Brevet FR2404801A1 — publié le 19790427

L'invention concerne une installation pour la production de vapeur à des fins industrielles ou domestiques, perfectionnée en particulier pour réduire les dépenses énergétiques de l'unité de chauffage en diminuant les effets de déperdition de cette énergie dans I'atmosphère. Les ensembles thermiques producteurs de vapeur moyenne pression (0,5 à 15 bars) sont généralement de deux types : distingue les installations dites "ouvertes" (en relation avec l'atmosphère) des installations dites "fermées" (fonctionnant en circuit ferme). - Les installations ouvertes (fig. 1) sont constituees d'une chaudière 1 productrice de vapeur, reliée au poste d'utilisation ou de prélèvement 2 par un conduit 3, les condensats (eau + vapeur) etant récupéres dans un condui-t 4 et acheminés jusqu'a une bâche 5 dotée, d'une part, d'un évent 6, en communication avec l'atmosphère, et, d'autre part, d'un regulateur de niveau 7 (par exemple un robinet à flotteur en eau-d'appoint), cette bâche étant raccordée à la chaudière par un conduit d'alimentation 8 sur lequel est piquée une pompe 9 réintrodui-sant l'eau à réchauffer dans l-a chaudière. - Les installations fermées (fig. 2) sont réalisées de manière analogue, sous reserve, d'une part, que la bâche 5 est remplacée par un réservoir hermétique 10 raccordé par un conduit incliné 11 au poste d'utilisation 2 (l'inclinaison du conduit étant nécssaire au deacement par ravité des condensdts) et que, 'autre part, la pompe d'alimentation classique 9, dans le cas de la fig. 1, est remplacée par une pompe servo-régulatrice 12. On observe dans les installations ouvertes des pertes obligées de vapeur par l'évent 6, alors que ces pertes sont nulles dans les installations fermées. Il serait donc souhaitable, à priori, que toutes les installations soient réalisées en type fermé. Cette conception presente des inconvenients importants L'installation fermée en effet n'est réalisable qu'aux-deux conditions suivantes : 1) Sous une pression déterminée, les pertes de charge des appareils alimentés doivent être de la même valeur, 2) I1 est nécessaire que les condensats puissent s'écouler par simple gravite. Ces deux conditions font que, pour un bon nombre d'installations (pression d'utilisation différente, grande étendue), la solution en type fermé est très onéreuse, voire irréalisable. Par ailleurs,une installation réalisée en type fermé est très rigide, toute modification au toute extension du réseau nécessitant souvent des modifications sur le réseau principal. Les difficultés de bien équilibrer les différentes boucles des circuits amènent à prendre de larges sécurités pour assurer le fonctionnement dès appareils et à surdimensionner les conduits et les corps de chauffe. Les pompes servorégulatrices nécessitent, en outre, un refroidissement permanent (qui représente une perte d'énergie) et un entretien suivi. Il en résulte que les installations de type fermé sont très rares. Enfin, la transformation des installations existantes ouvertes en installations fermees n'est pas souvent souhaitable car elle entrainerait de lourds investissements bien difficiles à amortir. Compte tenu de toutes ces difficultés inherentes aux installations fermées, l'invention vise plus particulièrement le cas des installations ouvertes et concerne -une conception particu7ière de l'installation productrice de vapeur permettant de diminuer au mieux les pertes obligées dans l'atmosphère. Afin de mieux faire comprendre l'invention, il apparaît toutefois nécessaire d'exposer, à titre préalable, les phénomènes de pertes énergétiques dans les installations ouvertes de type classique. L'installation etant reliée à l'atmosphère par l'évent 6 de la bâche alimentaire 5 (fig. 1), l'eau condensée arrivant très chaud dans la bâche, se revaporise et cède à l'atmosphère une quantite de chaleur importante égale à la difference d'enthalpie (i) entre la pression d'utilisation et la pression atmospherique. Exemple (fig. 3) : une