Brevet FR2478264A1 — publié le 19810918

La présente invention a pour objet des dispositifs de production de vapeur d'eau. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils générateurs de vapeur d'eau, notamment de vapeur à basse et moyenne pression. La vapeur d'eau à basse et moyenne pression est utilisée dans de nombreuses installations industrielles comme fluide caloporteur. Il a été calculé que plus de la moitié de l'énergie consommée dans les installations industrielles autres que les centrales électriques est transportée sous forme de vapeur d'eau, qui est obtenue traditionnellement en chauffant l'eau sous une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique, à une tem pérature égale ou supérieure à 1000, dans des chaudières où l'on brûle des combustibles fossiles. La raréfaction et l'augmentation du prix des combustibles fossiles, notamment des hydrocarbures, entraînent la nécessité d'économiser cette source d'énergie et plus particulièrement de rechercher des moyens qui permettent de produire de la vapeur d'eau en consommant moins d'énergie prove nana de la combustion de produits pétroliers ou fossiles. On sait que la chaleur totale d'un kilogramme de vapeur d'eau qui est par exemple à une pression de 5 bars et à une température de l'ordre de 1500C, est de l'ordre de 6500KC. Si cette vapeur d'eau est obtenue par vaporisation de l'eau dans une chaudière à une température égale ou supérieure à 1000C, la chaleur totale comporte une grande part de chaleur latente de vaporisation, qui doit être founie à une température supérieure à 1000C. On rappelle que la chaleur latente de vaporisation d'un kilogramme d'eau varie de 537 KC, pour une vaporisation à 100 C, à 500 KC, pour une vaporisation à 5 bars et 150 C. Un objectif de l" invention est de produire de la vapeur d'eau par des moyens qui permettent de vaporiser l'eau à basse température, c'est-àdire à des températures inférieures à 100 C, par exemple à des températures comprises entre 45C et 90 C, de telle sorte que la chaleur latente de vaporisation qui constitue la majeure partie de la chaleur totale, puisse être fournie par des sources de chaleur à basse température autres que des chaudières dans lesquelles on brûle des combustibles fossiles. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des moyens qui permettent de produire de la vapeur d'eau en récupérant les calories à basse température contenues dans les effluents de nombreuses industries utilisant la vapeur d'eau comme fluide caloporteur. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un dispositif pour produire de la vapeur d'eau, qui comporte - une cuve d'évaporation d'eau contenant une phase liquide en équilibre avec la phase vapeur; - une pompe à chaleur dont l'évaporateur reçoit des calories d'une source froide, qui servent à vaporiser un fluide caloporteur, tel qu'un fluorocarbone qui condense dans un échangeur en chauffant la phase liquide de ladite cuve d'évaporation à une température comprise entre 450C et 90 C; - et un compresseur qui aspire la phase vapeur contenue dans ladite cuve d'évaporation, en maintenant dans celle-ci une pression comprise entre 0,1 et 0,7 bar et qui comprime la phase vapeur à une pression d'utilisation supérieure à 1 bar. L'invention a pour résultat la production de vapeur d'eau sans utiliser des chaudières chauffées par la chaleur de combustion d'un combustible fossile d'où une économie de formes d'énergie onéreuses. La chaleur totale ou énergie interne d'un poids déterminé de vapeur d'eau est déterminée par la température de cette vapeur d'eau, quel que soit le processus utilisé pour l'obtenir. Toutefois, les dispositifs selon l'invention permettent de fournir à basse température la majeure partie de la chaleur totale, qui est constituée par la chaleur latente de vaporisation et ils permettent donc d'utiliser des quantités de chaleur disponibles à basse température, et notamment de récupérer des quantités de chaleur importantes contenues dans les effluents de nombreuses industries en utilisant ces effluents à basse température comme source froide de la pompe à chaleur, ce qui présente, en outre, l'avantage de refroidir ces effluents avant de les rejeter et d'éviter ainsi des pollutions thermiques. Un avantage des dispositifs selon l'invention