Brevet FR2468851A1 — publié le 19810508

2468851i La présente invention concerne un procédé pour chauffer de l'eau utilisée dans un appareil relié à un circuit d'eay domestique, comprenant une conduite d'ali- mentation prévue pour fournir l'eau à une température prédéterminée et sensiblement constante audit appareil, et une conduite d'évacuation pour évacuer l'eau de l'appareil. L'eau est chauffée en utilisant à la fois l'énergie thermique récupérée de l'eau évacuée de l'appareil o elle a été utilisée, et une petite quantité d'énergie fournie par une source d'énergie extérieure. L'invention concerne également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé, ce dispositif étant très simple et très sûr, et présentant des dimensions d'ensemble très réduites. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une première étape au cours de laquelle une première quantité de chaleur extraite de l'eau passant par une pre- mière partie de la conduite d'évacuation est transférée à l'eau qui passe par une première partie de la conduite d'alimentation, cette première étape étant effectuée au moyen d'un premier échangeur de chaleur traversé par l'eau provenant desdites conduites d'alimentation et d'évacuation, et une seconde étape au cours de laquelle une seconde quan- tité de chaleur provenant d'un fluide traversant le condenseur d'une pompe à chaleur est transférée à l'eau qui passe par une seconde partie de la conduite d'alimentation qui est à l'aval de la première partie, cette seconde étape étant réalisée au moyen d'un second échangeur de chaleur traversé par l'eau de la conduite d'alimentation et par le fluide, cette seconde quantité de chaleur étant en partie fournie par le travail de compression du compresseur de la pompe à chaleur,et en partie par une autre quantité de chaleur transmise à l'évaporateur de la pompe à chaleur par l'eau passant par une seconde partie de la conduite d'évacuation, à l'aval de la première partie, le transfert de cette quantité supplémentaire de chaleur étant effectué au moyen d'un troisième échangeur de chaleur traversé par l'eau de la conduite d'évacuation et par ledit fluide. Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un premier échangeur de chaleur traversé par l'eau des conduites d'alimentation et d'évacuation et disposé de manière à transférer à l'eau passant par une première partie de la conduite d'alimentation une première quantité de chaleur extraite de l'eau passant par une première partie de la conduite d'évacuation, un second échangeur de chaleur dans lequel passe l'eau de la conduite d'alimentation et qui est traversé par le condenseur d'une pompe de chaleur et est disposé de manière à transférer à l'eau passant par une seconde partie de la conduite d'ali- mentation, située à l'aval de la première partie, une seconde quantité de chaleur fournie par un fluide traversant le condenseur, et un troisième échangeur de chaleur par lequel passe l'eau de la conduite d'évacuation, et qui est traversé par l'évaporateur de la pompe de chaleur et disposé de manière à transférer au fluide passant par l'évaporateur une quantité de chaleur extraite de l.'eau passant par une seconde partie de la conduite d'évacuation à l'aval de la première partie. Le procédé et le dispositif de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée donnée ci-dessous à titre d'exemple d'une forme de réalisation, avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention; - les figures 2 et 3 sont des schémas représentant le courant énergétique passant par les divers composants du dispositif; - la figure 4 est un schéma montrant comment le rendement du procédé varie en fonction de diverses condi- tions de fonctionnement obtenues en modifiant la valeur d'un paramètre du dispositif. Avant de décrire les diverses étapes du procédé de l'invention, on examinera un mode de réalisation du dispo- sitif destiné à mettre en oeuvre ce procédé et représenté sur la figure 1. Un appareil utilisant continuellement un courant d'eau chaude et l'évacuant ensuite de façon continue, indiqué par U sur la figure 1, et d'un type quelconque tel qu'une cuve à laver, une machine à laver la