WO2024105152A1 - Procede de refroidissement et de deshumidification d'un melange gazeux de vapeur d'eau et d'au moins un gaz- installation associee - Google Patents

Procede de refroidissement et de deshumidification d'un melange gazeux de vapeur d'eau et d'au moins un gaz- installation associee Download PDF

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WO2024105152A1
WO2024105152A1 PCT/EP2023/082031 EP2023082031W WO2024105152A1 WO 2024105152 A1 WO2024105152 A1 WO 2024105152A1 EP 2023082031 W EP2023082031 W EP 2023082031W WO 2024105152 A1 WO2024105152 A1 WO 2024105152A1
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conduit
gas mixture
wheel
air
equal
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Dominique Bense
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Eos Innovare
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    • F24F3/12—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
    • F24F3/14—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification
    • F24F3/1411—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification by absorbing or adsorbing water, e.g. using an hygroscopic desiccant
    • F24F3/1423—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification by absorbing or adsorbing water, e.g. using an hygroscopic desiccant with a moving bed of solid desiccants, e.g. a rotary wheel supporting solid desiccants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24F5/0042—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 characterised by the application of thermo-electric units or the Peltier effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4508—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for cleaning air in buildings

Definitions

  • the present invention relates to a process for cooling and dehumidifying a gaseous mixture of water vapor and at least one gas, in particular a mixture of air and water vapor.
  • the present invention also relates to an installation allowing the implementation of the method of the invention.
  • the method and installation of the invention can be used to air condition a building or a room in a building as well as for the renewal of the air in the latter.
  • Air conditioning devices operating according to a Cramer cycle are well known.
  • Such a device includes a desiccant wheel and a heat exchanger which allows the air to be cooled; this heat exchanger is also called a wet cold battery because it condenses part of the water vapor from the treated air.
  • the desiccant wheel is a wheel free to rotate around its axis and permeable to air. It includes a desiccant agent capable of adsorbing or absorbing humidity contained in the air. This desiccant agent can be, for example, a silica gel.
  • the air to be treated enters a conduit and reaches the first face of one half of the desiccant wheel.
  • the air dries out the drying agent in the wheel and therefore takes on moisture. At the same time, it cools down. The humid and cooled air then comes into contact with the damp cold coil which cools it below its dew point. The air then dries and is brought into contact with the second face of the second half of the desiccant wheel. This second half is dry. As it passes through this second half of the desiccant wheel, the air dries out further due to the absorption or adsorption of the moisture it contains by the desiccant. The adsorption or absorption reaction, when exothermic, also heats the air. The second half of the wheel becomes charged with moisture when air passes through it.
  • the Cramer cycle makes it possible to use a less powerful wet cold coil than if it were used alone to cool the air to be treated.
  • An aim of the present invention is therefore to propose a process for cooling and dehumidifying a gaseous mixture containing water vapor and more particularly a mixture of air and water vapor which makes it possible to obtain improved energy efficiency while further limiting the use of greenhouse gases than with treatment with a Cramer cycle.
  • Another aim of the present invention is to provide an installation for the heat treatment of a gas mixture containing water vapor which generates less greenhouse gas than an installation operating according to the classic Cramer cycle. , for the same given final temperature of the treated air.
  • the present invention thus proposes a process for cooling and dehumidifying a gaseous mixture of water vapor and at least one gas, in particular a mixture of water vapor and air, entering in an enclosure, according to which said gas mixture is subjected to a Cramer cycle.
  • said gas mixture is cooled following said Cramer cycle using terminal cooling using the Peltier effect.
  • Terminal cooling has the effect of further increasing the efficiency of the desiccant wheel, making it possible to further reduce the power of the wet cold coil and thereby the greenhouse gas emissions due to the refrigeration unit.
  • the wet cold battery contains water as heat transfer fluid.
