Brevet FR2461207A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de production de chaleur par le phénomène physique de la vapeur d'eau. La vaporisation d'un liquide est généralement fournie par une source de chaleur. L'enthalpie ou chaleur de vaporisation est égale à la quantité de chaleur nécessaire à cette vaporisation et à la quantité de chaleur nécessaire à l'élèvation de la température d'eau à son point de vaporisation. Dans les conditions d'une pression atmosphèrique normale, les 30% environ de l'énergie utilisée pour ce changement de phase, sont destinés uniquement à créer le trou indispensable à cette dilatation et changement d'état et que les 70% de l'énergie sont réservés à ce changement d'état. Ces changements de phase sont opérés habituellement sous pression atmosphèrique normale. Les phénomènes qui peuvent procurer l'une des trois composantes: température, pression, volume, les unes par rapport aux autres, doivent être pris en compte. Jusqu 'à ce jour, le rôle et la fonction du générateur à vapeur ont toujours été dévolus à la recherche d'un travail pouvant être fourni et transformé en énergie mécanique et électrique. Pour obtenir un bon rendement, il était impératif d'utiliser de fortes pressions, donc de très hautes températures, et de ce fait, une importante consommation d'énergie chimique transformée 'après combustion, en énergie calorifique. Au cours de l'année 1764, un savant faisait part de l'obstacle scientifique majeur: "une faible quantité de vapeur, grâce à sa chaleur latente, peut élever une importante quantité d'eau jusqu'à sa température d'ébullition". Ce phénomène considéré à l'époque comme inconvénient majeur se trouve être à la base de notre procédé avec tous les avantages pouvant être procurés pour notre production calorifique. On connait le dispositif de production de vapeur basse pression émise par un collecteur solaire et comprimée pour élever sa température et sa pression au moyen d'un compresseur au fuel. Ce système ne comporte aucune homologie avec le nôtre. En effet, le procédé ne s'appuie que sur l'augmentation de la température et de la pression et qui plus est à l'aide d'un moteur diesel. En outre, les valeurs de température prises en compte par le capteur solaire sont tout à fait allèatoires du fait des inconvénients bien connus de faible rendement par mauvais temps ou en utilisation nocturne. I1 existe-egalement un dispositif permettant la récupération d'énergies non utilisables ou parasites et transformées en énergie mécanique ou calorifique, par le réchauffement de l'eau à 400 C environ. Quelques similitudes avec notre procédé puisque basse pression, mais ne tient compte que des valeurs températures et non de l'enthalpie, ce qui procure des résultats minimes. Un procédé utilisant les rejets thermiques à basse température, compressés par étapes successives, existe également. A chaque étape de compression, on désurchauffe la vapeur par injection d'eau et on effectue des soutirages d'eau et de vapeur. Ce procédé a l'inconvénient de rechercher à la fois l'énergie mécanique et calorifique par des étapes successives de compression. La présente découverte et le procédé basé sur l'évaporation de l'eau à 450 sous une pression atmosphèrique de 0,10 bar permettent de dégager par la chaleur latente de la vapeur produite, une source de chaleur dont la puissance calorifique élève une quantité importante d'eau à sa tempèrature d'ébullition. On remarque déjà les avantages considérables de l'application, si l'on considère que l'eau à 450 peut être généralement fournie par un capteur solaire, énergie gratuite et non polluante. De ce fait, le problème d'une production d'eau chaude réservée au chauffage et aux besoins domestiques avec simplement une infime consommation d'énergie électrique est résolu. On remarque également que la chaleur massique de l'eau connait son meilleur rendement à environ 400 puisqu'elle est de 0,9975 Kcal, alors qu'elle est de 1,0060 Kcal à 1000. Le procédé objet de la présente-invention, concerne une production de chaleur par la transformation d'un fluide à basse température sous faible pression, en chaleur latente vaporisation et enthalpie de la vapeur d'eau saturée utilisée pour réchauffer directement jusqu'à son point maximum d'ébullition,un fluide secondaire contenu dans un réservoir sous pression atmosphèrique normale. Une diminution de pression atmosphèrique a un effet déterminant sur la température de vaporisation de l'eau et fait remarquable, la chaleur de vaporisation