Brevet FR2483047A1 — publié le 19811127

La présente invention se rapporte à un procédé pour le prélèvement de chaleur d'un milieu caloporteur aqueux par sa détente, accompagnée de l'utilisation ou valorisation thermique de la vapeur ainsi dégagée. Des raisons d'économie d'énergie et aussi des raisons écologiques incitent de plus en plus à éviter autant que possible toute perte, meme relativement faible, de chaleur et, partant, toute pollution thermique de l'environ nement. Des solutions techniques connues s'offrent à cet effet, par exemple le prélèvement de chaleur d'un fluide caloporteur à la fin d'un procédé, c1est-à-dire la récupération de chaleur. Nais les mesures prises à cet effet impQi- quent des installations et des frais d'ewploitation considérables et c'est pourquoi on cherche à obtenir dans des procédés de ce genre un effet de rentabilisation secondaire pour éponger au moins en partie les frais occasionnés. On sait qutil est rentable d'utiliser, lors de la détente d'un fluide, la chaleur des vapeurs qui se dégagent, en chauffant ensuite un dispositif consommateur avec la chaleur, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un étage de thermocompression. Mais lors de la détente des milieux caloporteurs à de basses températures et surtout à des températures audessous du point d'ébullition du fluide considéré, les volumes croissants des vapeurs posent des problèmes de dimensionnement des appareils, qui portent un sérieux préjudice à la rentabilité des procédés de ce type. La présente invention a pour objet de trouver une solution pour rendre rentable les procédés du type décrit ci-essus, surtout quand la température du fluide caloporteur se situe au-dessous de son point d'ébullition. Un autre objet de l'invention est de prélever la chaleur d'un milieu caloporteur contaminé et de la convertir en une autre forme d'énergie directement utilisable, par exemple sous forme de vapeur d'eau pure, d'une température éventuellement plus élevée que celle du fluide caloporteur contaminé. Pour résoudre ce problème, on propose selon l'invention d'effectuer la détente par échelons dans un nombre d'étages de détente disposés en série, lors de ltécoulement du fluide, d'évacuer la vapeur obtenue à chaque étage de détente de l'étage considéré et de réaliser l'utilisation ou la valorisation thermique des différents jets de vapeur, parallèlement les uns aux autres. Du fait que le milieu caloporteur est une eau d'alimentation de chaudière, conduite en circuit fermé, en passant par une zone d'absorption de chaleur et par les étages de détente - la vapeur obtenue à chaque étage de détente étant soumise à une thermocompression - le produit du procédé est une vapeur d'eau pure, malgré le prélèvement de la chaleur d'un milieu chaud contaminé. Pour expliquer plus en détail le procédé et les avantages qu'il offre, on décrira ci-dessous un exemple de réalisation avantageux, en référence au schéma d'une installation conçue à cet effet qui constitue la figure unique du dessin annexé. L'installation montrée sur le dessin pour prélever de la chaleur d'un milieu caloporteur aqueux présente un certain nombre, plus précisément cinq étages de détente 1, 2, 3, 4 et 5. les étages de détente sont disposés en série dans le sens de l'écoulement du fluide. le fluide caloporteur s'écoule à la manière d'une cascade du réservoir 6 par une conduite 7 au premier étage de détente 1 et de là par la conduite 8 à l'étage de détente 2, par la conduite 9 à l'étage de détente 3, par la conduite 10 à étage de détente 4 et par la conduite 11 au dernier étage de détente 5, le débit étant réglé à chaque étage par des valves de réglage intercalées 13. Le fluide détendu s'écoule du dernier étage de détente 5 par une conduite 12, dans un réservoir collecteur 14. La chaleur est soustraite au milieu porteur du fait que la vapeur dégagée à chaque étage de détente est évacuée et cela de telle façon que les jets de vapeur obtenus aux différents étages de