WO2021005290A1 - Climatiseur d'air - Google Patents
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- WO2021005290A1 WO2021005290A1 PCT/FR2020/051180 FR2020051180W WO2021005290A1 WO 2021005290 A1 WO2021005290 A1 WO 2021005290A1 FR 2020051180 W FR2020051180 W FR 2020051180W WO 2021005290 A1 WO2021005290 A1 WO 2021005290A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
- F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
- F24F5/0085—Systems using a compressed air circuit
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
- F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
- F24F13/02—Ducting arrangements
- F24F13/0236—Ducting arrangements with ducts including air distributors, e.g. air collecting boxes with at least three openings
Definitions
- the present invention relates to an air conditioner, comprising an air compressor, a compressed air engine, air-liquid and air-air heat exchangers, a steam engine, all of these elements being confined to the interior of an enclosure allowing very good thermal insulation with respect to the ambient air to be cooled and which has the advantage of not requiring a hot air discharge pipe to the outside.
- the invention relates to the field of air conditioning devices and will find very particular application in the field of portable air conditioning devices intended to cool a room or premises located in a particular dwelling or building.
- Condensation the refrigerant in the state of very hot and compressed vapor then passes into a condenser (or heat exchanger), where it will give up heat to the external environment, which will allow it to liquefy, c 'that is to say to pass from the gaseous state to the liquid state;
- the now cold and partially vaporized refrigerant fluid circulates in an evaporator (heat exchanger) which is located in the part to be cooled. It subtracts heat from the medium (air) to cool it. By absorbing heat, the fluid refrigerant evaporates completely and changes from liquid to gas. The refrigerant is then ready to renew a new cycle.
- heat exchanger heat exchanger
- This cycle has the drawback of imposing a transfer of heat between the refrigerant and the external environment, during the condensation phase (Phase 2 described above).
- a portable air conditioner placed in a room it is necessary to provide for the evacuation of the calories extracted from the refrigerant fluid in the state of very hot vapor during its cooling in the condenser.
- This is usually done using an exhaust pipe that redirects the hot air out of the room, in the case of a portable air conditioner.
- this requires providing an orifice on a wall of the room or in an opening (door or window). It is also possible to leave an opening half-open in order to provide a passage for the hot air discharge pipe, but it is then necessary to caulk said opening in order to keep the cool air inside the room and above all, do not allow hot air from outside to enter.
- the present invention provides a solution to overcome this drawback, while maintaining a cooling efficiency comparable to that obtained with air conditioners having heat evacuation to the outside.
- the present invention provides for extracting heat from the air to be cooled directly using an air-liquid type heat exchanger, rather than using the principle of a phase change of a refrigerant fluid which then cools the air by evaporation in a heat exchanger.
- the present invention provides that the air to be cooled directly transfers heat to the liquid through the air-liquid heat exchanger; the temperature of the liquid will rise accordingly.
- Many types of liquids may be suitable for carrying out the invention, but the easiest will be to use water.
- the invention relates to an air conditioner as defined in claim 1. Particular provisions of this air conditioner are provided for in the dependent claims.
- the invention relates to an air conditioner, comprising an air compressor intended to compress the air to be cooled, this compression being accompanied by a sharp rise in the temperature of the air as well. compressed ; an air-liquid heat exchanger intended to transfer heat from the air thus compressed to a liquid placed in a reservoir; an air-air heat exchanger intended to further lower the temperature of the air to be cooled which, at this stage, is still maintained in the state of compressed air; a compressed air motor to obtain an expansion of the compressed air, which naturally lowers its temperature and provides fresh air, while producing reusable mechanical energy to help drive the air compressor, remarkable in that: said air compressor will be driven mechanically by an electric motor or by any other type of motor known in the state of the art; said air compressor will preferably be of a vane type, known in the state of the art, or in the absence of any other type such as a piston or wheel air compressor.
- Said air compressor is intended to bring the air to be cooled to a pressure level such that the resulting temperature rise is sufficient to ensure a transfer of heat from the air to be cooled to a liquid which will be at a lower temperature.
- the pressure mentioned above will be chosen so as to obtain a temperature of the compressed air above 100 ° C, which will allow heat transfer from the compressed air to the water.
- said air-liquid heat exchanger of design known in the state of the art, is connected to the outlet of the air compressor by a duct, these two elements being dimensioned so as to allow the passage of compressed air with a low pressure drop, which those skilled in the art will be able to achieve easily, so that the pressure of the compressed air remains practically constant.
- the compressed air undergoes an isobaric transformation - at constant pressure - during its passage through the air-liquid heat exchanger and the loss of enthalpy - or heat - which results from this results in a drop in its temperature, while while maintaining pressure.
- said air-air heat exchanger of design known in the state of the art, is arranged in series with the air-liquid heat exchanger described above, to which it is connected by a duct.
- this air-air heat exchanger is to further reduce the temperature of the compressed air recovered at the outlet of the air-liquid heat exchanger.
- the air used for cooling will simply be the ambient air in which the air conditioner object of the invention is located.
- said air-air heat exchanger will be sized so as to allow the passage of compressed air with a low pressure drop, which those skilled in the art will be able to achieve easily, so that the air pressure tablet remains virtually constant.
- the compressed air undergoes a isobaric transformation - at constant pressure - during its passage through the air-air heat exchanger and the loss of enthalpy - or heat - which results therefrom results in a drop in its temperature, while maintaining its pressure.
- said compressed air motor using the compressed air recovered at the outlet of the air-air heat exchanger described above, to which it is connected by a duct will preferably be of the vane type or of any other type known in the art. state of the art, such as for example a piston or turbine engine.
- the function of said compressed air motor will be to partly recover the mechanical work provided by the air compressor.
- a mechanical connection is provided between the motor shaft of the compressed air motor and the drive shaft of the air compressor, of the transmission belt, chain, gear type or quite simply a transmission shaft, well known to those skilled in the art and not described here.
- the compressed air used to drive said compressed air motor having only undergone isobaric transformations
- the pressure of the air at the inlet of the compressed air motor is practically identical to the pressure of the air in air compressor outlet.
- the temperature of the compressed air at the inlet of the compressed air motor being lower than the temperature of the compressed air at the outlet of the air compressor, the mass volume of the compressed air at the inlet of the air compressor.
- compressed air motor is lower than the mass volume of compressed air at the outlet of the air compressor.
- the mechanical energy recovered from the compressed air motor is less than the mechanical work provided by the air compressor. This remains consistent because of the loss of enthalpy of the compressed air through the heat exchangers described above.
- a liquid reservoir in which said air-liquid heat exchanger described above is located will be intended to recover the enthalpy - or heat - coming from the compressed air leaving the air compressor. Said liquid contained in the liquid reservoir will naturally see its temperature increase during operation of the air conditioner. When the temperature of said liquid becomes too high, in the vicinity of 100 ° C. in the case of water, it will be necessary to replace it with fresh liquid.
- the liquid can, for example, be a refrigerant.
- a variant of the liquid reservoir consists in designing the latter to allow an increase in the pressure of the liquid which it contains and thus to allow the boiling of said liquid. In this configuration, the liquid reservoir may contain the boiling liquid as well as part of said liquid in the vapor phase.
- a conduit will direct the liquid in the vapor phase to a steam engine of any type known in the state of the art.
- the steam recovered downstream of the steam engine, of lower temperature and pressure than upstream of said steam engine, will be directed by means of a duct to a steam-air heat exchanger which will allow the condensation of said steam and a return to liquid state.
- the cooling air used by the steam-air heat exchanger will simply be obtained from the ambient air in which said air conditioner is located.
- a liquid compressor also known as a booster, connected to the outlet of the vapor-air exchanger by a pipe, will allow the liquid obtained by condensation to be reintroduced at a higher pressure at the level of the vapor exchanger.
- Said liquid compressor will be driven by an electric motor or by one or more of the other rotating elements in said air conditioner (air compressor, compressed air motor or steam engine).
