PROCEDE DE REFROIDISSEMENT ET DE DESHUMIDIFICATION D'UN MELANGE GAZEUX DE VAPEUR D'EAU ET D'AU MOINS UN GAZ- INSTALLATION ASSOCIEE

[0001] La présente invention concerne un procédé de refroidissement et de déshumidification d'un mélange gazeux de vapeur d'eau et d'au moins un gaz, notamment un mélange d'air et de vapeur d'eau. La présente invention concerne également une installation permettant la mise en œuvre du procédé de l'invention. Le procédé et l'installation de l'invention peuvent être utilisés pour climatiser un bâtiment ou une pièce d'un bâtiment ainsi que pour le renouvellement de l'air dans ces derniers.

[0002] Les dispositifs de climatisation fonctionnant selon un cycle de Cramer sont bien connus. Un tel dispositif comprend une roue dessiccante et un échangeur thermique qui permet de refroidir l'air, cet échangeur thermique est encore appelé batterie froide humide car elle condense une partie de la vapeur d'eau de l'air traité. La roue dessiccante est une roue libre de tourner autour de son axe et perméable à l'air. Elle comporte un agent dessiccant apte à adsorber ou absorber l'humidité contenue dans l'air. Cet agent dessiccant peut être, par exemple, un gel de silice. L'air à traiter pénètre dans un conduit et parvient au niveau de la première face d'une moitié de la roue dessiccante. En traversant la roue, l'air assèche l'agent desséchant de cette dernière et se charge donc en humidité. Simultanément, il se refroidit. L'air humide et refroidit entre alors en contact avec la batterie froide humide laquelle le refroidit en dessous de son point de rosée. L'air se dessèche alors puis est amené au contact de la deuxième face de la deuxième moitié de la roue dessiccante. Cette deuxième moitié est sèche. En traversant cette deuxième moitié de roue dessiccante, l'air se dessèche davantage du fait de l'absorption ou de l'adsorption de l'humidité qu'il contient par l'agent desséchant. La réaction d'adsorption ou d'absorption, lorsqu'elle est exothermique, réchauffe également l'air. La deuxième moitié de la roue se charge en humidité lors du passage de l'air. Une fois qu'elle atteint la saturation, on la fait pivoter de manière à ce qu'elle vienne au contact de l'air à traiter ; la première moitié qui a déjà servi à traiter l'air et qui est donc sèche vient alors au contact de l'air sortant de la batterie froide humide et permet d'assécher ce dernier. [0003] Les dispositifs fonctionnant selon le cycle de Cramer limitent l'utilisation de gaz à effet de serre. Les gaz à effet de serre proviennent de la production frigorifique qui alimente la batterie froide. La batterie froide est dite humide car sa température de surface est inférieure à la température de point de rosée de l'air traité et condense ainsi une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air provoquant alors sa déshumidification. Le fluide alimentant la batterie froide humide peut être de l'eau glacée ou tout autre fluide frigorigène.

[0004] Le cycle de Cramer permet d'utiliser une batterie froide humide moins puissante que si elle était utilisée seule pour refroidir l'air à traiter.

[0005] Par ailleurs, la crise sanitaire due à la covid 19 a montré qu'il était important d'avoir un renouvellement conséquent de l'air ambiant par de l'air extérieur afin d'éviter la prolifération des bactéries et virus dans les immeubles ou habitations.

[0006] Un but de la présente invention est donc de proposer un procédé de refroidissement et de déshumidification d'un mélange gazeux contenant de la vapeurd'eau et plus particulièrement d'un mélange d'air et de vapeur d'eau qui permet d'obtenir une efficacité énergétique améliorée tout en limitant davantage l'utilisation de gaz à effet de serre qu'avec un traitement avec un cycle de Cramer.

[0007] Un autre but de la présente invention est de proposer une installation de traitement thermique d'un mélange gazeux contenant de la vapeur d'eau qui génère moins de gaz à effet de serre qu'une installation fonctionnant selon le cycle de Cramer classique, pour une même température finale donnée de l'air traité.

