manière à obtenir à l’entrée de l’évaporateur un flux gazeux secondaire (B) plus homogène.
Dans l’invention, le recyclage et le mélange avec le flux gazeux principal à refroidir d’une partie du flux d’air refroidi en sortie de l’évaporateur permettent avantageusement d’améliorer le fonctionnement de l’évaporateur en diminuant l’écart de température entre la température du flux gazeux (flux gazeux secondaire) à l’entrée de l’évaporateur et la température du flux gazeux refroidi à la sortie l’évaporateur, comparativement à un système sans recyclage et sans mélangeur.
Plus particulièrement, le système de refroidissement de l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles et optionnelles suivantes, prises isolément, ou en combinaison les unes avec les autres :
- Le mélangeur comporte une paroi perforée ou une grille interposée sur le parcours du flux gazeux principal (A) et du flux gazeux recyclé (B).
- Le mélangeur comporte un moyen de brassage et plus particulièrement un ventilateur, permettant de brasser et de mélanger le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D) et/ou comporte un moyen de brassage et plus particulièrement un ventilateur, permettant de brasser et de mélanger le flux gazeux secondaire avant sa sortie du mélangeur.
- Le système de refroidissement comporte des moyens de régulation automatique du débit du flux gazeux principal (A) et/ou du débit du flux gazeux recyclé (D).
- Le système de refroidissement comporte des premiers moyens de mesure de la température du flux gazeux refroidi (C) ou du flux gazeux recyclé (D), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou du débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure.
- Le système de refroidissement comporte des deuxièmes moyens de mesure de la température du flux gazeux secondaire (B), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins de la température mesurée par lesdits deuxièmes moyens de mesure.
- Les moyens de régulation automatique sont aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure et de la température mesurée par lesdits deuxième moyens de mesure.
- Le système de refroidissement comporte des moyens de mesure de la température du flux gazeux principal (A), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins de la température du flux gazeux principal (A) mesurée par lesdits moyens de mesure de température.
- Le système de refroidissement comporte des premiers moyens de mesure du poids en eau dans le flux gazeux refroidi © ou dans le flux gazeux recyclé (D), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins du poids eau mesuré par lesdits premiers moyens de mesure.
- Le système de refroidissement comporte des deuxièmes moyens de mesure du poids en eau dans le flux gazeux principal (A), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principale (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins du poids eau mesuré par lesdits deuxièmes moyens de mesure.
- Le mélangeur est apte à produire ledit flux secondaire (B) avec un écart maximum de température dans le flux secondaire (B) qui est inférieur à 5°C, et de préférence à 2°C.
- Le mélangeur est apte produire ledit flux secondaire (B) avec un écart maximum de température dans le flux secondaire (B) qui est inférieur à 10 % de l’écart de température entre le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D).
- Les moyens de recyclage, le mélangeur, et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire ledit flux gazeux secondaire (B) et ledit flux gazeux refroidi (C) avec un écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) qui est suffisamment faible pour éviter la formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur.
- Les moyens de recyclage, le mélangeur, et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire ledit flux gazeux refroidi (C) à une température inférieure à 5°C.
- Les moyens de recyclage, le mélangeur, et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) avec un écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) qui est inférieure à 5°C et de préférence inférieur à 2°C.
- Les moyens de recyclage, le mélangeur, et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire le flux gazeux refroidi (C) avec un poids d’eau inférieur à 5 g/kg.
L’invention a également pour objet une utilisation du système de refroidissement susvisé pour refroidir un flux gazeux, et notamment un flux d’air.
L’invention a également pour objet un procédé de refroidissement d’un flux gazeux principal (A) dans lequel on mélange le flux gazeux principal (A) avec un flux gazeux recyclé (D) de plus faible température, de manière à obtenir un flux gazeux secondaire (B) plus homogène, et on refroidit ce flux gazeux secondaire (B) au contact de l’échangeur d’un évaporateur dans lequel circule un fluide absorbant l’énergie thermique du flux gazeux secondaire (B), de manière à obtenir en sortie de l’évaporateur un flux gazeux refroidi (C), une partie de ce flux gazeux refroidi (C) étant prélevée pour former ledit flux gazeux recyclé (D).
Plus particulièrement, le procédé de l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles et optionnelles suivantes, prises isolément, ou en combinaison les unes avec les autres :
- L’écart maximum de température dans le flux secondaire (B) est inférieur à 5°C, et de préférence à 2°C.