chaudière produit 1000 Kg/ heure de vapeur saturée à une pression d'utilisation de 10 bars relatifs (11 bars absolus). L'enthalpie (i) de l'eau à cette pression de 10 bars est de 185,6 Kcal/Kg donc les 1000 Kg de condensats ont une enthalpie de 185 600 Kcal. A la pression atmosphérique, ces condensats forment un mélange d'eau et de vapeur. L'enthalpie de la vapeur à la pression atmos phérique étant de 638,5 Kcal/Kg et l'enthalpie de l'eau à cette pression étant de 100 Kcal/Kg, et si l'on désigne par "a" la quantité en Kg d'eau dans les condensats et par "b" la quantite en Kg de vapeur dans les condensats, on obtient la relation suivante a x 100 + b x 638,5 = 185 600 a + b = 1000 d'où l'on tire a = 841 Kg d'eau et b = 159 Kg de vapeur contenus dans les condensats à la pression atmospherique. Cette vapeur d'eau s'echappe à l'atmosphère en emportant 159 x 638,5 = 101 500 Kc Il reste donc dans la bâche 841 Kg d'eau à la température de saturation à la pression atmosphérique soit 1000. Son enthalpie est donc dé 84 100 Kc. Cette perte de vapeur de 159 Kg doit être compensée par de l'eau d'appoint (température à 150 par exemple) pour obtenir les 1000 Kg unitaires. On a dans la bâche le mélange suivant 841 Kg d'eau a 100 dont l'enthalpie est de 84 IOQ Kr et de 159 Kg d'eau a 15 dont l'enthalpie est de 2385 Kc. Soit 1000 Kg d'eau dont l'enthalpie est de 84 100 + 2 385 = 86 485 Kc, et la température 8605. Rendement de l'installation = Quantité de chaleur utilisée 478300 - Quantité de chaleur fournie 577415 - 82,82 % Pertes de chaleur = 101 500 Kc - 2 385 Kc = 99 115 Kc (ou 185 600 - 86 485) Pourcentage de pertes par rapporta la chaleur fournie 99115 57741 = 17,16 % Quantité d!eau perdue : 159 Kg. Avec cet exemple, on constate que la perte est d'autant plus importante que la pression d'utilisation est élevée Mais il ne faut pas perdre de vue que plus la pression est élevée, plus le rendement des appareils à l'utilisation est élevé Il y a donc pour toute utilisation un compromis à trouver. Dans la pratique, la pression de distribution se situe entre 8 et 12 bars et l'on trouve pour les pourcentages de perte les valeurs respectives suivantes : 15,36 % et 18,71 %. Le cas d'une installation connue a deux postes d'utilisation a des pressions de vapeur différentes est illustré sur la fig. 4 qui sera comparée ultérieurement à une installation également à deux postes d'utilisation, mais perfectionnée conformément à l'invention. Lfinvention concerne donc une installation pour la production de vapeur à usage domestique ou indiustriel, du type comportant une chaudiere productrice de vapeur reliée a au moins un poste d'utilisation, lui-meme en liaison avec une bâche comprenant un régulateur de niveau d'eau et une arrivée d'eau d'appoint ainsi qu'un évent de mise a l'atmosphère, cette bâche étant raccordee à la chaudière par un conduit sur lequel est prévue une pompe d'alimentation, cette installation étant caractérisée par des moyens d'échange thermique insérés entre la chaudière et la pompe d'alimentation, des moyens de réglage pour maintenir une pression maximum dans le circuit des condensats et des moyens de contrôle pour maintenir dans la bâche une temperature constante. Suivant un mode de réalisation avantageux, les moyens d'échange thermique sont constitues d'un échangeur de chaleur a double circuit à contre-courant dont le primaire est relié, d'une part, au conduit des condensats provenant du poste d'utilisation et, d'autre part, a àla bâche, le secondaire étant relié, d'une part, à la bâche par le conduit portant la pompe d'alimentation de la chaudière et, d'autre part, à ladite chaudière. Suivant une caractéristique de l'invention, les moyens de réglage permettant de maintenir une pression maximum dans le; circuit des condensats sont constitués par au moins un détendeur situé à la sortie de l'échangeur de chaleur L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des exemples donnés, illustrés sur les figures ci-jointes dans