[0008] La présente invention propose ainsi un procédé de traitement de refroidissement et de déshumidification d'un mélange gazeux de vapeur d'eau et d'au moins un gaz, notamment d'un mélange vapeur d'eau et d'air, entrant dans une enceinte, selon lequel on fait subir audit mélange gazeux un cycle de Cramer. De manière caractéristique, selon l'invention, on refroidit ledit mélange gazeux à la suite dudit cycle de Cramer à l'aide d'un refroidissement terminal utilisant l'effet Peltier. Le refroidissement terminal a pour effet d'augmenter davantage l'efficacité de la roue dessiccante permettant de diminuer encore la puissance de la batterie froide humide et par là même les émissions de gaz à effet de serre dues au groupe frigorifique. [0009] Le fait de refroidir le mélange gazeux après le cycle de Cramer permet en effet d'accentuer la diminution de la puissance de la batterie froide humide et par là même les émissions de gaz à effet de serre dues au groupe frigorifique. Un traitement par effet Peltier utilise-de l'électricité pouvant être issue du renouvelable mais surtout ne met pas en œuvre des fluides frigorigènes qui sont de très puissants gaz à effet de serre. Au final, le procédé de l'invention engendre une efficacité énergétique améliorée permettant une forte limitation de l'utilisation de gaz à effet de serre de l'ordre de 30 à 40%.

[0010] Avantageusement, la batterie froide humide contient de l'eau en tant que fluide caloporteur. L'eau n'est pas un gaz à effet de serre et permet dans le cadre du procédé de l'invention d'atteindre les températures souhaitées. Même si l'eau est refroidie par un groupe frigorifique, la réduction de la puissance de la batterie froide humide permet de réduire l'utilisation de gaz à effet de serre.

[0011] Selon un mode de réalisation avantageux, on refroidit également ledit mélange gazeux avant ledit cycle de Cramer, par absorption thermique, notamment au moyen d'une roue sensible.

[0012] Ce refroidissement préalable permet encore de diminuer la puissance de la batterie froide humide et par là même les émissions de gaz à effet de serre. La roue sensible met en œuvre des principes de thermodynamique et nécessite un apport d'énergie uniquement pour la faire tourner autour de son axe lorsqu'elle s'est trop réchauffée au contact de l'air entrant à traiter. Cet apport d'énergie électrique est limité en comparaison avec celui nécessaire au fonctionnement d'un groupe frigorifique.

[0013] Avantageusement, on refroidit ledit mélange gazeux à refroidir et à déshumidifier, avant le cycle de Cramer, par contact avec la moitié d'une roue sensible et l'on réchauffe simultanément l'autre moitié de ladite roue sensible avec un mélange gazeux provenant de ladite enceinte.

[0014] Avantageusement, quel que soit le mode de mise en œuvre, on récupère la chaleur produite par effet Peltier, notamment pour réchauffer un autre mélange gazeux, en particulier un mélange gazeux provenant de ladite enceinte. De manière préférée, on réinjecte ledit mélange gazeux provenant de ladite enceinte et chauffé par la chaleur produite par effet Peltier et/ou par absorption de chaleur (quand l'installation comporte une roue sensible) dans ladite enceinte. Le procédé de l'invention permet alors de climatiser ladite enceinte, c'est-à-dire le chauffer ou refroidir l'intérieur de ladite enceinte et de moduler la température et l'humidité du mélange gazeux de ladite enceinte en modulant les flux d'air refroidi et réchauffé entrant éventuellement simultanément dans cette dernière.