- L’écart maximum de température dans le flux secondaire (B) est inférieur à 10 % de l’écart de température entre le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D).
- L’écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) est suffisamment faible pour éviter la formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur.
- Le flux gazeux refroidi (C) est à une température inférieure à 5°C, et de préférence à 2°C.
- L’écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) est inférieur à 5°C et de préférence inférieur à 2°C.
- Le poids d’eau du flux gazeux refroidi (C) en est inférieur à 5 g/kg.
- Le flux gazeux principal (A) à l’entrée du mélangeur est un flux gazeux principal (A’) qui est refroidi, avant son entrée dans le mélangeur, au moyen d’une partie (E) du flux gazeux qui, en sortie de l’évaporateur (1), est refroidie et non recyclée vers le mélangeur.
L’invention a également pour objet une installation de récupération d’énergie dans un flux gazeux comportant un système de refroidissement susvisé et des moyens permettant de récupérer au moins une partie de l’énergie thermique dans le fluide après passage de ce fluide dans l’évaporateur.
L’invention a également pour objet une installation de déshumidification d’un flux gazeux comportant un système de refroidissement susvisé, et plus particulièrement comportant des moyens de récupération de l’eau de condensation à la surface de l’échangeur de l’évaporateur.
Dans une variante particulière de réalisation, l’installation de déshumidification d’un flux gazeux comporte outre un échangeur, qui permet de produire le flux gazeux principal (A) à l’entrée du mélangeur à partir d’un premier flux gazeux principal (A’) qui est refroidi, avant son entrée dans le mélangeur, en transférant, en amont du mélangeur, une partie de l’énergie thermique du premier flux gazeux (A’) vers la partie (E) de flux gazeux qui, en sortie de l’évaporateur n’est pas recyclée vers le mélangeur.
Brève description des figures
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de plusieurs variantes particulières de réalisation de l’invention, lesquelles variantes particulières de réalisation sont décrites à titre d’exemples non limitatifs et non exhaustifs de l’invention, et en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 représente de manière schématique une variante de réalisation d’un système de refroidissement de l’invention.
- La figure 2 représente une structure connue d’une installation de récupération d’énergie dans un flux gazeux de type pompe à chaleur (PAC).
- La figure 3 représente une structure connue d’une installation de déshumidification d’un flux gazeux.
- Les figures 4 à 7 représentent respectivement quatre exemples de réalisation d’un mélangeur d’un système de refroidissement de l’invention.
- La figure 8 est un schéma d’une variante perfectionnée d’un installation de déshumidification de l’invention.
Description détaillée
On a représenté sur la figure 1 un schéma de principe d’un système de refroidissement d’un flux gazeux principal A conforme à l’invention. En référence à cette figure 1, ce système de refroidissement comporte un évaporateur 1 qui est connu en soi et qui est associé à un mélangeur 2 et à des moyens 3 de recyclage d’une partie du flux gazeux refroidi en sortie de l’évaporateur 1, et des moyens T de mise en circulation d’un flux gazeux, et notamment un flux d’air, à travers le mélangeur 2 et à travers l’évaporateur 1, sous la forme par exemple d’un ventilateur ou compresseur.
Dans l’exemple particulier de la figure 1, ces moyens T de mise en circulation d’un flux gazeux sont positionnés en aval de l’évaporateur 1 et permettent de créer un flux gazeux par aspiration. Dans une autre variante, ces moyens 1’ de mise en circulation d’un flux gazeux peuvent être par exemple positionnés en amont du mélangeur 2 et permettent de créer un flux gazeux par soufflage.
L’évaporateur 1 est un dispositif de refroidissement d’un flux gazeux qui est connu en soi, et qui comporte un échangeur dans lequel circule un fluide, de préférence un fluide frigorigène, qui est vaporisé au contact du flux gazeux avec l’échangeur en absorbant l’énergie thermique du flux gazeux. La forme et/ou la structure de l’échangeur de l’évaporateur 1 sont sans importance pour l’invention.
