Brevet FR2477684A2 — publié le 19810911

FR 2477684 A2 19810911 FR 8005249 A 19800307 247768-4 Installation perfectionnée de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire ou industrielle. La présente invention concerne une installation de chauffage central et/ou de production d'eau chaude, du type mettant en oeuvre au moins une source de chaleur classique du genre chaudière à combustible liquide ougazeux, et au moins une source de chaleur thermodynamique à pompe à chaleur, no- tamment du genre à cycle thermique à compression constituée d'un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène et comprenant en série, de façon connue, un évaporateur, un compresseur, un condenseur constituant la source de chaleur thermodynamique proprement dite, et un organe de détente du fluide frigorigène condensé, un ou des circuits pour la cir- culation du fluide caloporteur du chauffage central et pour la production d'eau chaude sanitaire ou industrielle étant en outre prévus et agencés pour être le siège d'échanges thermi- ques avec lesdites sources de chaleur précitées, installation dans laquelle au moins un évaporateur de pompe à chaleur est situé dans un corps d'échange servant à l'évacuation des gaz de combustion de la chaudière, en liaison avec ce corps d'é- change étant prévuesen amont dudit évaporateur, une ou des entrées d'air extérieur pourvues de moyens de réglage de débit. Bien entendu, ce genre d'installation peut comporter une ou plusieurs chaudières et un ou plusieurs circuits ther- miques, selon l'application envisagée. Ces installations peu- vent à cet égard être prévues pour le chauffage de locaux d'habitation ou à usage industriel ou commercial, ou encore agricole, pendant tout ou partie de l'année, et l'eau chaude produite peut aussi être à divers usages, par exemple à usage sanitaire ou industriel. Quant audit fluide caloporteur du chauffage central, il est bien entendu aussi qu'il peut s'a- gir de tout fluide approprié, par exemple de l'eau ou de l'air. Une installation du genre en question est décrite dans la demande de brevet français n0 79 05660 déposée le 5 mars 1979 au nom du demandeur. Les buts et avantages d'une telle installation ont été amplement exposés dans cette demande de brevet. L'un de ses avantages essentiels réside dans le fait qu'elle permet d'une part de mettre à profit le pouvoir calo- -2477684 rifique supérieur du combustible utilisé, et d'autre part d'exploiter (quand les conditions atmosphériques et autres sont favorables) l'enthalpie de l'air humide extérieur amené à se mélanger avec les fumées de la chaudière. Dans cette optique, on prévoyait d'amener non seulement au plus faible degré d'humidité possible, mais aussi à la température la plus basse possible, à savoir à une températu- re peu supérieure à o0c, les gaz s'échappant de la cheminée. Cependant, on perd ainsi l'effet naturel de cheminée et l'on est obligé de prévoir de plus gros ventilateurs pour ob- tenir l'ascension des gaz dans celle-ci, ce qui augmente la part de la puissance électrique consommée dans l'installation. En outre et surtout, il est alors difficile d'éviter un plus grave inconvénient, qui est celui de la pollution de l'environnement. En effet, et même s'il y a du vent, le mélange froid de gaz de combustion et d'air extrait de la cheminée, et qui contient une importante proportion de gaz carbonique, ne peut suffisamment s'élever dans l'atmosphère et s'y disperser, en raison de sa trop forte densité; il y a des retombées, et ces gaz polluent ainsi l'air extérieur au voisinage de l'ins- tallation. Le but de la présente invention est essentiellement de remédier à ces inconvénients. A cet effet, une installation du type mentionné au dé- but est, conformément à l'invention, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens échangeurs de chaleur pouvant s'insérer sur le trajet suivi par les gaz de combustion issus de ladite chaudière, ces moyens étant agencés d'une part pour prélever une partie de la chaleur sensible de ces gaz, sans les amener au point de rosée, et avant qu'ils ne parviennent, éventuellement en mélange avec de l'air