Brevet FR2362359A1 — publié le 19780317

La presente invention due à la collaboration de Messieurs Jean-Marie LEGRE, François LEORAT et lucien NEX, se rapporte à la réutilisation de la chaleur évacuée par le circuit de refroidissement interne d'une installation exothermique, notamment dtinstallations industrielles diverses. Cette invention est applicable en particulier à la réutilisation, aux fins de chauffage de locaux et autres applica tions utilisant de l'eau chaude, de la chaleur véhiculée par l'eau refroidissant les bobines d'une batterie de fours à induction des tinés à la fusion des métaux. Dans les installations existantes, le refroidissement des inducteurs de fours à induction est réalisée par une circulation d'eau interne, dont la température, à la sortie des bobinages, est en général fonction de l'état de fonctionnement du four et de sa charge. Cette eau est ensuite envoyée dans un système externe d'évacuation de chaleur, qui peut astre constitué, notamment, d'une batterie de réfrigérants atmosphériques, où elle @@de b quantité de chaleur soutirée aux inducteurs.Cette quantité de chaleur, égale au dégagement calorifique par effet Joule dans l'inducteur (lorsque ce dernier est sous tension) augmenté du flux de chaleur permanent à travers le réfractaire, (que l'inducteur soit sous tension ou noi9, est donc fortement variable dans le temps, et de ce fait difficilement utilisable; d'où les installations de refroidissement précitées, uniquement consommatrices d'énergie, (ou même pour de faibles puissance, le rejet diract de l'eau chauffée à l'égout, consommateur d'eau et générateur de pollution thermique). L'eau ainsi refroidie est renvoyée à l'entrée des inducteurs. Les systèmes connus de refroidissement des inducteurs de tours sont en général très bien adaptés, au moins dans leurs variantes les plus élaborées, bleuir fonction. Cependant, ces systèmes conduisent toujours à rejeter en pure perte, à l'air ambiant dans le cas de réfrigérants atmosphérique, un flux de chaleur qui atteint en moyenne,même mme dans les installations de fusion de forte puissance les plus performantes, 20 % de l'éner- gie électrique fournie aux bornes des inducteurs (environ 15 % par effet Joule et 5 dit par flux thermique permanent).Sachant que l'eau, en sortie des inducteurs, peut atteindre un potentiel thermique élevé (70 à 75 .) donc facilement utilisable) sans inconvénient pour le fonctionnement des fonrs, on constate que les systèmes connus de refroidissement entraient un gaspillage d'autant plus motteux que - la chaleur à évacuer est produite à partir d'électricité qui est une énergie chère ; - les systemes réfrigérants externes exigent, pour leur fonctionne ment une dépense d'énergie supplémentaire non négligeable par calorie évacuée (énergie de pompage et de ventilation, notam ment pour les réfrigerants atmosphériques);; une dépense d'eau importante, notamment pour les réfrigérants atmosphériques La présente invention concerne un procédé permettant la réutilisation dans des circuits utilisateurs convenables, de la chaleur évacuée par le circuit de refroidissement d'une installation exothermique du type précité, c'est-à-dire ayant une production calorifique très variable, en optimisant constammant la récupération de chaleur vis-à-vis des besoins de circuits utilisateurs aux besoins totalement indépendants, sans qu'il existe de rapport fonctionnel entre la quantité de chaleur récupérable et les exigences des circuits utilisateurs. A partir de sources exothermiques variables refroidies par des circulations de fluide de refroidissement, pour utilisation de la chaleur ainsi récupérée dans des circuits utilisateurs aux besoins également variables et indépendants, le Procédé selon l'invention se caractérise en ce que - la température is du fluide caloporteur de refroidissement en sortie des sources exothermiques est asservie à une valeur de consigne ec qui commande une alimentation dosée en fluide plus froid provenant de l'alimentation de refroidissement des sources exothermiques, - le fluide caloporteur à température (es) ainsi régulée est recu dilli dans un réservoir tampon dit à haute température d'où il alimente les circuits utilisateurs, ledit réservoir commu niquant directement avec un second réservoir tampon dit à basse température qui collecte le fluide caloporteur refroidi en retour des circuits utilisateurs, l'alimentation en fluide à haute température des circuits utilisateurs étant éventuellement complétée par un apport en fluide plus chaud provenant d'une source de chauffage externe, qui élève la température d'un débit modulé de fluide caloporteur pris à la sortie des circuits utilisateurs. - le fluide caloporteur refroidi est extrait