Brevet FR2340525A1 — publié le 19770902

La présente invention se rapporte à un récupérateur de chaleur à circuit fermé de fluide, comportant un récepteur dlé- nergie thermique plongé dans un milieu à température T1 et un échangeur de chaleur plongé dans un milieu à température T2 plus basse que T1. En général dans les applications les plus courantes des récupérateurs de chaleur, le fluide qui circule dans le circuit fermé est un liquide. Le rendement de ces appareils n'est pas très élevé. La présente invention a pour objet un récupérateur de chaleur dont les performances sont excellentes et qui est utilisable dans des réalisations industrielles dans lesquelles de grandes puissances calorifiques doivent astre mises en Jeu avec un rendement élevé. Suivant l'invention, un récupérateur de chaleur à circuit fermé de fluide comportant un récepteur d'énergie thermique plongé dans un milieu à température T1 et un échangeur de chaleur plongé dans un milieu à température T2 plus basse que T1, est caractérisé en ce que le récepteur d'énergie thermique est un évaporateur dont l'extrémité supérieure est disposée à un niveau NI tandis que l'échangeur de chaleur est un condenseur dont l'extrémité inférieure est disposée à un niveau N2 plus élevé que N1, et en ce que ledit fluide est entièrement dégazé et comporte une phase liquide et une phase vapeur dont l'interface se trouve, lorsque l'évaporateur et le condenseur sont l'un et l'autre soumis à une température moyenne T1 + T2 , à un troisième niveau N3 compris entre les niveaux N1 et N2. Gracie à cette disposition, lorsque le récupérateur est en fonctionnement, c'est-à-dire avec l'évaporateur soumis à la température Tl et le condenseur soumis à la température T2, l'évaporateur est pratiquement rempli de phase liquide tandis que le condenseur est pratiquement rempli de phase vapeur, ce qui permet un excellent rendement. De préférence dans les conditinns de fonctionnement où l'évaporateur est soumis à la température T1 et le condenseur soumis à la température T2 > un espace de vapeur est ménagé en partie haute de l'évaporateur au dessus de la phase liquide et permet d'éviter l'entratnement de gouttelettes liquides avec la phase vapeur vers le condenseur. Avantageusement, dans ces mimes conditions de fonctionne ment où l'évaporateur est soumis à la température T1 et le condenseur est soumis à la température T2, une petite hauteur de phase liquide est ménagée dans le fond du condenseur et permet d'éviter l'entratnement de la phase vapeur vers l'évaporateur. Sans doute, il est connu d'utiliser le changement de phase d'un fluide pour véhiculer de la chaleur mais les dispositions proposées jusqu'à présent ne sont pas applicables dans de bonnes conditions sur un plan industriel pour récupérer de la chaleur lorsque de grandes puissances calorifiques sont mises en jeu. Par exemple, dans les chaudières à vapeur, le fluide contient de l'air et n'est donc pas entièrement dégazé et de plus l'interface entre les phases liquide et vapeur ne répond généralement pas à la condition d'8tre située à un niveau intermédiaire lorsque l'ensemble est soumis à une température moyenne. Dans une autre application, à savoir les caloducs qui sont recréation plus récente, le transfert de chaleur s'effectue bien par vaporisation du fluide au point chaud et condensation au point froid, mais le retour du fluide du point froid vers le point chaud s'effectue par capillarité et il n'y a pas de différences de niveaux entre les deux sources ni condition d'une interface intermédiaire à température moyenne des sources En fait les caloducs proposés jusqu'à présent ne sont pas directement utilisables dans de bonnes conditions dans les applications industrielles de récupération de chaleur lorsque de grandes puissances calorifiquessont mises en jeu. Des formes d'exécution de l'invention sont ci-après décrites à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'un récupérateur de chaleur suivant l'invention pour transférer de la chaleur d'un air chaud vicié vers de l'air froid neuf la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais dans laquelle plusieurs évaporateurs et plusieurs