réside dans les économies importantes de combustibles qu'il permet de réaliser par rapport aux générateurs de vapeur du type chaudières, équipées de brûleurs de combustibles. Les dispositifs selon l'invention consomment de l'énergie électrique nécessaire à l'entraînement de la pompe à chaleur et du compresseur, mais la quantité d'énergie électrique consommée est de l'ordre de 20 à 40 Z seulement de l'énergie totale d'où une économie d'énergie noble de l'ordre de 60 à 80 Z. Un autre avantage des dispositifs selon l'invention réside dans le fait qu'ils permettent de produire de la vapeur à partir d'une source froide dont la température est comprise par exemple entre 150 et 500 avec un très bon coefficient de performance de la pompe à chaleur qui travaille sur un écart de température de l'ordre de 20 à 500. Cette source froide peut être par exemple de l'eau de source chaude ou de l'eau chauffée par des capteurs solaires. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui repré- sentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation dtun dispositif selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est un diagramme représentant le cycle thermique d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif selon l'invention qui comporte un évaporateur 1 qui est une cuve fermée contenant de l'eau en phase liquide 2 en équilibre avec de la vapeur 3. Le dispositif comporte des moyens pour chauffer la phase liquide 2 à la température d'évaporation de l'eau qui dépend évidemment de la pression qui règne dans la cuve 1. Selon les cas d'application, on choisit une pression dans la cuve 1 comprise entre 0,1 et 0,7 bar, ce qui conduit à des températures d'avaporation comprises entre 450C et 900C environ. Les moyens pour chauffer l'eau 2 sont constitués par une pompe à chaleur d'un modèle courant, composée d'un compresseur 4 entraîne par un moteur électrique 5, et d'un circuit ferme 6, qui passe successivement à travers un condenseur 7, un détendeur 8 et un évaporateur 9. Dans le circuit fermé 7 circule un fluide caloporteur qui est généralement un hydrocarbure halogéné. Les pompes à chaleur sont bien connues de l'homme de l'art et il n'est donc pas nécessaire d'en donner une description plus détaillée. On rappellera qu'on appelle coefficient de performance de la pompe le rapport entre l'énergie calorifique transférée par la pompe et l'énergie électrique consommée par le moteur 5. Dans les conditions d'utilisation de l'invention, le coefficient de performance est de l'ordre de 4. L'évaporateur 9 est par exemple un échangeur liquide dans lequel le fluide caloporteur se vaporise. La chaleur de vaporisation est fournie par une source froide qui est un liquide à basse température qui circule dans un circuit 10 à travers l'échangeur. La source froide peut être par exemple de l'eau tiède provenant d'une source ou d'un rejet industriel ou bien de l'eau chauffée par des capteurs solaires. Cette eau arrive à l'échangeur à une température comprise entre 150 et 500. En variante, l'évaporateur 9 peut etre un échangeur liquide-gaz et, dans ce cas, la source froide 10 peut être une circulation d'air chaud par exemple de l'air ayant servi à sécher des produits. On a représenté sur la figure I un circuit 11 qui peut être connecte sur le circuit 10 par deux vannes à trois voies 12a et 12b. Ce circuit permet d'utiliser comme source froide des eaux chaudes ou de l'air chaud rejetés par l'installation elle-mEme. L'intérêt de la pompe à chaleur réside dans le fait qu'elle permet d'élever le niveau de température et d'utiliser des calories contenues dans des eaux résiduaires ou dans de l'air à des températures relativement faibles, de l'ordre de 150 à 500, qui sont des températures courantes pour des rejets. On a représenté également sur la figure 1 une conduite 13 qui est connectée, d'une part, sur le circuit 10 et, d'autre part, sur une vanne à trois voies 14, sur laquelle est connectée une canalisation 15 dont la fonction sera expliquée ultérieurement. Le dispositif comporte un circuit 16 équipé d'une pompe de circulation 17 qui prélève de l'eau 2 dans la cuve 1 et qui fait circuler celle-ci à travers le condenseur 7 dans lequel 11 eau s'échauffe en prélevant la chaleur de condensation du fluorocarbone. On connaît des fluorocarbones