[0015] La présente invention concerne également une installation permettant la mise en œuvre du procédé selon l'invention du type comprenant :

- un premier conduit dans lequel sont montés une roue dessiccante et, en aval de ladite roue dessiccante, un premier échangeur thermique ; et

-des moyens de circulation dudit mélange gazeux dans ledit premier conduit, ledit premier conduit comportant une entrée et une sortie laquelle débouche dans ladite enceinte, ledit premier échangeur thermique étant apte à refroidir et déshumidifier ledit mélange gazeux à son contact, ledit premier conduit reliant de plus la sortie dudit premier échangeur thermique à la deuxième moitié de ladite roue dessiccante.

De manière caractéristique, selon l'invention, l'installation comporte, en outre, un module à effet Peltier apte à refroidir ledit mélange gazeux en amont de la sortie dudit premier conduit et en aval de la deuxième moitié de ladite roue dessiccante.

[0016] Avantageusement, l'installation comporte en outre, une roue sensible montée dans ledit premier conduit en amont de ladite roue dessiccante. Cette roue sensible peut avantageusement être régénérée (refroidie) par l'air sortant de l'enceinte comme expliqué plus en détail dans la suite de la demande.

[0017] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, combinable avec chacun des modes de réalisations précités la roue sensible est montée transversalement à la longueur dudit premier conduit et à celle dudit deuxième conduit ; la première moitié de ladite roue sensible est située dans ledit premier conduit et la deuxième moitié de ladite roue sensible est située dans ledit deuxième conduit. Une moitié de la roue sensible se réchauffe ainsi dans le premier conduit en refroidissant l'air à traiter. En faisant pivoter la roue, cette moitié chaude peut être refroidie par l'air sortant de l'enceinte. Il est ainsi possible d'utiliser la roue sensible à l'infini simplement en la faisant tourner sur son axe.

[0018] Selon un mode de réalisation combinable avec chacun des modes de réalisation précités, l'installation de l'invention comporte également un deuxième échangeur thermique, monté dans ledit deuxième conduit en aval de ladite roue sensible lorsque ladite installation comporte une telle roue sensible et thermiquement connectée à la partie chaude dudit module à effet Peltier. Ce deuxième échangeur thermique permet d'évacuer facilement la chaleur générée par la partie chaude du module à effet Peltier et de la transporter dans un endroit différent pour l'utiliser, par exemple, pour chauffer un mélange gazeux. De préférence, le deuxième échangeur thermique utilise également un fluide caloporteur différent d'un gaz à effet de serre.

[0019] Selon une variante combinable avec chacun des modes de réalisation précités, ledit deuxième conduit comporte une branche qui d'une part débouche dans ladite pièce et d'autre part débouche en aval de ladite roue sensible ou en aval dudit deuxième échangeur thermique. L'autre branche débouche vers l'extérieur. Les deux branches du deuxième conduit sont équipées de moyens d'obturation permettant de réguler le débit de mélange gazeux réchauffé sortant vers l'extérieur ou réinjecté dans ladite enceinte.

[0020] Avantageusement, quel que soit le mode de réalisation, le premier conduit est équipé de moyens d'obturation, disposés de préférence en aval du module à effet Peltier, permettant de réguler le débit de mélange gazeux refroidi et déshumidifié entrant dans ladite enceinte.

[0021] L'installation de l'invention peut ainsi permettre le chauffage de l'air provenant de la pièce sans mettre en œuvre le procédé de l'invention. Ce chauffage du mélange gazeux contenu dans l'enceinte peut être mis en œuvre indépendamment de la mise en œuvre du procédé de l'invention, par exemple en bouchant la sortie du premier conduit.

[0022] L'installation de l'invention permet ainsi de climatiser ladite enceinte, de la refroidir ou de la réchauffer en régulant les débits des ménages gazeux refroidi ou chauffé y pénétrant.

[0023] Dans le cas de mélanges gazeux air-vapeur d'eau notamment, le procédé de l'invention permet, par exemple, de refroidir un débit d'air égal à 2 000m ³ /h.

[0024] De manière avantageuse, la température (bulbe sec) du mélange gazeux (notamment air/vapeur d'eau) à refroidir et déshumidifier est égale ou supérieure à 25°C et égale ou inférieure à 40°C et son humidité relative (en particulier air/vapeur d'eau) est supérieure ou égale à 30% et inférieure ou égale à 60%.