détente 1, 2, 3, 4 et 5 sont renvoyés par des conduites disposées parallèlement 15, 16, 17, 18 et 19 vers un dispositif d'utilisation ou de valorisation thermique et y sont soumis aux traitements appropriés. L'utili- sation thermique de la chaleur soustraite au dernier étage de détente 5 se fait dans un condenseur 20, où une eau de refroidissement 21 est transformée en de l'eau chaude 22. Une pompe à vide -23, débouchant dans l'atmosphère ambiante, sert à créer le vide nécessaire dans la chambre à tuyaux du condenseur 20. Les vapeurs obtenues aux étages de détente supérieurs 1, 2, 3 et 4 sont soumises à une valorisation thermique par thermocompression : les vapeurs sont aspirées dans des thermocompresseurs montés en parallèle 24 et 25 et y sont comprimées. La vapeur, qui présente toujours une température plus élevée après la thermocompression, est envoyée dans un conduit collecteur commun, réalisé ici sous forme d'un réservoir 26. La vapeur est distribuée à partir du réservoir 26 à travers une conduite 27 dans un réseau de consommation. Les thermocompresseurs employés dans ce cas présentent chacun des chambres de travail dimensionnées de manière appropriée pour recevoir les divers volumes de vapeur provenant des différents étages de détente. Ils sont aussi calculés de sorte que les vapeurs comprimées pré sentent approximativement la meme température. Il est également possible de réunir les deux thermocompresseurs utilisés dans le cas illustré en une machine tandem, ce qui serait évidemment encore plus rentable du point de vue énergétique, mais à cet égard on peut encore envisager d'autres combinaisons : chacun des jets de vapeur 15, 16, 17 et 18 pourrait être soumis indépendamment des autres à une exploitation ou valorisation thermique. les températures de sortie des vapeurs thermocomprimées pourraient être différentes. Certains des jets pourraient être thermocomprimés tandis que d'autres pourraient être envoyés éventuellement, par l'intermédiaire d'une pompe à vide, vers un quelconque consommateur de chaleur et ainsi de suite. La vapeur de chauffage disponible d'après cet exemple de réalisation du procédé est une vapeur d'eau pure. Le milieu caloporteur est dans ce cas une eau d'alimentation de chaudière purifiée au préalable et qui est alimentée par une conduite 28 au réservoir collecteur 14. Cette eau d'alimentation de chaudière est conduite dans le système en circuit fermé, en passant par une zone d'absorption de la chaleur et par les étages de détente. le milieu caloporteur détendu, donc l'eau d'alimentation de chaudière après le prélèvement de la chaleur, retourne dans le réservoir collecteur 14 dans lequel est aussi déversée, par l'intermédiaire de la conduite 33, l'eau de condensation provenant de l'éehan- geur de chaleur 20. Il est utile de refroidir le fluide caloporteur encore avant l'absorption de la chaleur. le fluide est envoyé par une pompe 29 et la conduite 30 à travers un réfrigérant 31. Le prélèvement de la chaleur se fait dans ce cas par un échange de chaleur indirect avec de l'eau de refroidissement conduite depuis la conduite collective d'eau de refroidissement 21 par la conduite 21' vers le réfrigérant 31. L'eau réchauffée retourne du réfrigérant 31 par la conduite 32 dans la conduite collectrice d'eau chaude 22. Après ce refroidissement utile, le fluide caloporteur est dirigé par la conduite 34, aux fins de l'absorption de chaleur, dans les échangeurs de chaleur 35, 36 et 37 montés en série. Après l'absorption de la chaleur, le fluide caloporteur est déversé dans le réservoir 6, en passant par une conduite 38. La zone d'absorption de la chaleur est constituée par la batterie d'échangeurs de chaleur indirects 35, 36 et 37, chauffés par une source de chaleur perdue. Une suspension chaude contaminée par des sels minéraux résiduels est envoyée par la conduite 39 et une pompe 40 à travers les échangeurs de chaleur 37, 36 et 35 ; elle est refroidie et après avoir cédé de la chaleur au