Brevet FR2371638A1 — publié le 19780616

La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés aux installations permettant de produire de la chaleur et comportant une pompe à chaleur. Les pompes à chaleur sont largement utilisées dans l'industrie ou elles servent notamment dans les machines frigorifiques. Ces pompes à chaleur qui fonctionnent entre une source froide et une source chaude comportent essentiellement un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Au niveau de l'évaporateur, on extrait de la chaleur par évaporation d'un fluide qui véhicule la chaleur et que l'on comprime dans un compresseur avant de l'envoyer d'abord dans un condenseur ot il communique la chaleur à la source chaude puis dans un détendeur ou il reprend sa température et sa pression initiales avant d'être recyclé. On obtient ainsi de la chaleur au prix d'une faible dépense d'énergie qui correspond au travail du compresseur et on démontre que le rendement calorifique est d'autant plus grand que l'écart des températures entre les deux sources de chaleur est moindre. On a maintenant découvert qu'il est possible d'utiliser les pompes à chaleur non seulement à partir d'une source froide à des températures relativement basses comprises généralement entre 0 et 300C mais encore à des températures relativement élevées de l'ordre de 60 à 900C et d'obtenir là encore des rendements énergétiques très élevés, ce qui offre de nouvelles possibilités d'application. L'invention a pour objet une installation de production de chaleur comportant la mise en oeuvre d'une pompe à chaleur caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement : - une chaudière basse pression produisant de la vapeur à une température comprise entre 50 et 100 ; - une chaudière haute pression produisant de la vapeur humide à au moins environ 1200C - une pompe à chaleur qui aspire la vapeur produite par la chaudière basse pression et transfère cette vapeur à la chaudière haute pression ; - une unité d'utilisation de la vapeur En outre, à la sortie de la chaudière haute pression, on peut brancher un surchauffeur pour obtenir une vapeur sèche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit d'une installation particulière conforme à l'invention et qui est donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente le schéma d'une pompe à chaleur de type courant - la figure 2 représente le schéma général d'une installation conforme à l'invention - la figure 3 représente le schéma détaillé d'une installation conforme à l'invention appliquée au cas particulier du moulage d'articles en polystyrène expansé. Sur la figure 1, on a représenté le schéma d'une pompe à chaleur 1 de type courant fonctionnant entre une source chaude et une source froide. Cette pompe comprend un évaporateur 2 qui provoque l'évaporation d'un fluide tel que du fréon servant de véhicule de chaleur en empruntant cette chaleur à la source froide qui est constituée par exemple par une circulation d'eau ayant en amont une température de 120C et en aval une température de 70C. Le fluide véhicule de chaleur est dirigé vers un compresseur 3 ou le travail de compression porte sa température à environ 500C avant d'être dirigé dans un condenseur 4 ou il élève la température d'un fluide dont la température varie par exemple entre 300C et 400C. On abaisse la température et la pression du fluide véhicule par passage dans un détendeur 5.Ce fluide retourne ensuite à l'évaporateur pour recommencer le cycle de transfert de chaleur. Dans l'exemple de réalisation de l'installation conforme à l'invention représenté schématiquement sur la figure 2, la pompe à chaleur 1 a sa source froide constituée par le circuit de sortie 6 d'une chaudière basse pression 7 qui produit de la vapeur à environ 700C à une pression d'environ 0,3 bar absolu et sa source chaude constituée par le circuit 8 d'une chaudière haute pression qui est reliée à un surchauffeur 9 Au niveau du compresseur 3, la température de la vapeur chaude se trouve portée à environ 1200C à une pression d'environ 2,03 bars. La vapeur humide obtenue au niveau du condenseur 4 est alors dirigée vers un surchauffeur 9 qui fournit de la vapeur sèche à 1200C que l'on dirige vers une unité d'utilisation de chaleur 10 ou l'on utilise cette vapeur.On peut noter que l'eau de réfrigération de l'unité d'utilisation de x-a^ecr qui pénètre par le conduit 11 à environ 700C et sort par le conduit 12 à 850C est récupérée et redistribuée à la chaudière basse pression 7. L'installation représentée plus en détail à la figure 3 est destinée à fonctionneren continu. On remarque les éléments essentiels en particulier une chaudière basse pression 20, une chaudière haute pression 21, un compresseur 22 et une unité d'utilisation de la chaleur constituée ici par deux dispositifs de moulage 23. La chaudière basse pression 20 fournit de la vapeur à 700C qui est envoyée dans ie conduit 24 avant d'entre comprimée dans le compresseur 22 qui comprend un étage basse pression 25 et un étage haute pression 26 fonctionnant tous deux par l'intermédiaire d'un moteur 27 et d'un système de poulies à courroie 28. A la sortie de l'étage haute pression 26, la vapeur qui atteint environ 1200C est dirigée dans le conduit 29 qui débouche au fond de la chaudière haute pression 21 qui fournit à son tour de la vapeur à environ 1200C. Cette vapeur est évacuée par le conduit 30 avant d'tre dirigée d'abord, éventuellement à l'intérieur d'un surchauffeur (non représen té) si l'on veut obtenir de la vapeur sèche, puis à l'inté- rieur du dispositif de moulage 23. Une pompe 31 montée au fond de la chaudière 20 permet d'extraire de l'eau à environ 700C et d'envoyer cette eau d'une part dans le conduit 32 pour alimenter les deux étage s 25 et 26 du compresseur 22 