- the drive shaft of said steam engine will be mechanically connected to the drive shafts of the air compressor and of the compressed air motor described above.
- the mechanical connection not described here may be of any nature known in the state of the art, such as a belt, a chain, gears or simply a transmission shaft common to the three elements concerned above. This arrangement will make it possible to recover, in the form of mechanical work, part of the enthalpy that the compressed air will have lost at the level of the air-liquid exchanger.
- the sum of the combined energies supplied by the steam engine and the compressed air engine may become greater than the energy required to drive the air compressor. This occurs when the temperature of the liquid in the liquid reservoir is substantially higher than the boiling temperature of said liquid under atmospheric pressure conditions, and therefore the resulting vapor pressure is substantially higher than the atmospheric pressure.
- the air compressor has previously supplied sufficient work to raise the temperature of the compressed air which itself will in return provide part of its enthalpy to the liquid contained in the liquid reservoir, through the air-liquid heat exchanger described above.
- G enthalpy extracted from the ambient air to be cooled is also taken into account in this process.
- the mechanical energy restored by the air conditioner can be used to actuate the blades of a fan helping to draw the air cooled by the air conditioner within the room where it is located in order to to optimize its efficiency.
- the restored mechanical energy could also drive an electricity generator which could supply other electrical devices, for example other air fans, or quite simply restore electrical energy to the electrical supply network.
- the air conditioner can serve as an electric generator.
- an envelope having good thermal insulation properties is intended to constitute an enclosure containing all of the constituent elements of the air conditioner described above. This envelope has an opening allowing the introduction of the air which will be used to supply the air compressor described above.
- the air flow entering the interior of the envelope will be partly directed towards the air-air heat exchanger described above by means of a first dedicated duct and partly towards the steam-air heat exchanger described. above by means of a second dedicated duct.
- the purpose of this arrangement is to confine all of the constituent elements of the air conditioner in an almost adiabatic medium, which has very little heat exchange with the outside. In this way, the ambient air in which the air conditioner proposed by the invention is located will not be heated unnecessarily, and it will not be necessary either to provide a hot air discharge as in most air conditioners known in the state of the art, which responds precisely to the problem that the invention proposes to solve.
- a variant of the envelope constituting the enclosure containing all of the constituent elements of the air conditioner described above will be to provide a double envelope formed as follows: a first envelope contains all of the elements components of the air conditioner as described above. This first envelope has an opening allowing the introduction of the air which will be used to supply the air compressor described above.
- a second envelope will surround the first envelope, and will be arranged so that an air circulation is possible between these two envelopes, so that said air circulation takes place in contact with as much of the air as possible.
- first envelope said second envelope will have an opening allowing the introduction of the ambient air in which the air conditioner is located, so that the ambient air flow which will be introduced into the second envelope first circulates between the first and the second envelope before being introduced into said first envelope.
- This arrangement makes it possible to use the ambient air circulating between the two envelopes described above as thermal insulation between, on the one hand, the constituent elements of the air conditioner which are at a relatively high temperature and, on the other hand, the ambient air of the room where said air conditioner is located, the temperature of which is sought to be lowered.
- FIG. 1 representation of the air conditioner consisting of an air compressor (1), an air-water heat exchanger (3), an air-air heat exchanger (5) and an air motor tablet (7).
- FIG. 2 representation of the air conditioner described above with the variant of the liquid reservoir (9) allowing a boiling of said liquid and the production of steam used to supply a steam engine (11) which will contribute to driving the compressor air (1).
- FIG. 3 representation of the air conditioner described above with the casing (17) intended to confine the constituent elements thereof.
- FIG. 4 representation of the air conditioner described above with a variant proposing a double envelope consisting of a first envelope (17) surrounding the constituent elements of the air conditioner and a second envelope (20) surrounding the first envelope (17) ).
- the example of an embodiment of the air conditioner proposed by the present invention consists of (Fig. 1): an air compressor (1) intended to compress the air to be cooled; said air compressor (1) will be of the “vane” type well known in the state of the art, for the purposes of this example of an embodiment, without this constituting any limitation in the use of other types of compressors also known in the state of the art; an air-liquid heat exchanger (3) known in the state of the art and intended to transfer heat from the air thus compressed to a liquid placed in a reservoir (9);
- a compressed air motor (7) known in the state of the art, which will have the function of obtaining an expansion of the compressed air accompanied by a natural lowering of its temperature, which is the desired aim for the air conditioner proposed by the invention, while allowing to recover reusable mechanical energy to contribute to the drive of the air compressor (1), remarkable in that: said air compressor (1) will be driven mechanically by an electric motor or by any other type of motor known in the state of the art, not shown in the accompanying figure; the pressure delivered by the air compressor (1) may be of the order of ten bars for the purposes of this non-limiting example, so as to raise the temperature of the air thus compressed to a value appreciably higher at 100 ° C.
- a duct (2) capable of withstanding the pressure supplied by the air compressor (1) will be provided between said air compressor (1) and the air-liquid heat exchanger (3).
- the duct (2) and the air-liquid heat exchanger (3) will be sized so as to allow the passage of compressed air with a low pressure drop, which those skilled in the art will be able to achieve easily, in order to that the pressure of the compressed air remains practically constant and equal to the pressure value supplied by the air compressor (1).
- said air-air heat exchanger (5) of design known in the state of the art, is arranged in series with the air-liquid heat exchanger (3) described above, to which it is connected by a duct ( 4) having characteristics similar to the duct (2) described above.
- the air used for cooling said air-air heat exchanger (5) will simply be air environment in which the air conditioner object of the invention is located.
- said air-air heat exchanger (5) will be sized so as to allow the passage of compressed air with a low pressure drop, which those skilled in the art will be able to achieve easily, so that the pressure of the compressed air remains practically constant, as in the case of the air-liquid heat exchanger (3).
- said compressed air motor (7) will simply consist of a vane air compressor mounted so that the air flow is circulated in the opposite direction to the direction usually used for operation in air compressor mode; this arrangement makes it possible to expand the compressed air in the air compressor and consequently makes it possible to recover mechanical energy, which corresponds to the operation of an engine.
- This arrangement constitutes a preferred choice of an embodiment, without this constituting any limitation in the use of other types of compressed air engines also known in the state of the art; said compressed air motor (7) will use the compressed air recovered at the outlet of the air-air heat exchanger (5) described above, to which it is connected by a duct (6), of characteristics similar to those of the conduit (2) and conduit (4).
- said compressed air motor (7) being to relieve the pressure of the compressed air supplied by the duct (6) in order to lower the temperature significantly and to evacuate the air to the outside of the air conditioner. relaxed and refreshed by means of a duct (8) connected to the air outlet of the compressed air motor (7); moreover, the mechanical work provided by the compressed air motor (7) will be partly transmitted to the air compressor (1).
- a mechanical connection is provided between the motor shaft of the compressed air motor (7) and the drive shaft of the air compressor (1), of the transmission belt, chain, gears, shaft type. transmission, or any other mechanical link, well known in the state of the art and not shown in the figure attached here.
- said liquid tank (9) in which the air-liquid heat exchanger (3) described above is located will be intended to recover the enthalpy - or heat - coming from the compressed air leaving the air compressor ( 1).
- Said liquid being constituted by water in the present example and contained in said liquid reservoir (9) will naturally see its temperature increase during the operation of the air conditioner. When the temperature of this water becomes too high, around 100 ° C, it will have to be replaced by cooler water. In order to avoid this water replacement operation, it will suffice to connect the liquid tank to a water circuit which is continuously renewed or which directs the heated water to a hot water tank.
- a variant of the liquid reservoir (9) (Fig. 2) consists in designing the latter to allow an increase in the pressure of the liquid which it contains and thus allow the boiling of said liquid.
- the liquid reservoir (9) can contain the boiling water as well as a part of this water in the vapor phase.