vaisselle, une machine à 24A8851 laver le linge, une douche ou analogue, est relié au circuit d'eau domestique. Ce circuit comprend une première conduite d'alimentation indiquée par A pour amener l'eau chaude à l'appareil U par l'intermédiaire d'un robinet R à partir d'une source d'eau (non représentée) telle que la conduite normale d'eau potable. L'eau qui pénètre dans la conduite d'alimentation A à la température d'alimentation normale est chauffée à la manière décrite ci-après à mesure qu'elle circule le long de la conduite, et elle est fournie à une température d'utilisation prédéterminée à l'appareil U. Le circuit comprend également une conduite d'évacuation indiquée en B et destinée à envoyer à l'égout l'eau utilisée dans l'appareil U. De manière appropriée, une troisième conduite A' du circuit fournit de l'eau froide à l'appareil U à partir du réseau d'alimentation. Le dispositif de l'invention comprend un premier échangeur de chaleur S relié à une première partie A1 de la conduite d'alimentation A et une première partie B de la conduite d'évacuation B. Cet échangeur de chaleur, du type eau-eau, est prévu pour transférer une première quantité de chaleur Q1 de l'eau qui passe dans la première partie B1 de la conduite d'évacuation B à l'eau qui passe dans la première partie A1 de la conduite d'alimentation A. Avanta- geusement, les deux courants d'eau qui passent dans les- parties A1 et B1 s'écoulent à contre-courant comme le montre la figure 1. L'installation comprend également un second échangeur de chaleur S2 relié à une seconde partie A2 de la conduite d'alimentation A, située à l'aval de la conduite précédente Ai. Cet échangeur de chaleur comprend le condenseur C d'une pompe à chaleur indiquée dans son ensemble par P et comprenant en plus dudit condenseur un évaporateur E et un compresseur à gaz W, reliés en série les uns aux autres de manière connue et comme représenté sur la figure 1, pour former un circuit fermé L par lequel un fluide réfrigérant approprié tel qu'un gaz de fréon circule dans la direction de la flèche. L'échangeur de chaleur S2 est ainsi traversé par l'eau qui passe par la seconde partie A2 de la conduite d'alimen- 4 2468851 tation A, et par le fluide réfrigérant qui passe par le condenseur C, et il transfert donc une seconde quantité de chaleur Q2 en l'extrayant du fluide lui-même. Avanta- geusement, l'eau et le fluide réfrigérant s'écoulent à contre-courant, comme le montre la figure 1. L'installation comprend-enfin un troisième échangeur de chaleur S3 relié à une seconde partie B2 de la conduite d'évacuation B (située à l'aval de la conduite précédente B1) et qui comprend l'évaporateur-E de la pompe de chaleur P. L'échangeur de chaleur S est ainsi traversé par l'eau qui passe par la seconde partie B2 de la conduite d'évacua- tion B et par le fluide réfrigérant qui passe par l'évapora- teur E, et transfert ainsi audit fluide une troisième quan- tité de chaleur indiquée par Q3. Si le fluide utilisé dans le circuit de la pompe de chaleur P est un gaz, par exemple du fréon, qui peut être comprimé par le compresseur W jusqu'à ce qu'il se liquéfie, ce fluide est respectivement à l'état liquide et à l'état gazeux dans le condenseur C et dans l'évaporateur E. Les échangeurs de chaleur S2 et S3 peuvent donc être de tout type approprié pour déterminer, dans chacun des deux cas, un transfert efficace de chaleur entre le fluide hydraulique se trouvant dans l'un des deux états et l'eau passant par les échangeurs de chaleur. Selon le procédé de l'invention, qui est mis en oeuvre en utilisant l'installation décrite, l'eau qui passe de façon continue dans la conduite d'alimentation A du circuit peut être chauffée à une température d'utilisation prédé- terminée T2. On supposera que l'eau envoyée dans l'appareil U à la température T2 est évacuée de l'appareil à la température To d'alimentation T1 à une température plus élevée T'1. Dans la seconde partie A2 située à l'intérieur de l'échangeur de chaleur S2P l'eau qui passe par la conduite d'alimentation A est soumise à un second chauffage qui la fait passer de la température T'1 à la température T2- Ce résultat est obtenu par la