Brevet FR2490329A1 — publié le 19820319

La pressente invention concerne un procédé de récupérationdes calories dans les eaux usées,ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Elle trouve sa place dans le cadre de la lutte engagée co ntre le gaspillage d'énergie. Les eaux chaudes, tant domestique qu'industrielles sont habituellement rejetées aux égouts. L'énergie calorifique qu'elles contiennent est ainsi définitivement perdue. La présente invention permet le recyclage permanent d'une grande partie de cette énergie, et, par conséquent de réaliser une économie appréciable. Certes, l'idée de récupérer les calories dans les eaux usées n'est pas neuve. Dans les procédés et dispositifs connus de ce genre, on a tenté de résoudre le problème en utilisant un appareillage sophistiqué, mettant en oeuvre sondes, électrovannes, pompe, régulateur électronique,etc..Une telle complexité,une fiabilité et unrtdement hypothètiques, auxquels vient s'ajouter un prix de revient élevé,ont condamné de tels systèmes. La présente invention nta pas ces inconvénients. Elle ne fait appel Q aucune mécanique; simple dans son organisation facile à installer1d'un coût faible,d'une fiabilité certaine puisque son fonctionnement est statique, elle garantit une économie incontestable. L'invention a pour objet un procédé de récupération d'énergie calorifique dans les eaux usées chaudes, caractérisé par le fait que ces eaux usées cèdent,statiquement et en per manence ume partie importante des calories qutelles contien nent à une eau de consommation,ceci grâce à un double échan geur. Le premier échangeur est contenu dans une petite cuve où circulent les eaux usées.Disposé en forme de serpentin il au torise un échange instantané. Le deuxième échangeur plonge dans une grande cuve où sont stockées les eaux usées. Sa forme cylindrique tubulée qui le caractérise permet un échange par accumulation. L'eau de consommation profite,on le voitsde deux échange superposés, en communication l'un avec l'autre, qui se comssè tent ou se suppléent. Les explications qui suivent nous le feront apparaitre. Ltinvention a également pour objet un procédé de chemine ment des eaux de consommation caractérisé par le fait qu'elles empruntent succéssivent,conrnie on vient de le voir, les deux échangeurs,et se séparent ensuite,pour être consommées directement,d'une part,et renflouer le ballon d'eau chaude,d1autre part. Ces procédés intimement liés les uns aux autres, utilisant deux échangeurs distincts et un cheminementparticulier,cons tituent le dispositif faisant l'objet de la présente invention Celle-ci sera bien comprise grâce à ledture de la des cri ption suivante,faite en se référant aux dessins annéxés dont les figures 1 à 4 représentent les différentes fonctions du dispositif. En se référant tout d'abord à la figure 1, on voit que l'ins tallation est constituée: 1. D'un récepteur d'eau usée 1 de faible dimension dans lequel plonge un échangeur àserpentin 2 alimenté par l'eau de consommation. 2. D'un ballon de stockage 3 recevant les eaux issus du récepteur I grâce à un trop-plein 4 et dans lesquelles baigne un échangeur cylindrique 5 où circule également l'eau de consommation. 3. D'un circuit de distribution de ladite eau de consammation, ponctué en 6 - 7 - 8 - 9 v 10 et 11 La figure 2 représente dans le détail le récepteur lave son échangeur 2 1 o Le récepteur d1abord,est constitué d'une enveloppe 1 en plastique dont les dimensions pourront être,non limi tativement, ceci en fonction des domaines d'application,vingt centimètres de diamètre pour une hauteur de soixante centimè tres.Cette enveloppe cylindrique,obturée dans la partie infé rieure,reçoit un couvercle amovible 12 permettant les visites d'entretien de l'appareil. Cette enveloppe est équipée: a)d'un collecteur 13 afecté au ramassage et au guidage des eaux usées.Il débouche dans 2a partie supérieure de la cuve. b)d'un trop-plein 4 prenant naissance en bas de la cuve afin de favoriser le phénomène de thermôsyphonage et de préserver au maximum les eaux les plus chaudes contenues dans la partie supérieure de la cuve. c)d'une vanne d'épuisement 14 permettant le vidage complet de l'appareil. d)d'un calorifugeage 15 . 