Brevet FR2492068A1 — publié le 19820416

DESCRIPTION La présente invention est relative à un proS cédé et a une installation de pompe à chaleur par éjecto-compression de vapeur d'eau po#ur le chauffage d'eau. Les pompes à chaleur sont des procédés qui permettent d'élever le niveau de température d'une source de chaleur à basse température, afin de l'utiliser à une température plus élevée, assurant ainsi sa valorisation, alors qu'elle est généralement rejets' tée à l'atmosphère sans utilisation. C'est ainsi qu'il est connu d'utiliser comme pompe à chaleur un cycle à fluide organique comporte. tant un évaporateur qui absorbe l'énergie calorifique transmise par la source de chaleur basse température à valoriser, un compresseur mécanique qui comprime le fluide organique qui s'est évaporé dans l'évaporateur, augmentant ainsi la température de condensation, un condenseur qui condense le fluide organique, cédant la chaleur provenant de la source de chaleur à un niveau de température élevé, une vanne de détente qui sert à introduire le fluide organique dans l'évaporateur. Ces pompes à chaleur à fluide organique présentent comme inconvénients le fait qu'on utilise un fluide onéreux, dont la stabilité thermique est mauvaise à haute température que les coéficients d'échange d'évaporation, de condensation et de convection sont faibles, et qu'on emploie un compresseur mécanique comportant dès pièces en mouvement, donc soumises à des usures, et qui ne transmet au système que l'éZ nergie mécanique de compression, alors qu'il a fallu au moins deux fois et demi plus d'énergie sous forme de chaleur (fuel, charbon) pour produire cette énergie mécanique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et à cet effet, elle a pour objet un procédé de pompe à chaleur par éjectobcompression de vapeur d'eau pour le chauffage d'eau dans lequel on récupère la chaleur d'un circuit d'eau par évaporation d'eau à basse température, on comprime cette vapeur d'eau dans un dispositif statique utilisant comme énergie de compression de la vapeur d'eau haute pression, on condense la vapeur d'eau comprimée pour céder la chaleur récupèrée et celle provenant de la vapeur d'eau haute pression à l'eau à chauffer, l'évaporation, la compression et la condensation pouvant 82 éffectuer dans différents étages successifs. Elle a également pour objet une installation de pompe à chaleur par éjecto#compression de vapeur d'eau pour le chauffage d'eau comprenant un ou plusieurs évaporateurs d'eau plaçés sur le circuit d'eau sur lequel on recupère la chaleur, un ou plusieurs dispositifs de compression statique du type éjecteur pour comprimer la vapeur d'eau provenant de 11 évaporation par de la vapeur d'eau haute pression provenant d'une chaudière, un ou plusieurs condenseurs qui condensent tout ou partie de la vapeur comprimée sortant des éjecteurs pour ré- chauffer de l'eau. Ce procédé et cette installation présentent comme avantage le fait qu'on utilise de la vapeur d'eau comme fluide caloporteur, qu'on comprime la vapeur d'eau dans un appareil statique, transmettant au système la totalité de la chaleur de la vapeur d'eau haute pression utilisée pour la compression, qu'on utilise selon les cas plusieurs étages d'évaporation, de comw pression, de condensation pour augmenter la chaleur récupérée et diminuer les échangeurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'in~ vent ion apparaîtront au cours de la description qui va suivre Les dessins annexés sont donnés uniquement à titre d'exemples La figure 1 est une vue schématique d'uneinstallation suivant un premier mode de réalisation conforme a l'invention. La figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation conforme à l'invention. L'installation représentée figure 1 sert à récupérer la chaleur d'un circuit d'eau (1), à augmenter le niveau de température de cette chaleur par les compresseurs statiques (2) et (3) et à céder cette chaleur par l'intermédiaire des condenseurs (4) et (5) au cire cuit d'eau (6). Le circuit d'eau (1) traverse ltévaporateur (7) cédant sa chaleur par l'intermédiaire de tubes dont l'extérieur est arrosé par un circuit d'eau (8) comportant un dispositif de détente (9) et un système d'arrosage. La vapeur sortant de l'évaporateur -(7) par le circuit (10) est reliée au dispositif de compression statique (2) du type éjecteur comportant une tuyère motrice de vapeur d'eau haute pression arrivant par le circuit (ll) en provenance de la chaudière (12), une chambre de mélange de la vapeur d'eau haute pression détendue et de la vapeur d'eau aspirée, un venturi de comZ pression de ce mélange qui est relié au condenseur (4). Le condenseur (4) est traversé par le circuit