  • Water is not a greenhouse gas and allows, within the framework of the process of the invention, to reach the desired temperatures. Even if the water is cooled by a refrigeration unit, reducing the power of the wet cold coil reduces the use of greenhouse gases.
  • said gas mixture is also cooled before said Cramer cycle, by thermal absorption, in particular by means of a sensitive wheel.
  • This prior cooling further makes it possible to reduce the power of the wet cold battery and thereby greenhouse gas emissions.
  • the sensitive wheel implements thermodynamic principles and requires an input of energy only to make it rotate around its axis when it has heated up too much in contact with the incoming air to be treated. This supply of electrical energy is limited in comparison with that necessary for the operation of a refrigeration unit.
  • said gas mixture to be cooled and dehumidified is cooled, before the Cramer cycle, by contact with half of a sensitive wheel and the other half of said sensitive wheel is simultaneously heated with a gas mixture. coming from said enclosure.
  • the heat produced by the Peltier effect is recovered, in particular to heat another gas mixture, in particular a gas mixture coming from said enclosure.
  • said gas mixture coming from said enclosure and heated by the heat produced by the Peltier effect and/or by heat absorption (when the installation includes a sensitive wheel) is reinjected into said enclosure.
  • the process of the invention then makes it possible to air-conditioning said enclosure, that is to say heating or cooling the interior of said enclosure and modulating the temperature and humidity of the gas mixture in said enclosure by modulating the flows of cooled and heated air possibly entering simultaneously into the latter.
  • the present invention also relates to an installation allowing the implementation of the method according to the invention of the type comprising:
  • said first conduit comprising an inlet and an outlet which opens into said enclosure, said first heat exchanger being capable of cooling and dehumidifying said gas mixture upon contact, said first conduit connecting plus the outlet of said first heat exchanger to the second half of said desiccant wheel.
  • the installation further comprises a Peltier effect module capable of cooling said gas mixture upstream of the outlet of said first conduit and downstream of the second half of said desiccant wheel.
  • the installation further comprises a sensitive wheel mounted in said first conduit upstream of said desiccant wheel.
  • This sensitive wheel can advantageously be regenerated (cooled) by the air leaving the enclosure as explained in more detail later in the application.
  • the sensitive wheel is mounted transversely to the length of said first conduit and to that of said second conduit; the first half of said sensitive wheel is located in said first conduit and the second half of said sensitive wheel is located in said second conduit.
  • One half of the sensitive wheel thus heats up in the first conduit by cooling the air to be treated. By rotating the wheel, this hot half can be cooled by the air leaving the enclosure. It is thus possible to use the sensitive wheel at infinity simply by rotating it on its axis.
  • the installation of the invention also comprises a second heat exchanger, mounted in said second conduit downstream of said sensitive wheel when said installation comprises such a sensitive wheel and thermally connected to the hot part of said Peltier effect module.
  • This second heat exchanger makes it possible to easily evacuate the heat generated by the hot part of the Peltier effect module and transport it to a different location to use it, for example, to heat a gas mixture.
  • the second heat exchanger also uses a heat transfer fluid other than a greenhouse gas.
  • said second conduit comprises a branch which on the one hand opens into said part and on the other hand opens downstream of said sensitive wheel or downstream of said second heat exchanger.
  • the other branch leads outwards.
  • the two branches of the second conduit are equipped with shutter means making it possible to regulate the flow of heated gas mixture leaving to the outside or reinjected into said enclosure.
  • the first conduit is equipped with shutter means, preferably arranged downstream of the Peltier effect module, making it possible to regulate the flow rate of cooled and dehumidified gas mixture entering said enclosure .
  • the installation of the invention can thus allow the heating of the air coming from the room without implementing the method of the invention.
  • This heating of the gas mixture contained in the enclosure can be implemented independently of the implementation of the method of the invention, for example by blocking the outlet of the first conduit.
  • the installation of the invention thus makes it possible to air-condition said enclosure, to cool it or to heat it by regulating the flow rates of the cooled or heated gaseous households entering it.