qui condensent à des températures comprises entre 450 et 900C et il est donc possible d'élever l'eau 2 à des températures de cet ordre avec une pompe à chaleur. Le dispositif comporte un compresseur 18 entraîné par un moteur électrique 19. Ce compresseur aspire la vapeur 3 contenue dans la cuve 1 par une canalisation 20. Il fait ainsi fonction de pompe à vide qui maintient dans la cuve une pression inférieure à la pression atmosphérique et qui est comprise, selon les cas d'utilisation, entre 0,1 bar et 0,7 bar. Le compresseur 18 refoule la vapeur comprimée à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans un réservoir de stockage 21. Selon les cas d'utilisation, la pression dans le réservoir 21 peut être comprise par exemple entre 1 bar et 12 bars. Le circuit 15 représente une conduite d'eau d'appoint pour la cuve qui sert en même temps d'eau de refroidissement du compresseur, dans le cas où un refroidissement est nécessaire pour le bon fonctionnement mécanique. Ce circuit 15 -aboutit à la vanne motorisée 14. L'eau de re-froidissement entre dans le compresseur par exemple à 200C et ressort du compresseur à 600C. Les deux autres voies de la vanne 14 sont connectées l'une sur le circuit 13 et 11 autre sur une canalisation 15a qui aboutit à la cuve. S'il est nécessaire d'envoyer un appoint d'eau dans la cuve 1, on disp#ose la vanne 14 dans la position qui envoie l'eau de refroidissement vers la cuve. -Dans le cas contraire, la vanne 14 est disposée dans la position qui envoie l'eau de refroidissement vers la source froide 10. Dans tous les cas, les calories de refroidissement du compresseur sont récupérées. Le repère 22 représente, à titre d'illustration, un appareil qui utilise la vapeur contenue dans le réservoir 21. Cet utilisateur peut être par exemple une cuve contenant un bain, par exemple un bain de cuisson ou de stérilisation, chauffé par un serpentin 23 dans lequel la vapeur circule. Bien entendu, cet exemple n' a rien de limitatif et les appareils utilisateurs de vapeur peuvent être de tout type connu, tels que des échangeurs vapeur-gaz ou vapeur-liquide, destinés à chauffer par exemple de l'air de séchage, des bains chimiques, des colonnes de distillation etc.... On a représenté sur la figure 1 un circuit 24 de vidange et de trop plein de la cuve 22 qui rejoint un égoût 25 en passant à travers un échangeur 26 dans lequel le bain chaud qui s'écoule de la cuve 22 cède des calories à un liquide caloporteur qui circule dans le circuit 11 et qui transporte ces calories vers la source froide 10, de sorte que ces calories à basse température sont récupérées en grande partie. Le circuit 24 peut également représenter un circuit de refroidissement des unités d'utilisation de vapeur, par exemple un circuit dans lequel circule de l'eau chaude ayant servi à refroidir des moules. Dans le cas où l'appareil 22 est un appareil de séchage utilisant de l'air chaud, l'échangeur 26 est un échangeur gaz-liquide à travers lequel passe l'air use chargé d'humidité. Dans l'échangeur 23, la vapeur se condense en libérant la chaleur latente. A la sortie de l'échangeur 23, l'eau retourne à la cuve 1 par un circuit 27. Dans le cas où la température des condensats à la sortie des appareils utilisateurs 22 est supérieure à la température de la vapeur 3 sortant de la cuve 1, les condensats peuvent passer à travers un échangeur 28, qui est disposé sur la canalisation 20 reliant la cuve 1 à l'aspiration du compresseur et qui permet de surchauffer la vapeur avant qu'elle entre dans le compresseur 18, ce qui a pour effet d'éviter des condensations et de diminuer le taux de compression du compresseur. Le repère 29 représente une armoire ou un coffret contenant les appareils de régulation. On a représenté sur la figure 1, une sonde de température 30 qui capte la température de l'eau 2 contenue dans la cuve. Cette sonde est reliée au coffret 29 par une liaison 30a. Dans le coffret se trouve un régulateur du type comparateur qui compare la température à une valeur de référence et qui commande automatiquement l'arrêt du moteur 5 de la pompe à chaleur lorsque la température de référence est dépassée et la remise en route lorsque la température de l'eau 2 descend au-dessous de la température de référence. Les repères #31 et 32 sont deux