Dans le cadre de l’invention, l’évaporateur 1 peut être un évaporateur direct, c’est-à-dire un évaporateur dans lequel le flux gazeux à refroidir est en contact directement avec l’échangeur dans lequel circule le fluide qui est vaporisé. L’évaporateur 1 peut également être un évaporateur indirect, c’està-dire un évaporateur comportant au moins deux échangeurs : un échangeur intermédiaire dans lequel circule un fluide de refroidissement, tel que par exemple de l’eau, et au contact duquel le flux gazeux à refroidir est amené, ledit fluide de refroidissement permettant de prélever de l’énergie thermique dans le flux gazeux à refroidir sans être vaporisé ; un échangeur dans lequel circule un fluide, de préférence un fluide frigorigène, qui est vaporisé en absorbant un partie de l’énergie thermique du fluide de l’échangeur intermédiaire .
On a représenté sur les figures 2 et 3 deux exemples connus d’installation comportant un circuit mettant en œuvre un évaporateur 1 direct dans lequel le fluide F circule en circuit fermé.
Sur la figure 2, le circuit constitue une pompe à chaleur et comprend de manière connue en soi un évaporateur 1 comportant un échangeur 10 raccordé à l’entrée de l’échangeur 50 d’un condenseur 5 via un compresseur
4. L’échangeur 50 du condenseur 5 est raccordé à l’échangeur 10 de l’évaporateur 1 via un détendeur 6, de manière à former une boucle fermée dans lequel circule le fluide F, qui est de préférence un fluide frigorigène.
En fonctionnement le flux gazeux B, par exemple un flux d’air, à une température donnée est mis en circulation au contact de l’échangeur 10 de l’évaporateur 1, le fluide F étant mis en circulation en boucle fermée dans le circuit grâce au compresseur 4. Dans l’échangeur 10 de l’évaporateur, le fluide F, à une température inférieure à la température du flux gazeux B, absorbe une partie de l’énergie thermique du flux gazeux B, en se vaporisant. Le flux gazeux B est ainsi refroidi au contact de l’échangeur 10. Le fluide F est ensuite condensé dans l’échangeur 50 du condenseur 5, ce qui permet de récupérer une partie de l’énergie thermique dans le fluide en chauffant l’échangeur 50. En faisant circuler un flux gazeux B’ au contact de l’échangeur 50 du condenseur 5, on chauffe ledit flux de gaz B’. Dans une autre variante, au lieu d’un gaz B’ on pourrait chauffer un liquide, tel que de l’eau en le faisant circuler au contact de l’échangeur 50 du condenseur 5.
On a représenté sur la figure 3 le schéma de principe connu d’un déshumidificateur comportant un circuit dans lequel circule en boucle fermée un fluide F, qui est de préférence un fluide frigorigène. De manière similaire au circuit de la figure 2, ce circuit comprend un évaporateur 1 comportant un échangeur 10 en forme de serpentin, un condenseur 5 comportant un échangeur 50 en forme de serpentin, un compresseur 4 et un détendeur 6. Un ventilateur 7 correspondant par exemple au ventilateur 1’ de la figure 1, est utilisé pour faire circuler un flux gazeux B chaud et humide, par exemple un flux d’air chaud chargé en humidité, d’abord au contact de l’échangeur 10 de l’évaporateur 1, puis au contact de l’échangeur 50 du condenseur 5. Ce flux gazeux B chaud et humide est dans un premier temps refroidi sous la forme d’un flux gazeux B’ froid et sec, tout ou partie de la vapeur d’eau contenue dans ce flux B se condensant à la surface de l’échangeur 10 de l’évaporateur 1. L’eau de condensation est récupérée par gravité dans un réceptacle 8 et évacuée au moyen d’une pompe à eau ou par gravité. Ensuite ce flux gazeux B’ froid et sec est réchauffé sous la forme d’un flux gazeux B” chaud et sec en circulant au contact de l’échangeur 50 du condenseur 5.
Sur la figure 1, par soucis de simplification, seul l’évaporateur 1 a été représenté, étant précisé que cet évaporateur 1 peut par exemple faire partie intégrante d’un circuit fermé d’une installation de récupération d’énergie (pompe à chaleur) du type de celui de la figure 2 ou par exemple faire partie intégrante d’un circuit fermé d’un déshumidificateur du type de celui de la figure 3.
L’évaporateur 1 comporte une entrée 11 de flux gazeux, une sortie 12 de flux gazeux et un échangeur 10 (non représenté sur la figure 1) dans lequel circule le fluide F. Cet évaporateur 1 a pour fonction de refroidir un flux gazeux circulant à travers l’évaporateur entre l’entrée 11 et la sortie 12 de l’évaporateur 1.
Le mélangeur 2 est positionné en amont de l’évaporateur 1 et comprend une entrée principale de flux gazeux 21, une entrée secondaire de flux gazeux 22 et une sortie de flux gazeux 23, qui est raccordée à l’entrée 11 de l’évaporateur 1.