lesquelles - la figure 5 est une vue schématique d'une installation perfectionnée selon l'invention, - la figure 6 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'installation, - la figure 7 est un second schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'installation lorsque celle-ci est equipée de deux échangeurs de chaleur et est pourvue de deux postes d'utilisation fonctionnant à des pressions différentes. Dans le cadre de la fig. 59 l'installation comprend, outre les organes connus dans les installations classiques, (qui ont été -numérotés des mêmes références numériques) un moyen d'échange thermique, par exemple un échangeur de chaleur à contrecourant 13, dont le primaire 14 est relié, d'une part, au conduit 4 des condensats provenant du poste d'utilisation 2 et, d'autre part, à un second conduit 15 débouchant dans la bâche 5 dotée de son event 6. Le secondaire 16 de l'échangeur est, quant à lui, pique sur le conduit-8 reliant la bâche, en aval, à la chaudière, ce conduit portant la pompe classique 9 alimentant ladite chaudière.Ainsi, les condensats pênétrantdahs le primaire de l'échangeur perdent, au profit de l'eau d'alimentation de la chaudière, une partie de leur chaleur, de sorte que leyr pourvoir thermique est directement utilise par l'autoréchauffage de l'eau provenant de la bâche par le conduit 8. En outre et selon une caractéristique importante de l'invention, un détendeur D est prévu à la sortie de cet échangeur, ce qui permet de maintenir une pression aussi élevée que possible dans le circuit des condensats, la combinaison originale de cet échangeur et de ce détendeur se traduisant par une forte récupération d'énergie. Une autre particularité structurelle de l'invention reside dans le fait que la bâche 5 est pourvue d'une sonde à thermostat 17 reagissant sur une vanne thermostatique 18 piquée sur une conduite de derivation 19 mise à l'évacuation, celle-ci étant branchée sur le conduit 15 menant les condensats à la bâche après passage dans l'echangeur. Pour illustrer les avantages d'une telle concep- tion on reprendra ci-après le même exemple que celui -utilisé précédemment pour les installations connues c'est-à-dire le cas d'une chaudière fournissant 1000 Kg/h de vapeur sature sous une pression de 10 bars (fig.5). Le réseau des condensats est maintenu a une pression constante de 8 bars (soit 2 bars en-dessous de la pression d'utilisation de la vapeur saturée). L'échangeur a contre-courant placé entre la pompe d'alimentation et la chaudière, est choisi pour échanger 74 500 Kcall heure, avec un ss t moyen de 10 entre primaire et secondaire. La température est maintenue à une valeur constante de 900C dans la boche au moyen de la vanne thermostatique 18 qui rejette à l'égout une partie de l'eau condensée qui sera remplacée par de l'eau d'appoint à 15 C. Dans ces conditions, les 1000 Kg de condensats à 8 bars sont a la température de saturation de 147 5 et ont une enthalpie de 185 600 Kc. Après ltechangeur, les 1000 Kg de condensats a la pression atmosphérique sont a une température de saturation de 100 et ont une enthalpie de 185 600 - 74 500 = 111 100 Kc ; ils sont composés de "a" Kg d'eau à 100 et de "b" Kg de vapeur a une enthalpie de 638,5 Kcal/Kg suivant les formules 111 100 = a x 100 + b x 638,5 et a + b = 1000 soit a = 979,4 Kg d'eau et b = 20,6 Kg de vapeur. Arrivés à l'air atmosphérique les 20,6 Kg de vapeur s'échappant emportent 20,6 x 638, 5 = 13 160 Kc au lieu de 101 500 Kc dans le cas des installations connues tel qu'indiqué dans l'état antérieur de la technique. Pour obtenir un mélange en bâche de 1000 Kg d'eau à 90 , il faut-introduire "c" Kg d'eau à 100"C (eau condensée) + "d" Kg d'eau d'appoint à 150C suivant les formules C x 100 + d x 15 = 1000 x 90 et c + d = 1C00, ssit c = 882,4 Kg i'ezu condense= a 10C et d = 117,6 Kg d'eau d'appoint à 150C. Il a donc fallu rejeter à l'égout 979,4 - 882,4 = 97 Kg d'eau condense à 1000C (soit 9700 Kc). Le bilan énergétique comparatif avec l'installation