quantité de chaleur Q2 qui est transférée à l'eau à l'intérieur de l'échangeur de chaleur par le fluide réfrigérant qui traverse le condenseur. Cette quantité de chaleur dépend évidemment des caractéristiques de la pompe de chaleur P. La quantité de chaleur Q2 ainsi transférée est repré- sentée par la quantité que la pompe de chaleur P rend dis- ponible pour le condenseur C, et qui est préalablement four- nie au fluide réfrigérant par la quantité de bhaleur Q3 comme conséquence de l'échange de chaleur ayant lieu dans l'échangeur de chaleur S3, et par le travail de compression W s'effectuant à l'intérieur du compresseur W. Sous ce rapport, une pompe de chaleur peut fournir à un niveau thermique plus élevé (au niveau du condenseur C) une quantité de chaleur (Q2) égale à la somme de celle qui est fournie à un niveau thermique plus faible à l'évaporateur E (Q3) et à celle correspondant au travail de compression W effectué par le compresseur W. La quantité de chaleur Q3 est fournie au fluide de l'évaporateur E par un simple transfert de chaleur à l'in- térieur de l'échangeur de chaleur S3, en l'extrayant de l'eau d'évacuation qui passe par la seconde partie B2 de la conduite d'évacuation B. L'eau d'évacuation qui quitte l'échangeur de chaleur S3 a donc une température T3 infé- rieure à la température T régnant dans l'échangeur de chaleur lui-même, soit T'.. Comme cela apparaîtra clairement ci- après, la température T3 peut être plus élevée, plus faible ou égale à la température Ti de l'alimentation principale lorsque les conditions de fonctionnement du dispositif varient. L'opération décrite peut être suivie sur les schémas des figures 2 et 3 qui montrent les courants d'énergie ther- mique existants dans le bilan thermique de l'appareil. Les deux schémas, qui indiquent les valeurs numériques des pourcentages de chacun des courants composants, concerne deux conditions différentes du dispositif qui sont obtenues en reliant deux échangeurs de chaleur différents S1 au dispositif.-On sait que le rendement du transfert de chaleur qui a lieu dans l'échangeur de chaleur dépend du facteur de récupération R, défini comme étant le rapport entre la puissance thermique transmise par l'échangeur de chaleur- et la puissance thermique disponible. Dans le cas de l'échangeur de chaleur Si, lorsque le transfert de chaleur a lieu entre fluides de même type (eau), on a alors T'1 - T1 R = x T - T o 1 Les deux schémas des figures 2 et 3 ont été obtenus par des calculs thermiques en supposant que les échangeurs de chaleur S1 ayant respectivement un facteur de récupération Rx de 0,35 et de 0,80 ont été reliés au dispositif (ces valeurs pouvant être considérées comme deux cas limites pour des échangeurs de chaleur pouvant être appliqués au dispositif de l'invention), et supposant que les températures de base sont les suivantes: T1 = 150C; T2 = 40C; T( = 380C. Il a également été supposé qu'une perte d'énergie ther- mique Qp a lieu à l'intérieur de l'appareil U et est égale à 8% de celle qui est disponible à la sortie du robinet R de la conduite d'alimentation, ceci étant indiqué par Qu Ces suppositions ayant été faites, on a obtenu les courants thermiques représentés sur les schémas des figures 2 et 3, et desquels il ressort que de l'énergie thermique disponible au point d'utilisation Qu' une fraction QO est dissipée dans l'appareil, et le reste Qu - QO est transféré au dispositif de l'invention. L'énergie thermique A1 est d'abord récupérée dans l'échangeur de chaleur S1, ceci constituant une proportion de l'énergie disponible Qu qui dépend naturellement du facteur de récupération Rx de l'échangeur de chaleur. Quand Rx augmente, l'énergie thermique Q1 transférée par un simple transfert de chaleur augmente également. L'eau qui pénètre dans l'échangeur de chaleur S3 comprend toujours une énergie thermique résiduelle de Qu Qp - Q1, si on suppose que la température d'évacuation 7 2458851 de l'eau T3 est égale à la température d'alimentation T1 de l'eau d'alimentation du réseau. Si ce n'est pas le cas, comme le montre la figure 2 o T3 qu'une quantité d'énergie Qsr pénètre dans le courant d'éner- gie transmis par l'échangeur