Les moyens de recyclage 3 ont pour fonction de prélever une partie du flux gazeux refroidi C en sortie 12 de l’évaporateur 1 sous la forme d’un flux gazeux recyclé D et de rediriger ce flux gazeux recyclé D jusqu’à l’entrée secondaire 22 du mélangeur 2.
Ces moyens de recyclage 3 comportent par exemple une canalisation retour raccordant la sortie 12 de l’évaporateur 1 à l’entrée secondaire 22 du mélangeur. Une partie du flux gazeux refroidi C est dirigé dans cette canalisation retour sous la forme dudit flux gazeux recyclé D.
Dans une variante de réalisation, la canalisation retour peut être équipée d’un ventilateur ou compresseur additionnel permettant selon le cas d’aspirer ou de pousser dans ladite canalisation une partie du flux gazeux refroidi C en sortie 12 de l’évaporateur 1, sous la forme dudit flux gazeux recyclé D, jusqu’à l’entrée secondaire 22 du mélangeur 2.
En fonctionnement, le flux gazeux principal A à refroidir, et par exemple un flux d’air pouvant être humide, est mélangé dans le mélangeur 2, en amont de l’évaporateur 1, avec le flux gazeux recyclé D de plus faible température, de manière à obtenir un flux gazeux secondaire B plus homogène à l’entrée de l’évaporateur 1. Ensuite ce flux gazeux secondaire B est refroidi au contact de l’échangeur de l’évaporateur 1 dans lequel circule le fluide F absorbant l’énergie thermique du flux gazeux secondaire B. On obtient un flux gazeux refroidi C en sortie de l’évaporateur 1, une partie de ce flux gazeux refroidi C étant prélevée par les moyens de recyclage 3.
En pratique, le caractère « plus homogène » du flux gazeux secondaire B se traduit par une température plus homogène dans le flux gazeux secondaire B comparativement à l’écart de température entre le flux gazeux principal A et le flux gazeux recyclé D à l’entrée du mélangeur 2.
En d’autres termes, l’écart maximum de température dans le flux gazeux secondaire B (différence de température entre le point le plus chaud et le point le plus froid dans le flux gazeux secondaire) est inférieur, et de préférence très inférieur, à l’écart maximum de température entre le flux gazeux principal A et le flux gazeux recyclé D.
On a représenté sur les figures 4 à 7, différents exemples de réalisation d’un mélangeur 2, étant précisé que ces exemples ne sont pas limitatifs de l’invention et que d’autres structures de mélangeur remplissant la même fonction peuvent être envisagées.
Sur la figure 4, le mélangeur 2 comporte une enceinte de mélange 23, dans laquelle est montée au moins une grille 24 ou une plaque perforée qui sépare l’enceinte 23 en deux chambres amont 25 et aval 26, les deux entrées de flux gazeux 21 et 22 étant ménagées dans la chambre amont 25, et l’évaporateur 1 étant monté dans la chambre aval 26.
En fonctionnement le flux gazeux principal A et le flux gazeux recyclé D sont introduits dans la chambre amont 25. La grille ou la plaque perforée 24 a pour fonction de créer dans la chambre amont 25, sur le parcours des flux gazeux A et D, une perte de charge qui permet de mélanger de manière turbulente les deux flux gazeux A et B et d’obtenir un flux gazeux secondaire B plus homogène qui traverse la grille ou la plaque perforée 24. Ce flux gazeux secondaire B plus homogène sort de la chambre aval 26 en passant au contact de l’évaporateur 1.
Le taux d’ouverture de la grille ou de la plaque perforée 24 (rapport entre la somme des sections des ouvertures de la grille ou de la plaque perforée 24 traversées par le flux gazeux et la surface totale de la grille ou de la plaque perforée 24) et la section des ouvertures de la grille ou de la plaque perforée 24 seront choisis en fonction notamment du degré d’homogénéité souhaité pour le flux d’air secondaire B et des débits des flux A, D et B.
Le mélangeur 2 de la figure 5 a été perfectionné par rapport au mélangeur de la figure 4 en ajoutant un moyen de brassage 27, et notamment un ventilateur dans la chambre amont 25, en amont de la grille ou de la plaque perforée 24. Ce moyen de brassage 27 permet d’améliorer l’homogénéité du flux gazeux secondaire B, en brassant et mélangeant mécaniquement le flux gazeux principal et le flux gazeux recyclé D dans la chambre amont 25.