d'eau (6) qui se réchauffe pa#r l'intermédiaire de tubes (13). L'eau provenant de la condensation de la vapeur est reprise par la canalisation (14) pour être en partie dirigée vers l'évaporateur (7) par la canalisation (8), en partie dirigée vers la chaudière (12) par l'intermé- diaire de la pompe (15). La vapeur qui nta pas été condensée dans le condenseur (4) est reprise par la canalisation (16) et dirigée vers l'éjecteur qui est analogue au précédent éjecteur (2) et qui est alimenté en vapeur haute pression par la canalisation (17) et la chaudière (12). Le refoulement de cet éjecteur est connecté au condenseur (5) qui est traversé par le même circuit d'eau (6) et qui comporte des tubes d'échange (18).La vapeur est totalement condenséeet les condensats sont repris par la canalisation (19) pour être mé- langés aux condensats du condenseur (4) dans la canaliaau tion (14) par l'intermédiaire d'un purgeur ou d'un tube en U. Le principe de fonctionnement de cette installas tion est le suivant La chaleur récupérée dans le circuit (1), pouvant provenir d'un circuit d'eau de capteurs solaires, d'un circuit de refroidissement de groupe frigorie fique, d'un forage géothermique, de rejets d'eau à l'égout,... sert à évaporer de l'eau à une température un peu plus faible que celle du circuit (1). La vapeur produite est comprimée dans l'éjecteur statique (2) pour élever sa température de condensation et être utiz lisable pour chauffer un circuit d'eau (6). Elle se condense donc dans le condenseur (4) et il a été prévu dans l'exemple un deuxième étage de compression avec l'éjecteur (3) et le condenseur (5) de façon à élever à un niveau encore supérieur la température de condensa tion de la vapeur récupérée, donc la température de l'eau à chauffer. Les deux éjecteurs (2) et (3) fonctionnent grâce à de la vapeur d'eau haute pression provenant de la chaudière (12). Cette chaudière est alimentée par une partie des condensats provenant des condenseurs (4) et (5). L'autre partie des condensats est dirigée vers l'éva- porateur (7) et détendue par le dispositif (9) car la pression des condensats est plus élevée que celle de l'évaporateur. L'installation représentée figure 2 est un autre mode de réalisation conforme à l'invention. Elle comporte trois étages d'évaporation, trois étages de compression et trois étages de condensation. Dans cet exemple les condenseurs et les é.. uaporateurs n'ont pas de parois d'échange séparant les circuits, l'évaporation ayant lieu par détente de l'eau dont on récupère la chaleur, la condensation ayant lieu par contact entre de l'eau à chauffer et la va- peur. Le circuit (1) d'eau dont on recupère la chaleur passe dans une chambre de détente ayant trois étages (2), (3) et (4). Le passage d'un étage à un autre se faisant par les canalisations (5) et (6) et les organes de détente (7) et (8) après avoir été reprise par la pompe (10). La vapeur s'échappe par la canalisation (11) de l'étage deux, par la canalisation (12) de l'étage trois, par la canalisation (13) de l'étage quatre. La canalisation (13) est reliée à l'éjecteur (14), alimenté en vapeur d'eau haute pression par la cana- lisation (15) et la chaudière (16) et refoulant dans le condenseur à contact direct (17). La canalisation (12) est reliée à ce même condenseur (17). La canalisation (11) refoule dans le condenseur (18), de même que l'éjecteur (19) qui aspire la vapeur non condensée du condenseur (17) et qui est alimenté en vapeur haute pression par la canalisation (20) et la chaudière (16). La vapeur non condensée dans le condenseur (is) est aspirée par l'éjecteur (21) alimenté en vapeur haute pression par la canalisation (22) et la chaudière (16), et qui refoule dans le condenseur (23). Les condenseurs (17), (18) et (23) sont alimentés en eau à chauffer par le circuit (24). L'eau entre d'abord dans le condenseur (17), est mise en contact avec la vapeur, est pulvérisée par le dispositif (25) pour améliorer ce contact et est reprise par la pompe (26) pour entrer dans le condenseur (18). Cette eau est pulvérisée par le dispositif (27) dans le condenseur (18), puis reprise par la pompe (28) pour être pulvé- risée dans le condenseur (23) par le dispositif (29). Elle est reprise eflfiir par la pompe (30) qui la transi fert au circuit d'utilisation. Le principe de fonctionnement de cette installation est le suivant L'eau (1) dont on récupère la chaleur est envoyée dans un évaporateur (2) où la pression est plus faible que celle correspondant à la pression d'équilibre liquide/vapeur. Elle se détend et une petite par.. tie de l'eau s'évapore pour que la température s'abaisse jusqu'à celle de l'équilibre liquide/vapeur correspondant à la