- a conduit (10) will direct the water in the vapor phase to a steam engine (11) of any type known in the state of the art.
- said steam engine (11) will be made like the compressed air engine (7), and will be of the “vane” type.
- the steam recovered downstream of the steam engine (11), at a lower temperature and pressure than upstream of the steam engine (11), will be directed by means of a duct (12) to a steam-air heat exchanger (13) which will allow the condensation of said vapor and a return to the liquid state.
- the cooling air used by the steam-air heat exchanger (13) will simply come from the ambient air in which said air conditioner is located.
- a liquid compressor (15) connected to the outlet of the vapor-air heat exchanger (13) by a conduit (14), and connected to the liquid reservoir (9) by a conduit (16), will allow the reintroduction of the water obtained by condensation at the level of the vapor-air heat exchanger (13) towards the liquid reservoir (9) which is then under pressure due to the boiling of the water therein.
- Said liquid compressor (15) will be driven by an electric motor or by one or more of the other rotating elements in said air conditioner: air compressor (1), compressed air motor (7), gas motor. steam (11).
- the drive shaft of said steam engine (11) will be mechanically connected to the drive shafts of the air compressor (1) and of the compressed air motor (7) described above.
- the mechanical connection not described here may be of any nature known in the state of the art, such as a belt, a chain, gears or simply a transmission shaft common to the three elements concerned above, which constitutes a preferential solution. because of its simplicity of implementation. This arrangement will make it possible to recover, in the form of mechanical work, part of the enthalpy that the compressed air will have lost at the level of the air-liquid exchanger (3).
- a casing (17) (Fig.
- This envelope (17) has an opening allowing the introduction of the air which will be used to supply the air compressor (1) described above.
- the air flow entering inside the casing (17) will be partly directed towards the air-air heat exchanger (5) by means of a duct (19) and partly towards the steam heat exchanger -air (13) by means of a duct (18).
- the purpose of this arrangement is to confine all of the constituent elements of the air conditioner in an almost adiabatic medium, which has very little heat exchange with the outside, thanks to the good thermal insulation provided by said casing (17 ).
- the ambient air in which the air conditioner is located will not be heated unnecessarily, and moreover, the air absorbed by the air compressor (1) which is located inside said envelope. (17), will be preheated by the heat exchanges produced by the air-air heat exchanger (5) and by the steam-air heat exchanger (13) as well as by the heat losses of the other elements located in the enclosure (17) ), so that the enthalpy thus recovered by the air introduced into the air compressor (1) will be partly restored to the level of the air-liquid heat exchanger (3) described above.
- a variant of the envelope constituting the enclosure containing all of the constituent elements of the air conditioner described above will be to provide a double envelope formed as follows (Fig.
- a first envelope (17) contains all of the components of the air conditioner as described above.
- This first casing (17) has an opening allowing the introduction of the air which will be used to supply the air compressor (1) described above.
- a second envelope (20) will surround the first envelope (17), and will be arranged so that an air circulation space (22) is provided between these two envelopes, so that said air circulation is make contact with as much of the first casing as possible (17); said second envelope (20) will have an opening (21) allowing the introduction of ambient air in which the air conditioner is located, so that the ambient air flow which will be introduced into the air conditioner, first circulate between the first envelope (17) and the second envelope (20) before being introduced into said first envelope (17).
- This arrangement makes it possible to use the ambient air circulating between the two envelopes described above as thermal insulation between, on the one hand, the constituent elements of the air conditioner which are at a relatively high temperature and, on the other hand, the ambient air of the room where said air conditioner is located, the temperature of which is sought to be lowered.
- the present invention provides an air conditioner, comprising an air compressor (1) intended to compress the air to be cooled, an air-heat exchanger. liquid (3) intended to transfer heat from the air thus compressed to a liquid placed in a tank (9), an air-air heat exchanger (5) intended to further lower the temperature of the air to be cooled which, to at this stage, a compressed air motor (7) is still maintained in the state of compressed air, making it possible to obtain an expansion of the compressed air, which naturally lowers its temperature and provides cooled air, while producing reusable mechanical energy to help drive the air compressor (1), characterized in that:
- said air compressor (1) of design known in the state of the art, is driven mechanically by an electric motor or by any other type of motor known in the state of the art;
- said air-liquid heat exchanger (3) is connected to the outlet of the air compressor (1) by a duct (2) capable of withstanding the pressure supplied by the air compressor (1), said air-liquid heat exchanger (3) and said duct (2) being dimensioned so as to allow the passage of compressed air with a low pressure drop
- said air-air heat exchanger (5) of design known in the state of the art and intended to further lower the temperature of the compressed air at the outlet of the air-liquid exchanger (3), is connected to the said air-liquid heat exchanger (3) via a duct (4) having characteristics similar to the duct (2), while said air-air heat exchanger (5) is dimensioned so as to allow the passage of compressed air with low pressure drop; moreover, the air used for cooling said air-air heat exchanger (5) is the ambient air in which the air conditioner object of the invention is located;
- said compressed air motor (7) of design known in the state of the art and using the compressed air recovered at the outlet of the air-air heat exchanger (5), to which it is connected by a duct (6) with characteristics similar to those of the duct (2) and of the duct (4), contributes to the drive of the air compressor (1) by a mechanical connection between the motor shaft of said compressed air motor (7) and the drive shaft of the air compressor (1), said mechanical link being of a type known in the state of the art;
- an envelope (17), having good thermal insulation properties is intended to contain all of the constituent elements of the air conditioner proposed by the invention, while an opening in said envelope (17) allows the introduction of the air serving to supply the air compressor (1); moreover, the air flow entering inside the casing (17) is partly directed towards the air-air heat exchanger (5) by means of a duct (19) and partly directed towards the steam-air heat exchanger (13) by means of a duct (18);
- said air conditioner is used as an electric generator, during the phases where the temperature of the liquid located in the liquid tank (9) is substantially higher than the boiling temperature of said liquid under atmospheric pressure conditions, and therefore the resulting vapor pressure is substantially higher than atmospheric pressure.
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Abstract
L'invention concerne un climatiseur d'air, comprenant un compresseur d'air (1) destiné à comprimer l'air à rafraîchir, un échangeur thermique air-liquide (3) destiné à transférer la chaleur de l'air ainsi comprimé vers un liquide placé dans un réservoir (9), un échangeur thermique air-air (5) destiné à abaisser encore la température de l'air à rafraîchir qui, à ce stade, se trouve encore maintenu à l'état d'air comprimé, un moteur à air comprimé (7) permettant d'obtenir une détente de l'air comprimé, ce qui abaisse naturellement sa température et procure de l'air rafraîchi, et une enveloppe (17), possédant de bonnes propriétés d'isolation thermique et destinée à contenir l'ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d'air; il ne sera alors pas nécessaire de prévoir une évacuation d'air chaud comme sur la plupart des climatiseurs connus dans l'état de l'art.
Description
CLIMATISEUR D’AIR
DESCRIPTION
La présente invention se rapporte à un climatiseur d’air, comprenant un compresseur d’air, un moteur à air comprimé, des échangeurs thermiques air-liquide et air-air, un moteur à vapeur, l’ensemble de ces éléments étant confinés à l’intérieur d’une enceinte permettant une très bonne isolation thermique par rapport à l’air ambiant à rafraîchir et qui présente l’avantage de ne pas nécessiter de tuyau d’évacuation de l’air chaud vers l’extérieur.
L’invention concerne le domaine des dispositifs de climatisation de l’air et trouvera une application toute particulière dans le domaine des appareils de climatisation portatifs destinés à refroidir une pièce ou un local situés dans une habitation particulière ou un immeuble.