du réservoir tampon dit à basse température pour alimenter les circuits de refroidis sement des sources exothermiques à travers un échangeur calori fique à refroidissement externe modulé par la température du fluide caloporteur mesurée à la sortie dudit échangeur. L'asservissement de température d'eau est réalisé à partir d'une mesure de température d'eau dans la section la plus chaude du circuit interne du refroidissement de ltinstallation exothermique. Liteau en sortie de circuit de refroidissement est acheminée vers une enceinte collectrice haute températurecalo- rifugée tandis que l'eau en retour des circuits utilisateurs est également acheminée vers une enceinte collectrice "basse tempé rature" calorifugée. Lesdites enceintes collectrices "haute" et "basse température" sont mises en communication de manière à ce que les débits correspondani s'équilibrent. A sa sortie vers les circuits de refroidissement des sources exothermiques, l'enceinte "basse température alimente le faisceau primaire dcun échangeur de chaleur, ledit faisceau étant raccordé à son autre extrémité à l'entrée du circuit de refroidissement interne de l'installation exothermique, tandis que le faisceau secondaire dudit échangeur est parcouru par lin fluide caloporteur provenant d'une installation réfrigérante externe. Une sonde de températureS placée à la sortie du faisceau primaire de l'échangeur de chaleur, commande une vanne modulant le débit d'admission, au secondaire, du fluide prove nant de l'installation réfrigérante externe. Une autre sonde de température placée dans un en droit approprié du circuit de récupération et variable melon le mode de réalisation, provoque éventuellement le délestage prioritaire de l'un des circuits utilisateurs en cas dinsuffi- sance de la quantité de chaleur récupérable. En variante, des détecteurs réagissant à des paramètres extérieurs au système de récupération provoquent le délestage séquentiel des circuits utilisateurs en cas d'insuffisance de la quantité de chaleur récupérable. Ainsi, le procédé objet de l'invention regroupe les éléments fonctionnels suivants - un système d'asservissement de la température de sortie #s du fluide caloporteur à une valeur de consigne Oc qui peut entre fonction des besoins calorifiques des circuits utilisateurs, la mesure de OSt dans le chatne de retour de l'asservissement, étant effectuée, par mesure de sécurité, dans la section la plus chaude du circuit de refroidissement.Ce systeme est indispen sable pour disposer d'une source de chaleur à température stable, indépendante des fluctuations de charge de l'installa- tion exothermique e - un réservoir tampon à deux compartiments communiquant entre eux ; l'un des compartiments, dit compartiment "haute tempéra ture", recueille le fluide caloporteur à température OS provenant de la sortie du système de refnsdissement et alimente l'entrée des circuits utilisateurs, tandis que l'autre compartiment dit compartiment "basse température", collecte le fluide caloporteur refroidi en provenance du retour des circuits utilisateurs : ce réservoir-tampon assure, outre une fonction de stabilisation, la possibilité de f fonctionnement, grâce à la communication entre les deux compartiments, quel que soit le rapport entre la quantité de chaleur récupérable en provenance du circuit de refroidissement et les besoins thermiques des circuits utilisateurs, - le fluide caloporteur en provenance du compartiment "basse température" du réservoir tampon traverse le primaire d'un échangeur de chaleur avant d' être renvoyé à l'entrée du circuit de refroidissement, le secondaire dudit échangeur de chaleur étant alimenté à travers une vanne modulante, par le fluide calo porteur du système externe dévacuation de chaleur ; cet échan geur permet, le cas échéant, d'éliminer l'excès éventuel de chaleur récupérable par rapport aux besoins des circuits utili sauteurs, Le procédé, objet de l'invention, permet, sans perturber le fonctionnement normal de l'installation exothermique, ds; récupérer dans des conditions optimales, la chaleur ordinairement rejetée en pure perte et souvent au prix d'une dépense supplémentaire d'énergie, par le système de refroidissement de linstal- lation.Cette récupération de chaleur permet des économies d'énergie substantielles au niveau des circuits utilisateurs de chaleur et améliore ainsi le rendement énergétique général de ltensemble des installations0 Le procédé offre de surcroit l'avantage de ne pas imposer de rapport constant entre la quantité de chaleur disponible par récupération et les besoins instantanés des circuits utilisateurs et de se prêter notamment soit à des délestages automatiques ou manuels, soit à des apports extérieurs de chaleur en