Brevet FR2476817A2 — publié le 19810828

FR 2476817 A2 19810828 FR 8004160 A 19800226 L'invention a trait à un procédé de récupération de chaleur sensible et latente dans un flux d'air saturé sortant d'un évaporateur où la chaleur latente d'évaporation de l'humidité a été prélevée à un courant d'eau caloporteuse circulant dans un échangeur à circuits séparés, de façon générale à contre-courant du flux d'air. Le brevet principal décrit un procédé de séchage d'un solide en particules, où l'on souffle dans un lit de ce solide de l'air chauffé par passage dans un échangeur thermi que à circuit de fluide caloporteur, et revendique les particularités suivant lesquelles l'échangeur étant étendu en direction générale horizontale avec une hauteur sensiblement constante, on alimente à une première extrémité et on évacue à l'extrémité opposée de l'échangeur un lit en translation continue du solide en particules, qui noie l'échangeur sur toute sa hauteur, et l'on souffle de l'air verticalement à travers le lit.De préférence le fluide caloporteur est à une température inférieure à 100 C, c'està-dire pratiquement une eau chaude0 Les évaporateurs à flux d'air, tels que des séchoirs pour des produits humides en particules, ont pour but essentiel d'extraire de l'eau, en l'entrainant sous forme de vapeur dans le flux d'air. L'opération revêt un double aspect : ltévaporation demande que de l'énergie thermique, chaleur latente d'évaporation, soit cédée à l'eau dans le produit, et l'entrainement de la vapeur implique que le flux d'air soit suffisant étant donné que la quantité de vapeur entraînée est limitée par la saturation du flux d'air à sa température de sortie. L'efficacité de l'évapo- ration est d'autant meilleure que la température de l'air à la sortie est élevée.Par ailleurs, si l'énergie thermique devait etre apportée sous forme de chaleur sensible par le flux d'air entrant, la température à l'entrée devrait être très supérieure à la température à la sortie, étant donné que la capacité calorifique de l'air sec est très faible devant la chaleur latente d'évaporation de l'eau. Le chauffage de l'air dans un échangeur à fluide caloporteur exige que ce fluide caloporteur soit à température élevée. Il est donc intéressant que l'échangeur fasse partie intégrante de l'évaporateur, de sorte que le fluide caloporteur apporte l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau "in situ". Le flux d'air a alors pour fonction essentielle de véhiculer la vapeur formée, et seulement pour fonction accessoire d'améliorer les transferts d'énergie entre échangeur et eau à évaporer, On conçoit que la circulation à contre-courant d'un liquide caloporteur et du flui d'air permettra d'obtenir une température du flux d'air sortant peu inférieure à la température du fluide caloporteur entrant, et une température du liquide caloporteur sortant peu supérieure à celle du flux d'air entrant et inférieure à celle de ce flux en sortie, c'est-à-dire les écarts maximaux de température et le maximum de rendement d'échange.Par ailleurs ceci permet l'utilisation de liquide caloporteur à température inférieure à 100 C et d'éviter les surchauffes à l'évaporation, tout en récupérant des calories à basse température, véhiculées par des effluents chauds par exemple, qui sont souvent excédentaires dans des processus industriels et seraient autrement perdues.La demande de brevet principal N 80 00274, déposée le 8 janvier 1980 par la déposante, décrit un séchoir pour solides en particules, qui tire son efficacité de cette disposition d'évaporateur comprenant un échangeur à circuits séparés noyé dans la masse à sécher traversée par un flux d'air, celui-ci passant à contre-courant d'eau chaude dans l'échangeur0 Toutefois, le flux d'air sortant saturé d'humidité et à température relativement élevée entraine avec lui la chaleur latente d'évaporation de l'humidité, et la chaleur sensible acquise correspondante. A première vue, on pourrait penser que seule la chaleur sensible correspond à une perte, étant donné que l'évaporation implique une absorption de la chaleur latente, qui se présente comme énergie utile. Mais en fait l'évaporation n'est qu'un moyen commode d'extraire l'eau en excès dans un milieu, et la chaleur latente d'évaporation est perdue par dispersion de l'air chaud saturé d'humidité dans l'atmosphère environnante0 