condenseurs sont prévus en batterie la figure 3 concerne une autre variante pour la production d'eau chaude au moyen d'énergie solaire. On se référera d'abord à la figure 1 où la flèche F1 illustre une circulation d'air chaud vicié à la température T1, tandis que la flèche F2 illustre une circulation d'air froid neuf à la température T2. Un récupérateur de chaleur suivant l'invention capte des calories dans l'écoulement Fl d'air vicié chaud pour les transmettre à l'écoulement F2 d'air froid neuf pour réchauffer cet air et le rendre utilisable, notamment en hiver, dans des locaux tels qu'ateliers ou autres. Ce récupérateur comporte un circuit fermé 1,2, 3, 4 de fluide, comportant un récepteur d'énergie thermique 2 plongé dans l'écoulement F1 d'air chaud vicié à la température T1 et un échangeur de chaleur 4 plongé dans l'écoulement F2 d'air froid neuf à la température T2 plus basse que TI. Entre l'échangeur 4 et le récepteur 2, le circuit comporte un conduit inférieur 1 tandis qu'entre le récepteur 2 et l'échan- geur 4 le circuit comporte un conduit supérieur 3. Suivant l'invention le récepteur d'énergie thermique consiste en un évaporateur 2 dont l'extrémité supérieure est située à un niveau NI tandis que l'échangeur de chaleur est un condenseur 4 dont l'extrémité inférieure est située à un niveau N2 plus élevé que le niveau N1. Le fluide du circuit 1, 2, 3, 4 est entièrement dégazé et comporte une phase liquide et une phase vapeur dont l'interface se trouve, lorsque les appareils 2 et 4 sont soumis à la température moyenne T1 + T2 à un niveau N3 qui est compris entre Nl et N2. - 2 Pendant le fonctionnement, l'évaporateur 2 est soumis à la température TI et le condenseur 4 est soumis à la température T2. Le liquide s'évapore en 2 et circule dans le conduit 3 de 2 à 4 et la vapeur se condense en 4 et circule dans le conduit 1 de 4 à 2. L'interface entre la phase liquide et la phase vapeur quitte le niveau N3 pour s'abaisser dans l'évaporateur 2 au niveau N3A situé en dessous du niveau Nl pour ménager une cloche de vapeut de petite hauteur 5 en partie haute de l'évaporateur, lequel demeure ainsi rempli, dans sa plus grande partie, par la phase liquide et l'interface quitte également le niveau N3 pour remonter dans le condenseur jusqu a un niveau N3B qui est situé au dessus du niveau N2 pour ménager une petite couche de liquide 6 dans le fond du condenseur 4, lequel demeure ainsi rempli dans sa majeure partie de phase vapeur. La différence des niveaux entre N3B et N3A correspond à la somme des pertes de charge du liquide circulant dans le conduit 1 et de la vapeur circulant dans le conduit 3. On appréciera que le récupérateur est extrtmempnt efficace avec un excellent rendement dans son application industrielle pour un réchauffage d'air frais en utilisant la température d'uz air chaud vicié avec un transfert important de calories, comme ce peut titre le cas par exemple dans des locaux de grande dinensioa tels qu'ateliars. Pour éviter le risque de gel, le fluide contenu dans le circuit fermé, L, 2, 3, 4 est, par exemple, du fréon. Pour fixer les idées, on donne ci-aprs un exemple d'utilisation du racupérateur qui vient autre décrit en référence à la figura I. Avec de l'air vicié chaud à une température T1 de 200C et un débit horaire de 20.000 kg tandis que l'air froid neuf est à une température T2 de -L5 C avec un débit horaire de 20.000 kg, si l'on utilise un évaporateur d'une surface d'échange de 480 m2 et Un condenseur d'une surface d'échange de 480 m2 avec du fréon comme fluide, on constate, en fonctionnement établi, que le débit horaire de 20 000 kg d'air froid à -150C est réchauffé à une tam- pérature de +50C. En variante (figure 2) on prévoit plusieurs récupérateurs en batterie dont les évaporateurs sont désignés respectivement par 21, 22 et 23 et les condenseurs par 41, 42 et 43. Les évaporateurs sont placés dans l'ordre 23, 22, 21 dans le courant d'air chaud vicié Fl tandis que les condenseurs correspondant 41, 42, 43 sont placés dans l'ordre 41, 42, 43 dans le courant d'air froid neuf F2 de façon à organiser un échange méthodique. Le circuit de tette 11, 21, 31, 41 est soumis au risque