ouverte classique est le suivant : Installation classique Installation avec échangeur Pertes 99215 Kc 21100 Kc (577415 - 478300) 499400 - 478300 ou ) ou (101600 - 2385 ) 13160 + 9700 - 1760 Quantité de 577415 499400 chaleur dépensée pour fournir 1000 Kg de vapeur Rurcentage de perte 99215 = 17,16 % 21100 = 4,22 % 577415 499400 Quantité d'eau perdue 159 Kg 117,5 Kg Chaleur utilisée 478300 478300 Rendement de Chaleur utiiisee = 82,9 % 96 l'installation Chaleur dépensée Choix des paramètres. Le rendement de l'installation est d'autant meilleur que la température (enthalpie) de l'eau d'introduction est plus élevée. Il faut donc que 1) la température des condensats soit aussi élevée que possible, et pour cela que la pression dans le circuit des condensats soit aussi elevée que. possible (rôle du détendeur D). On a admis un p entre utilisation et condensats de 2 bars, ce qui permet a tout purgeur bien adapte de remplir parfaitement son office (le conduit 4 des condenssats est en effet pourvu d'un ou plusieurs purgeurs 20). 2) la différence de temperature entre primaire et secondaire de l'échangeur soit aussi faible que possible. Pour cela, il faut que la surface d'échange de l'échangeur soit suffisante. On a admis, a ce sujet, une différence de température de 10 , chiffre très facilement atteint avec un échangeur de taille modeste. L'invention n'est évidemment pas limitée a une installation ne possedant qu'un seul poste d'utilisation. En effet, et c'est le cas le plus géneral, bon nombre d'installations fonctionnent avec des réseaux a des pressions d'utilisation différentes. La description ci--après se réfere a un second mode de réalisation donné a titre d'exemple du cas d'une chaudière produisant 1000 Kg/heure sous 10 bars et alimentant deux réseaux, l'un a la pression d'utilisation de 10 bars et l'autre a la pression d'utilisation de 4 bars (voir fig.7 ). Dans cette réalisation, la chaudière 1 alimente en vapeur deux postes d'utilisation a pressions differentes, le poste A etant relié a un premier échangeur 21 par le conduit 22, le second poste B étant, quant a lui, relié au second échangeur 23 monté en série sur le conduit 24 venant de la bâche et alimentant la chaudière.Selon cette conception, les condensats venant du poste A passent successivement dans les primaires des deux echangeurs, par le jeu de la conduite de dérivation 25 avant d'être amenés a la bâche 5, tandis que les condensats venant du poste B passent directement dans le primaire de l'échangeur 23 avant d'aller a la bâche En aval de la bâche, l'eau de l'alimentation véhiculée par le conduit 24 et aspirée par la pompe 9 passe successivement dans le secondaire des deux échangeurs avant de pénétrer dans la chaudière. La encore, les échangeurs sont pourvus, a leur sortie, de détendeurs D permettant de maintenir une pression aussi élevée que possible dans le circuit des condensats. Un bilan comparatif a été établi entre une même installation connue à deux postes d'utilisation de vapeur ayant des pressions differentes (fig. 4) et une installation telle que celle décrite cidessus et illustrée en fig. 7. Dans le cadre d'une installation connue (fig. 4) on a observe les valeurs suivantes Partant d'une chaudière de 574763 Kc délivrant une vapeur ayant les caractéristiques suivantes : - P = 10 bars - 0 = 18302 - i = 663900 Kc - vapeur = 1000 Kg On obtient - Poste A (239 150 Kc) condensats à la sortie P = 0 bar 0 = 1000C i = 92800 Kc eau + vapeur = 500 Kg - Poste B (255900 Kc) condensats a la sortie P = 0 bar 0 = 1000C i = 76050 Kc - eau + vapeur = 500 Kg - Condensats réunis :P = 0 bar 0 = 100 C i = 168 850 Kc eau = -872,2 Kg vapeur = 127,8 Kg - Revaporisation par évent : 81630 Kc (vapeur 12798 Kg) - Eau condensée : i = 87220 Kc eau = 872,2 Kg - Eau d'appoint : eau = 127,8 Kg l = 15 C i = 1917 Kc - Eau d'alimentation -P = O bar O = 8902C i = 89 137 Kc eau = 1000 Kg Par contre, dans le cadre d'une même installation selon llinvention (fig. 7), on relève les valeurs