L'invention a pour objet la récupération, dans la mesure du possible, de l'énergie perdue dans le processus d'évaporation, et propose à cet effet un procédé de récupération de chaleur sensible et latente dans un flux d'air saturé d'humidité sortant d'un évaporateur mettant en oeuvre un procédé suivant la revendication 1 du brevet principal où la chaleur latente d'evaporation de l'humidité a été prélevée à un courant d'eau caloporteuse circulant dans un échangeur à circuits séparés, de façon générale à contrecourant du flux d'air, en sorte que le flux d'air sortant de ltévaporateur soit à température intermédiaire entre celle du courant d'eau entrant dans l'évaporateur et celle de ce courant sortant, celle-ci supérieure à celle du flux d'air entrant, caractérisé en ce qu'on fait passer le flux d'air humide sortant de l'évaporateur en colonne d'une base à un sommet, on injecte en dispersion le courant d'eau sortant de l'évaporateur en sommet de colonne et on le rassemble à la base, en sorte que la température du flux d'air évacué au sommet de la colonne est inférieure à celle du courant d'eau rassemblé à la base, Ainsi le flux d'air évacué à l'issue du processus de récupération se trouve à une température peu supérieure à celle du courant d'eau sortant de l'évaporateur, et sa chaleur interne comprenant la chaleur sensible de l'air évacué et la chaleur latente d'évaporation de l'humidité entrainée est très réduite par rapport à la chaleur interne que le flux d'air possédait à l'entrée, la différence de chaleurs internes se trouvant transférée au courant d'eau rassemblé en base de colonne, dont la température se trouve remontée à un niveau peu inférieur à celui du flux d'air en sortie d'évaporateur. L'énergie véhiculée par le courant d'eau en fin de processus de récupération reste sensiblement utilisable, Notamment on peut réchauffer dans un échangeur l'eau rassemblée en base de colonne jusqu'à une température sensiblement égale à celle que possédait ce courant d'eau à l'entrée de l'évaporateur, et alors introduire l'eau réchauffée dans l'évaporateur.Pour évacuer l'excès d'eau résultant de la condensation de l'humidité sortant de l'é- vaporateur, on pourra effectuer une purge, de préférence en amont immédiat de l'injection dans la colonne, là où la température du courant d'eau est minimale, D'autre part, si une pluralité d'évaporateurs voisins existe, il est préférable de faire passer les flux d'air sortant de ces évaporateurs dans une colonne unique, en étageant les entrées de flux, à partir de la base de la colonne, dana l'ordre décroissant de leurs températures, tandis que le courant d'eau injecté dans la colonne a traversé la pluralité d'évaporateurs, en montage série ou pa allèle, Ainsi l'eau rassemblée à la base de la colonne sera à une température peu inférieure à la température du flux d'air sortant le plus chaud d'un évaporateur.La récupération sera maximalisée. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente une disposition de récupération de chaleur interne en association avec un séchoir évapora~ teur la figure 2 représente une disposition analogue à celle de la figure 1 en association avec deux séchoirs0 Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, un séchoir 1 pour solides -en particules, correspondant à ce qui est décrit dans la demande de brevet principal NO 80 00274, comporte une trémie de chargement 10 pour le produit humide, un coffre ll contenant un transporteur à rateaux entraînant le produit en un lit qui noie l'échangeur à tubes 12 vers une trémie de chargement 13 pour le produit déshydraté. Un caisson 14, disposé sous le coffre ll, est équipé de ventilateurs qui soufflent dans la canalisation 15 de l'air qui, pénétrant dans le coffre ll par la partie supérieure 16, traverse le lit de particules et l'échangeur 12. Celui-ci est traversé par de l'eau chaude d'un collecteur d'entrée 12a à un collecteur de sortie 12b. Une tour de récupération de chaleur 2 est associée au séchoir 1. Une rampe de pulvérisation 20 est disposée au sommet de la tour 2, en dessous d'une hotte 25. La base de la tour 2 est constituée par un bac de collection 21. Audessus de ce bac 21 débouche par l'orifice 24 la canalisation 15 qui vient du séchoir 1. Le collecteur de sortie 12b de l'échangeur 12 est relié à la rampe 20 par une canalisation 22, munie d'une purge 