On connaît d’ores et déjà différents types de climatiseurs d’air, qui pour la plupart, fonctionnent selon le même principe que les réfrigérateurs, qui utilisent un cycle de changement de phase d’un fluide réfrigérant, pour transférer de la chaleur de la partie à refroidir vers le milieu extérieur. Le fluide réfrigérant circule dans des échangeurs thermiques situés d’une part dans la partie à refroidir et d’autre part dans le milieu extérieur. Cette circulation s’effectue grâce à un compresseur qui agit comme une pompe pour faire circuler le fluide réfrigérant. Ce cycle se déroule en quatre temps :
1/ Compression : le fluide réfrigérant à l'état vapeur est compressé et sort du compresseur à haute pression et haute température ;
2/ Condensation : le fluide réfrigérant à l’état de vapeur très chaude et comprimée passe alors dans un condenseur (ou échangeur de chaleur), où il va céder de la chaleur au milieu extérieur, ce qui va lui permettre de se liquéfier, c'est-à-dire passer de l'état gazeux à l'état liquide ;
3/ Détente : à la sortie du condenseur, le fluide réfrigérant qui se trouve sous forme liquide et sous haute pression, est détendu en faisant baisser rapidement la pression dans un détendeur. (On fait circuler le fluide réfrigérant au travers d'un orifice). Cette subite baisse de pression a pour effet de vaporiser une partie du fluide réfrigérant, qui se trouve à présent à son état le plus froid du cycle suite à ce changement de phase (liquide - vapeur) ;
4/ Evaporation : le fluide réfrigérant à présent froid et partiellement vaporisé circule dans un évaporateur (échangeur de chaleur) qui se trouve dans la partie à refroidir. Il soustrait de la chaleur au médium (l’air) pour refroidir celui-ci. En absorbant de la chaleur, le fluide
réfrigérant s'évapore complètement et passe de l'état liquide à l'état gazeux. Le fluide réfrigérant est alors prêt pour renouveler un nouveau cycle.
Ce cycle présente l’inconvénient d’imposer un transfert de chaleur entre le fluide réfrigérant et le milieu extérieur, lors de la phase de condensation (Phase 2 décrite ci-avant). En effet, dans le cas d’un climatiseur portable placé dans une pièce, il faut nécessairement prévoir l’évacuation des calories extraites du fluide réfrigérant à l’état de vapeur très chaude lors de son refroidissement dans le condenseur. Cette évacuation se fait en général à l’aide d’un tuyau d’évacuation qui redirige l’air chaud à l’extérieur de la pièce, dans le cas d’un climatiseur portable. Dans ce cas, cela impose de prévoir un orifice sur une paroi de la pièce ou dans une ouverture (porte ou fenêtre). Il est également possible de laisser une ouverture entr’ ouverte afin de ménager un passage pour le tuyau d’évacuation de l’air chaud, mais il faut alors calfeutrer ladite ouverture afin de conserver l’air frais à l’intérieur de la pièce et surtout ne pas laisser pénétrer l’air chaud provenant de l’extérieur.
La présente invention propose une solution pour remédier à cet inconvénient, tout en conservant une efficacité de refroidissement comparable à celle obtenue avec les climatiseurs d’air possédant une évacuation de la chaleur vers l’extérieur. La présente invention prévoit d’extraire la chaleur de l’air à rafraîchir directement à l’aide d’un échangeur thermique de type air-liquide, plutôt que d’utiliser le principe d’un changement de phase d’un fluide réfrigérant qui vient ensuite refroidir l’air par évaporation dans un échangeur thermique. La présente invention prévoit que l’air à rafraîchir cède directement de la chaleur au liquide grâce à l’échangeur thermique air-liquide ; la température du liquide s’élèvera en conséquence. De nombreux types de liquides peuvent convenir à la réalisation de l’invention, mais le plus simple sera d’utiliser de l’eau.
A cet effet, l’invention concerne un climatiseur d’air tel que défini à la revendication 1. Des dispositions particulières de ce climatiseur sont prévues dans les revendications dépendantes.
Elle concerne également un ensemble selon la revendication 10.
Selon des modes de réalisation possibles, l’invention concerne un climatiseur d’air, comprenant un compresseur d’air destiné à comprimer l’air à rafraîchir, cette compression s’accompagnant d’une forte élévation de la température de l’air ainsi comprimé ; un échangeur thermique air-liquide destiné à transférer la chaleur de l’air ainsi comprimé vers un liquide placé dans un réservoir ; un échangeur thermique air-air destiné à abaisser encore la
température de l’air à rafraîchir qui, à ce stade, se trouve encore maintenu à l’état d’air comprimé ; un moteur à air comprimé permettant d’obtenir une détente de l’air comprimé, ce qui abaisse naturellement sa température et procure de l’air rafraîchi, tout en produisant une énergie mécanique réutilisable pour contribuer à l’entraînement du compresseur d’air, remarquable par le fait que : ledit compresseur d’air sera entraîné mécaniquement par un moteur électrique ou par tout autre type de moteur connu dans l’état de l’art ; ledit compresseur d’air sera préférentiellement d’un type à palettes, connu dans l’état de l’art, ou à défaut de tout autre type tel un compresseur d’air à pistons ou à roue. Ledit compresseur d’air a pour vocation d’amener l’air à rafraîchir à un niveau de pression tel que l’élévation de température qui en résulte soit suffisante pour assurer un transfert de chaleur de l’air à rafraîchir vers un liquide qui sera à une température moins élevée. Dans le cas où ledit liquide sera de l’eau, la pression évoquée ci-avant sera choisie de façon à obtenir une température de l’air comprimé supérieure à 100°C, ce qui permettra un transfert de chaleur depuis l’air comprimé vers l’eau. La pression nécessaire à ce résultat sera de l’ordre d’une dizaine de bars (1 bar = 14,5038 Psi). ledit échangeur thermique air-liquide, de conception connue dans l’état de l’art, est relié à la sortie du compresseur d’air par un conduit, ces deux éléments étant dimensionnés de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge, ce que l’homme de l’art saura réaliser facilement, afin que la pression de l’air comprimé demeure pratiquement constante. Ainsi, l’air comprimé subit une transformation isobare - à pression constante - lors de son passage dans l’échangeur thermique air-liquide et la perte d’enthalpie - ou chaleur - qui en résulte se traduit par une baisse de sa température, tout en conservant sa pression. ledit échangeur thermique air-air, de conception connue dans l’état de l’art, est disposé en série avec l’échangeur thermique air-liquide décrit ci-avant, auquel il est relié par un conduit. La fonction de cet échangeur thermique air-air est de réduire encore la température de l’air comprimé récupéré en sortie de l’échangeur thermique air-liquide. A cet effet, l’air utilisé pour le refroidissement sera simplement l’air ambiant dans lequel se situe le climatiseur d’air objet de l’invention. Par ailleurs, ledit échangeur thermique air- air sera dimensionné de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge, ce que l’homme de l’art saura réaliser facilement, afin que la pression de l’air comprimé demeure pratiquement constante. Ainsi, l’air comprimé subit une
transformation isobare - à pression constante - lors de son passage dans l’échangeur thermique air-air et la perte d’enthalpie - ou chaleur - qui en résulte se traduit par une baisse de sa température, tout en conservant sa pression. ledit moteur à air comprimé utilisant l’air comprimé récupéré à la sortie de l’échangeur thermique air-air décrit ci-avant, auquel il est relié par un conduit, sera préférentiellement de type à palette ou de tout autre type connu dans l’état de l’art, tel par exemple un moteur à pistons ou à turbine. La fonction dudit moteur à air comprimé sera de récupérer en partie le travail mécanique fourni par le compresseur d’air. A cet effet, il est prévu une liaison mécanique entre l’arbre moteur du moteur à air comprimé et l’arbre d’entraînement du compresseur d’air, de type courroie de transmission, chaîne, engrenages ou tout simplement un arbre de transmission, bien connus de l’homme de l’art et non décrits ici. On notera que l’air comprimé utilisé pour entraîner ledit moteur à air comprimé n’ayant subi que des transformations isobares, la pression de l’air à l’entrée du moteur à air comprimé est pratiquement identique à la pression de l’air en sortie du compresseur d’air. Toutefois, la température de l’air comprimé à l’entrée du moteur à air comprimé étant plus basse que la température de l’air comprimé en sortie du compresseur d’air, le volume massique de l’air comprimé à l’entrée du moteur à air comprimé est plus