suivantes Partant d'une chaudière de 514900 Kc délivrant une vapeur ayant les caractéristiques suivantes P = 10 bars O = 183 2 i = 663900 Kc vapeur = 1000 Kg On obtient - Poste A (239 150 Kc) condensats à la sortie P = 8 bars O = 174 5 i = 92 900 eau + vapeur - Poste B (255 900 Kc) condensats a la sortie P = 2 bars 0 = 132 9 i = 76 050 eau + vapeur - Condensats après passage-dans le premier échangeur (26100 Kc) P = 2 bars O = 13209 i = 96 700 - Condensats après passage dans le second échangeur (32 900 Kc) P = O bar O = 100 i = 109 850 Kc eau = 981,7 Kg vapeur 18,3 Kg - Vaporisation : vapeur = 18,3 Kg i -= 11680 Kc - Eau condensée : eau : 981,7 Kg - Eau de rejet : eau t 99,3 Kg i = 9930 Kc - Eau condensée après rejet : eau = 882,4 Kg i = 88240 Kc - Eau d'appoint : O = 15 eau = 18,3 Kg i = 1760 Kc - Eau d'alimentation : P = O bar O 90 & i = 90000 Kc eau = 1000 Kg Le bilan comparatif est donc le 'suivant Installation classique Installation avec échangeur Pertes 79713 19850 Kc (574763 - 4950507 (514900 - 495050) ou ou (81630 - 1917) (11680 - 1760) Quantité de chaleur depensée 574763 514900 Kc Quantité de perte 79713 = 13,87 % 19850 = 3,85% 574753 514900 Chaleur utilisée 495050 495050 Rendement de , 495050 l'installation 574763 ~ 86,13 % 96,14 g Quantité d'eau perdue 127,8 Kg 117,6 Kg Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible, du fait de la presence de l'echangeur,de calorifuger le circuit des condensats et la bâche > de manière à economiser une proportion d'énergie notable venant s'ajouter à celle réalisée par l'échangeur. Ce calorifugeage n'était évidemment pas prévu, ni souhaitable, dans les installations classiquesg car tout gain par calorifugeage aurait augmente d'autant la perte par vaporisation. En outre, il n'était pas possible, dans les installations connues, de contrôler le bon fonctionnement des purgeurs tel que celui prévu en 20-sur la fig. 5. Dans le cadre de l'invention, cela est rendu possible grâce a un compteur d'eau 25 pique sur la conduite de dérivation 19 (fig. 5), celui-ci permettant de mesurer la vapeur perdue par revaporisation. Or, cela est fort important car de nombreuses installations fonctionnent avec des pertes beaucoup plus importantes que les pertes théoriques prises en considération dans les calculs précités par suite du mauvais fonctionnement des purgeurs. Avec la méthode de l'échangeur et en installant ce compteur d'eau sur l'eau condensée rejetée à l'egout, on peut comparer la quantité d'eau rejetée à la quantite d'eau d'appoint. Le rapport doit rester constant, quelle que soit la marche de la chaudière. S'il n'en est pas ainsi, c'est que un ou plusieurs purgeurs ne marchent pas correctement et envoient de la vapeur vive dans les condensats. L'installation étant réalisée par la capacité maxima de la chaudière, pour toute marche à faible allure, le rendement ne pourra être inférieur à la marche a pleine capacité ; il ne pourra qu'être supérieur. (Cela tient à ce que la surface d'échangeur est identique pour un débit calorifique plus faible). La quantité d'eau d'appoint est toujours inférieure avec une installation à échangeur a celle d'une installation classique. Or, l'eau d'appoint traitée -coûte cher. On peut donc escompter d'une manière generale une économie de combustible supérieure à 10 Z avec la méthode de l'échangeur par rapport aux installations classiques de vapeur a circuit ouvert. En realité, cette économie de combustible sera très souvent supérieure, car on peut ameliorer le calorifugeage de l'ins-- tallation, on peut redresser des anomalies, puis contrôler en permanence le bon fonctionnement. Des économies de combustibles de 15 a 20 Z repre- sentent la majorité des cas. Toute application de cette methode nécessite également une étude detaillee de l'installation et des échanges calorifiques. Il s'ensuivra éventuellement des modifications sur les pressions d'utilisations, sur le choix des purgeurs, toutes ces améliorations tendant à rendre l'installation plus performante. Les