Brevet FR2428222A1 — publié le 19800104

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour transférer de la chaleur à l'installation de distribution d'eau ou de chauffage d'un immeuble. Dans de nombreux domaines pour le refroidissement d'appareils ou d'installations, tels que réfrigérateurs ou pour le chauffage, par exemple le chauffage d'immeubles au moyen d'énergie solaire ou terrestre, on utilise des dispositifs caloporteur ou tuyaux à chaleur. Les tuyaux à chaleur sont conçus comme des systèmes à circulation fermée dans lesquels la chaleur est transportée de façon continue par un milieu caloporteur volatil d'une zone de vaporisation, à une zone de condensation, dans le système. I1 existe diverses variantes d'un tel système, qui comportent ou non des tubes capillaires pour le transport du condensat. Si on utilise un milieu de transfert thermique approprie, le transport de chaleur s'effectue très rapidement et de grandes quantités de chaleur peuvent ainsi dtre transportées dans des temps relativement courts.Le Fréon, l'ammoniac et d'autres substances volatiles sont couramment utilisées comme milieux caloporteurs. Un tuyau à chaleur présente également sur les échangeurs thermiques ordinaires l'avantage essentiel de ne transporter la chaleur que dans un seul sens, c'est-à-dire de la zone de vaporisation dans la zone de condensation. Si le milieu dans la zone de condensation a une température plus élevée que le milieu dans la zone de vaporisation, la circulation du milieu caloporteur cesse. La présente invention, qui utilise selon la technique connue un système de tuyaux à chaleur comme moyens de transport pour transférer de la chaleur au moyen d'un milieu caloporteur circulant dans le système, vise une application particulière,à savoir l'exploitation des grandes quantités de chaleur qui se gaspillent dans l'eau chaude usée. C'est aihsi que l'eau usée provenant d'immeubles d'habitation est généralement beaucoup plus chaude que l'eau qui arrive à ces immeubles.Les grandes quantités d'eau de bain à 350C environ, d'eau de lave-vaisselle à 500C ou plus et d'eau de machines à laver à 80C utilisées représentent entre autres une énorme quantité de chaleur gaspillée dans les égouts. 3n des temps où le coft de l'énergie va croissant, il est donc souhaitable de tirer parti de telles quantités d'eau usées par un procédé et un dispositif simple et peu onéreux. L'invention s'applique également à certains types d'industrie, par exemple celles qui utilisent de l'eau pour refroidir les machines ou pour divers traitements. L'invention a pour but un procédé et un dispositif simples, efficaces et générateurs d'économies0 L'invention a pour objet un procédé pour transférer de la chaleur à l'installation d'eau ou de chauffage d'un immeuble au moyen d'un milieu caloporteur circulant dans un système fermé de tuyaux à chaleur entre une zone de vaporisation et une zone de condensation située plus haut que la zone de vaporisation, ce procédé consistant à vaporiser le milieu caloporteur dans la zone de vaporisation, à le transporter en phase vapeur de cette zone dans la zone de condensation, à le condenser dans la zone de condensation pendant l'émission de chaleur en vue du transfert thermique et le renvoyer en phase liquide au lieu de vaporisation.Le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'on fait passer le long de la zone de vaporisation de l'eau chaude usée qui émet de la chaleur pour la vaporisation du milieu caloporteur. Dans certaines applications il peut dtre souhaitable de prolonger l'action de l'eau usée pour augmenter la vaporisation et donc l'efficacité du transfert thermique. A det effet, suivant un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, on fait s'écouler l'eau chaude usée le long de deux zones de vaporisation séparées adjacentes de deux systèmes de tuyaux à chaleur. Dans ce cas, il est souvent avantageux que le milieu caloporteur vaporisé provenant des deux zones de vaporisation s'écoule vers une zone de condensation commune aux deux systèmes de tuyaux à chaleur. Selon l'invention, on utilise avantageusement comme milieu caloporteur de l'eau distillée dont la chaleur de vaporisation est élevée et de même ordre que le Fréon et l'ammoniac. L'eau distillée est en outre bon marché et avantageuse du point de vue de la corrosion et de l'environnement. Dans certaines applications de l'invention où les eaux usées ont des températures allant jusqu'à 10V C, comme dans certaines industries de traitement, on utilise avantageusement comme milieu caloporteur de l'eau distillée ayant une pression inférieure à 100 millibars, cette