extérieur, sur le ou les évaporateurs dudit corps d'échange, et d'autre part pour restituer aux gaz desséchés et refroidis issus dudit corps la chaleur précédemment prélevée, et les ramener ainsi à une température notablement supérieure à 00C, avant qu'ils ne s'échappent finalement par la cheminée. On voit que le principe de l'invention est basé mainte- nant sur l'abandon de l'idée de rejeter à l'atmosphère les fumées à la température la plus basse possible. Au contraire, on fait en sorte qu'elles aient encore à la sortie une température suffisante (par exemple jusqu'à 1500C ou plus) pour reconstituer un certain effet de cheminée, et pour pouvoir s'élever et se disperser dans l'atmosphère. On parviendra ainsi à diminuer la puissance à consommer pour remédier au manque de tirage naturel et obtenir l'extraction des fumées, de même qu'à éviter l'effet polluant décrit plus haut. Toutefois, bien entendu, et comme on l'aura compris à la lecture de la définition donnée plus haut de l'invention, on fait en sorte que les gaz issus de la cheminée soient secs, pour ne pas perdre leur chaleur latente, qui doit être intégralement récupérée dans ledit corps d'échange, comme c'est le cas selon la demande de brevet français précitée n0 79 05660. On limite ainsi les pertes de calories. Une installation conforme à l'invention pourra encore être caractérisée en ce que lesdits moyens échangeurs de cha- leur sont disposés, pour la partie de prélèvement des calo- ries des fumées issues de la chaudière, dans une chambre de refroidissement comportant une entrée pouvant être mise en communication avec la chaudière et une sortie pouvant être mise en communication avec une entrée dudit corps d'échange qui contient le ou les évaporateurs de pompe à chaleur, et, pour la partie de restitution des calories auxdits gaz des- séchés et refroidis issus dudit corps, dans une chambre de réchauffement comportant une entrée en communication avec la sortie dudit corps d'échange, et une sortie en communication. avec la cheminée. Ces moyens échangeurs, chambres et tous organes y an- nexés pourront avantageusement être disposés dans un conduit analogue à celui qui avait été appelé "conduit d'évacuation" dans la demande de brevet français précitée, ce conduit étant situé directement entre la chaudière et la cheminée de l'ins- tallation, tandis que le corps d'échange est décalé latérale- ment par rapport à cet ensemble. Selon une autre caractéristique intéressante de l'in- vention, l'installationpeut encore comporter une première conduite de by-pass permettant une mise en communication di- recte de la chaudière avec la cheminée, avec mise hors cir- cuit desdites chambres et du corps d'échange, et une seconde conduite de by-pass permettant une mise en communication di- recte de la chaudière avec ledit corps d'échange, de même avec mise hors circuit desdites chambres. On pourra ainsi mettre hors circuit, éventuellement ma- nuellement, mais de préférence automatiquement, les deux chambres précitées et le cas échéant aussi et en même temps ledit corps d'échange, ce qui offre trois possibilités de fonctionnement différentes, et ceci notamment en fonction des conditions extérieures à l'installation atmosphériques et autres- et des demandes calorifiques en eau sanitaire chaude ou en eau ou air de chauffage. Par ailleurs, selon un mode d'exécution possible des moyens échangeurs de chaleur, on pourra prévoir qu'ils sont constitués d'un circuit fermé de fluide caloporteur, compre- nant successivement et en série, un bouilleur et un évapora- teur situés dans ladite chambre de refroidissement, un con- denseur situé dans ladite chambre de réchauffement, et une conduite de retour entre la sortie du condenseur et ledit bouilleur. Un mode d'exécution de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple nullement limitatif, avec référence à la figure unique du dessin annexé qui représente schémati- quement une installation mettant en oeuvre les dispositions décrites ci-dessus et d'autres dispositions annexes ou com- plémentaires. L'installation représentée sur la figure comporte une chaudière 1 à corps de chauffe, de