de gel et est avantageusement garni de fréon ou de fluide incongelable tandis que les autres circuits 12, 22, 32, 42 et 13, 23,3$i3 peuvent être remplis d'eau. Pour améliorer la circulation du fluide caloporteur,les incondensables, et en particulier l'air, sont évacués au moment du remplissage. Les avantages du procédé sont les suivants - Convection vive donc efficace dans l'évaporateur et le condenseur du fait du changement d'état physique. - Aucune dépense d'énergie une fois le dispositif installé. - Aucune usure et aucune maintenance puisqu'aucune pièce n'est en mouvement. - Prix de revient faible, même les soupapes de saleté sont inutiles, si la température de la source chaude est limitée. - Les sources chaude et froide peuvent tre assez éloignées et il n'est pas nécessaire d'amener, dans les cas de récupération de calories sur l'air vicié, l'air chaud et l'air froid dans le meme local, comme c'est le cas pour les récupérateurs à roues ou plaques actuellement commercialisés. On se référera maintenant à la figure 3 où le récupérateur de chaleur utilise l'énergie solaire pour produire de l'eau chaude. On reconnatt en 51, 52, 53, 54 le circuit fermé avec l'évaporateur 52 sous forme d'une plaque soumise à l'énergie solaire et le condenseur 54 sous forme d'un serpentin placé dans un ballon d'eau chaude 55. Le fluide est avantageusement du fréon. Le fonctionnement est analogue à celui qui a été précédemment décrit. Les avantages de cette application sont les suivants; - Transfert très actif de chaleur lorsque le soleil réchauffe le fréon liquide, beaucoup plus actif qu'en thermosiphon, ce qui permet un excellent rendement. - Pas de risque de gel. - Pendant la nuit, quand la température extérieure est basse aucune perte de chaleur. REVEND ICAT IONS 1) Récupérateur de chaleur à circuit fermé de fluide, comportant un récepteur d'énergie thermique plongé dans un milieu à température T1 et un échangeur de chaleur plongé dans un milieu à température T2 plus basse que T1, caractérisé en ce que le récepteur d'énergie thermique est un évaporateur dont l'extrémité supérieure est disposée à un niveau N1 tandis que l'échangeur de chaleur est un condenseur dont l'extrémité inférieure est disposée à un niveau N2 plus élevé que N1 et en ce que ledit fluide est entièrement dégazé et comporte une phase liquide et une phase vapeut dont l'interface se trouve lorsque l'évaporateur et le condenseur sont l'un et l'autre soumis à une température moyenne T1 + T2, à un troisième niveau N3 qui est compris entre les ni 2 veaux N1 et N2. 2) Récupérateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, en fonctionnement, l'évaporateur étant soumis à la température T1 et le condenseur étant soumis à la température T2, l'évaporateur est pratiquement rempli de phase liquide tandis que le condenseur est pratiquement rempli de phase vapeur. 3) Récupérateur de chaleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, en fonctionnement l'évaporateur étant soumis à la température T1 et le condenseur étant soumis à la température T2, un petit espace de vapeur est ménagé en partie haute de l'évaporateur au dessus de la phase liquide. 4) Récupérateur de chaleur suivant une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que, en fonctionnement, l'évaporateur étant soumis à la température T1 et le condenseur étant soumis à la température T2, une petite hauteur de phase liquide est ménagée dans le fond du condenseur en dessous de la phase vapeur. 5) Récupérateur de chaleur suivant une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs circuits sont prévus en batterie. 6) Récupérateur de chaleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ces batteries sont disposées de manière à organiser un échange méthodique. 7) Récupérateur de chaleur suivant une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'évaporateur est soumis à de l'air chaud vicié tandis que le condenseur est soumis à l'air frais neuf. 8) Récupérateur de chaleur suivant une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'évaporateur est soumis à l'énergie solaire tandis que le condenseur est plongé dans un ballon de production d'eau chaude.