augmente et atteint son maximum en même temps que les deux premières composantes baissent. D'après les essais effectués, le meilleur rendement calorifique est obtenu sous une basse pression, 0,10 bar, qui permet une évaporation à une température dteau de .450C en enrégistrant le maximum de chaleur latente de vaporisation 571 K cal. Ce phénomène physique de la chaleur de la vapeur d'eau ou enthalpie est d'une réelle importance Si l'on sait qu'une faible quantité de vapeur latente peut élever une importante quantité d'eau jusqu'à sa température d'ébullition. D'une façon générale, on peut remarquer que cette recherche impérative de puissance cinétique et mécanique à produire, a considérablement occulté jusqu'à ce jour l'intérêt expérimental que revêt la chaleur latente de vaporisation. La température de condensation est égale à la température de vaporisation. I1 reste la solution de chauffer l'eau contenue dans un récipient sous pression atmosphèrique normale par le contact d'un échangeur-condenseur qui transmettra par transformation de la chaleur latente de vaporisation les calories nécessaires à cette chauffe. Donc, pour obtenir une élévation de température de huit litres d'eau froide à 200, un kilo de vapeur sera nécessaire pour élever cette eau à une température de 910. 571 Kcal (valeur de vaporation) + 8 litres d'eau à 200 (160 Kcal) = 731 Kcal, soit 731= 910 C de température d'eau. 8 Résultats à corriger lègèrement du fait de certaines pertes calorifiques (échangeur). Compte-tenu du recyclage et de la température d'eau condensée à son retour (T entre 40 et 440, puisque la condensation s'effectue à la température égale à celle de son évaporation). I1 n'y a pas pratiquement de problème pour le maintien de la phase vaporisation et au contraire, l'importante réserve calorifique représentée par la chaleur latente de vaporisation peut faire l'objet d'une utilisation annexe. De ce fait, il peut être envisager entre autre, un apport calorifique à une réserve de stockage d'eau sous la forme d'un échangeur de grande surface. Le procédé utilise toutes les sources thermiques à basse température pour obtenir son changement de phase, te-- que les fluides provenant de la géothermie, de la captation solaire et de sources diverses. Le fluide à basse Xemperature est transformé en vapeur dans un réservoir maintenu à faible pression 0,10 bar environ, au moyen d'une pompe à vide, afin d'obtenir une valeur de chaleur latente de vaporisation et une valeur d'enthalpie de la vapeur d'eau saturée égale aux résultats obtan s à pression de 0,10 bar. Les chaletrs latentes d'êvaporation et d'enthalpie susmentionnées, sont employées pour chauffer une importante quantité de fluide contenu dans un second réservoir sous pression atmosphèrique normale au moyen d'un échangeur-condenseur à la même pression que celle d a -cui- primaire et plongé dans le fluide du second réservoir Le double recyclage et la récupération calorifique du retour des deux circuits assurent la production régulière de vapeur dans le premier réservoir bouilleur du circuit primaire avec possibilités calorifiques complémentaires des rejets thermiques.L'addition éventuelle d'une résistance chauffante utilisée en appoint garantit le maintien de la température vaporisation (45 C) à son point d'ébullition et de la récupération calorifique du retour du fluide dans le réservoir du circuit secondaire. Le changement de phase dans l'échangeur-condenseur s'effectue grâce à la circulation d'un fluide à température inférieure à celle de la température de vaporisation. Ce fluide de refroidissement peut être éventuellement utilisé pour le réchauffage de l'eau de piscine, par exemple, ou renvoyé dans le circuit primaire. Les dessins annexés illustrent à titre d'exemple non limitatif une réalisation du dispositif conjointement avec la description ci-dessous. La figure I représente un montage succint d'un surrégénérateur à chaleur enthalpique suivant la présente invention. La figure II représente un deuxième montage succint d'un surrégénérateur à chaleur enthalpique avec un capteur solaire. Tel qu'il est représenté, un réservoir primaire A, maintenu à pression de 0,10 bar environ, au moyen d'une pompe 1 à vide dont l'équipement complet permet le changement de phase du fluide 2 à basse températeur en vapeur dans la chambre 3. Un contacteur manomètrique 4 placé sur le réservoir assure le fonctionnement de la pompe 1 à vide. Le circuit d'extraction est précédé d'une électro-vanne 5, d'un condenseur 6 de vapeur