préférence du type-pres- surisé, analogue à celui d'une chaudière classique, pourvu d'une amenée 2 en fluide combustible et d'une amenée 3 en air comburant. Les débits de combustible et d'air sont ré- glables et on peut régler l'amenée d'air 3 à un débit large- ment supérieur à celui qui permettrait juste une combustion stoechiométrique du combustible. On a représenté sous la for- me d'un serpentin 4 lé circuit de production d'eau chaude de la chaudière, cette eau étant issue par la sortie 5, pourvue d'une vanne 6, et retournant audit circuit -refroidie après utilisation- par une entrée 7 pourvue d'une vanne 8. On a référencé en 9 la conduite amenant l'eau à chauf- fer (ou autre fluide caloporteur) à la chaudière, eau refroi- die provenant du circuit d'utilisation, et en 10 la conduite par laquelle l'eau chaude issue de la chaudière 1 retourne audit circuit; il peut s'agir notamment d'un circuit de chauffage central. Une vanne l1 prévue sur une conduite de by-pass 12 permet de mettre la chaudière 1 hors circuit, lorsque sa mise en service est inutile (en saison chaude) ou pour toute autre raison. 10. La sortie 13 des gaz de combustion de la chaudière constitue en même temps l'entrée de ce que l'on peut appeler un conduit d'évacuation, référencé en 14, et qui s'étend di- rectement entre la chaudière 1 et la cheminée 16 de l'instal- lation. Ce conduit 14 comporte latéralement une première con- duite de by-pass 15 permettant une mise en communication di- recte de la sortie 13 de la chaudière avec la cheminée 16; le conduit 14 comporte en outre, à sa partie inférieure, une seconde conduite de by-pass 17 permettant une mise en commu- nication directe de cette sortie 13 avec l'entrée 18 d'un corps d'échange 19, cette entrée 18 étant branchée sur la sortie 20 du conduit d'évacuation 14. Trois volets 21, 22 et 23 permettent d'obtenir diverses combinaisons pour la circulation des gaz entre la chaudière 1, le conduit d'évacuation 14, la cheminée 16 et le corps d'é- change 19. Le volet 21 permet de diriger les gaz de combustion de la chaudière soit vers le conduit d'évacuation 14 (cas repré- senté sur la figure), soit vers la seconde conduite de by- pass 17; le volet 22, lorsqu'il occupe la position opposée à celle qui est représentée sur la figure, permet une mise en communication de ladite conduite 17 avec l'entrée 18 du corps d'échange 19, en obturant la sortie 20 du conduit d'évacua- tion 14; et le volet 23 permet, dans la position opposée à celle qui est représentée sur la figure, une mise en communi- cation de la sortie 13 de la chaudière avec la première con- duite de by-pass 15 et la cheminée 16. Dans la position représentée sur la figure, par contre, le volet 23 obture la conduite 15 et met en communication la sortie 13 de la chaudière 1 avec l'entrée 24 d'une chambre de refroidissement 25 dont la sortie constitue la sortie 20 précitée du conduit 14. Cette chambre 25 et une chambre de réchauffement 26 qui la surmonte, et qui communique librement avec la cheminée 16, sont séparées de la conduite 15 par une cloison verticale 27 commune, et l'une de l'autre par une cloison 28 inclinée vers le bas et vers le corps d'échange 19. Cette cloison 28 forme aussi le fond d'un conduit 29, éventuellement équipé d'un lo ventilateur30b, et qui met en communication la partie supé- rieure dudit corps d'échange 19 avec la chambre de réchauffe- ment 26. Ce que l'on a appelé plus haut les moyens échangeurs de chaleur comprennent: un évaporateur 31 en deux parties dis- posées dans chacun des deux compartiments formés par une pa- roi 32 dans la chambre de refroidissement 25; un condenseur 33 relié à l'évaporateur 31 par une conduite 34 et dont la forme suit un parcours en serpentin formé dans la chambre de réchauffement 26 par des chicanes 35; et une conduite de re- tour 36 des condensats vers un bouilleur 37 prévu à l'entrée de la chambre de refroidissement 25. Le fluide caloporteur qui s'écoule dans le circuit fermé ainsi constitué, dans le sens indiqué parles flèches, peut être avantageusement de l'eau. Sur le dessin, le sens de déplacement des gaz qui ba- laient extérieurement