2 . L'échangeur 2 est un serpentin réalisé en tube cuivre spiralé sur la hauteur totale du récepteur, dans un sens qui permet échange à contre-courant. Le démontage facile al'appareil permet un nettoyage complet. La figure 3 représente dans le détail la cuve de stockage 3 avec l'échangeur cylindrique 5. 1 . La cuve est en plastique.Ses dimensions pouvant Qtre,non limitativement,ceci en fonction des domaines d'appel cation;cent vingt cinq centimètres de hauteur pour un diamètre de soixante centimètres;soit une contenance de trois cent cinquante litres environ. Elle est équipée: a) d'un trop-plein 16,d'un collecteur 17 et d'une vanne d'épuisement 18 identiques à ceux qui équi pent le récepteur 1 et fonctionnant de la même façon. b) d'une plaque de stratification 19 disposée a mi-hauteur de la cuve et traversée par l'échangeur Un certain jeu permet une circulation ralentie de liteau usée entre les deux compartiments haut et bas qu'elle délimité. c) d'un trop-plein de sécurité 20. d) d'un calorifugeage 21 2. L'échangeur cylindrique tubulé 5 est réalisé en cuivre.Ses dimensions pourront être (non limitativementpour les mêmes raisons que précédemment);quatre vingt centimètres de hauteur pour un diamètre de vingt huit centimètres;sa con tenance étant alors de cinquante litres environ. Il est disposé,dans la cuve 3,de façon à ce que sa partie supérieure soit toujours immergée;sa partie inférieure étant munie de pieds,afin de le maintenir surélevé et hors du contact des eaux les moins chaudes situées en bas de la cuve. Il est traversé par un faisceau de tubes cuivre 22 d'un diamètre préférentiel de 34/36.0uvert à leurs deux extrémi téssils ont pour fonction d'augmenter le potentiel d'échange de l'appareil et de lui conférer une meilleure résistance à la pression interne.Leur ouverture inférieure 23 est cependant étzranglée.Cet étranglement associe son effet à celui qui est. obtenu par la plaque de stratification 19 pour freiner le pas sage des eaux usées entre les parties haute et basse de la cuve. L'eau du circuit d'eau froide pénètre et parvient au bas de l'échangeur,après l'avoir traversé de haut en bas à conte courantsgrâce à un tube qui se termine par un té 24. Elle ressort à travers un autre tube cuivre qui prend naissance à la partie supérieure 25. Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant : Lors d'un appel d'eau chaude sur un poste 10, l'eau usée issue de ce puisage,est envoyée dans le récepteur l dans lequel elle abandonne une partie importante de ses calories à l'eau de consommation qui circule dans ltéchangeur à serpen- tin 2. Après titre débarrassée de ces calories,l'eau usée chemine à travers le trop-plein 4 jusqu'à parvenir dans le ballon de stockage 3. Les calories excédentaires dont elle ne s'est pas dépourvue dans le récepteur i vont remplacer celles qui ont été absorbées par liteau de consommation qui était contenue dans l'échangeur 5 pendant le -temps mort entre le présent puisage et le précédent Voici décrit le parcours des eaux usées. Analysons celui qui est emprunté par l'eau de consommation Dans le même temps,la sollicitation exercée sur le poste de puisage 10 provoque un appEl sur l'arrivée d'eau froide 6 L'eau contenue dans l'échangeur 5 se met en mouvement et s'élève pour traverser l'échangeur 2 Cette eau a bénéficié d'un premier échange de température dans le ballon de stockage 3. Ce premier