fluide caloporteur, elle est évacuée par une conduite 41 dans un système de canalisation des eaux usées. Le procédé décrit à titre d'exemple présente les avantages suivants à l'égard de l'économie énergétique, de la protection de l'environnement et de la rentabilité De la chaleur autrefois perdue et polluant l'environnement est mise à profit. Il est possible de gagner à partir d'une chaleur perdue polluée une énergie propre. Le mode de valorisation avec utilisation d'énergie électrique supplémentaire pour la thermocompression est très intéressant sur le plan économique. Les quelques paramètres cités ci-dessous d'un exemple d'exécution concret de l'invention en témoignent La chaleur perdue se présente sous forme d'une lessive résiduaire avec un débit de 300 m3/h qui est refroidie de 1050 à 350C lors de l'absorption de la chaleur par le fluide caloporteur, et qui peut être déversée dans cet état dans le système de canalisation des eaux usées. Par cette absorption de chaleur, l'eau d'alimentation de chaudière est réchauffée de 250 à 1000. Elle est détendue aux étages de détente 1 à 4 et les vapeurs dégagées sont converties par la thermocompression en 26 t/h de vapeur de chauffage à 1,8 bar et 1170C. 26 m3/h d'eau d'alimentation de chaudière sont injectés dans le circuit. Cette quantité comprend une partie de l'eau d'alimentation de chaudière, environ 2 m3/h, qui est injectée par l'inter médiaire d'une conduite 42 directement dans les compresseurs 24 et 25 et y est évaporée. Dans le système de refroidissement de l'installation, comprenant le condenseur 20 et le réfrigérant 31, 773 m3/h sont réchauffés de 250 à 350C. lorsqu'on compare la dépense totale d'énergie électrique, de 2.600 kW/h à un prix de 0,2 F/kWh environ, consommée pour la thermocompression et autrement (par exemple pour les pompes), à la dépense pour la préparation de vapeur à l'aide de gaz naturel, qui se monte à environ 49 F/t vapeur, il résulte par heure de service une économie de 765euh environ. le procédé a donc, entre autres, un effet important de rentabilité secondaire. REVENDICB'PIONX 1 - Procédé pour le prélèvement de chaleur d'un milieu caloporteur aqueux par sa détente, accompagnée de l'utilisation ou valorisationthermique de la vapeur ainsi dégagée, caractérisé en ce que la détente est effectuée par échelons dans un nombre d'étages de détente disposés en série (i à 5), lors de l'écoulement du fluide, et en ce que la vapeur obtenue à chaque étage de détente (1-5) est évacuée de l'étage considéré et que l'utilisation ou la valorisation thermique de la vapeur provenant de chaque étage (1-5) a lieu parallèlement pour les différents jets de vapeur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est une eau d'alimentation de chaudière, conduite en circuit fermé, en passant par une zone d'absorption de chaleur et par les étages de détente (1-5), la vapeur obtenue à chaque étage de détente étant soumise à une thermocompression. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jets de vapeur sont envoyés après la thermocompression dans un conduit collecteur commun (26). 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les quantités de vapeurs provenant de quelques-uns des étages de détente (1, 2, 3, 4) sont envoyées séparémeat dans un thermocompresseur (24 ou 25) dimensionné de manière appropriée pour recevoir et thermocomprimer les vapeurs provenant des différents étages de détente. 5 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone d'absorption de la chaleur est un échangeur de chaleur indirect (35, 36, 37) chauffé par une source de chaleur perdue (39). 6 - Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'échangeur de chaleur (35, 36, 37) est chauffé par une suspension chaude, qui est ainsi refroidie, et que les vapeurs obtenues aux différents étages de détente (1, 2, 3, 4) sont portées par la thermocompression à une température plus élevée que celle de la suspension en amont de l'échangeur de chaleur (35, 36, 37).