Le mélangeur 2 de la figure 6 a été perfectionné par rapport au mélangeur de la figure 4 en ajoutant un moyen de brassage 27, et notamment un ventilateur dans la chambre aval 26, en aval de la grille ou de la plaque perforée 24. Ce moyen de brassage 27 permet d’améliorer l’homogénéité du flux gazeux secondaire B, en brassant et mélangeant mécaniquement le flux gazeux secondaire B dans la chambre aval 26 avant sa sortie du mélangeur 2.
La figure 7 représente un autre exemple de mélangeur 2 qui se différencie de celui de la figure 4 par la forme de la chambre aval 25 qui forme un raccord en Y
Le recyclage du flux d’air D en amont de l’évaporateur permet avantageusement d’abaisser l’écart de température entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur. Comparativement à une solution classique sans recyclage et sans mélangeur, il est ainsi possible par exemple d’obtenir en sortie de l’évaporateur 1 un même abaissement de température du flux gazeux (différence de température entre le flux gazeux principal flux A et le flux gazeux refroidi C) avec une température plus élevée du fluide F circulant dans l’évaporateur 1 et sans augmenter les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur 1 et/ou avec la même température du fluide F circulant l’évaporateur 1 et en diminuant les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur 1. Comparativement à une solution classique sans recyclage et sans mélangeur, il est également possible par exemple d’obtenir un abaissement de température plus important du flux gazeux (différence de température entre le flux gazeux principal flux A et le flux gazeux refroidi C) sans modifier la température du fluide F circulant dans l’évaporateur ni les dimensions de l’échangeur de l’évaporateur.
Le mélange du flux gazeux principal A et du flux gazeux recyclé D par le mélangeur 1 est important afin d’éviter la présence dans le flux gazeux secondaire de points froid notamment à la température du flux gazeux recyclé D et de points chauds notamment à la température du flux gazeux principal A qui pourraient occasionner localement la formation de givre sur l’échangeur de l’évaporateur 1.
Pour la mise en œuvre de l’invention, il est préférable que le flux secondaire B en sortie du mélangeur 2 soit le plus homogène possible.
Plus particulièrement le mélangeur 1 est conçu de manière à obtenir un écart maximum de température dans le flux secondaire B (différence de température entre le point le plus chaud et le point le plus froid dans le flux gazeux secondaire) qui est inférieur à 5°C, et de préférence inférieur à 2°C
Plus particulièrement le mélangeur 1 est conçu de manière à obtenir un écart maximum de température dans le flux secondaire B (différence de température entre le point le plus chaud et le point le plus froid dans le flux gazeux secondaire) qui est inférieur à 10 % de l’écart de température entre le flux gazeux principal A et le flux gazeux recyclé D à l’entrée du mélangeur 2
La combinaison du recyclage d’une partie du flux gazeux refroidi C et du mélange avec le flux gazeux principal A permet plus particulièrement dans certaines applications, tel que par exemple la récupération d’énergie ou la déshumidification d’abaisser la température du flux gazeux refroidi C à des valeurs proches de 0°C, et notamment inférieures à 5°C, et de préférence à 2°C, en évitant la formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur 1 et sans mettre en œuvre des échangeurs de grande surface.
Plus particulièrement dans de nombreuses applications, les moyens de recyclage 3 et le mélangeur 2 sont conçus en sorte d’obtenir un écart maximum de température entre le flux d’air secondaire B et le flux d’air refroidi C qui est suffisamment faible pour éviter la formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur 1 et/ou en sorte d’obtenir un écart maximum de température entre le flux d’air secondaire B et le flux d’air refroidi C qui est inférieur à 5°C et de préférence inférieur à 2°C.
Egalement la combinaison du recyclage d’une partie du flux gazeux refroidi C et du mélange avec le flux gazeux principal A permet plus particulièrement dans certaines applications, tel que par exemple la déshumidification, de diminuer le poids d’eau dans le flux gazeux refroidi C à des valeurs très faibles, sans mettre en œuvre des échangeurs de grande surface.
Plus particulièrement, les moyens de recyclage 3 et le mélangeur 2 sont conçus en sorte d’obtenir un flux d’air refroidi C présentant un poids d’eau inférieur à 5g/kg d’air sec.