échange peut être qualifié de long ou "par accumulation"; l'eau de consommation contenue dans le cylindre tubulé 5 ayant disposé de l'intervalle entre deux soutirages pour élever progressivement sa température en fonction de celle des eaux usées danslesquelles elle baigne. Nous lui donnerons le qualifivatif "d'eau tempérée"lorsqu'elle arrive en 7 Le deuxième échange,court ou "instantané",se produit dans l'échangeur a serpentin 2 où 1'eau de consommation, déjà tem pérée sssenrichiL de de nouvelles calories,d'autant plus que la température de l'eau soutirée,puis usée,qui traverse le récep teur 1, est élevée Nous lui donnerons le qualificatif "d'eau tièdie" lorsqu elle arrive en 8 C'est alors que cette eau tièdie se fractionne en arri vant en 9 pour prendre deux directions;l'une vers le ballon d'eau chaude 11 où elle est appelée en remplacement de l'ea chaude soutirée;;l1autre,vers le poste de puisage 10. Ce cheminement double permet une double économie,directe et indirecte,ou plutôt deux économies complémentaires En effet,l'eau tempérée d'abord,puis tièdie ensuite vient elle profiter directement au puisage,en ralentiZsant le débit du circuit d'eau chaude en provenance du ballon (première éo nomie); et; indirectement au ballon lui-même, qui bénéficiant d'une entrée d'eau préchauffée,consommera moins d'énergie pour élever sa température (deuxième économie) Elles sont complémentaires,car le fractionnement en 9 s'o père dans des proportions qui se complètent arithmètiquement Nous avons dit,à la page - 1-,lignes 37 - 38 - 39 -,que les deux échangeurs,eux aussi,se complètent ou se suppléent. Ils se complètent,en effet,lorsque soutirage et vidage sont simultanés.Ce qui n'est pas le cas lors du puisage d'un bain par exemple.Car alors vidage de la baignoire étant fermé, ltéchangeur à serpentin 2 devient inopérant.C'est à ce moment que l'échangeur à accumulation 5 supplée à la défaillance du premier. C'est la raison principale qui a conduit à l'adoption de deux deux échangeurs associés Ce n'est pas la seule La solution d'un échangeur a serpentin baignant dans la cuve de stockage 3 offrait l'inconvénient d'un risque d'encra ssage.Entrainant une baisse de rendement. De plus,la cuve 3 recevant des eaux usées à différentes températures,certaines froides puisque le système n'est pas sélectif,l'échangeur,dans ces conditions,eût perdu de son ef ficacité.Alors que,plongé dans un récepteur 1 situé immédia tement sous la chute des eaux usées,il profite,sans attendre des calories qu'elles lui offrent.La dimension volontairement réduite de ce récepteur permettant à l'eau résiduelle qu'il contient en permanencesde n'offrir qu'une faible inertie,viX vaincue par les nouveaux apports.Il assure,de cette façon ut fonction modulaire profitable A titre d'exemple non limitatifson va décrire ci-dessous une installation réalisée à titre de prototype dans un pavil lon individuel existant Ce bâtiment se prétait particulièrement bien à l'expérien ce;;en effet,les canalisations d'eau chaude et d'eau froide, ainsi que les écoulements et le ballon d'eau chaude,étaient réunis dans une zone du rez-de-chaussée située a la verticale sous la salle d'eau . C'est ainsi que les travaux d'installation du système puis de sa dépose en fin d'expérience,n'ont pas duré plus de quatre heures Le prototype était en tous points conforme à la description et aux dessins joints à la présente demande Dans un premier temps,la cuve 3 fût mise en charge,c'est à dire remplie avec de l'eau tièdie de façon à amorçerlepro cessus,en simulant des conditions plausibles d'utilisation. La température de l'arrivée d'eau froide était de douze degrés avère expérience:elle est réalisée à vide, c'est à dire en mettant hors circuit les échangeurs 2 et 5 .Cependant les eaux usées sont recueillies