les différentes conduites (à ailettes ou analogues pour les parties d'échanges thermiques) a été représenté par des flèches épaisses, et les sens des écoule- ments à l'intérieur desdites conduites par des flèches minces. En 38, on a représenté une vanne normalement fermée, permettant, en position ouverte, le remplissage du circuit d'échange susdécrit et, sur la conduite 34, une soupape de sécurité 39. Il est à noter que la circulation de l'eau dans ledit circuit ne nécessite pas la présence d'un compresseur et-d'un détendeur, car la température des gaz qui balaient l'évapora- teur 31, provenant directement de la chaudière, sont à tempé- rature plus élevée que ceux qui balaient le condenseur 33. A la partie supérieure des chambres de réchauffement 26 et de refroidissement 25 sont prévues des rampes d'arrosage, rE-;pecLvoiient. 40 et 41, alimentées en.produit de nettoyage, par exemple par intermittence, et le fond de la chambre 25 est élaboré sous la forme d'un bac de réception 42 des eaux de nettoyage, pourvu d'une vanne de vidange 43 et d'un déver- soir 44, permettant une évacuation des eaux vers un bac 45 de réception de condensats, prévu au fond du corps d'échange 19. Ce bac est pourvu quant à lui d'une vanne de vidange 46 et d'un trop-plein 47. Au corps d'échange 19 sont associés, pour la constitu- tion de la source de chaleur thermodynamique mentionnée au début, deux circuits de pompe à chaleur à compression compor- tant chacun, de façon classique, un évaporateur 48a, 48b, un compresseur 49a, 49b, un condenseur 50a, 50b, et un détendeur 51a, 51b. Les deux évaporateurs sont disposés l'un au-dessus de l'autre dans le corps 19, de sorte que les deux circuits de pompe à chaleur fonctionnent dans des conditions de tempé- ratures différentes. Le fonctionnement de ces circuits, par- courus par un fluire frigorigène té-que le fluorocarbone, est par ailleurs bien connu et il n'aura pas à être plus amplement décrit. Comme cela a été indiqué dans la demande de brevet français évoquée plus haut, on prévoit en tout cas, de préfé- rence, un dispositif automatique 52 propre à empêcher que les deux compresseurs ne démarrent en même temps, ceci pour limi- ter les pointes d'appel de courant. Outre l'entrée 18 des gaz de combustion provenant de la chaudière 1, le corps d'échange 19 comporte à sa partie infé-' rieure des entrées d'air extérieur, par exemple une entrée d'air atmosphérique humide 53 pourvue d'un filtre 54 et d'un ventilateur 55 et une entrée d'air vicié également humide 56 pourvue d'un filtre 57 et d'un ventilateur 58. Les deux ven- tilateurs peuvent être à vitesses variables, pour permettre le réglage des deux débits d'air selon les conditions de fonctionnement. Entre ces entrées d'air et l'évaporateur inférieur 48a est prévu un autre échangeur tubulaire à ailettes 59 alimenté par une source thermique annexe quelconque, constituée par exemple par une récupération d'eaux usées tièdes, une source géothermique, etc, ce qui permet de préchauffer l'air humide pénétrant dans le corps 19 avant qu'il ne traverse les évapo- rateurs. Au niveau de cet échangeur 59, on a référencé en 60 un déflecteur déviant vers le haut les gaz de combustion prove- nant de la chaudière 1. En 61, on a référencé une barrière à chicanes permettant d'homogénéiser le mélange de gaz et d'air arrivant dans le corps d'échange 19 par les entrée 18, 53 et 56. En 62, on a désigné un conduit de by-pass dont l'entrée peut être fermée par un volet 63 et qui, lorsque ce volet est ouvert, permet de faire en sorte que l'air atmosphérique en- trant en 53 ne puisse traverser que l'évaporateur supérieur 48b. La sortie du conduit 62 débouche sous une autre barriè- re de chicanes 64 permettant aussi d'homogénéiser lesmélanges gazeux à ce niveau, et conformées en gouttières pour la récep- tion des condensats provenant de l'évaporateur supérieur 48b, qui est le plus froid. Les condensats peuvent alors emprunter une descente 65 pour tomber dans le bac 45, sans pouvoir re- froidir l'évaporateur inférieur 48a. A la partie supérieure du corps 19 est prévue une autre rampe d'arrosage 66, pour le nettoyage des deux