de chaleur S3, cette quantité d'énergie étant égale à la chaleur provenant du sous- refroidissement de l'eau au niveau de l'évacuation à une température T3 inférieure à T i Si la condition représentée sur la figure 3 se réalise, condition dans laquelle T3 > T1, on doit supposer que la quantité totale d'énergie disponible dans l'eau d'évacuation n'est pas utilisée, et qu'il y a donc une perte d'énergie correspondante Q'p dans l'échangeur de chaleur S3, ceci déterminant une réduction correspon- dante du courant d'énergie transmis par l'échangeur. Dans les deux cas, l'énergie indiquée par W et-due au travail de compression effectué dans le compresseur W est insérée dans le courant d'énergie thermique à l'aval de l'échangeur de chaleur S3. Un courant d'énergie égal à Q3 + W = Q2 est transmis à l'eau dans l'échangeur de chaleur S. Comme on peut le voir sur les schémas des figures 2 et 3, l'énergie qui a été fournie au dispositif de l'inven- tion pour maintenir la température d'utilisation de l'eau T2 constante est simplement donnée par la somme W + Qsr = Qp (cas de la figure 2), ou par la différence W - Q'p = Qp (cas de la figure 3). Du fait que cette somme et cette diffé- rence sont toujours égales à la perte d'énergie Q pdans l'appareil U et dans les tuyauteries, seule l'énergie dispersée dans l'appareil doit être fournie au système. Du fait de la faible valeur des énergies Qsr et Q' p, on peut également conclure avec une bonne approximation que l'énergie à fournir mécaniquement au système (W) est égale simplement à celle qui est dissipée dans l'appareil utilisateur (Q p). Les valeurs de Q sr, Qp et W dépendent aussi bien des valeurs des paramètres définis précédemment que du facteur de rendement de la pompe W, ce facteur étant habituellement indiqué par COP et défini comme étant COP = Q2 w Le tableau I indique les valeurs de certains des paramètres définis cidessus, obtenus pour diverses valeurs du facteur de récupération R - -x TABLEAU I R Tl' Ti T COP Q os Q E - x o 1 3.s p 1 __ (Oc) (OC) (Oc) % % % % % 0.80 19.60 33.4 13.99 6.618 8 4.0 - 73.6 3.98 25.12 0.65 23.05 29.95 14.48 6.745 8 2.0 - 59.8 5.96 16.78 0.50 26.5 26.5 14.96 6.875 8 0.1 - 46 7.90 12.66 0.35 29.95 23.0 15.42 7.003 8 - 1.61 32.2 9.68 10.33 La figure 4 représente un diagramme (courbe E) repré- sentant la variation du rendement du procédé, défini sous la forme E = W, c'est.-à-dire le rapport entre l'énergie disponible et celle fournie au dispositif pour entraîner le compresseur W de la pompe P, lorsque le facteur de récu- pération R varie. La même figure montre une famille de x courbes (courbes G1) qui permettent d'obtenir la puissance P nécessaire pour entraîner le compresseur W pour diverses quantités de fluide à déterminer (échelle de droite). Comme on peut le voir à l'examen de la courbe E, quand le facteur de récupération R de l'échangeur de x chaleur S1 augmente, le rendement E augmente. Ceci est déjà satisfaisant même pour de faibles valeurs de R (E = 10 x pour Rx = 0,35) mais elle devient très importante pour des valeurs plus élevées de Rx (E = 25 pour Rx = 0,80). Pour chaque valeur de rendement E, la courbe G1 indique la puissance P nécessaire pour une production prédéterminée. A partir de ces résultats, on peut voir qu'avec le procédé de l'invention, il est possible de récupérer une quantité prédéterminée d'énergie de l'eau évacuée de l'appareil U en fournissant une quantité d'énergie externe égale seulement à une faible fraction de l'énergie elle- même (cette fraction étant de 1/10 et de 1/25 pour les deux cas limites indiqués). Grace au procédé de l'invention, il est donc possible de récupérer complètement l'énergie thermique contenue dans l'eau évacuée de l:appareil U et d'envoyer cette eau aux égouts à la température T3 qui est égale à la température du réseau d'alimentation TI ou différente de celle-ci. Cette récupération est possible au moyen d'un dispo- sitif très simple et donc très sur, dont les dimensions d'ensemble sont faibles, le dispositif pouvant être cons- truit sous forme d'un ensemble petit et compacte permettant d'être facilement monté sur l'appareil utilisateur ou à proximité de celui-ci. En