dans la cuve 3 On soutire 96 litres d'eau à 40 degrés dans la baignoire simultanément évacués On constate que: a) 2a température de l'eau usée à lascar tie du trop-plein 16 varie de 22 à 24 degrés environ b) la température de l'eau usée conservée dans la partie supérieure de la cuve 3 atteint 35 degrés Une première analyse de ces résultats démontre que la position du trop-plein 16 dont l'orifice est situé dans la partie basse de la cuve 3,ainsi que la cloison séparative 19 ont joué leur rôle en favorisant la stratification La dépense pour cette expérience est de 2.800 w. 2ème expérience:elle est réalisée 4 heures après la fin de la première.On procède à un nouveau soutirage, identique au premier,ctest à dire 96 litres à 40 degrés, cependant que l'échangeur 5 est mis en service (à l'exclusion de l'échan- geur 2) On constate que les tempCatures de l'eau usée en haut et en bas de cuve sont sensiblement les mêmes que dans la pre mière expérience Pendant toute la durée de l'expérience, on a mesuré enper manence la température du circuit d'eau froide à la sortie de l'échangeur au point 7, c'est à dire de l'eau qualifiée detem pérée dans notre description.Les résultats suivants sont enregistres s Durant le puisage des dix premiers litres 34 à 32 degrés " " " " " suivants 32 à 29 Puis 29 à 27 Et 27 à 25 " Ainsi 25 à 23 De 23 à 21 'I Suite 21 9 19 Pour 19 à 18 Finir 18 à 17 Durant le puisage des six derniers litres 17 à 16,5 n Si l'on additionne les calories ainsi récupérés,entenant compte de la température de l'entrée d'eau froide à 12 de grés on obtient le résultat moyen par litre de 12 degrés prélevés sur les eaux usées.Ce résultat,modeste en apparence,se tra duit cependant par une économie supérieure à quarante pour cent que le graphique de la figure 4 fait apparattre Ce qui est confirmé par la dépense qui ressort à 1.600 W. environ au lieu de 2.800 la fois précédente 3ème expérience:Elle s'est déroulée dans les mêmes condi tions que la deuxième,sauf que 11 évacuation des eaux souti rées est différée.Les eaux puisées sont recueillies dans la baignoire et ne sont évacuées qu'à la fin du remplissage L'économie réalisée dans ces conditions est pratiquement la même que dans le cas précédent. Il est à noter que ces expériences ont été conduites dans des conditions volontairement défavorables:soutirage long (é- quivalent à celui d'un bain) qui épuise peu-à peu la capacité de l'échangeur 5 Pour un puisage moins long (30 litres pour une douche par exemple) ,les calculs repris à partir de la deuxième expérience donnent les résultats suivants:18 degrés prélevés sur chaque litre d'eau usée.L'économie dépasse alors soixante pour cent. 4ème expérience:L'-échangeur 2 a été mis en servicewc'est à dire couplé avec l'échangeur 5 Préalablement à l'expérienceXon enregistre une température de 31 degrés en haut de la cuve de stockage 3 On soutlre,de la même façon qu'auparavant,96 litres dteau à 40 degrés avec évacuation immédiate. On constate que,pendant le soutirage,la température,à la sortie du trop-plein 16 ne dépasse pas 22 degrés,celle qui est enregistrée sur le circuit d'eau froide, à la sortie des échangeurs,au point 8 (c'est à dire celle qui est qualifié de tiède dans notre description),varie de la façon suivante au fur et à mesure du puisage ,et pour chaque dizaine de litre: 30 -30 -29 -28 -27,5 -27 -26 5-26 5-26 5 . Comparativement avec la deuxième expérience,le rendement s'est considérablement amélioré.La chute des températures qui s'échelonnait de 34 à 16,5 degrés n'est plus cette fois que de 30 à 26,5 degrés.Cette chute a été freinéelde touteéviden ce grace à l'effet d'échange instantané produit par l'échangeur 2 .Elle s'est stabilisée surtout à un degré bien supérieur. La conjugaison de l'effet des deux échangeurs a permis d'obtenir une économie que les calculs situent à soixante pour cent. La dépense enrégistée,lors de cette expérience,nous le confirme. 