avantages inhérents aux procedé et installation selon l'invention peuvent s'exprimer, en outre, par les résultats suivants Si l'on reprend l'exemple de la chaudière produisent 1000 Kg/heure de vapeur a 10 bars et Pi l'on supposc qu'elle contionne 2000 heures par an : Dans un cas, les pertes sont de 99 115 Kg (ou 99,115 Thermies) et, dans l'autre cas, de 21 100 Kg (ou 21;100 Thermies) pour la meme quantite d'énergie utilisée (478 300 Kc). On économise donc avec la méthode de l'échangeur 99,115 - 21,100 = 78,015 Thermies à l'heure. En 2000 heures, on economise : 78 Th. x 2 000 = 156 000 Th./an. Si l'on admet, compte tenu du rendement de la chaudière, qu'un Kg de fuel fournit 8,5 Thermies utiles, on économise par an : 156000 8 x 500 = 18 353 Kg En fuel domestique, l'économie annuelle se situe autour de : Frs 13.000,00. Or, le coût de l'installation de l'échangeur devant se situer entre 15 000 Frs et 20 000 Frs, donc, à priori, le coût de l'installation s'amortit dans un laps de temps de 1 à 2 ans, simplement sur l'énergie récupérée directement. Il y aurait lieu de chiffrer, en outre > les autres avantages. En particulier, la possibilité de calorifuger les condensats et 1a bâche représente un avantage appreciable supplémentaire, car, pour une installation courante, l'économie se situe entre 2 à 5 Z de combustible. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits, pour lesquels on pourra prévoir d'autres variantes et d'autres moyens sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS Installation pour la production de vapeur a usage domestique ou industriel, du type comportant une chaudiere productrice de vapeur (1) reliée a au moins un poste d'utilisation (2) lui-même en liaison avec une bâche (5) comprenant un régulateur de niveau d'eau (7) et une arrive d'eau d'appoint ainsi qu'un évent (6) de mise a l'atmosphère, cette bâche étant raccordée à'la chaudière par un conduit (8) sur lequel est prévue une pompe d'alimentation, installation caractérisée par des moyens d'échange thermique (13, 14, 16) insérés entre la chaudière (I) et la pompe d'alimentation (9), des moyens de réglage pour maintenir une pression maximum dans le circuit des condensats et des moyens de contrôle pour maintenir dans la bâche une température constante. 20/- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens d'echange thermique sont constitués d'un échangeur de chaleur a double circuit a contre-courant dont le primaire (14) est relié, d'une part, au conduit des condensats (4) provenant du poste d'utilisation (2), et, d'autre part, à la bâche (5), le secondaire (16) étant relié, d'une part, a la bâche (5) par le conduit (8) portant la pompe d'alimentation de la chaudière et, d'autre part, a ladite chaudière. 3 l- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réglage permettant de maintenir une pression maximum dans le circuit des condensats sont constitués par au moins un détendeur situe à la sottie de l'echangeur de chaleur. 40/- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de cotrôle de la bâche sont constitués par une sonde (17) réagissant sur une vanne thermostatique (18) piquée sur le conduit (15) reliant le primaire de l'échangeur a la bache, cette vanne étant mise a l'évacuation par une conduite de dérivation (19). 50/-Installation selon l'une quelconque des revendications I a 4, caractérisée en ce que, dans le cas ou le circuit des condensats comporte un ou plusieurs purgeurs (10), un compteur dreau (25) est branche sur la conduite de derivation (19) mise a l'évacuation pour contrôler le bon fonctionnement des purgeurs par comparaison de la quantité d'eau rejetée et de la quantité d'eau d'appoint. 6"/- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le circuit des condensats et la bâche sont calorifugés. 70/- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux echangeurs de chaleur (21,23), branchés en séries, et reliés respectivement à deux postes (A-B) d'utilisation de vapeur à des pressions differentes.