[0025] La température (bulbe sec) du mélange gazeux dans l'enceinte (notamment du mélange air/vapeur d'eau) peut, quel que soit le mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, par exemple, être égale ou supérieure à 22°C et inférieure ou égale à 28°C avec une humidité relative supérieure ou égale à 30% et inférieure ou égale à 65%.

[0026] La température (bulbe sec) du mélange gazeux refroidi et déshumidifié, entrant dans l'enceinte, après traitement selon le procédé de l'invention est, par exemple, supérieure ou égale à 10°C et inférieure ou égale à 20°C avec une humidité relative supérieure ou égale à 50% et inférieure ou égale à 90%.

[0027] Quel que soit le mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, le mélange gazeux peut présenter, en aval de la roue dessiccante et donc après déshumidification, une humidité relative égale ou supérieure à 50% et égale ou inférieure à 80%.

[0028] Selon un mode de mise en œuvre particulier, la température bulbe sec du mélange air-eau à refroidir est de 32°C et son humidité est de 40%. La température bulbe sec du mélange air-eau refroidi et déshumidifié est de 13,5°C et son humidité relative est de 90%.

[0029] Définitions

[0030] Au sens de la présente invention, une « roue sensible » est un échangeur thermique gaz/gaz qui comprend une roue rotative laquelle du fait de son matériaux constitutif est apte à absorber la chaleur sensible et éventuellement la chaleur latente (dans ce cas la roue devient une roue à chaleur totale).

[0031] Au sens de la présente invention, une « roue dessiccante » est une roue rotative qui présente deux faces opposées selon son épaisseur, qui est perméable au mélange gazeux à traiter et qui comprend une agent desséchant apte à adsorber ou absorber la vapeur d'eau contenue dans le mélange gazeux selon une réaction chimique réversible éventuellement non adiabatique.

[0032] Au sens de la présente invention, un « module à effet Peltier » est un dispositif qui génère du froid au niveau de sa partie froide et simultanément de la chaleur au niveau de sa partie chaude sous l'effet d'un courant électrique le traversant.

[0033] Une enceinte au sens de la présente invention désigne un volume pouvant être clos, comme une pièce ou un bâtiment, par exemple.

[0034] Les termes « moyens d'obturation » ou « dispositif d'obturation » désignent un clapet, une vanne ou tout autre élément permettant d'obturer partiellement ou totalement la section interne d'un conduit. [0035] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit et qui fait référence aux dessins annexés, sur lesquels :

[Fig. 1] : représente un mode de réalisation particulier de l'invention, présenté à titre d'exemple illustratif et non limitatif ; et

[Fig. 2] : représente de manière schématique le diagramme psychrométrique du mélange gazeux air- vapeur d'eau à pression atmosphérique et soumis au procédé de l'invention.

[0036] En référence à la Fig. 1, un exemple d'installation selon l'invention va maintenant être décrit. Cet exemple est une centrale de traitement d'air qui permet de renouveler l'air situé dans une pièce référencée P par de l'air extérieur à la pièce P.

[0037] La centrale de traitement de l'air comprend un premier conduit 1 qui forme un coude et un deuxième conduit 2. Les deux conduits sont séparés par la cloison 11 qui forme un L. L'installation comprend une bouche d'entrée de l'air extérieur 13, un filtre 15 disposé juste en aval de la bouche d'entrée 13, une roue sensible 5, une roue dessiccante 7 et une batterie froide humide 4. L'installation comporte également deux ventilateurs 81 et 82 qui permettent respectivement de faire circuler l'air dans le premier conduit 1 et dans le deuxième conduit 2. La partie ou face froide 91 d'un module à effet Peltier est montée dans le premier conduit 1, en amont de sa sortie 17, laquelle débouche dans la pièce P, et en aval de la roue dessiccante 7. Un clapet (non représenté) peut équiper la sortie 17 de manière à empêcher la sortie du mélange gazeux dans la pièce P.