5ème expérience: soutirage de 30 litres d'eau froide; On constate que cette eau froide n'affecte pas sensiblement la température en haut de la cuve. 6ème expérience: soutirage de 30 litres en n'utilisant que le circuit d'eau froide qui traverse les deux échangeurs. On a donc fermé l'arrivée du circuit d'eau chaude. Préalablement la température enrégistée en haut de cuve est de 33 degrés. Durant l'expérience la température s'abaisse seulement de 32 à 29,5 degrés. Ce qui eut permis de prendre gratuitement une douche par exemple. Il résulte de cette expérience que lion aura intérêt à prévoir un circuit sépare pour obtenir de liteau fraîche. Le système pourra conporter un filtre épurateur et un décas teur. Le dispositif, objet de l'invention, peut etre utilisé dans tous les cas où l'eau chaude a sa raison d'etre.Il trouve sa place dans les domaines industriels et domestiques (laiteries, blanchisserie,salles de bain) Les coilectivités(écoles,douches municipales)offrent un champ d'application particulièrement intérxssant. Le graphique de la figure 4 fait apparaltre les pourcentages d'économie que l'on peut éspérer obtenir en fonction des températures atteintes par l'eau tièdie en provenance du circuit d'eau froide,aprés son passage dans les échangeurs. Les calculs ont été fait en tenant compte d'une entrée d'eau froide à 12 degrés. Si l'on prend l'exemple de la courbe représentative d'une eau tièdie ayant atteint 26 degrés,on peut lire que l'économie est de 50 % pour une demande d'eau chaude à 40 degrés.Cette économie atteint 61 S; lorsque la demande est à 35 degrés. La plage d'utilisation courante de l'eau chaude(en grisé sur le graphique)que l'on peut estimer être située entre 340 et 46 pour les besoins d'une salle d'eau par exemple,fait apparaitre une économie s'échelonnant de 30 à 100 %,pour une eau tièdie variant entre 22 et 36 degrés a REVENDICATIONS 1. Procédé de récupération des calories contenues dans les eaux usées chaudes, caractérisé par le fait qui consiste a envoyer ces eaux usées successivement dans deux récipients contenant chacun un échangeur de chaleur distinct,cependant que le circuit d'eau froide parcourt ces échangeurs a contre courant, en se préchauffant par conduction,Ientement dans l'un et rapidement dans l'autre,avant de se diriger séparément vers le ballon d'eau chaude et vers le poste de puisage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échange de température entre 11 eau usée et l'eau de consounatqon stopère de façon statique,crest à dire sans aucune intervention r1veanlque. 3. Procédé selon la revendication 1,caractérisé par le fait qui consiste à faire cheminer liteau en provenance du circuit d'eau froide à contre-courant dans les échangeurs avant qu'elle ne se sépare pour faire profiter de son préchauffement,et le ballon d'eau chaude,et le poste do puisage en service. 4. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'eau usée circule dans un récipient de faible conte nance dans lequel plonge un échangeur à serpentin spiralé dans le sens de la liauteur,ladite eau usée cheminant ensuite au travers d1un trop-plein prenant naissance en partie basse du récipient,pour etre conduite dans une cuve de gran de capacité où baigne un échangeur cylindrique tubulé,cette dernière cuve étant munie elle-même d'un trop-plein disposé de la même façon que le précédent. 5. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que le circuit d'eau froide se préchauffe par conduction lente,en séjournant entre deux soutirages,dans ltéchaflgeur cylindrique tubulé,et, par conduction rapide,lors d'un soutirage,dans l'échangeur à serpentin;les deux échanges se com pIétant ou se suppléant.