capteurs de niveau bas et de niveau haut de l'eau dans la cuve 1. On arrête automatiquement le compresseur 18 et la pompe 4 lorsque le niveau d'eau descend au-dessous du seuil minimum et on arrête l'arrivée d'eau neuve dans la cuve en agissant sur la vanne automatique 14 lorsque le seuil de niveau haut est dépassé. Le repère 33 représente un capteur de pression dans le réservoir 21. Les circuits contenus dans le coffret 29 comparent la pression à une valeur de référence et dès que la pression dans la cuve 21 descend audessous de cette valeur de référence, à la suite d'une demande de vapeur par les utilisateurs, la régulation met en route automatiquement le moteur 19 du compresseur 18 et l'arrête dès que la pression de référence est à nouveau atteinte. Bien entendu, le dispositif comporte,en outre, les régulations propres à la sécurité de fonctionnement de la pompe à chaleur 4 et du compresseur 18. A titre d'illustration sans aucun caractère limitatif, on décrit ci-après, un exemple de fonctionnement chiffré. Le thermostat 30 maintient par exemple l'eau 2 dans la cuve à une température de 600C et le capteur de pression 33 maintient, par exemple, la pression dans le réservoir 21 à 4 bars. Dans cet exemple, le compresseur 18,/qui agit comme une pompe à vide à l'aspiration, maitient dans la cuve 1 une pression de 0,2 bar qui est la pression d'équilibre entre les phases liquide et vapeur de l'eau à 600C. On suppose que les condensats sont récupérés à raison de 90% environ. La figure 2 est un diagramme qui représente le cycle thermodynamique de l'eau dans les conditions de l'invention. Ce diagramme représente en abscisses, la chaleur totale ou énergie interne d'un kilogramme d'eau exprimée en kilo calories, en prenant comme origine la chaleur totale à OOC. Les ordonnées représentent la température en degrés centigrades. Le point A est le point figuratif de la phase liquide 2 à la température de 600 dans la cuve. La ligne horizontale An représente la vaporisation d'un kilogramme d'eau qui absorbe une chaleur latente de vaporisation égale à 565 KC à cette température. On remarquera que la chaleur latente de vaporisation croît lorsque la température de vaporisation diminue et passe de 537 KC à 1000 à 575 KC à 450 Un des avantages de l'invention est donc de fournir une plus grande partie de la chaleur totale sous forme de chaleur latente à basse température. Au point B, la chaleur totale est passée à 625 KC et le volume 3 de vapeur est de 7,78 m3/Kg. Le point C représente la chaleur totale à la sortie de l'échangeur 28, dans lequel la vapeur d'eau est surchauffée à 1200. La chaleur spécifique de la vapeur d'eau est de 0,33 et la chaleur totale est augmentée de 2Q KC et passe à 645 SC, ce qui donne l'abscisse du point C. La pression de la vapeur d'eau au point C augmente légèrement par suite de l'élévation de température et passe à environ 0,236 bar. Le point D représente la vapeur saturée à 4 bars et 143 C, dont la chaleur totale est de 650 KC. Le compresseur fournit donc à la vapeur une énergie très faible, qui est de l'ordre de 5 KC. Le taux de compression du compresseur est de l'ordre de 17. Le volume du kilogramme de vapeur à 4 bars est de l'ordre de 0,486 m/Kg. La ligne horizontale DE représente la condensation de la vapeur 2 en cours d'utilisation sous une pression de 4 Kg/cm , qui correspond à une chaleur latente de 506 KC. La chaleur totale devient donc égale à 144 KC et ce point est représenté par le point E du diagramme. En fait, si l'on tient compte d'une perte de matière de 10 % en cours d'utilisation, l'énergie totale restante 'est plus que de 130 KC, ce qui correspond au point F du diagramme. Le point G représente l'énergie interne à la sortie de ltéchan- geur 28. On a vu que dans cet échangeur, l'énergie interne de la vapeur était augmentée de 20 KC. En admettant que le rendement de l'échange thermique soit de 90% les condensats perdent dans l'échangeur 28 une chaleur totale de l'ordre de 22 KC et ne contiennent plus que 108 KC, leur température étant alors de l'ordre de 1200 d'où le point G du diagramme. Les condensats sont alors recyclés dans la cuve 2 où ils descendent à la température de 600. De plus, il faut reconstituer la masse d'eau pour compenser les pertes égales à 10 %. On suppose que l'eau