  • the process of the invention makes it possible, for example, to cool an air flow rate equal to 2,000m 3 /h.
  • the temperature (dry bulb) of the gas mixture (in particular air/water vapor) to be cooled and dehumidified is equal to or greater than 25°C and equal to or less than 40°C and its relative humidity (in particular air/water vapor) is greater than or equal to 30% and less than or equal to 60%.
  • the temperature (dry bulb) of the gas mixture in the enclosure can, whatever the mode of implementation of the process of the invention, for example, be equal to or greater than 22°C and less than or equal to 28°C with a relative humidity greater than or equal to 30% and less than or equal to 65%.
  • the temperature (dry bulb) of the cooled and dehumidified gas mixture entering the enclosure, after treatment according to the process of the invention is, for example, greater than or equal to 10°C and less than or equal to 20°C. C with relative humidity greater than or equal to 50% and less than or equal to 90%.
  • the gas mixture can present, downstream of the desiccant wheel and therefore after dehumidification, a relative humidity equal to or greater than 50% and equal to or less than 80%.
  • the dry bulb temperature of the air-water mixture to be cooled is 32°C and its humidity is 40%.
  • the dry bulb temperature of the cooled and dehumidified air-water mixture is 13.5°C and its relative humidity is 90%.
  • a “sensitive wheel” is a gas/gas heat exchanger which comprises a rotating wheel which, due to its constituent materials, is capable of absorbing sensible heat and possibly latent heat (in this case the wheel becomes a total heat wheel).
  • a “desiccant wheel” is a rotating wheel which has two opposite faces depending on its thickness, which is permeable to the gas mixture to be treated and which comprises a drying agent capable of adsorbing or absorbing the vapor of water contained in the gas mixture according to a possibly non-adiabatic reversible chemical reaction.
  • a “Peltier effect module” is a device which generates cold at its cold part and simultaneously heat at its hot part under the effect of an electric current crossing it.
  • An enclosure within the meaning of the present invention designates a volume that can be enclosed, such as a room or a building, for example.
  • closure means or “closing device” designate a valve, a valve or any other element making it possible to partially or completely close the internal section of a conduit.
  • FIG. 1 represents a particular embodiment of the invention, presented by way of illustrative and non-limiting example.
  • FIG. 2 schematically represents the psychrometric diagram of the air-water vapor gas mixture at atmospheric pressure and subjected to the process of the invention.
  • This example is an air handling unit which allows the air located in a room referenced P to be renewed with air from outside the room P.
  • the air handling unit comprises a first conduit 1 which forms an elbow and a second conduit 2.
  • the two conduits are separated by the partition 11 which forms an L.
  • the installation comprises an inlet mouth of outside air 13, a filter 15 placed just downstream of the inlet mouth 13, a sensitive wheel 5, a desiccant wheel 7 and a wet cold coil 4.
  • the installation also includes two fans 81 and 82 which respectively allow to circulate the air in the first conduit 1 and in the second conduit 2.
  • the cold part or face 91 of a Peltier effect module is mounted in the first conduit 1, upstream of its outlet 17, which opens into the room P, and downstream of the desiccant wheel 7.
  • a valve (not shown) can equip the outlet 17 so as to prevent the exit of the gas mixture into the room P.
  • the second conduit 2 has an inlet 21 which opens into room A and an outlet 22 which opens outwards.
  • a second heat exchanger 6 is mounted in the conduit 2, downstream of the sensitive wheel 5 and upstream of the outlet 22.
  • This second heat exchanger 6 comprises a heat transfer fluid circuit (not shown for the sake of simplification), thermally connected to the hot face of the Peltier effect module (only the cold part 91 of this module is shown in Fig. 1).
  • the second heat exchanger 6 can therefore heat the air leaving on contact with it. The heat can be recovered for other uses, in particular to heat the air leaving room P.