Dans une mise en œuvre particulière du système de refroidissement de l’invention, il revient à l’homme du métier, en fonction de l’application, par exemple de régler au cas par cas le débit du flux gazeux recyclé D par rapport notamment au débit du flux gazeux principal A et aux caractéristiques du flux gazeux principal A (notamment température, poids en eau) à l’entrée du mélangeur en fonction notamment de l’écart de température recherché en régime stationnaire entre la température du flux secondaire à l’entrée de l’évaporateur 1 et la température du flux gazeux refroidi C en sortie de l’évaporateur 1 ou en fonction de la température visée, en régime stationnaire, pour le flux gazeux refroidi C en sortie de l’évaporateur 1, ou en fonction du poids en eau visé, en régime stationnaire, dans le flux gazeux refroidi C en sortie de l’évaporateur 1.
Dans une autre variante particulière de réalisation, le système de refroidissement peut comporter des moyens de régulation automatique RA du débit du flux gazeux principal A et/ou du débit du flux gazeux recyclé D, ces moyens de régulation automatique RA étant aptes notamment à commander les moyens 1’ de mise en circulation du flux gazeux. Ces moyens de de régulation automatique sont implémentés sous la forme par exemple d’un automate programmable ou de tout autre circuit de commande électronique équivalent.
Plus particulièrement, le système de refroidissement peut comporter des premiers moyens de mesure T1 de la température du flux gazeux refroidi C ou du flux gazeux recyclé D (par exemple sonde de température ou équivalent placée dans le flux gazeux refroidi C ou dans le flux gazeux recyclé D), les moyens de régulation automatique RA étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal A et/ou le débit du flux gazeux recyclé D, en fonction de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure.
Plus particulièrement, le système de refroidissement peut comporter des deuxièmes moyens de mesure T2 de la température du flux gazeux secondaire B à l’entrée (par exemple sonde de température ou équivalent placée dans le flux gazeux B), les moyens de régulation automatique RA étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principale A et/ou le débit du flux gazeux recyclé D, en fonction de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure et de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure.
Plus particulièrement, le système de refroidissement peut comporter des moyens de mesure T3 de la température du flux gazeux principal A à l’entrée du mélangeur 2, les moyens de régulation automatique RA étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal A et/ou le débit du flux gazeux recyclé D, en fonction au moins de la température du flux gazeux principal A mesurée par lesdits moyens de mesure de température, et le cas échéant en en fonction de la température du flux gazeux refroidi mesurée par lesdits premiers moyens de mesure et éventuellement le cas échéant de la température dans le flux gazeux secondaire B mesurée par lesdits deuxièmes moyens de mesure.
Plus particulièrement, le système de refroidissement peut comporter des premiers moyens de mesure H1 du poids en eau dans le flux gazeux refroidi C ou dans le flux gazeux recyclé D (par exemple sonde hygrométrique ou équivalent placée dans le flux gazeux C ou dans le flux gazeux recyclé D), les moyens de régulation automatique RA étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal A et/ou le débit du flux gazeux recyclé D, en fonction du poids en eau mesuré par lesdits premiers moyens de mesure.
Plus particulièrement, le système de refroidissement peut comporter des deuxièmes moyens de mesure H2 du poids en eau dans le flux gazeux principal A, par exemple sonde hygrométrique ou équivalent placée dans le flux gazeux principal A, les moyens de régulation automatique RA étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal A et/ou le débit du flux gazeux recyclé D, en fonction au moins du poids eau mesuré par lesdits deuxièmes moyens de mesure.
On a représenté sur la figure 8, une variante de réalisation d’une installation de déshumidification qui permet de produire en sortie un flux gazeux F déshumidifié, et notamment un flux d’air F déshumidifié à une température Tf + ΔΤ, à partir d’un flux gazeux humide A’, et notamment d'un flux d’air humide, à une température Te.
Cette installation de déshumidification comportant un système de refroidissement avec mélangeur 2 et évaporateur 1 tel que précédemment décrit, et un échangeur G , par exemple échangeur enthalpique de type double flux ou de type caloduc, qui permet de transférer, en amont du mélangeur 2, une partie de l’énergie thermique du flux gazeux A’ humide vers le flux gazeux E qui n’est pas recyclé en sortie de l’évaporateur 1, de manière à produire ledit flux d’air déshumidifié F à une température Tf + ΔΤ. Le flux gazeux principal A à l’entrée du mélangeur 2 du système de refroidissement correspond au flux gazeux A’ humide refroidi à une température Te- ΔΤ après passage dans l’échangeur G.