complémentaire qui sert à refroidir le compresseur sort de celui-ci à la température de 600.Le kilogramme d'eau retournant à la cuve est donc composé de 0,9 Kg d'eau à 1200 et de 0,1 Kg d'eau à 600 d'où une énergie interne moyenne de 110 KC environ, ce qui réduit d'autant l'énergie que la pompe à chaleur doit fournir, laquelle n'est plus que de 515 KC environ par kilogramme d'eau. Cet exemple chiffré de fonctionnement permet d'établir une comparaison entre les bilans énergétiques d'une chaudière traditionnelle chauffée par un brûleur et un dispositif selon l'invention. La chaleur totale d'un kilogramme de vapeur d'eau saturée sous une pression de 4 bars est de 650 KC. On suppose que 90% des condensats sont recyclés à une température de 1430C, ce qui représente une chaleur totale de l'ordre de 130KC. La chaudière doit donc fournir environ 520 KC. Le rendement maximum d'une chaudière étant de 85 %? elle consommera donc une énergie de l'ordre de 610 KC pour produire un kilogramme de vapeur saturée à une pression de 4 bars. Pour produire ce même kilogramme de vapeur saturée avec un dispositif selon 1 invention, on doit fournir également 520 KC dont 515 doivent être fournis par la pompe à chaleur à une température comprise selon les cas entre 450 et 900C. Le coefficient de performance de la pompe à chaleur étant de l'ordre de 4, la consommation d'énergie électrique du moteur 5 sera de l'ordre de 130 KC par kilogramme de vapeur. Le moteur électrique du compresseur a une consommation d'énergie électrique de l'ordre de 30 à 40 KC par kilogramme de vapeur comprimé. La consommation totale d'énergie électrique sera donc de l'ordre de 170 KC pour produire un kilogramme de vapeur à 1430C. Le reste de la chaleur totale sera fourni par des sources de calories à basse température ou par des récupérations de calories contenues dans les rejets, c'est-à-dire sans consommation de combustibles fossiles. On voit donc que le dispositif selon l'invention permet de produire de la vapeur avec une consommation réduite de formes d'énergie onéreuse qui est de l'ordre de 170 KC contre une consommation de l'ordre de 610 KC lorsque cette même vapeur est produite dans une chaudière équipée de bruleurs. L'économie d'énergie onéreuse est donc de 440 KC par kilogramme de vapeur, soit de l'ordre de 70 % de l'énergie consommée actuellement, ce qui est considérable. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs du dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents, remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour produire de la vapeur d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte - une cuve d'évaporation d'eau (1),contenant une phase liquide (2) en équilibre avec la phase vapeur (3); - une pompe à chaleur (4, 5) dont l'évaporateur (9) reçoit des calories d'une source froide (10),qui servent à vaporiser un fluide caloporteur, tel qu'un fluorocarbone,qui condense dans un échangeur en chauffant la phase liquide (2) de ladite cuve d'évaporation à une température comprise entre 450C et 900C; - et un compresseur (18, 19) qui aspire la phase vapeur (3) contenue dans ladite cuve d'évaporation (1), en maintenant dans celle-ci une pression comprise entre 0,1 et 0,7 bar et qui comprime la phase vapeur à une pression d'utilisation supérieure à 1 bar. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il comporte, en outre, un échangeur surchauffeur de vapeur qui est placé sur la condui te d'aspiration dudit compresseur et sur la conduite de recyclage de l'eau condensée vers la cuve d'évaporation. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (15) d'eau d'appoint de ladite cuve d'évaporation (1), qui sert d'eau de refroidissement du compresseur. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit cir cuit d'eau d'appoint comporte une vanne motorisée (14) à trois voies qui permet d'envoyer l'eau réchauffée vers un circuit (13) connecté sur la source froide (10) qui alimente l'évaporateur (9) de la pompe à chaleur. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les effluents chauds sortant des appareils d'utilisation (22) passent à travers un échangeur (26), sur lequel est connecté un circuit (11) dans lequel circule un fluide caloporteur, lequel circuit (11) est connecté sur la source froide (10) de la pompe à chaleur.