évaporateurs; elle peut aussi être à fonctionnement intermittent. Dans son ensemble, le corps d'échange 19 et ses acces- soires fonctionnent de la même façon que selon la demande de brevet français mentionnée plus haut. Il n'est pas nécessai- re de décrire à nouveau ce fonctionnement. Il suffit de rap- peler ici que cette partie de l'installation permet de met- tre à profit le pouvoir calorifique supérieur du combustible brûlé dans la chaudière 1, en évitant de perdre la chaleur latente des gaz de combustion, et, le cas échéant, d'exploi- ter la source d'enthalpie que constitue l'air extérieur,- quand il est suffisamment chaud et humide, ainsi que celle de l'air vicié qui peut être récupéré dans des locaux habi- tés, celle provenant d'eaux usées tièdes, etc. La chaleur ainsi récupérée indirectement, et même lorsque la chaudière ne fonctionne pas, peut être exploitée dans des volumes d'é- change tels que 67a et 67b recevant des calories des conden- seurs 50a et 50b respectivement et traversés par un fluide à chauffer, pour la production, par l'intermédiaire d'un volume d'échange supplémentaire éventuel, d'eau sanitaire ou indus- trielle chaude (entrée d'eau froide ou tiède en 68 et sortie d'eau chaude en 69, sur le volume d'échange 67a). On peut aussi combiner les différentes sources de cha- leur susdécrites et utiliser par exemplele volume d'échange 67b pour préchauffer l'eau (ou autre fluide refroidi) prove- nant de l'installation de chauffage des locaux (retour réfé- rencé en 70), avant de la retourner au circuit 4 de la chau- dière 1 par la conduite 9. Des circulateurs-répartiteurs adé- quats (non représentés) permettront de toute façon de modifier à loisir les cheminements des fluides à chauffer, automatique- ment en fonction de divers paramètres appropriés (répartition des demandes en calories, conditions extérieures, conditions de sécurité, etc.). De même, on pourra bien entendu prévoir tous moyens de détection de températures, pressions et autres paramètres, et tous asservissements appropriés pour la mise en marche ou l'arrêt sélectifs des brûleurs, ventilateurs, compresseurs et autres appareils, l'ouverture ou la fermeture des vannes et des volets, etc., ceci pour obtenir en permanence le fonction- nement optimal de toute l'installation, à savoir avec le meil- leur rendement possible, et avec toutes les sécurités souhai- tables. Quant à la partie anti-pollution de l'installation, elle sera surtout mise en marche, en principe, lorsque la température extérieure est basse, le risque de pollution étant plus grand déjà pour cette raison, et lorsqu'il y a une large prépondérance des gaz de combustion par rapport à l'air exté- rieur (cas o le ventilateur 55 peut être à l'arrêt, avec mi- se en marche d'un ventilateur 30a situé dans le conduit 20). Les volets 21 à 23 sont alors amenés dans la position représentée sur la figure, et les gaz de combustion de la chaudière sont ainsi refroidis sur l'évaporateur 31, en four- nissant des calories au fluide caloporteur du circuit thermi- que 31, 34, 33, 36. Cependant, ces gaz sont maintenus au-des- sus de leur point de rosée, pour que toute la chaleur latente de vaporisation dé la vapeur d'eau qu'ils contiennent leur soit conservée et puisse être récupérée intégralement aux é- vaporateurs 48a et 48b du corps d'échange 19, en même temps que le solde d'enthalpie encore disponible après ce pré-re- -froidissement. De la sorte, le mélange sec et froid issu du corps d'échange 19 et aspiré par le ventilateur 30 dans le conduit 29, peut être réchauffé par le condenseur 33 dans la chambre de réchauffement, avant d'être évacué en 16 par l'effet de cheminée ainsi recréé; les fumées sèches pourront alors s'é- lever dans l'atmosphère et être dispersées, ce qui évitera tout risque de pollution de l'environnement. Lorsqu'il n'y a pas de risque de pollution, par contre, les volets 21 et 22 peuvent être pivotés dans la position op- posée à celle qui est représentée sur la figure, et le con- duit d'évacuation 14 est de la sorte mis hors circuit, les fumées de la chaudière arrivant directement au corps d'échan- ge 19 sans traverser la chambre de refroidissement 25. En cas d'incident (par exemple apparition d'une sur- pression à l'évaporateur 48a ou 48b) et si, pour toute autre raison, le corps d'échange 19 doit aussi être mis hors cir- cuit, ceci peut être fait simplement en ramenant le volet 21 dans la position représentée sur la figure, et en faisant pi- voter le volet 23 pour établir une communication directe en- tre la sortie 13 de la chaudière 1 et la cheminée 16, par la conduite de by-pass 15. L'évacuation des fumées s'effectue a- lors de façon tout à fait classique. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs dé- jà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés; elle en embrasse, au con- traire, toutes les variantes. il REVENDICAT IONS 1. Installation de chauffage central et/ou de produc- tion d'eau chaude, du type mettant en oeuvre au moins une source de chaleur classique du genre chaudière à combustible liquide ou gazeux, et au moins une source de chaleur thermo- dynamique à pompe à chaleur, notamment du genre à cycle ther- mique à compression constituée d'un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène et comprenant en série, de fa- çon connue, un évaporateur, un compresseur, un condenseur constituant la source de chaleur thermodynamique proprement dite, et un organe de détente du fluide frigorigène condensé, un ou des circuits pour la circulation du fluide caloporteur du chauffage central et pour la production d'eau chaude sani- taire ou industrielle étant en outre prévus et agencés pour être le siège d'échanges thermiques avec lesdites sources de chaleur précitées, installation dans laquelle au moins un é- vaporateur de pompe à chaleur est situé dans un corpsd'échange servant à l'évacuation des gaz de combustion de la chaudière, en liaison avec ce corps d'échange étant prévues, en amont dudit évaporateur, une ou des entrées d'air extérieur pour- vues de moyens de réglage de débit, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens échangeurs de chaleur pouvant s'insérer sur le trajet suivi par les gaz de combustion issus de ladite chaudière, ces moyens étant agencés d'une part pour prélever une partie de la chaleur sensible de ces gaz, sans les amener au point de rosée, et avant qu'ils ne parviennent, éventuel- lement en mélange avec de l'air extérieur, sur le ou les éva- porateurs dudit corps d'échange, et d'autre part pour resti- tuer aux gaz desséchés et refroidis issus dudit corps la cha- leur précédemment prélevée, et les ramener ainsi à une tempé- rature notablement supérieure à 00C, avant qu'ils ne s'échap- pent finalement par la cheminée. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens échangeurs de chaleur sont disposés, pour la partie de prélèvement des calories d-es fumées issues de la chaudière, dans une chambre de refroidissement compor- tant une entrée pouvant être mise en communication avec la chaudière et une sortie pouvant être mise en communication avec une entrée dudit corps d'échange qui contient le ou les évaporateurs de pompe à chaleur, et, pour la partie de resti- tution des calories auxdits gaz desséchés et refroidis issus dudit corps, dans une chambre de réchauffement comportant une entrée en communication avec la sortie dudit corps d'é- change, et une sortie en communication avec la cheminée. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une première conduite de by-pass per- mettant une mise en communication directe de la chaudière a- vec la cheminée, avec mise hors circuit desdites chambres et du corps d'échange, et une seconde conduite de by-pass permettant une mise en coaiu- nication directe de la chaudière avec ledit corps d'échange, de même avec mise hors circuit desdites chambres. 4. Installation selon la revendication 2 ou 3, caracté- risée en ce que lesdits moyens échangeurs de chaleur sont constitués d'un circuit fermé de fluide caloporteur compre- nant successivement et en série, un bouilleur et un évapora- teur situés dans ladite chambre de refroidissement, un con- denseur situé dans ladite chambre de réchauffement, et une conduite de retour entre la sortie du condenseur et ledit bouilleur.