pression de vapeur correspondant à un point d'ébullition de liteau de 460C, Pour les immeubles d'habitation, avec de l'eau usée provenant par exemple de lave-vaisselle et de machines à laver, à une température de 500C ou plus, le milieu caloporteur est avantageusement de l'eau distillée ayant une pression inférieure à 30 millibars, ce qui correspond à un point d'ébullition de 240C et permet de transférer la chaleur de l'eau usée en un temps relativement court. Lorsqu'on utilise de l'eau usée ayant une température plus basse, on doit choisir une pression de vapeur inférieure à 20 millibars, ce qui correspond à un point d'ébullition de 18 C, et mieux une pression égale à 10 millibars, ce qui correspond à un point d'ébullition de 7 Co L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. D'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et à 11 examen des dessins annexés qui représentent à titre d'exemples non limitatifs plusieurs modes de réalisation de l'invention. Les figures 1, 2 et 3 sont des vues schématiques de trois modes de réalisation du dispositif de transfert thermique suivant l'invention. La figure 1 représente un récipient 1 qui comprend un orifice d'entrée (flèche b) et un orifice de sortie (flèche B), un système de tuyaux à chaleur 2, 4, 5, 6, 8 et un récipient 7 qui comprend un orifice d'entrée (flèche C) et un orifice de sortie ( flèche D). Le récipient 1 est agencé pour le passage de l'eau chaude usée d'un immeuble et il peut par exemple etre disposé sur le conduit des eaux usées en provenance des lave-vaisselles machines à laver, salles de bains, etc... Dans les immeubles d'habitation plus anciens, il est quelquefois difficile de se brancher sur un tel conduit, sauf à des emplacements précis comme la sortie d'une machine à laver. Quand on conçoit de nouveaux immeubles, l'eau chaude usée doit donc être évacuée par un conduit séparé vers le récipient de l'invention et non pas mélangée avec 1' eau froide usée comme celle des lieux d'aisance. Les dimensions du récipient 1 doivent titre telles qu'une quantité renouvelée d'eau usée séjourne dans le récipient pendant au moins quelques minutes ,de préférence de 5 à 10 minu tes. Dans une villa, un récipient de 20 litres est suffisant pour transférer la chaleur de l'eau usée provenant d'un lavevaisselle et d'une machine à laver ordinaire. Si on doit utiliser de plus grandes quantités d'eau usée, provenant de salles de bain par exemple, un récipient de 50 litres est nécessaire. Une baignoire a une contenance d'environ 200 à 300 litres. L'eau usée arrive dans le récipient 1 de préférence par le haut, comme indiqué par la flèche A. En donnant au récipient une section circulaire et en faisant déboucher l'orifice d'entrée tangentiellement on évite la formation de dépôts de boue dans le fond du récipient L'orifice de sortie (flèche B), se trouve de préférence au fond du récipient. La partie du système fermé de tuyaux à chaleur absorbant la chaleur de l'eau usée, ou zone de vaporisation, est disposée à l'intérieur du récipient 1. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le récipient comporte des parois latérales doubles. L'espace 2 compris entre les parois latérales est la zone de vaporisation et contient un liquide ayant de préférence une pression négative.Comme il ressort de la figure 1, l'espace ou colonne 2 pour le liquide communique avec un espace 4 délimité par la configuration à double paroi de la face supérieure du récipient 1. L'espace 4 est destiné au liquide vaporisé au-dessus du niveau du liquide dans l'espace 2. Le récipient 1 comporte en outre une paroi extérieure 3 qui peut servir d'isolation. La vapeur créée dans la zone de vaporisation est acheminée par un tuyau 5 dans une zone de condensation 6 où elle se condense en émettant de la chaleur.Cette zone peut se présenter avantageusement sous la forme d d'un échangeur thermique constitué par un serpentin, comme représenté, ou par un tube à ailettes. Un tuyau de retour 8 renvoie le condensat à la zone de vaporisation. DU fait que le tuyau 8 renvoie le condensat dans la partie inférieure de la zone de vaporisation 2 et que la vapeur s'échappe par le haut de la zone de vaporisation, la circulation s'effectue automatiquement dans le sens indiqué à l'intérieur du système fermé de tuyaux à chaleur 2, 4, 5, 6, 8. Le récipient 7, dont le contenu doit Btre chauffé, peut par exemple être un chauffe-eau comportant un orifice d'entrée inférieur (flèche C), et un orifice d'entrée supérieur (flèche D). En variante, le récipient 7 peut être inclus dans un système quelconque pour le chauffage de l'immeuble. I1 