faible que le volume massique de l’air comprimé à la sortie du compresseur d’air. De ce fait, l’énergie mécanique récupérée au niveau du moteur à air comprimé est inférieure au travail mécanique fourni par le compresseur d’air. Ceci reste cohérent du fait de la perte d’enthalpie de l’air comprimé au travers des échangeurs thermiques décrits ci-avant. Enfin, lors de son passage dans le moteur à air comprimé, l’air comprimé subit une détente rapide et retrouve une pression égale à la pression atmosphérique, ce qui a pour effet de réduire instantanément sa température de façon significative et d’obtenir ainsi l’effet de rafraîchissement de l’air recherché. un réservoir de liquide dans lequel se trouve ledit échangeur thermique air-liquide décrit ci-avant sera destiné à récupérer l’enthalpie - ou chaleur - provenant de l’air comprimé en sortie du compresseur d’air. Ledit liquide contenu dans le réservoir de liquide verra naturellement sa température s’accroître durant le fonctionnement du climatiseur d’air. Lorsque la température dudit liquide deviendra trop élevée, au voisinage de 100°C dans le cas de l’eau, il faudra procéder à son remplacement par du liquide frais. Afin d’éviter cette opération de remplacement du liquide, il est possible d’utiliser simplement de l’eau comme liquide pour récupérer la chaleur de l’air comprimé, puis de raccorder le réservoir de liquide à un circuit d’eau qui se renouvelle en continu ou encore qui dirige l’eau
réchauffée vers un ballon d’eau chaude. Ces solutions ne seront pas décrites ici car elles peuvent être facilement mises en œuvre par l’homme de l’art et présentent en outre l’inconvénient de devoir effectuer des raccordements hydrauliques entre le climati eur d’air et les canalisations d’eau situées à proximité. Dans d’autres modes de réalisation le liquide peut, par exemple, être un fluide frigorigène. une variante du réservoir de liquide consiste à concevoir celui-ci pour permettre une augmentation de la pression du liquide qu’il contient et autoriser ainsi l’ébullition dudit liquide. Dans cette configuration, le réservoir de liquide pourra contenir le liquide en ébullition ainsi qu’une partie dudit liquide en phase vapeur. Un conduit permettra de diriger le liquide en phase vapeur vers un moteur à vapeur de tout type connu dans l’état de l’art. La vapeur récupérée en aval du moteur à vapeur, de température et de pression plus basses qu’en amont dudit moteur à vapeur, sera dirigée au moyen d’un conduit vers un échangeur thermique vapeur- air qui permettra la condensation de ladite vapeur et un retour à l’état liquide. L’air de refroidissement utilisé par l’échangeur thermique vapeur- air sera simplement issu de l’air ambiant dans lequel se trouve ledit climatiseur d’air. Un compresseur de liquide, également connu sous le nom de surpresseur, relié à la sortie de l’échangeur vapeur-air par un conduit, permettra de réintroduire, à une pression plus élevée, le liquide obtenu par condensation au niveau de l’échangeur vapeur-air vers le réservoir de liquide, qui se trouve également sous pression en raison de l’ébullition dudit liquide qui s’y trouve. Ledit compresseur de liquide sera entraîné par un moteur électrique ou par l’un ou plusieurs des autres éléments en rotation dans ledit climatiseur d’air (compresseur d’air, moteur à air comprimé ou moteur à vapeur). L’arbre moteur dudit moteur à vapeur sera relié mécaniquement aux arbres moteurs du compresseur d’air et du moteur à air comprimé décrits ci-avant. La liaison mécanique non décrite ici pourra être de toute nature connue dans l’état de l’art, tels une courroie, une chaîne, des engrenages ou simplement un arbre de transmission commun aux trois éléments concernés ci-dessus. Cette disposition permettra de récupérer sous forme de travail mécanique, une partie de l’enthalpie que l’air comprimé aura perdue au niveau de l’échangeur air-liquide. On notera que dans certaines phases de fonctionnement du climati eur d’air, la somme des énergies combinées fournies par le moteur à vapeur et le moteur à air comprimé pourra devenir supérieure à l’énergie nécessaire à entraîner le compresseur d’air. Ceci se produit lorsque la température du liquide situé dans le réservoir de liquide est sensiblement supérieure à la température d’ébullition dudit liquide dans les conditions de pression atmosphérique, et que par conséquent, la pression de la vapeur qui en résulte est sensiblement supérieure à la pression atmosphérique. Cela suppose qu’au préalable le compresseur d’air ait fourni
un travail suffisant pour élever la température de l’air comprimé qui lui-même fournira en retour une partie de son enthalpie au liquide contenu dans le réservoir de liquide, au travers de l’échangeur thermique air-liquide décrit ci-avant. On notera que G enthalpie extraite de l’air ambiant à rafraîchir entre également en ligne de compte dans ce processus. Dans cette phase particulière, l’énergie mécanique restituée par le climatiseur d’air pourra être utilisée pour actionner les pales d’un ventilateur contribuant à puiser l’air rafraîchi par le climatiseur d’air au sein de la pièce où il se trouve afin d’optimiser son efficacité. L’énergie mécanique restituée pourra également entraîner une génératrice d’électricité qui pourra alimenter d’autres appareils électriques, par exemples d’autres ventilateurs d’air, ou tout simplement restituer de l’énergie électrique au réseau d’alimentation électrique. Ainsi, dans ces conditions particulières, le climatiseur d’air pourra servir de générateur électrique. une enveloppe possédant de bonnes propriétés d’isolation thermique est destinée à constituer une enceinte contenant l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air décrits ci-avant. Cette enveloppe possède une ouverture permettant l’introduction de l’air qui servira à alimenter le compresseur d’air décrit ci-avant. Le flux d’air pénétrant à l’intérieur de l’enveloppe sera pour partie dirigé vers l’échangeur thermique air-air décrit ci-avant au moyen d’un premier conduit dédié et pour partie vers l’échangeur thermique vapeur-air décrit ci-avant au moyen d’un deuxième conduit dédié. La finalité de cette disposition consiste à confiner l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air dans un milieu quasi adiabatique, qui présente très peu d’échanges thermiques avec l’extérieur. De cette façon, l’air ambiant dans lequel se trouve le climatiseur d’air proposé par l’invention, ne sera pas réchauffé inutilement, et il ne sera pas non plus nécessaire de prévoir une évacuation d’air chaud comme sur la plupart des climatiseurs connus dans l’état de l’art, ce qui répond précisément au problème que l’invention se propose de résoudre. Par ailleurs, l’air absorbé par le compresseur d’air qui se situe à l’intérieur de ladite enveloppe, sera préchauffé par les échanges thermiques produits par l’échangeur thermique air-air décrit ci-avant et par l’échangeur thermique vapeur-air décrit ci-avant, ainsi que par les pertes thermiques des autres éléments situés dans l’enveloppe, de sorte que l’enthalpie ainsi récupérée par l’air introduit dans le compresseur d’air sera en partie restituée au niveau de l’échangeur air-liquide décrit ci-avant. une variante de l’enveloppe constituant l’enceinte contenant l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air décrits ci-avant sera de prévoir une double enveloppe constituée de la façon suivante : une première enveloppe contient l’ensemble des éléments
constitutifs du climatiseur d’air comme décrite ci-avant. Cette première enveloppe possède une ouverture permettant l’introduction de l’air qui servira à alimenter le compresseur d’air décrit ci-avant. Une deuxième enveloppe viendra entourer la première enveloppe, et sera disposée de sorte qu’une circulation d’air soit possible entre ces deux enveloppes, de façon à ce que ladite circulation d’air se fasse au contact de la plus grande partie possible de la première enveloppe ; ladite deuxième enveloppe possédera une ouverture permettant l’introduction de l’air ambiant dans lequel se trouve le climatiseur d’air, de sorte que le flux d’air ambiant qui sera introduit dans la deuxième enveloppe vienne au préalable circuler entre la première et la deuxième enveloppe avant de s’introduire dans ladite première enveloppe. Cette disposition permet d’utiliser l’air ambiant circulant entre les deux enveloppes décrites ci-avant comme une isolation thermique entre d’une part, les éléments constitutifs du climatiseur d’ air qui sont à une température relativement élevée et d’autre part, l’air ambiant de la pièce où se trouve ledit climatiseur d’air dont on cherche à abaisser la température.