[0038] Le deuxième conduit 2 comporte une entrée 21 qui s'ouvre dans la pièce A et une sortie 22 qui débouche vers l'extérieur. Un deuxième échangeur thermique 6 est monté dans le conduit 2, en aval de la roue sensible 5 et en amont de la sortie 22. Ce second échangeurthermique 6 comporte un circuit de fluide caloporteur (non représenté par souci de simplification), thermiquement relié à la face chaude du module à effet Peltier (seule la partie froide 91 de ce module est représentée sur la Fig. 1). Le second échangeurthermique 6 peut donc réchauffer l'air sortant à son contact. La chaleur peut être récupérée pour d'autres usages, notamment pour réchauffer l'air sortant de la pièce P.

[0039] La roue sensible 5 est montée à cheval sur le premier conduit 1 et sur le second conduit 2. Son axe de rotation est disposé parallèlement à la portion de la cloison 11 délimitant les deux conduits 1 et 2. La roue sensible 5 peut pivoter pour présenter une demi-face chaude ou une demi-face froide dans chacun des conduits 1 et 2, comme expliqué ultérieurement.

[0040] La roue dessiccante 7 est montée à cheval sur les deux portions du premier conduit 1 qui forme un coude. Sa première moitié est disposée en aval de la roue sensible 5 et sa deuxième moitié est disposée en aval de la batterie froide humide 4. Les termes aval et amont font référence au sens de circulation de l'air dans les conduits 1 et 2; ce sens est symbolisé par les flèches sur la Fig. 1.

[0041] Le fonctionnement de la centrale de traitement de l'air selon l'invention va maintenant être expliqué en référence à la Fig. 1 et à la Fig. 2.

[0042] La Fig. 2 représente de manière schématique le diagramme psychrométrique du mélange air/vapeur d'eau à pression atmosphérique. Ce diagramme dit aussi « diagramme de l'air humide », représente deux grandeurs permettant de caractériser un état du mélange, par exemple la température sèche (température bulbe sec) (en abscisse du diagramme de la Fig. 2) et l'humidité absolue (la teneur en eau dans cet air, en ordonnée du diagramme de la Fig. 2). La courbe de saturation représente l'ensemble des conditions de température et d'humidité absolue à partir desquelles l'eau vapeur se condense sur une surface froide. Les courbes parallèles à la courbe de saturation indiquent l'humidité relative (une seule de ces courbes est représentée sur la Fig. 2). En projetant un point sur la droite des enthalpies, on obtient la valeur de l'enthalpie pour les conditions du point donné.