ainsi que d'un filtre 7. Le retour de l'eau condensée se fait par la canalisation 8 reliée directement au fluide 2 du réservoir primaire. Une soupape 9 de sûreté, un robinet casse-vide 10, un clapet 11, un bouchon 12 de remplissage, un bouchon 13 de vidange, complètent l'équipement du réservoir primaire.Un échangeur de chaleur 14 est plongé dans le fluide 2 du réservoir dont l'élément de circulation peut provenir de la récupération calorifique de rejets industriels, de la géothermie, captation solaire et toutes autres sources à basses températures. Une résistance thermoplongeuse 15 d'appoint assure, si nècessaire, le maintien à température de vaporisation du fluide 2. Un réservoir secondaire B est placé sous pression atmosphèrique normale permettant l'échauffement du fluide de service 16 jusqu'à sa température d'ébullition 100C C environ, dans le cas de l'eau. Un échangeurcondenseur 17 plonge dans le fluide 16 du réservoir secondaire B directement relié à la chambre 3 du réservoir primaire par un collecteur de vapeur 18. Un fluide de refroidissement à basse température provenant du circuit 19 du condenseur 6 assure le changement de la phase de la vapeur. Les rejets du fluide de refroidissement 20 peuvent éventuellement être destinés au réchauffage de l'eau d'une piscine ou être recyclés dans l'échangeur 14 suivant les besoins. L'eau condensée 21 provenant de l'echangeur-condenseur 17 est directement renvoyée dans le réservoir primaire par la canalisation 22. Un bouchon 23 permet la vidange du réservoir secondaire B. Le réservoir primaire et secondaire sont munis d'un thermomètre-manomètre 24 et 25 permettant de contrôler de manière permanente la pression et température des liquides. Le fluide de chauffe sort par le conduit 26 et revient par le conduit 27. Selon la figure II, le dispositif est associé à un capteur 28 solaire pour chauffer le liquide 2 du réservoir par l'intermédiaire du conduit 29 et de l'échangeur 30 et du liquide 16 par l'échangeur 31. Le capteur 28 chauffe également, par l'entremise du conduit 32, le liquide 33 du réservoir C. Un échangeur 34 est positionné dans le réservoir C et communique avec le fluide 16 du réservoir B. Les pressions indiquées, peuvent être modifiées, soit pour obtenir une vaporisation du fluide 2 à température diffèrente, ou pour obtenir des températures supérieures à 1000 du fluide 16 du réservoir B. Le dispositif objet de l'invention, peut être utilisé tout particulièrement pour chauffer de l'eau pour des besoins domestiques. REVENDICATIONS 1) Procédé et dispositif permettant la production de chaleur avec des fluides chauffés à l'aide de sources thermiques caractérisé en ce que la transformation d'un fluide à basse température sous faible pression en chaleur latente de vaporisation et enthalpie de vapeur d'eau saturée est utilisée pour chauffer directement jusqu'à son point d'ébullition un fluide secondaire contenu dans un réservoir sous pression atmosphèrique normale. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le fluide à basse température est transformé en vapeur dans un réservoir primaire maintenu à faible pression 0,10 bar au moyen d'une pompe à vide. 3) Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que des valeurs de chaleur latente de vaporisation et d'enthalpie de la vapeur saturée, obtenues par l'intermédiaire d'une pompe à vide, chauffent des fluides contenus dans un second réservoir sous pression atmosphèrique normale au moyen d'un échangeur-condenseur. 4) Procédé selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'echangeur-condenseur plongé dans le fluide du second réservoir est à la pression de 0,10 bar. 5) Procédé et dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un réservoir primaire maintenu à pression de 0,10 bar est muni d'un circuit d'extraction précédé d'une électrovanne, d'un condenseur de vapeur ainsi que d'un filtre. 6) Procédé et dispositif selon l'ensemble des revendications 1,2,3,4 et 5 caractérisé par le fait qu'il comporte un double recyclage et un récupérateur calorifique du retour des deux circuits. 7) Procédé et dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un réservoir primaire maintenu sous pression normale au moyen d'une pompe à vide est muni d'un contacteur manomètrique. 8) Procédé et dispositif selon la revendication 1 et 3 caractérisé par le fait qu'un échangeur-condenseur plongé dans le fluide du réservoir secondaire est directement relié à la chambre d'évaporisation du réservoir primaire par un collecteur de vapeur.