A titre d’exemple uniquement, la température Te peut être de 30°C ; la température Tf peut être de 4°C ; La différence de température ΔΤ peut être de 12°C. Le flux gazeux déshumidifié F est à une température de 16°C (Tf + ΔΤ). Dans ce cas, le dispositif de refroidissement de l’invention n’a besoin de refroidir le flux gazeux principal A que de 18°C (Te- ΔΤ) à 4°c (Tf), ce qui représente une économie d’énergie importante.
La mise en œuvre de cet échangeur G permet donc avantageusement de réduire la dépense énergétique pour obtenir la déshumidification.

Claims (28)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de refroidissement d’un flux gazeux principal (A), comportant un évaporateur (1) qui comprend une entrée (11), une sortie (12) et un échangeur (10) dans lequel circule un fluide (F), et qui permet de refroidir un flux gazeux (B) circulant à travers l’évaporateur entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur, un mélangeur (2) comprenant une entrée principale (21) destinée en fonctionnement à être alimentée avec le flux gazeux principal (A), une entrée secondaire (22) et une sortie (23) qui est raccordée à l’entrée (11) de l’évaporateur (1), et des moyens de recyclage (3) d’une partie du flux gazeux refroidi (C), qui ont pour fonction de prélever une partie du flux gazeux refroidi (C) en sortie de l’évaporateur (1) sous la forme d’un flux gazeux recyclé (D) et de rediriger ce flux gazeux recyclé (D) jusqu’à l’entrée secondaire (22) du mélangeur, ledit mélangeur (2) permettant en fonctionnement de mélanger le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D) de plus faible température, de manière à obtenir à l’entrée de l’évaporateur (1) un flux gazeux secondaire (B) plus homogène.
  2. 2. Système de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel le mélangeur (2) comporte une paroi perforée (24) ou une grille (24) interposée sur le parcours du flux gazeux principal (A) et du flux gazeux recyclé (B).
  3. 3. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélangeur (2) comporte un moyen de brassage (27) et plus particulièrement un ventilateur, permettant de brasser et de mélanger le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D) et/ou comporte un moyen de brassage (27) et plus particulièrement un ventilateur, permettant de brasser et de mélanger le flux gazeux secondaire (B) avant sa sortie du mélangeur (2).
  4. 4. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens de régulation automatique (RA) du débit du flux gazeux principal (A) et/ou du débit du flux gazeux recyclé (D).
  5. 5. Système de refroidissement selon la revendication 4, comportant des premiers moyens de mesure (T1) de la température du flux gazeux refroidi (C) ou du flux gazeux recyclé (D), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou du débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure.
  6. 6. Système de refroidissement selon la revendication 4 ou 5, comportant des deuxièmes moyens de mesure (T2) de la température du flux gazeux secondaire (B), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins de la température mesurée par lesdits deuxièmes moyens de mesure (T2).
  7. 7. Système de refroidissement selon les revendications 5 et 6, dans lequel les moyens de régulation automatique sont aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins de la température mesurée par lesdits premiers moyens de mesure (T1) et de la température mesurée par lesdits deuxième moyens de mesure (T2).
  8. 8. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, comportant des moyens de mesure (T3) de la température du flux gazeux principal (A), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins de la température du flux gazeux principal (A) mesurée par lesdits moyens de mesure de température (T3).
  9. 9. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, comportant des premiers moyens de mesure (H1) du poids en eau dans le flux gazeux refroidi (C) ou dans le flux gazeux recyclé (D), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principal (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins du poids eau mesuré par lesdits premiers moyens de mesure (H1).
  10. 10. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, comportant des deuxièmes moyens de mesure (H2) du poids en eau dans le flux gazeux principal (A), les moyens de régulation automatique étant aptes à ajuster automatiquement le débit du flux gazeux principale (A) et/ou le débit du flux gazeux recyclé (D), en fonction au moins du poids eau mesuré par lesdits deuxièmes moyens de mesure (H2).
  11. 11. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélangeur (2) est apte à produire ledit flux secondaire (B) avec un écart maximum de température dans le flux secondaire (B) qui est inférieur à 5°C, et de préférence à 2°C.
  12. 12. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélangeur (2) est apte produire ledit flux secondaire (B) avec un écart maximum de température dans le flux secondaire (B) qui est inférieur à 10 % de l’écart de température entre le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D).