26. En fond du bac 21, une pompe de circulation 23 reprend le contenu du bac 21 pour l'en- voyer dans un échangeur 3 à travers une canalisation 31, et la sortie de cet échangeur 3 est reliée au collecteur d'entrée 12a de l'échangeur 12 par une canalisation 32.L'échangeur 3 comporte une chemise 30 avec une entrée 30a du c8té de la canalisation 32, et une sortie SOb du côté de la canalisation 31o Dans le séchoir 1, l'air entrant par la partie supérieure 16 à la température ambiante, s'échauffe progressivement en se saturant d'humidité en traversant le lit de matière à sécher où est noyé l'échangeur 12, tandis que l'eau dans cet échangeur se refroidit progressivement du collecteur d'entrée 12a au collecteur de sortie 12b, en cédant son énergie thermique à l'eau qui s'évapore de la matière (chaleur latente d'évaporation) et à l'air qui s'échauffe (chaleur sensible) Par exemple l'air pénètre en 16 à 10 C et 80 5S d'humidité relative ( 6 g de vapeur d'eau par kg d'air sec) et sort par la canalisation 15 à 650C et saturé d'humidité (205 g de vapeur par kg d'air sec). les températures de l'eau correspondantes sont de 74 C au collecteur d'entrée 12a et 440C au collecteur de sortie 12bo Dans la tour 2 l'eau dispersée par la rampe 20 est donc à 440C, et l'air entrant par l'orifice 24 à 650C.Dans la colonne d'air en flux ascendant dans la tour 2, les échanges thermiques avec l'eau dispersée se font pour l'essentiel à travers l'équilibre eau vapeur, de sorte que, à tous les niveaux de la colonne, air et eau sont sensiblement à la même température. L'eau qui se rassemble dans le bac 21 est donc sensiblement à 650C, tandis que l'air évacué par la hotte 25 est sensiblement à 4500 (61 g de vapeur d'eau par kg d'air sec)0 Dans l'échangeur 3, fonctionnant à contre-courant, l'eau reprise par la pompe 23 à 650C acquiert une température de 740C pour être réintroduite dans l'échangeur 12. Alors que dans l'échangeur 12 la chute de température de l'eau est de 30 C, la remontée de température dans l'échan- geur 3 est de 90C seulement. La récupération d'énergie thermique dans la tour 2 est de 21013000 soit 70 %. Par ailleurs, comme la teneur en vapeur d'eau du flux d'air en colonne dans la tour 2 est passée de 205 g à 61 g par kg d'air sec entre la base et le sommet, 144 g d'eau a été condensée (par kg d'air sec) ; cette eau sera évacuée par la purge 26, à la température de 440C, de façon à réduire la perte d'énergie thermique par la purge, On remarquera que si l'eau n'était pas recyclée dans le séchoir, l'eau chaude reprise par la pompe 23 à 650C serait utilisable par exemple pour un chauffage de locaux, ou pour un réchauffage d'eau d'alimentation, alors que de l'eau à 44-450C est dans la plupart des cas sans usage et doit être rejetée comme effluents La disposition représentée en figure 2 comporte l'association de deux séchoirs 40 et 45 avec une tour de récupération 50 unique.Les séchoirs sont analogues dans leur constitution au séchoir 1 de la figure 1 avec respectivement des échangeurs 41 et 46, et des canalisations de sortie d'air humide 42 et 47o La tour 50 est également analogue à la tour 2 de la figure 1, avec une rampe de dispersion 51 et un bac 52 où se rassemble l'eau, et équipé d'une pompe de reprise 53o Toutefois les canalisations 47 et 42 d'air sortant des séchoirs debouchent dans la colonne 50 respectivement par les orifices 54 et 55 disposés à la base et à un niveau Intermédiaire de la tour 50. Par ailleurs les échangeurs 46 et 41 sont disposés en série avec un échangeur de réchauffage à contre-courant 60.L'eau reprise par la pompe 53 dans le bac 52 traverse l'échangeur 60, en entrant au voisinage de la sortie 60b de la chemise et sortant au voisinage de l'entrée 60a, va de là au collecteur d'entrée 46a de l'échangeur 46, passe du collecteur de sortie 46b de l'échangeur 46 au collecteur d'entrée 41a de l'échangeur 41, et ressortant par le collecteur de sortie 41b est envoyée par la canalisation 51a à la rampe 51 au sommet de la tour 50.Sur la canalisation 51a est disposée une purge 56o On aura compris que le courant d'eau repris dans le bac 52 et réchauffé dans l'échangeur 60, subît successivement dans les échangeurs 46 et 41 deux abaissements de température en cédant de l'énergie aux flux d'air passant dans les séchoirs respectifs 45 et 40. I1 en résulte que les flux d'air entrant