ressort de ce qui précède qu'il est nécessaire que la zone de condensation ait une température plus basse que la zone de vaporisation pour créer une circulation dans le système de tuyaux à chaleur. La zone de condensation 6 est donc située dans le récipient 7 de préférence su voisinage de 11 orifice d'entrée C au fond du récipient, où se trouve l'eau la plus froide. Le récipient 7 peut également être aménagé avec une antichambre pour l'eau froide, la zone de condensation se trouvant dans cette antichambre. Le procédé pour fabriquer le système fermé de tuyaux à chaleur est le suivant. On fait le vide dans le système pour abaisser la pression de façon qu'après introduction du milieu caloporteur la pression de la vapeur prédéterminée pour le système soit obtenue à température ambiante, c'est-à-dire à 200C environ. C'est ainsi que les pressions indiquées dans la présente description et revendications sont les pressions de vapeur du milieu caloporteur choisi à 200 C. Lorsque le système de tuyaux à chaleur fonctionne à d'autres températures, la pression de vapeur change dans le système. 'eau distillée sert avantageusement de milieu caloporteur dans le dispositif de l'invention. Dans certaines applications où l'eau usée atteint des températures voisines de 1000C, comme dans certaines industries de traitement,le milieu caloporteur est de l'eau distillée ayant une pression inférieure à 100 millibars, ce qui correspond à un point d'ébullition de 460 C. Dans les immeubles d'habitation où le récipient 1 est seulement relié au conduit d'évacuation des lave-vaisselle et des machines à laver, une pression de vapeur inférieure à 30 millibars est nécessaire pour permettre une émission de chaleur à partir de liteau usée en un temps relativement court. Quand les maisons d'habitation et conduits d'évacuation d'eaux usées reliés à ce récipient ont une température moyenne inférieure, la pression de vapeur doit être inférieure à 20 millibars, ce qui correspond à un point d'ébullition de 18 C, et mieux elle doit être d'environ 10 millibars, ce qui correspond à un point d'ébullition de 7 C. L'eau distillée est un milieu caloporteur avantageux à divers points de vue. Elle a une chaleur de vaporisation élevée, environ du même ordre de grandeur que le Fréon et l'ammoniacs Elle est bon marché et avantageuse du point de vue environnement. En outre, l'emploi d'eau distillée offre l'avantage d'éviter en grande partie la corrosion interne du système de tuyaux à chaleur.Lorsque les tuyaux à chaleur sont en métal, qui est le matériau le plus couramment utilisé, il est néanmoins avantageux d'ajouter une faible quantité d'un agent anti-corrosion tel que du glycol. I1 peut également autre avantageux que le mélange ait un pouvoir anti-gel, ce qui est le cas du glycol. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Les éléments correspondants des figures 1 et 2 portent les mêmes références Dans le mode de réalisation de la figure 2, la zone de vaporisation est constituée par un serpentin 11 qui est disposé dans un récipient 10. La zone de vaporisation peut en variante être constituée par un tube à ailettes ou autre dispositif connu d'échange thermique. Le mode de fonctionnement du dispositif de la figure 2 est essentiellement le mdme que celui du dispositif de la figure 1. Le rendement du système de tuyaux à chaleur tel que décrit ci-dessus est d'environ 5046. On peut augmenter ce rendement en doublant le système dans un dispositif tel que celui représenté sur la figure 3. Dans le mode de réalisation de la figure 3, 11 eau usée est acheminée dans un premier récipient 12, sur la zone de vaporisation 14 du premier système de tuyaux à chaleur où 11 eau usée émet la majeure partie de sa chaleur, puis elle s'écoule dans un deuxième récipient 13 sur la zone de vaporisation du deuxième système de tuyaux à chaleur pour l'émission de sa chaleur résiduelle. Dans ce mode de réalisation, il peut être souhaitable que le système de tuyaux à chaleur relié au premier récipient 12 fonctionne avec une pression de vapeur plus élevée, (environ 25 millibars) que le système relié au deuxième récipient (environ 10 millibars). Le temps de séjour total dans les deux récipients est plus long que dans les modes de ialisation utilisant un seul récipient. Les zones de condensation 15 et 17 des deux systèmes peuvent par exemple être disposées, comme représenté, dans un seul récipient 7 qui peut être un chauffe-eau. Four que le milieu caloporteur puisse se condenser, la zone de condensation 15 du premier système doit entre disposée au-dessus de la zone de condensation 17 du deuxième système. Un gradient de température est donc supposé exister dans le chauffe-eau 7. Un système caloporteur selon ce dernier mode de réalisation donne un rendement allant jusqu'à 67%o Les récipients 12 et 13 comportant les zones de vaporisation 14 et 16 respectivement constituées par des serpentins ou des tubes à ailettes peuvent en variante être du type représenté sur la figure 1. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela du cadre de l'invention. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de transfert de chaleur à l'installation d'eau ou de chauffage d'un immeuble au moyen d'un milieu caloporteur circulant dans un système fermé de tuyaux à chaleur entre une zone de vaporisation et une zone de condensation, ledit procédé consistant à vaporiser le milieu caloporteur dans la zone de vaporisation et à l'envoyer en phase vapeur de ladite zone dans la zone de condensation, à le condenser dans la zone de condensation pendant l'émission de chaleur en vue du transfert thermique et à le renvoyer en phase liquide dans la zone de vaporisation, caractérisé en ce qu'on fait passer dans la zone de vaporisation de l'eau usée chauffée qui émet de la chaleur pour la vaporisation du milieu caloporteur. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait passer l'eau usée chauffée dans des zones de vaporisation séparées adjacentes d'au moins deux systèmes de tuyaux à chaleur. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait passer le milieu caloporteur vaporisé d'au moins les deux systèmes de tuyaux à chaleur dans une zone de condensation commune auxdits systèmes. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu caloporteur utilisé est de l'eau distillée ayant une pression inférieure à 100 millibars. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu caloporteur utilisé est de l'eau distillée ayant une pression inférieure à 30 millibars. 6.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un système fermé de tuyaux à chaleur dans lequel circule un milieu caloporteur, ledit système comprenant une zone de condensation disposée dans un récipient ou analogue, dans laquelle le milieu caloporteur arrive en phase vapeur et dans laquelle il se condense pendant l'émission de chaleur pour ledit transfert thermique à un milieu présent dans le récipient, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'au moins un récipient (1, 10, 12, 13) ou analogue pour la vaporisation du milieu caloporteur est disposé à une certaine distance du récipient de condensation (7), ledit récipient de vaporisation contenant la zone de vaporisation (2, 4, 11, 14, 16) du système de tuyaux à chaleur et comportant un orifice d'entrée (A) et un orifice de sortie (B) pour l'écou- lement de l'eau usée chauffée, dans ledit récipient pour la vaporisation du milieu caloporteur dans ladite zone de vaporisation (2, 4, 11, 14, 16). 7.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la zone de vaporisation (2,4) comprend une colonne de liquide (2) et en ce que l'eau usée chauffée s'écoule le long de ladite colonne. 8.- Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le récipient de vaporisation (1) a des parois latérales doubles et en ce que la colonne de liquide précitée (2) est entourée par lesdites parois latérales. 9.- Dispositif suivant la revendication 7, ou la revendication 8, caractérisé en ce qu'en plus de la colonne de liquide (2) la zone de vaporisation (2,4) comprend un espace (4) pour le liquide vaporisé au-dessus de ladite colonne de liquide 10.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'une au moins des zones de condensation (6, 15, 17) et de vaporisation (11, 14, 16) est constituée par un serpentin. 11.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'une au moins des zones de condensation et de vaporisation est constituée par un tube à ailettes. 12.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que deux récipients de vaporisation (12, 13) sont disposés à la suite l'une de l'autre dans le sens d'écoulement de l'eau usée, lesdits récipients contenant chacun une zone de vaporisation (14, 16) de deux systèmes séparés de tuyaux à chaleur. 13.- Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les zones de condensation (15, 17) des-deux systèmes de tuyaux à chaleur sont contenues dans un seul et même récipient de condensation (7), la zone de condensation (15) du système de tuyaux à chaleur qui a sa zone de vaporisation (14) contenue dans le premier récipient de vaporisation (12) dans le sens d'écoulement de l'eau usée, étant disposée au-dessus de la zone de condensation (17) du deuxième système de tuyaux à chaleur.