  13. 13. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de recyclage (3), le mélangeur (2), et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire ledit flux gazeux secondaire (B) et ledit flux gazeux refroidi (C) avec un écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) qui est suffisamment faible pour éviter la formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur (1 ).
  14. 14. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de recyclage (3), le mélangeur (2), et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire ledit flux gazeux refroidi (C) à une température inférieure à 5°C.
  15. 15. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de recyclage (3), le mélangeur (2), et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) avec un écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) qui est inférieure à 5°C et de préférence inférieur à 2°C.
  16. 16. Système de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de recyclage (3), le mélangeur (2), et le cas échéant les moyens de régulation automatique, sont aptes à produire le flux gazeux refroidi (C) avec un poids d’eau inférieur à 5 g/kg.
  17. 17. Utilisation du système de refroidissement de l’une quelconque des revendications précédentes pour refroidir un flux gazeux (A), et notamment un flux d’air.
  18. 18. Procédé de refroidissement d’un flux gazeux principal (A), dans lequel on mélange dans un mélangeur (2) le flux gazeux principal (A) avec un flux gazeux recyclé (D) de plus faible température, de manière à obtenir un flux gazeux secondaire (B) plus homogène, et on refroidit ce flux gazeux secondaire (B) au contact de l’échangeur d’un évaporateur (1) dans lequel circule un fluide (F) absorbant l’énergie thermique du flux gazeux secondaire (B), de manière à obtenir en sortie de l’évaporateur (1) un flux gazeux refroidi (C), une partie de ce flux gazeux refroidi (C) étant prélevée pour former ledit flux gazeux recyclé (D).
  19. 19. Procédé de refroidissement selon la revendication 18, dans lequel l’écart maximum de température dans le flux secondaire (B) est inférieur à 5°C, et de préférence à 2°C.
  20. 20. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 18 ou 19, dans lequel l’écart maximum de température dans le flux secondaire (B) est inférieur à 10 % de l’écart de température entre le flux gazeux principal (A) et le flux gazeux recyclé (D).
  21. 21. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 18 à 20, dans lequel l’écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) est suffisamment faible pour éviter la formation de givre à la surface de l’échangeur de l’évaporateur (1).
  22. 22. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 18 à 21, dans lequel le flux gazeux refroidr (C) est à une température inférieure à 5°C, et de préférence à 2°C.
  23. 23. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 18 à 22, dans lequel l’écart maximum de température entre le flux gazeux secondaire (B) et le flux gazeux refroidi (C) est inférieur à 5°C et de préférence inférieur à 2°C.
  24. 24. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 18 à 23, dans lequel le poids d’eau du flux gazeux refroidi (G) en est inférieur à 5 g/kg.
  25. 25. Procédé de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 18 à 24, dans lequel le flux gazeux principal (A) à l’entrée du mélangeur (2) est un flux gazeux principal (A’) qui est refroidi, avant son entrée dans le mélangeur (2), au moyen d’une partie (E) du flux gazeux qui, en sortie de l’évaporateur (1), est refroidie et non recyclée vers le mélangeur (2).
  26. 26. Installation de récupération d’énergie dans flux gazeux comportant un système de refroidissement de l’une quelconque des revendications 1 à 16 et des moyens (4 ,5) permettant de récupérer au moins une partie de l’énergie thermique dans la fluide (F) après passage de ce fluide dans l’évaporateur (1).
  27. 27.lnstallation de déshumidification d’un flux gazeux comportant un système de refroidissement de l’une quelconque des revendications 1 à 16, et plus particulièrement comportant des moyens (4, 5, 8, 9) de récupération de l’eau de condensation à la surface de l’échangeur de l’évaporateur (1).
  28. 28. Installation de déshumidification d’un flux gazeux selon la revendication 27, comportant en outre un échangeur (G), qui permet de produire le flux gazeux principal (A) à l’entrée du mélangeur (2) à partir d’un premier flux gazeux principal (A’) qui est refroidi, avant son entrée dans le mélangeur (2), en transférant, en amont du mélangeur (2), une partie de l’énergie thermique du premier flux gazeux (A’) vers la partie (E) de flux gazeux qui, en sortie de l’évaporateur (1 ) n’est pas recyclée vers le mélangeur (2).
FR1761741A 2017-12-07 2017-12-07 Systeme et procede de refroidissement d'un flux gazeux au moyen d'un evaporateur Active FR3074889B1 (fr)

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