  • the sensitive wheel 5 is mounted astride the first conduit 1 and the second conduit 2. Its axis of rotation is arranged parallel to the portion of the partition 11 delimiting the two conduits 1 and 2. The sensitive wheel 5 can rotate to present a hot half-face or cold half-face in each of conduits 1 and 2, as explained later.
  • the desiccant wheel 7 is mounted astride the two portions of the first conduit 1 which forms an elbow. Its first half is arranged downstream of the sensitive wheel 5 and its second half is arranged downstream of the wet cold coil 4.
  • the terms downstream and upstream refer to the direction of air circulation in conduits 1 and 2; this direction is symbolized by the arrows in Fig. 1.
  • Fig. 2 schematically represents the psychrometric diagram of the air/water vapor mixture at atmospheric pressure.
  • This diagram also known as the “humid air diagram”
  • the saturation curve represents the set of temperature and absolute humidity conditions from which water vapor condenses on a cold surface. Curves parallel to the saturation curve indicate relative humidity (only one of these curves is shown in Fig. 2).
  • the air passing through the desiccant wheel 7 is therefore charged with humidity on contact with the desiccant agent of the latter.
  • the desiccant in the first half of the desiccant wheel 7 therefore dries gradually.
  • the air passes from the point conditions B to those of point C.
  • the air cools and becomes charged with water.
  • the air continues to be sucked in by the fan 81. It then passes to the wet cold coil 4 which cools it further, below its dew point temperature.
  • the air passes from the conditions of point C to those of point D.
  • the cooled air comes into contact with the second face 72 of the second half of the desiccant wheel 7.
  • the air treatment cycle comprises a desiccant agent capable of adsorbing or absorbing water, the air dries and reaches the conditions of points E.
  • the air then passes into the portion of conduit 1 which opens at outlet 13
  • the air cools; it then passes into the conditions corresponding to point F in Fig. 2.
  • the BCDE points form a Cromer cycle.
  • the portions AB and EF represent the coolings respectively before the Cramer cycle and after the Cramer cycle.
  • the ante Cramer cycle cooling is implemented here by the sensitive wheel 5 while the post Cramer cycle cooling is implemented by the Peltier effect module. It is this latter cooling which makes it possible to increase the performance of the Cramer cycle by increasing the efficiency of the desiccant wheel.
  • Terminal cooling using the Peltier effect also makes it possible to reduce the power of the wet cold battery supplied by refrigeration production using greenhouse gases.
  • the air treatment cycle generates energy efficiency allowing a significant limitation of the use of greenhouse gases of around 30 to 40%.
  • the air from part P is sucked into the second conduit at the inlet 21 thanks to the fan 82.
  • the air from part P comes into contact with the second face 52 of the second half of the sensitive wheel 5. This being hot, it heats up and at the same time cools the second half of the sensitive wheel 5. This can then be turned towards the first conduit 1 to take the place of the first half.
  • the air comes into contact with the second heat exchanger 6.
  • This second heat exchanger 6 is thermally connected to the hot face of the Peltier effect module and its heat transfer fluid is therefore hotter than air.
  • the air heats up again exits to the outside through the outlet 22 of the second conduit 2. This fatal energy is intended to be recovered.
  • Table 1 summarizes an example of the conditions of temperature, absolute humidity, relative humidity and enthalpy of an example of a process of the invention.
  • the letters indicated refer to Fig. 2.
  • Pressure is always equal to atmospheric pressure.
  • the second conduit 2 comprises a branch which opens into the part P.
  • the second conduit 2 therefore comprises a bifurcation located downstream of the sensitive wheel 5 and downstream of the second heat exchanger 6
  • This branch is equipped with a valve or other closing device, mounted downstream of the second heat exchanger 6.
  • the other branch of the second conduit 2 which opens to the outside can also be provided with a closing device.
  • THE first conduit 1 is also equipped with shutter means located upstream of its outlet 17.