outre, la puissance requise pour faire fonctionner le dispositif est également très faible, et elle ne corres- pond qu'à celle qui est nécessaire pour entraîner le moteur (de préférence électrique) qui entraîne le compresseur W. Ces résultats favorables, en particulier les faibles dimensions d'ensemble et la faible puissance nécessaire, viennent du fait que deux étapes successives sont prévues pour transférer l'énergie thermique à l'eau qui passe par la conduite d'alimentation A, ces étapes étant respectivement mises en oeuvre par les échangeurs de chaleur S1 et S2. Ainsi, seule la fraction Q2/Qu de l'énergie disponible Qu est produite en utilisant une pompe à chaleur. Ainsi, quand cette pompe ne doit transférer qu'une faible quantité d'énergie thermique d'un premier niveau thermique à un second, elle n'exige qu'un compresseur et un moteur de faibles dimensions, et le résultat conduit à un dispositif ayant des dimensions d'ensemble très faibles. Un petit récipient M peut être avantageusement relié à la conduite A à l'aval de l'échangeur de chaleur S2 pour faire fonction d'accumulateur thermique sur cette conduite, ou en variante le condenseur C lui-même peut remplir cette fonction. REVENDICATIONS 1. Procédé pour chauffer de l'eau utilisée dans un appareil relié à un circuit d'eau domestique, comprenant une conduite d'alimentation prévue pour fournir l'eau à une température prédéterminée et sensiblement constante audit appareil, et une conduite d'évacuation pour faire évacuer l'eau de l'appareil, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape au cours de laquelle une pre- mière quantité de chaleur extraite de l'eau passant par une première partie de la conduite d'évacuation est transférée à l'eau qui passe par une première partie de la conduite d'alimentation, cette première étape étant réalisée au moyen d'un premier échangeur de chaleur traversé par l'eau provenant desdites conduites d'alimentation et d'évacuation, et une seconde étape au cours de laquelle une seconde quantité de chaleur provenant d'un fluide traversant le condenseur d'une pompe à chaleur est transférée à l'eau qui passe par une seconde partie de la conduite d'alimen- tation qui est à l'aval de la première partie, cette seconde étape étant réalisée au moyen d'un second échangeur de chaleur traversé par l'eau de la conduite d'alimentation et par le fluide, cette seconde quantité de chaleur étant en partie fournie par le travail de compression du compresseur de la pompe à chaleur, et en partie par une autre quantité de chaleur transmise à l'évaporateur de la conduite d'évacuation, à l'aval de la première partie, le transfert de cette quantité supplémentaire de chaleur étant réalisé au moyen d'un troisième échangeur de chaleur traversé par l'eau de la conduite d'évacuation et par ledit fluide. 2. Dispositif pour chauffer de l'eau utilisée dans un appareil relié à un circuit d'eau domestique, comprenant une conduite d'alimentation destinée à alimenter de façon continue ledit appareil en eau chaude, et une conduite d'évacuation pour évacuer l'eau dudit appareil, caractérisé en ce qu'il comprend un premier échangeur de chaleur traversé par l'eau des conduites d'alimentation et d'évacuation et disposé de manière à transférer à l'eau passant par une première partie de la conduite d'alimentation une première quantité de chaleur extraite de l'eau passant par une première partie de la conduite d'évacuation, un second là échangeur de chaleur dans lequel passe l'eau de la conduite d'alimentation et qui est traversé par le condenseur d'une pompe à chaleur et est disposé de manière à transférer à l'eau passant par une seconde partie de la conduite d'ali- mentation, située à l'aval de la première partie, une se- conde quantité de chaleur fournie par un fluide traversant le condenseur, et un troisième échangeur de chaleur par lequel passe l'eau de la conduite d'évacuation, et qui est traversé par l'évaporateur de la pompe à chaleur et disposé de manière à transférer au fluide passant par l'évaporateur une quantité de chaleur extraite de l'eau passant par une seconde partie de la conduite d'évacuation à l'aval de la première partie.