dans la tour 50 par les orifices 54 et 55 possèdent des températures différentes, plus faible pour le flux venant du séchoir 40.La colonne d'air dans la tour 50 cède son énergie interne à l'eau dispersée à contrecourant, qui sera à la base dans le bac 52 à température très peu inférieure à celle de l'air entrant par l'orifice 54, et au niveau de l'orifice 55 à une température très voisine de celle de l'air entrant par cet orifice 550 Les séchoirs 40 et 45 peuvent être affectés à des produits différents, ou à deux stades de séchage d'un même produit. Ces séchoirs 40 et 45 peuvent aussi être accolés pour sécher le même produit en deux étapes. D'autres combinaisons de circuits d'échangeurs peuvent être prévus. Notamment si les conditions de séchage dans deux séchoirs sont telles que pour une chute de température voisine les températures des flux d'air sortant sont différentes, les échangeurs 41 et 46 pourraient être montés en parallèle. En outre, plus de deux séchoirs peuvent être prévus, dont on étagera les entrées de flux d'air humide dans le sens décroissant de leurs températures suivant la hauteur de la colonne d'air à partir de la base. La combinaison des circuits d'échangeurs de séchoir série ou parallèle sera réalisée pour tenir compte des conditions les plus favorables de séchage, de l'étendue des surfaces d'échangeurs et de leur débit optimal en eau, Sous un autre aspect, on remarquera que la concentration de solutions aqueuses en soluté, dans des évaporateurs où la solution ruisselle sur une paroi d'échangeur en traversant un flux d'air se présente, vue de l'extérieur de l'évaporateur exactement comme le séchage d'un solide en particules. En effet le liquide caloporteur das l'échangeur se refroidit en cédant son énergie thermique à la solution pour en évaporer l'eau, et le flux d'air à contre-courant du liquide caloporteur se charge en humidité tandis que sa température s'élève, et là encore l'énergie consacrée à l'évaporation de l'eau est perdue, puisque l'évaporation de l'eau est un moyen et non une fin. I1 est donc clair que la récupération de chaleur interne des flux d'air sortant des évaporateurs de concentration peut s'effectuer suivant les processus et avec les installations décrites en association avec des séchoirs, sans modification0 REVENDICATIONS 1. Procédé de récupération de chaleur sensible et latente dans un flux d'air saturé d'humidité sortant d'un évaporateur mettant en oeuvre un procédé suivant la revendication 1 du brevet principal où la chaleur latente d'évaporation de l'humidité a été prélevée à un courant d'eau caloporteuse circulant dans un échangeur à circuits séparés, de façon générale à contre-courant du flux d'air, en sorte que le flux d'air sortant de ltévaporateur soit à température intermédiaire entre celle du courant d'eau entrant dans l'évaporateur et celle de ce courant sortant, celle-ci supérieure à celle du flux d'air entrant, caractérisé en ce qu'on fait passer le flux d'air humide sortant de l'évaporateur en colonne d'une base à un sommet, on injecte en dispersion le courant d'eau sortant de l'évaporateur en sommet de colonne et on le rassemble à la base, en sorte que la température du flux d'air évacué au sommet de la colonne est inférieure à celle du courant d'eau rassemblé à la base0 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réchauffe le courant d'eau rassemblé à la base de colonne jusqu'à une température sensiblement égale à celle où ce courant est entré dans l'évaporateur, et on introduit le courant d'eau réchauffée dans cet évaporateur0 3. Procédé suivant la revendication 1, où une pluralité d'évaporateurs voisins fonctionnent avec des températures de sortie de flux d'air humide différentes, caractérisé en ce que l'on fait passer les flux d'air humide sortant des évaporateurs en une colonne unique, ces flux entrant dans la colonne étagés à partir de la base suivant l'ordre décroissant de leurs températures, le courant d'eau injecté dans la colonne ayant traversé la pluralité des évapora~ teurs, en montage série ou en parallèles 4. Procédé suivant une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on extrait du courant d'eau un volume correspondant à l'humidité condensées 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit volume d'eau est extrait en amont immédiat de l'injection au sommet de colonne;