D’autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui va suivre, se rapportant à des modes de réalisation du dispositif proposé par l’invention, ayant valeur d’exemples non limitatifs et dont la compréhension sera facilitée en se référant aux dessins ci -joints, qui constituent des représentations schématiques du climatiseur d’air proposé par l’invention :
- Fig. 1 : représentation du climatiseur d’air constitué d’un compresseur d’air (1), d’un échangeur thermique air-eau (3), d’un échangeur thermique air-air (5) et d’un moteur à air comprimé (7).
- Fig. 2 : représentation du climatiseur d’air décrit ci-avant avec la variante du réservoir de liquide (9) permettant une ébullition dudit liquide et la production de vapeur utilisée pour alimenter un moteur à vapeur (11) qui contribuera à l’entraînement du compresseur d’air (1).
- Fig. 3 : représentation du climatiseur d’air décrit ci-avant avec l’enveloppe (17) destinée à confiner les éléments constitutifs de celui-ci.
- Fig. 4 : représentation du climatiseur d’air décrit ci-avant avec une variante proposant une double enveloppe constituée d’une première enveloppe (17) entourant les éléments constitutifs du climatiseur d’air et une deuxième enveloppe (20) entourant la première enveloppe (17).
L’exemple d’un mode de réalisation du climatiseur d’air proposé par la présente invention est constitué par (Fig. 1) : un compresseur d’air (1) destiné à comprimer l’air à rafraîchir ; ledit compresseur d’air (1) sera de type « à palettes » bien connu dans l’état de l’art, pour les besoins de cet exemple d’un mode de réalisation, sans que cela ne constitue une quelconque limitation dans l’utilisation d’autres types de compresseurs également connus dans l’état de l’art ; un échangeur thermique air-liquide (3) connu dans l’état de l’art et destiné à transférer la chaleur de l’air ainsi comprimé vers un liquide placé dans un réservoir (9) ;
un échangeur thermique air-air (5) connu dans l’état de l’art et destiné à abaisser encore la température de l’air comprimé en sortie de l’échangeur air-liquide (3) ci-avant ;
un moteur à air comprimé (7), connu dans l’état de l’art, qui aura pour fonction d’obtenir une détente de l’air comprimé accompagné d’un abaissement naturel de sa température, ce qui est le but recherché pour le climatiseur d’air proposé par l’invention, tout en permettant de récupérer une énergie mécanique réutilisable pour contribuer à l’entraînement du compresseur d’air (1), remarquable par le fait que : ledit compresseur d’air (1) sera entraîné mécaniquement par un moteur électrique ou par tout autre type de moteur connu dans l’état de l’art, non représenté sur la figure jointe ; la pression délivrée par le compresseur d’air (1) pourra être de l’ordre d’une dizaine de bars pour les besoins de cet exemple non limitatif, de sorte à élever la température de l’air ainsi comprimé à une valeur sensiblement supérieure à 100°C. De cette façon, un transfert de chaleur pourra s’effectuer au travers de l’échangeur thermique air-liquide (3), depuis l’air comprimé vers le liquide, qui sera constitué par de l’eau dans cet exemple, avec pour effet une possible mise en ébullition de cette eau. Un conduit (2) capable de résister à la pression fournie par le compresseur d’air (1) sera prévu entre ledit compresseur d’air (1) et l’échangeur thermique air-liquide (3). Le conduit (2) et l’échangeur thermique air-liquide (3) seront dimensionnés de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge, ce que l’homme de l’art saura réaliser facilement, afin que la pression de l’air comprimé demeure pratiquement constante et égale à la valeur de pression fournie par le compresseur d’air (1). ledit échangeur thermique air-air (5), de conception connue dans l’état de l’art, est disposé en série avec l’échangeur thermique air-liquide (3) décrit ci-avant, auquel il est relié par un conduit (4) ayant des caractéristiques similaires au conduit (2) décrit ci-avant. L’air utilisé pour le refroidissement dudit échangeur thermique air-air (5) sera simplement l’air
ambiant dans lequel se situe le climatiseur d’air objet de l’invention. Par ailleurs, ledit échangeur thermique air-air (5) sera dimensionné de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge, ce que l’homme de l’art saura réaliser facilement, afin que la pression de l’air comprimé demeure pratiquement constante, comme dans le cas de l’échangeur thermique air-liquide (3). ledit moteur à air comprimé (7) sera constitué simplement par un compresseur d’air à palettes monté de sorte que la circulation du flux d’air se fasse dans le sens inverse du sens utilisé habituellement pour un fonctionnement en mode compresseur d’air ; cette disposition permet de détendre l’air comprimé dans le compresseur d’air et permet en conséquence de récupérer de l’énergie mécanique, ce qui correspond au fonctionnement d’un moteur. Cette disposition constitue un choix préférentiel d’un mode de réalisation, sans que cela ne constitue une quelconque limitation dans l’utilisation d’autres types de moteurs à air comprimé également connus dans l’état de l’art ; ledit moteur à air comprimé (7) utilisera l’air comprimé récupéré à la sortie de l’échangeur thermique air-air (5) décrit ci-avant, auquel il est relié par un conduit (6), de caractéristiques similaires à celles du conduit (2) et du conduit (4). La fonction dudit moteur à air comprimé (7) étant de détendre la pression de l’air comprimé amené par le conduit (6) pour en abaisser la température de façon significative et évacuer vers l’extérieur du climatiseur d’air, l’air détendu ainsi rafraîchi par l’intermédiaire d’un conduit (8) raccordé à la sortie d’air du moteur à air comprimé (7) ; par ailleurs, le travail mécanique fourni par le moteur à air comprimé (7) sera en partie transmis au compresseur d’air (1). A cet effet, il est prévu une liaison mécanique entre l’arbre moteur du moteur à air comprimé (7) et l’arbre d’entraînement du compresseur d’air (1), de type courroie de transmission, chaîne, engrenages, arbre de transmission, ou tout autre liaison mécanique, bien connus dans l’état de l’art et non représentés sur la figure jointe ici. ledit réservoir de liquide (9) dans lequel se trouve l’échangeur thermique air-liquide (3) décrit ci-avant sera destiné à récupérer l’enthalpie - ou chaleur - provenant de l’air comprimé en sortie du compresseur d’air (1). Ledit liquide étant constitué par de l’eau dans l’exemple présent et contenu dans ledit réservoir de liquide (9) verra naturellement sa température s’accroître durant le fonctionnement du climatiseur d’air. Lorsque la température de cette eau deviendra trop élevée, au voisinage de 100°C, il faudra procéder à son remplacement par de l’eau plus fraîche. Afin d’éviter cette opération de remplacement de l’eau, il suffira de raccorder le réservoir de liquide à un circuit d’eau qui se renouvelle en continu ou encore qui dirige l’eau réchauffée vers un ballon d’eau chaude.