cas d'insuffisance de la récupération, sans complications sunplémentaires. Un exemple d'application du procédé de récupération selon l'invention sera décrit ci-dessous en référence aux schémas annexés, où, - la figure 1 représente un schéma d'installation appliquant le procédé de l'invention, - la figure 2 représente une variante de réalisation d'une telle installation, appliquée à une usine utilisant des fours à induc tion. Pour faciliter la compréhension du principe de fonctionnement , ia mise en oeuvre de ce procédé est décrite à propos de la réutilisation, dans différents circuits de chauffage, de la chaleur évacuée par l'eau refroidissant les inducteurs dtune batterie de fours à induction mais le procédé trouverait naturellement son application, mu tatis Imbtandis dans tous les cas où de la chaleur à un potentiel convenable, en provenance d'un circuit de refroidissement par fluide liquide, trouverait avantageusement un usage dans des circuits utilisateurs adéquats. Dans cette utilisation spécifique mais non limitative, la fig. 1 décrit une réalisation particulière adaptée à un fonctionnement à pression atmosphérique , tandis que la Fig. 2 se rapporte à une variante de réalisation orientée vers un fonctionnement sous pression. Selon la fig, 1, le circuit inierne de refroidissement de chacun des fours à induction (i) est complété par un asservissemnt de la température de sortie #s de l'eau de refroidissement à une valeur de consigne Oc. Cet asservissement comporte une pompe à débit constant (2), une vanne motorisée modulante à trois voies (3) et une sonde de température (4), ladite sonde mesurant la température de l'eau en sortie du bobinage inférieur de 11 inducteur, de manière à prendre en conipte, par mesure de sécurité, la température la plus élévée dans le circuit de refroidissement de l'inducteur.Lorsque Os tend à devenir inférieure à Oc, la vanne modulante 3 commandée par l'écart Os-6c augmente le débit de recirculation dans l'inducteur, ce qui diminue le débit d'eau froide entrant, donc l'évacuation de chaleur et permet à #s de se rapprocher de #c. Au contraire, lorsque Oc tend à devenir supérieure à s, la vanne moduiante 3 diminue le débit de recirculation dans l'inducteur, ce qui augmente le débit d'eau froide entrant et permet à #s de redescendre vers la valeur de consigne Oc. D'une manière généiale, 3a valeur de #c peut être ajustée, notamment en fonction des variations des besoins calorifiqiies des circuits utilisateurs. La régulation de température décrite ci-dessus, connue en soi, à débit interne constant et débit d'entrée-sortie variable, est nécessaire pour disposer d'une source d'eau chaude à tempéra ture sensiblement constante, indépendante des fluctuations de charge des fours, source indispensable à l'alimentation correcte des cirouits utilisateurs. Cette eau, à température Os, est amenée par la canalisation collectrice (5) dans le compartiment "haute température" (6) du réservoir-tampon (7) qui comporte également un compartiment "basse température" (8). Lesdits compartiments, adjacents, sont mis en communication, à leur partit; inferieure, par un orifice (9). L'eau chaude contenue dans (6) est constliuée par un groupe moto-pompe (10) qui la refoule dans la canalisation d'entrée (11) des circuits utilisateurs0 Une éventuelle surpression au refoulement desdites pompes est détectée par la scade de pression (13) qui commande l'ouverture de la vanne modulante (14) autorisant le retour en (6) de l'excès de débit au refoulement des pompes (10). Après transit dans les circuits de chauffage utilisateurs, l'eau, dont la température s'est abaissée, est ramenée par la canalisation collectrice (15) au compartiment (8). l'eau refroidie contenue dans (8) est soustirée par un groupe moto-pompe (16) qui la refoule au primaire de l'échangeur (17) dont la sortie alimente la canalisation d'entrée des vannes modulantes (3). Une éventuelle surpression au refoulement desdites pompes est détectée par la sonde de pression (18) qui commande l'ouverture de la vanne modulante (19), autorisant alors le retour en (8) de l'excès de débit au refoulement des pompes (16). L'ensemble du réservoir-tampon est mis en communication avec l'atmosphère par l'évent (7 bis). Une sonde de température (20) mesure la température Oc de l'eau à la sortie du primaire de (17) La mesure de cette température, par comparaison à une température de consigne Ot, commande la vanne modulante (21) qui admet de l'eau froide en provenance du système de réfrigération (22) si #e est supérieureà Of, ou coupe cette admission si Ge est inférieur à 0f. Le volume deux total véhicule par l'instalhtion est normalement constant, néanmoins pour compenser des pertes éventuelles, un