qui sont respectivement équipés d'une vanne. thermostatique 33 et 34 et dgautre part dans un conduit 35 pour alimenter un distributeur 36 ot arrive égaLement de l'eau à environ 550C par un conduit 37 qui est relié au fond d'une tour d'eau 38 et sur le circuit duquel est branché une pompe 39 et une soupape anti-retour 40, celle-ci permettant la réinjection de l'eau vers la tour d'eau 38 en cas desurpression. Une cheminée 41 est prévue au sommet de la tour d'eau 38 pour assurer le refroidissement de cette derniere. L'eau de refroidissement du dispositif de moulage 23 est dirigée vers un distributeur 42 qui répartit cette eau dont la température atteint environ 900C vers le compartiment 43 puis à partir de 700 dans le compartiment 44 de la tour d'eau 38. L'eau du compartiment 43 dont la température est d'environ 900C est envoyee dans la chaudière 20 par le conduit 45. On peut noter que la chaudière 20 est équipée d'une soupape anti-retour 46 qui assure une réinjection d'eau en cas de surpression. Le niveau-de l'eau dans la chaudière est contrlé par un régulateur 47 à deux électrodes 48 et 49. Les deux chaudières 20 et 21 sont reliées entre elles par les conduits 50 et 51. La chaudière comprend en outre deux conduits 52 et 53 qui débouchent dans le conduit 35. Cette installation qui vient d'être décrite, seulement à titre illustratif, et qui fonctionne en continu permet d'obtenir de la vapeur dans des conditions particulièrement avantageuses. La mise en oeuvre de cette installation a donné d'excellents résultats dans les conditions suivantes On a utilisé un compresseur à deux étages comportant un-étage basse pression et un etage haute pression et équipe de palettes spéciales en matière plastique. La forme de ces palettes a été conçue de façon à éliminer le plus possible les frottements. En outre, ces palettes sont constituées d'une matière plastique ayant un faible coefficient de dilam tation et une grande résistance à la fois thermique et mécha nique. Etage BP : 6 palettes, débit volumétrique théorique 280 ,3/heure, 280 m /heure, - pression à l'entrée : 0,3 bar absolu - température : 700C - pression à la sortie : 0,7 bar absolu - température : 900C Etage HP : 8 palettes, débit volumétrique théorique 130 m3/heure, - pression à l'entrée : 0,7 bar absolu - température entre : 900C - pression à la sortie : 2,03 bars absolus - température : 1200C Moteur électrique de 15 cv entraînant le compresseur BP directement et le compresseur HP par transmission à courroies trapézoSdales. - vitesse : 1 500 t/mn à 1'étage BP - vitesse : 3 000 t/mn à l'étage HP. En alimentant la chaudière basse pression 6 à raison de 2500 litres d'eau à l'heure à 850C, on produit 62,5 kg de vapeur par heure et il en résulte un abaissement de la température à 700C à une pression absolue de 0,3 bar. Dans le compresseur on obtient 80 kg de vapeur pour une dépense d'énergie de 12 à 14 KW alors que si on utilise des résistances électri- ques, la dépense d'énergie pour obtenir le même résultat, est de 54 Kw. On obtient donc une économie d'énergie de l'ordre de 4/5. I1 est bien entendu que ces résultats ne sont donnés qu'à titre illustratif et que l'on peut obtenir des résultats supérieurs en faisant varier les paramètres propres aux compresseurs. GrSce à des palettes spéciales en matière plastique, le compresseur peut fonctionner sans être lubrifié par de l'huile, la lubrification se faisant par injection d'eau autour des palettes, le débit d'injection étant réglé au moyen d'une vanne thermostatique montée à la sortie de chaque étage du compresseur de la pompe à chaleur. Après de nombreux essais, on a pu constater que les palettes tournaient pratiquement sans frottement excessif et sans usure apparente. Les applications de l'installation sont nombreuses. On peut citer à titre non limitatif l'application au moulage d'articles en polystyrène dans lequel on effectue le soudage des billes de polystyrène expansé-au moyen de vapeur seche d 110-1200C. On a pu constater, dans le cas particulier de cette application, que le gain d'énergie réalisé par rapport à ce que l'on observe dans le cas d'une installation ne faisant pas appel à des pompes à chaleur, se trouvait amélioré par un facteur pouvant atteindre 3 à 5. On peut encore citer le refroidissement des conserves après blanchiment et stérilisation, la concentration : du lait, des jus de betteraves, des jus de fruits et le séchage à l'échelle industrielle. REVENDICATIONS 1. Installation de production de chaleur comportant la mise en oeuvre d'une pompe à vapeur, caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement - une chaudière basse pression produisant de la vapeurà une température comprise entre 50 et 1000C ; - une chaudière haute pression produisant de la vapeur humide à au moins environ 1200C ; - une pompe à chaleur qui aspire la vapeur produite par la chaudière basse pression et transfère cette vapeur à la chaudière haute pression ; - une unité d'utilisation de la vapeur. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa pompe à chaleur comprend un compresseur à deux étages de compression équipé chacun d'une vanne thermostatique et de palettes en matière plastique lubrifiées par de l'eau. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transfert de la chaleur s'effectue au moyen d'eau. 4. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la vapeur humide produite par la chaudière haute pression est introduite dans un surchauffeur. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité d'utilisation de la chaleur comporte une sortie pour la vapeur condensée chaude qui débouche dans la chaudière basse pression. 6. Application de l'installation selon l'une quel- conque des revendications précédentes à la production du poly styrène expansé.