[0043] L'air extérieur entre dans le premier conduit 1 par l'entrée 13 de ce dernier. Il traverse le filtre 15 qui permet de retenir les particules en suspension (pollen, poussières etc.). Il débouche au niveau de la première face 51 de la première moitié de la roue sensible 5. Cette première moitié est située dans le premier conduit 1. Au contact de la roue sensible 5 qui est plus froide que lui, l'air se refroidit. Sur le diagramme psychrométrique de la Fig. 2, l'air passe des conditions du point A à celles du point B. L'air ressort refroidi au niveau de la deuxième face 52 de la première moitié de la roue sensible 5. Il arrive alors au contact de la première face 71 de la première moitié de la roue dessiccante 7. Cette première moitié comporte un agent ad(b)sorbant contenant de l'eau adsorbée ou absorbée. L'air traversant la roue dessiccante 7 se charge donc en humidité au contact de l'agent dessiccant de cette dernière. L'agent dessiccant de la première moitié de la roue dessiccante 7 se sèche donc graduellement. Sur la Fig. 2, l'air passe des conditions du point B à celles du point C. L'air se refroidit et se charge en eau. L'air continue d'être aspiré par le ventilateur 81. Il passe ensuite sur la batterie froide humide 4 qui le refroidit davantage, en dessous de sa température de rosée. Sur la Fig. 2, l'air passe des conditions du point C à celles du point D. En sortie de la batterie froide humide 4, l'air refroidi vient au contact de la deuxième face 72 de la deuxième moitié de la roue dessiccante 7. Celle-ci comportant un agent dessiccant capable d'adsorber ou d'absorber l'eau, l'air se dessèche et parvient dans les conditions du points E. L'air passe ensuite dans la portion du conduit 1 qui débouche au niveau de la sortie 13. Au contact de la face froide 91 du module à Effet Peltier, l'air se refroidit ; il passe alors dans les conditions correspondant au point F sur la Fig. 2. Les points BCDE forment un cycle de Cromer. Les portions AB et EF représentent les refroidissements respectivement avant le cycle de Cramer et après le cycle de Cramer. Le refroidissement ante cycle de Cramer est ici mis en œuvre par la roue sensible 5 tandis que le refroidissement post cycle de Cramer est mis en œuvre par le module à effet Peltier. C'est ce dernier refroidissement qui permet d'augmenter les performances du cycle de Cramer par une efficacité accrue de la roue dessiccante. Le refroidissement terminal utilisant l'effet Peltier permet aussi de réduire la puissance de la batterie froide humide alimentée par une production frigorifique utilisant des gaz à effet de serre. Au final le cycle de traitement de l'air engendre une efficacité énergétique permettant une forte limitation de l'utilisation de gaz à effet de serre de l'ordre de 30 à 40%.

[0044] En référence à la Fig. 1, l'air de la pièce P est aspiré dans le deuxième conduit au niveau de l'entrée 21 grâce au ventilateur 82. L'air de la pièce P entre au contact de la deuxième face 52 de la deuxième moitié de la roue sensible 5. Celle-ci étant chaude, il se réchauffe et dans le même temps refroidit la deuxième moitié de la roue sensible 5. Celle- ci peut alors être tournée vers le premier conduit 1 pour prendre la place de la première moitié. En sortie de la deuxième moitié de la roue sensible 5, l'air entre en contact avec le second échangeur thermique 6. Ce deuxième échangeur thermique 6 est thermiquement connecté à la face chaude du module à effet Peltier et son fluide caloporteur est donc plus chaud que l'air. L'air se réchauffe encore puis sort vers l'extérieur à travers la sortie 22 du second conduit 2. Cette énergie fatale a pour vocation d'être récupérée.

[0045] Le Tableau 1 suivant récapitule un exemple des conditions de température, humidité absolue, humidité relative et enthalpie d'un exemple de procédé de l'invention. Les lettes indiquées font référence à la Fig. 2. La pression est toujours égale à la pression atmosphérique.

[0046] [Tableau 1]

Selon une variante de réalisation non représentée de l'invention, le second conduit 2 comporte une branche qui débouche dans la pièce P. Le second conduit 2 comporte donc une bifurcation située en aval de la roue sensible 5 et en aval du deuxième échangeur thermique 6. Cette branche est équipée d'un clapet ou autre dispositif d'obturation, monté en aval du deuxième échangeur thermique 6. L'autre branche du deuxième conduit 2 qui débouche vers l'extérieur peut également être munie d'un dispositif d'obturation. Le premier conduit 1 est lui aussi équipé de moyens d'obturation situés en amont de sa sortie 17.

Cette variante permet de réinjecter tout ou partie du flux d'air provenant de la pièce P dans la pièce P après que ce flux a été réchauffé par la roue sensible 5 et par le deuxième échangeur thermique 6. Cette variante permet de climatiser la pièce P en injectant de l'air refroidi et déshumidifié ou en injectant uniquement de l'air réchauffé ou éventuellement en injectant simultanément de l'air refroidi et déshumidifié et de l'air réchauffé. Il est ainsi possible d'injecter uniquement de l'air réchauffé provenant de la pièce P, lorsque la sortie 17 du premier conduit est obturée.