dispositif d'appoint automatique par robinet à flotteur (23) permet l'apport, dans le compartiment (S), d'eau convenablement traitée par le dispositif (24). Afin d'illustrer comment le procédé inclut, sans complication complémentaireXdiverses possibilités de délestage automatique d'un ou plusieurs circuits utilisateurs, les circuits (26) et (46) sont décrits succinctement, à titre d'exemples, pour ce qui concerne le circuit (26), la canalisation "Aller" (12) alimente un échangeur eau-air (27) qui préchauffe l'air de combustion d'un générateur (31).La sortie de l'échangeur (27) est raccordée à la première entnee d'une vanne modulante à trois voies (28), l'autre entrée de ladite vanne étant reliée à l'entrée de l'échangeur (27) par une canalisation de dérivation (29). Une sonde de température (30), placée sur la canalisation de retour (25), commande la vanne (28) qui ajuste le débit de dérivation passant par (29) de manière à ce que la température mesurée par (30) ne soit jamais inférieure à Of. Une électrovanne (32) isole le circuit (26) lorsque le générateur (31) est hots service. Une sonde de température (34), qui mesure la température de l'eau à l'entrée du primaire de l'échangeur (17) commande une vanne modulante à deux voies (33), la dite vanne régulant le débit à travers le circuit (26). Pour ce qui concerne le circuit (46), sa température d'entrée est amenée à une température de consigne Ti au moyen de la vanne modulante (36). Les vannes non modAantes (38) et (39) permettent de connecter le circuit (46) soit sur le réseau de récupération soit sur le réseau de secours alimenté par le générateur (45). Les vannes (38) et (39) sont commandées par la sonde (37) dont le seuil de déclanchement est réglé à une valeur légèrement inférieure à Te. L'Analyse de deux situations typiques permettra d'appréhen- der dans tous les cas le fonctionnement de l'ensemble du sys tème. 1 ) A partir dune situation d'équilibre, la charge des fours augmente de maniène telle que la quantité de chaleur récu- pérable excède les besoins instantanés des circuits utilisateurs. Le débit dteau "haute température" arrivant par (5) dans (6) augmente t la température dans (8) levant alors par transfert d'eau de (6) dans (8), la sonde (34) commande l'ouverture de (33) t la température de retour dans (23) augmentant, la vanne (28) commande par la sonde (30) rouit le débit de dérivation dans (29), accroissant ainsi le flux de chaleur évacué par (27). De la même manière, la sonde (20) détectant une température trop élevée provoque l'ouverture de la vanne (21) qui accroit le débit dteau froide, en provenance de (22), dans le secondaire de (17), ce qui permet de maintenir une température d'eau convenable à l'entrée des fours. 20) Inversement, à partir d'une situation d'équilibre, la charge des fours diminue de manière telle que la quantité de chaleur récupérable devient inférieure aux besoins instantané des circuits utilisateurs. La demande en eau de refroidissement des fours diminuant, la température mesurée par (20) décroit, ce qui provoque la fermeture de la vanne (21). Coprèlativement, le débit d'eau "haute température" arrivant par (5) diminue, amorçant le transfert d'eau de (8) vers (6) ; le débit de dérivation par (29) augmente. La température de retour d'eau des différents circuits baissant, la sonde (34) commande la fermeture de (33), ce qui provoque le délestage prioritaire du circuit 26. Si, malgré le délestage du circuit (26), la quantité de chaleur récupérée reste inférieure aux besoins des circuits utilisateurs subsistants, la vanne (36) n'admet plus de débit de recirculation. La température réglée Ti s t abaisse au-dessous du seuil de déclenchement des vannes (38) et (39), qui mettent en service le circuit de secours (45). Lorsque l'apport calorifique du circuit de secours a ramené la température réglée au-dessus du seuil, les vannes (36) et (39) déconnectent le circuit de secours (45), Si le circuit de récupération est, dans l'intervalle, redevenu à même de subvenir aux besoins du circuit (46), l'intervention du circuit de secours (45) est réduite au minimum, optimisant ainsi le rendement de récupération.Si, au contraire, la puissance calorifique du circuit de récupération est toujours insuffisante, le circuit de secours est connecté à nouveau au bout d'un temps lie à ltinertie thermique du circuit (46). I1 en va ainsi jusqu'à ce que le circuit de récupération ait retrouvé un niveau de puissance suffisant. La variante de réalisation représentée par la Fig. 2 se caractérise par un réservoir-tampon séparé "haute température" (56) calorifugé alimenté par (5) un réservoir tampon séparé "basse température" (58) calorifugé collectant, à travers (15), l'eau de