  • This variant makes it possible to reinject all or part of the air flow coming from the room P into the room P after this flow has been heated by the sensitive wheel 5 and by the second heat exchanger 6.
  • This variant makes it possible to air condition the room P by injecting cooled and dehumidified air or by injecting only heated air or possibly by simultaneously injecting cooled and dehumidified air and heated air. It is thus possible to inject only heated air coming from room P, when the outlet 17 of the first conduit is closed.

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Abstract

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 d'un mélange de vapeur d'eau et d'air, entrant dans une enceinte (P) selon lequel on fait subir audit mélange gazeux un cycle de Cromer. De manière caractéristique, selon l'invention, on refroidit ledit mélange gazeux à la suite dudit cycle de Cromer, lors d'un refroidissement terminal utilisant l'effet Peltier.

Description

DESCRIPTION
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 000m3/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]
Figure imgf000012_0001
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.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de refroidissement et de déshumidification d'un mélange gazeux de vapeur d'eau et d'au moins un gaz, notamment d'un mélange de vapeur d'eau et d'air, entrant dans une enceinte (P) selon lequel on fait subir audit mélange gazeux un cycle de Cramer, caractérisé en ce que l'on refroidit ledit mélange gazeux à la suite dudit cycle de Cramer, lors d'un refroidissement terminal utilisant l'effet Peltier. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on refroidit également ledit mélange gazeux avant ledit cycle de Cramer, notamment par absorption de chaleur. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on récupère la chaleur produite par effet Peltier, notamment pour réchauffer un autre mélange gazeux, en particulier un mélange gazeux provenant de ladite enceinte (P) et en ce que l'on réinjecte ledit mélange gazeux réchauffé dans ladite enceinte (P). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux à refroidir et déshumidifier présente une température bulbe sec supérieure ou égale à 25°C et inférieure ou égale à 40°C et une humidité relative supérieure ou égale à 30% et inférieure ou égale à 60%. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux refroidi et déshumidifié présente une température bulbe sec supérieure ou égale à 10°C et inférieure ou égale à 20°C et une humidité relative supérieure ou égale à 50% et inférieure ou égale à 90%. Installation permettant la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, du type comprenant : un premier conduit (1) dans lequel sont montés une roue dessiccante (7) et, en aval de ladite roue dessiccante (7), un premier échangeur thermique (4); et des moyens de circulation dudit mélange gazeux gaz dans ledit premier conduit (81), ledit premier conduit (1) comportant une entrée (13) et une sortie (17) laquelle débouche dans ladite enceinte (P), ledit premier échangeur thermique (4) étant apte à refroidir et déshumidifier ledit mélange gazeux à son contact, ledit premier conduit (1) reliant de plus la sortie dudit premier échangeur thermique (4) à la deuxième moitié de ladite roue dessiccante (7), caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un module à effet Peltier (91) apte à refroidir ledit mélange gazeux en amont de la sortie (17) dudit premier conduit (1) et en aval de la deuxième moitié (72) de ladite roue dessiccante (7). Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, une roue sensible (5) montée dans ledit premier conduit (1), en amont de ladite roue dessiccante (7). Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite roue sensible (5), est montée transversalement à la longueur dudit premier conduit (1) et à celle dudit deuxième conduit (2) et en ce que la première moitié de ladite roue sensible (5) est située dans ledit premier conduit (1) et la deuxième moitié de ladite roue sensible (5) est située dans ledit deuxième conduit (2). Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un deuxième échangeur thermique (6), monté dans ledit deuxième conduit (2), en aval de ladite roue sensible (5), lorsque ladite installation comporte une telle roue sensible (5) et thermiquement connecté à la partie chaude dudit module à effet Peltier (91). Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit deuxième conduit (2) comporte une branche qui d'une part débouche dans ladite enceinte(P) et d'autre part débouche en aval de ladite roue sensible (5) ou en aval dudit deuxième échangeur thermique (6).
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