Ces solutions ne seront pas décrites ici car elles peuvent être facilement mises en œuvre par l’homme de l’art et présentent en outre l’inconvénient de devoir effectuer des raccordements hydrauliques entre le climatiseur d’air et les canalisations d’eau situées à proximité. une variante du réservoir de liquide (9) (Fig. 2), consiste à concevoir celui-ci pour permettre une augmentation de la pression du liquide qu’il contient et autoriser ainsi l’ébullition dudit liquide. Dans cette configuration, le réservoir de liquide (9) pourra contenir l’eau en ébullition ainsi qu’une partie de cette eau en phase vapeur. Un conduit (10) permettra de diriger l’eau en phase vapeur vers un moteur à vapeur (11) de tout type connu dans l’état de l’art. Pour les besoins de l’exemple d’un mode de réalisation préférentiel, ledit moteur à vapeur (11) sera constitué comme le moteur à air comprimé (7), et sera de type « à palettes ». La vapeur récupérée en aval du moteur à vapeur (11), de température et de pression plus basses qu’en amont du moteur à vapeur (11), sera dirigée au moyen d’un conduit (12) vers un échangeur thermique vapeur- air (13) qui permettra la condensation de ladite vapeur et un retour à l’état liquide. L’air de refroidissement utilisé par l’échangeur thermique vapeur-air (13) sera simplement issu de l’air ambiant dans lequel se trouve ledit climatiseur d’air. Un compresseur de liquide (15) relié à la sortie de l’échangeur thermique vapeur-air (13) par un conduit (14), et relié au réservoir de liquide (9) par un conduit (16), permettra de réintroduire l’eau obtenue par condensation au niveau de l’échangeur thermique vapeur-air (13) vers le réservoir de liquide (9) qui se trouve alors sous pression en raison de l’ébullition de l’eau qui s’y trouve. Ledit compresseur de liquide (15) sera entraîné par un moteur électrique ou par l’un ou plusieurs des autres éléments en rotation dans ledit climatiseur d’air : compresseur d’air (1), moteur à air comprimé (7), moteur à vapeur (11). L’arbre moteur dudit moteur à vapeur (11) sera relié mécaniquement aux arbres moteurs du compresseur d’air (1) et du moteur à air comprimé (7) décrits ci-avant. La liaison mécanique non décrite ici pourra être de toute nature connue dans l’état de l’art, tels une courroie, une chaîne, des engrenages ou simplement un arbre de transmission commun aux trois éléments concernés ci-dessus, qui constitue une solution préférentielle en raison de sa simplicité de mise en oeuvre. Cette disposition permettra de récupérer sous forme de travail mécanique, une partie de l’enthalpie que l’air comprimé aura perdue au niveau de l’échangeur air-liquide (3). une enveloppe (17) (Fig. 3), possédant de bonnes propriétés d’isolation thermique est destinée à constituer une enceinte contenant l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air décrits ci-avant. Cette enveloppe (17) possède une ouverture permettant
l’introduction de l’air qui servira à alimenter le compresseur d’air (1) décrit ci-avant. Le flux d’air pénétrant à l’intérieur de l’enveloppe (17) sera pour partie dirigé vers l’échangeur thermique air-air (5) au moyen d’un conduit (19) et pour partie vers l’échangeur thermique vapeur-air (13) au moyen d’un conduit (18). La finalité de cette disposition consiste à confiner l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air dans un milieu quasi adiabatique, qui présente très peu d’échanges thermiques avec l’extérieur, grâce à la bonne isolation thermique procurée par ladite enveloppe (17). De cette façon, l’air ambiant dans lequel se trouve le climatiseur d’air ne sera pas réchauffé inutilement, et par ailleurs, l’air absorbé par le compresseur d’air (1) qui se situe à l’intérieur de ladite enveloppe (17), sera préchauffé par les échanges thermiques produits par l’échangeur thermique air-air (5) et par l’échangeur thermique vapeur-air (13) ainsi que par les pertes thermiques des autres éléments situés dans l’enveloppe (17), de sorte que l’enthalpie ainsi récupérée par l’air introduit dans le compresseur d’air (1) sera en partie restituée au niveau de l’échangeur thermique air-liquide (3) décrit ci-avant. une variante de l’enveloppe constituant l’enceinte contenant l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air décrits ci-avant sera de prévoir une double enveloppe constituée de la façon suivante (Fig. 4) : une première enveloppe (17) contient l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air comme décrite ci-avant. Cette première enveloppe (17) possède une ouverture permettant l’introduction de l’air qui servira à alimenter le compresseur d’air (1) décrit ci-avant. Une deuxième enveloppe (20) viendra entourer la première enveloppe (17), et sera disposée de sorte qu’un espace de circulation d’air (22) soit ménagé entre ces deux enveloppes, de façon à ce que ladite circulation d’air se fasse au contact de la plus grande partie possible de la première enveloppe (17) ; ladite deuxième enveloppe (20) possédera une ouverture (21) permettant l’introduction de l’air ambiant dans lequel se trouve le climatiseur d’air, de sorte que le flux d’air ambiant qui sera introduit dans le climatiseur d’air, vienne au préalable circuler entre la première enveloppe (17) et la deuxième enveloppe (20) avant de s’introduire dans ladite première enveloppe (17). Cette disposition permet d’utiliser l’air ambiant circulant entre les deux enveloppes décrites ci-avant comme une isolation thermique entre d’une part, les éléments constitutifs du climatiseur d’air qui sont à une température relativement élevée et d’autre part, l’air ambiant de la pièce où se trouve ledit climatiseur d’air dont on cherche à abaisser la température.
Plus généralement, la présente invention propose un climatiseur d’air, comprenant un compresseur d’air (1) destiné à comprimer l’air à rafraîchir, un échangeur thermique air-
liquide (3) destiné à transférer la chaleur de l’air ainsi comprimé vers un liquide placé dans un réservoir (9), un échangeur thermique air-air (5) destiné à abaisser encore la température de l’air à rafraîchir qui, à ce stade, se trouve encore maintenu à l’état d’air comprimé, un moteur à air comprimé (7) permettant d’obtenir une détente de l’air comprimé, ce qui abaisse naturellement sa température et procure de l’air rafraîchi, tout en produisant une énergie mécanique réutilisable pour contribuer à l’entraînement du compresseur d’air (1), caractérisé par le fait que :
- ledit compresseur d’air (1), de conception connue dans l’état de l’art, est entraîné mécaniquement par un moteur électrique ou par tout autre type de moteur connu dans l’état de l’art ;
- ledit échangeur thermique air-liquide (3), de conception connue dans l’état de l’art, est relié à la sortie du compresseur d’air (1) par un conduit (2) capable de résister à la pression fournie par le compresseur d’air (1), ledit échangeur thermique air-liquide (3) et ledit conduit (2) étant dimensionnés de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge
- ledit échangeur thermique air-air (5), de conception connue dans l’état de l’art et destiné à abaisser encore la température de l’air comprimé en sortie de l’échangeur air-liquide (3), est relié au dit échangeur thermique air-liquide (3) par un conduit (4) ayant des caractéristiques similaires au conduit (2), tandis que ledit échangeur thermique air-air (5) est dimensionné de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge ; par ailleurs, l’air utilisé pour le refroidissement dudit échangeur thermique air-air (5) est l’air ambiant dans lequel se situe le climatiseur d’air objet de l’invention ;
- ledit moteur à air comprimé (7), de conception connue dans l’état de l’art et utilisant l’air comprimé récupéré à la sortie de l’échangeur thermique air-air (5), auquel il est relié par un conduit (6) de caractéristiques similaires à celles du conduit (2) et du conduit (4), contribue à l’entraînement du compresseur d’air (1) par une liaison mécanique entre l’arbre moteur dudit moteur à air comprimé (7) et l’arbre d’entraînement du compresseur d’air (1), ladite liaison mécanique étant d’un type connu dans l’état de l’art ;
- ledit réservoir de liquide (9) dans lequel se trouve l’échangeur thermique air-liquide (3) est destiné à récupérer l’enthalpie provenant de l’air comprimé en sortie du compresseur d’air (1)
- une enveloppe (17), possédant de bonnes propriétés d’isolation thermique est destinée à contenir l’ensemble des éléments constitutifs du climatiseur d’air proposé par l’invention, tandis qu’une ouverture dans ladite enveloppe (17) permet l’introduction de l’air servant à alimenter le compresseur d’air (1) ; par ailleurs le flux d’air pénétrant à l’intérieur de l’enveloppe (17) est pour partie dirigé vers l’échangeur thermique air-air (5) au moyen d’un
conduit (19) et pour partie dirigé vers l’échangeur thermique vapeur-air (13) au moyen d’un conduit (18) ;
Suivant une disposition particulière de ce climatiseur, pouvant être prise en combinaison avec celles définies ci-dessus, ledit climatiseur d’air est utilisé en tant que générateur électrique, durant les phases où la température du liquide situé dans le réservoir de liquide (9) est sensiblement supérieure à la température d’ébullition dudit liquide dans les conditions de pression atmosphérique, et que par conséquent, la pression de la vapeur qui en résulte est sensiblement supérieure à la pression atmosphérique.