retour des circuits utilisa teurs et alimentant le primaire de l'échangeur (17), un vase d'expansion (57) sous pression une canalisation de liaison (59) entre (15) et (11) une sonde de température (53) située en aval de la jonction de (59) et (tl) commandant la vanne modulante (33). Le reste du circuit est par ailleurs conforme à la fig.1 et on illustera le principe de fonctionnement, très similaire,psr le cas où à partir d'une situation d'équilibre, la charge des fours diminue de manière telle que la quantité de chaleur récupérable devient inférieure aux besoins instantanés des circuits utili sauteurs. Cette diminution de charge entratne une réduction du débit d'eau chaude en (5) et se traduit par un transfert d'eau froide par (59), qui fait chuter d'autant le débit en sortie de (58); la sonde (20) détecte alors une baisse de température et commande la fermeture de la vanne (21)o Simultanément , la sonde (53) détecte une chute de température due à la recirculation d'eau froide à travers (59) et commande alors la fermeture de (33), ce qui provoque le délestage prioritaire du circuit (26). REVENDICATIONS 1 - Procédé de récupération calorifique, à partir de sources exo thermiques variables refroidies par des ciroulations (te fluide de refroidissement, pour utilisation de la chaleur ainsi récu pérée dans des circuits utilisateurs aux besoins également variables et indé[endants, caractérisé en ce que la température (#s) du fluide caloporteur de refroidiseement en sortie des sources exothermiques est asservie à une valeur de consigne (#c) qui commande une alimentation dosée en fluide plus froid provenant de l'alimentation de refroidissement des sources exothermiques;Le fluide calopoteur à température (#s) ainsi régulée est recueilli dans un réservoir tampon dit à haute température d'où il alimente les circuits utilisateurs, ledit réservoir communiquant directement avec un second réservoir tampon, dit à basse température, qui collecte le fluide calopor teur refroidi en retour des circuits utilisateurs, l'alimen- tation en fluide à haute température des circuits utilisateurs étant éventuellement complétée par un apport en fluide plis chaud, provenant d'une source de chauffage externe, qui chauffe un débit modulé de fluide caloporteur pris à la sortie des circuits utilisatellrs;; Le fluide caloporteur refroidi est ex trait du reservoir tampon dit à basse tompérature pour ali menter les circuits de refroidissement des sources exother miques à travers un échangeur calorifique à refroidissement externe modulé par la température du fluide caloporteur mesurée à la sortie dudit échangeur. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'asser- vissement de température d' eau est réalisé à partir d'une mesure de tempéroture d'eau dans la section la plus chaude du circuit interne de refroidissement de l'installation exo- thermique 0 3 - Procédé selon la revendication 1 et 2, carotérisé t-n ce que l'eau, en sortie du circuit de refroioiss@@@@t, est acheminée vers une enceipte collectrice tandis 4 - Procédé selon la revendication 1 et 3, caractérisé en ce que lesdites enceintes collectrices "haute" et "basse tempt- rature" sont mises en communication de rn.iîière à ce que les débits correspoadants s'équilibrent. 5 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enceinte "basse température11 alimente le faisceau primaire d'un échangeur de chaleur, ledit faisceau étant raccordé à son autre extrémité à l'entrée du circuit de refroidissement in terne de 11 installation exothermique, tandis que le faisceau secondaire dudit échangeur est parcouru par un fluide calo porteur provenant dune installation réfrigérante externe. 6 - Procédé selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce qiL' une sonde de température, placée à la sortie du faisceau pri maire de échangeur de chalet, commande une vanne modulant le débit d'admission, au secondaire, du fluide provenant de 1 installation réfrigérante externe0 7 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu' un sonde de température placée dans un endroit du circuit de récupération variahle selon le mode de réalisation, provoque le délestage prioritaire de l'un des circuits uti lisateurs en cas d'insuffisance de la quantité de chaleur récupérable. 8 - Procédé selon les revendications 1, 6 et 7 caractérisé en ce que des détecteurs réagissant à des paramètres extérieurs au système de récupération, provo.luent le délestage séquen- tiel des circuits utilisateurs en cas d'insuffisance e la quantité de chaleur récupérable. 9 - Procédé selon lune quelconque des revendications précé dentes caractérisé en ce que les sources exothermiques variables refroidies sont des fours à indiction métallur giques.