Claims
REVENDICATIONS
1/ Climatiseur d’air, comprenant un compresseur d’air (1) destiné à comprimer l’air à rafraîchir ; un moteur pour entraîner ledit compresseur d’air (1) ; un réservoir de liquide (9) contenant un échangeur thermique air-liquide (3) au contact du liquide et relié à la sortie du compresseur d’air (1) par un premier conduit (2) ; un échangeur thermique air-air (5) relié au dit échangeur thermique air-liquide (3) par un deuxième conduit (4) ; un moteur à air comprimé (7) relié à la sortie dudit échangeur thermique air-air (5) par un troisième conduit (6) ; et une enveloppe (17) possédant des propriétés d’isolation thermique, destinée à contenir l’ensemble des éléments constitutifs dudit climatiseur d’air, et présentant une ouverture permettant l’introduction de l’air servant à alimenter le compresseur d’air (1) ;
climatiseur d’air dans lequel : - les premier, deuxième et troisième conduits (2, 4, 6) sont capables de résister à la pression fournie par le compresseur d’air (1) et dimensionnés de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge ;
- ledit échangeur thermique air-liquide (3) est destiné à transférer la chaleur de l’air à rafraîchir comprimé par le compresseur d’air (1), vers le liquide placé dans ledit réservoir de liquide (9), et est dimensionné de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge ;
- ledit échangeur thermique air-air (5) est destiné à abaisser encore la température de l’air comprimé en sortie de l’échangeur thermique air-liquide (3), et est dimensionné de sorte à permettre le passage de l’air comprimé avec une faible perte de charge, l’air utilisé pour le refroidissement dudit échangeur thermique air-air (5) étant l’air ambiant dans lequel se situe le climatiseur d’air ; - ledit moteur à air comprimé (7) permet d’obtenir une détente de l’air comprimé récupéré à la sortie de l’échangeur thermique air-air (5), ce qui abaisse naturellement sa température et procure de l’air rafraîchi, tout en produisant une énergie mécanique réutilisable ; et
- l’arbre moteur dudit moteur à air comprimé (7) est relié à l’arbre d’entraînement du compresseur d’air (1) par une liaison mécanique, ceci afin de récupérer de l’énergie mécanique fournie par le moteur à air comprimé (7).
2/ Climatiseur d’air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à vapeur (11), ainsi qu’un conduit (10) reliant ledit moteur à vapeur (11) au dit réservoir de liquide (9), lui-même conçu pour permettre une augmentation de la pression du liquide qu’il contient et autoriser ainsi l’ébullition dudit liquide, tandis que ledit moteur à vapeur (11) permet d’abaisser la température et la pression de la vapeur qui le traverse et tandis que ledit climatiseur d’air comprend un échangeur thermique vapeur-air (13), ainsi qu’un conduit (12) qui relie la sortie dudit moteur à vapeur (11) au dit échangeur thermique vapeur-air (13), lequel permet la condensation de ladite vapeur et son retour à l’état liquide, l’air de refroidissement utilisé par l’échangeur thermique vapeur-air (13) étant issu de l’air ambiant dans lequel se trouve ledit climatiseur d’air, et ledit climatiseur d’air comprend en outre (i) un conduit (18) qui relie ladite ouverture prévue dans l’enveloppe (17) du climatiseur d’air à l’échangeur thermique vapeur-air (13), afin d’abaisser la température de ladite vapeur, et un conduit (19) reliant ladite ouverture prévue dans l’enveloppe (17) à l’échangeur thermique air-air (5) pour préchauffer l’air absorbé par le compresseur d’air (1) qui se situe à l’intérieur de ladite enveloppe (17), tout en abaissant la température de l’air comprimé en sortie de l’échangeur thermique air-liquide (3), (ii) un compresseur de liquide (15) ainsi qu’un conduit (14) qui relie la sortie de l’échangeur thermique vapeur-air (13) au dit compresseur de liquide (15) et un conduit (16) qui relie ledit compresseur de liquide (15) au dit réservoir de liquide (9), ledit compresseur de liquide (15) permettant de réintroduire le liquide obtenu par condensation de la vapeur intervenue dans l’échangeur thermique vapeur-air (13) vers le réservoir de liquide (9) qui se trouve alors sous pression en raison de l’ébullition du liquide qui s’y trouve, et (iii) un moteur électrique pour entraîner ledit compresseur de liquide (15), ou bien ledit compresseur de liquide (15) est relié mécaniquement à l’un ou plusieurs des autres éléments entraînés en rotation dans ledit climatiseur d’ air : compresseur d’ air ( 1 ), moteur à air comprimé (7) ou moteur à vapeur (11), tandis que l’arbre moteur dudit moteur à vapeur (11) est relié mécaniquement aux arbres du compresseur d’air (1) et du moteur à air comprimé (7).
3/ Climatiseur d’air selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend une deuxième enveloppe (20) qui entoure la première enveloppe (17) contenant l’ensemble des éléments constitutifs dudit climatiseur d’air, de manière à ce qu’un espace de circulation d’air (22) soit ménagé entre lesdites enveloppes (17, 20), de façon à ce que ladite circulation d’air se fasse au contact de la plus grande partie possible de la première enveloppe (17) ; ladite deuxième enveloppe (20) possède une ouverture (21) permettant l’introduction de l’air ambiant dans lequel se trouve le climatiseur d’air, de sorte que le flux d’air ambiant qui est
introduit dans le climatiseur d’air vienne au préalable circuler entre la première enveloppe (17) et la deuxième enveloppe (20) avant de s’introduire dans ladite première enveloppe (17).
4/ Climatiseur d’air selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit climatiseur d’air est adapté à entraîner une génératrice d’électricité destinée à récupérer par une liaison mécanique, l’énergie mécanique restituée par le moteur à vapeur (11) et le moteur à air comprimé (7) dudit climatiseur d’air, durant les phases de fonctionnement du climatiseur d’air où la somme des énergies mécaniques combinées fournies par le moteur à vapeur (11) et le moteur à air comprimé (7) devient supérieure à l’énergie mécanique nécessaire à entraîner le compresseur d’air (1) ; ledit climati eur d’air étant alors apte à alimenter d’autres appareils électriques, ou restituer au réseau d’alimentation électrique l’énergie électrique ainsi obtenue.
5/ Climatiseur d’air selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit compresseur d’air (1) est de type à palettes.
6/ Climatiseur d’air selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit moteur à air comprimé (7) est de type à palettes.
7/ Climatiseur d’air selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit moteur à vapeur (11) est de type à palettes.
8/ Climatiseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moteur pour entraîner le compresseur d’air (1) est un moteur électrique.
9/ Climatiseur selon les revendications 4 et 8, caractérisé en ce que la génératrice d’électricité est le moteur électrique pour entraîner le compresseur d’air (1).
10/ Ensemble comprenant une génératrice d’électricité et un climatiseur selon la revendication 4 et adapté à entraîner la génératrice d’électricité.
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