pression de l'évaporateur (2). Il en est de même dans l'évaporateur (3) où la pression est plus faible que dans l'évaporateur (2), et dans l'évaporateur (4) où la pression est plus faible que dans l'évaporateur (3). Ces trois évaporateurs produisent donc de la vapeur d'eau qui va servir à chauffer un circuit d'eau (24). Dans l'exemple figure 2 la vapeur à la pression la plus élevée, donc à la température la plus élevée, sortant de l'évaporateur (2) chauffe l'eau par contact dans le condenseur (in), la vapeur se condensant au contact avec l'eau pulvérisée dans le dispositif (27). La vapeur à une pression un peu plus faible sortant de l'évaporateur (3) chauffe l'eau du condenseur (17) par contact. Ce condenseur (17) se trouve à une preste sion, donc à une température plus faible que celle du condenseur (18). La vapeur produite à la pression la plus faible sortant de l'évaporateur (4) est comprimée par l'éjecteur (14) pour être introduite dans le condenseur (17). Dans le condenseur (17) la vapeur non condensée est reprise par l'éjecteur (19) pour être comprimée et injectée dans le condenseur (18).La va- peur non condensée dans le condenseur (lys) est reprise par l'éjecteur (21) pour être condensée dans le conden -seur (23) dont la température et la pression sont plus élevées que celle du condenseur (18), permettant ainsi d'avoir la température du circuit d'eau à chauffer la plus élevée possible. Les éjecteurs (14), (19) et (21) fonctionnent grâce à de la vapeur d'eau haute pression provenant de la chaudière (16) et qui assure aussi le chauffage du circuit d'eau (24). Comme les pressions dans les condenseurs (17), (18) et (23) vont en croissant il est nécessaire d'avoir les pompes (26) et (28) pour assurer la circulation de l'eau. La pompe (30) permet d'avoir une pression d'eau assurant la circula- tion de l'eau chaude pour l'utilisation. Dans les deux exemples précèdents, si les températures de l'eau dont on récupère la chaleur et celles de l'eau que l'on chauffe sont inférieures à 1000 C, les évaporateurs et les condenseurs fonctionnent sous vide et un dispositif connu est utilisé pour extraire les incondensables qui augmenteraient les pressions de fonctionnement et gêneraient le fonctionnement de la récupération de chaleur. Les applications de cette invention concernent les établissements qui disposent d'une source de chaleur à basse température comme le circuit d'eau de refroidissement d'un groupe frigorifique, d'un circuit d'huile, d'un équipement tel des capteurs solaires, un circuit d'eau géothermique, des rejets d'eau tiède polluée... et qui cherchent à valoriser cette chaleur à une température plus élevée pour produire de l'eau chaude utilisable pour le chauffage des locaux, pour les besoins sanitaires ou de nettoyage, pour des apports calorifiques à un équipement... Le procédé et l'installation décrits dans le brevet présentent un intérêt énergétique car ils permettent de réduire de 20 % à 80 % la consomma.. tion calorifique des appareils de production d'eau chaude selon la température de la source de chaleur à récupérer et la pression de la vapeur provenant de la chaudière. Appliquée à un abattoir qui a des besoins d'eau à 600 C et qui dispose d'un circuit d'eau de refroidissement de groupe frigorifique à 300 C, cette invention assure une économie annuelle de combustible de 50 91 en ut-ilisant une chaudière à vapeur de pression 10 bars. Par rapport au système à compression mécanique l'invention a comme avantage d'utiliser un appareil statique sans pièce#.#-mobile donc sans usure mécanique et de nécessiter comme énergie de compression de la vapeur d'eau haute pression dont la chaleur est intégralement transmise à l'eau à chauffer. Un compresseur mécanique ne transmet à l'eau que l'énergie mécanique sous forme de chaleur alors qu'il a fallu environ 2,5 fois plus d'énergie thermique (fuel ou charbon) pour produire cette énergie mécanique. L'utilisation de la vapeur d'eau est très intéressante car les coéficients d'échange en condensation, en évaporation et en convection sont très élevés, réduisant ainsi les surfaces d'échange. Le coût de l'eau est d'autre part négligeable en comparaison du coût du fluide organique souvent utilisé avec des procédés à compression mécanique. La vapeur d'eau permet l'utilisation de chambres de détente qui présentent l'intérêt d'éviter les surfaces d'échange, à parois intermédiaires, de diminuer le coût des évaporateurs et d'éviter les encrassements et les corrosions des surfaces dans le cas où la chaleur est récupérée sur un circuit d'eau polluée. La vapeur d'eau permet aussi l'utilisation de condenseurs à contact direct, sans surface d'échange à parois intermédiaire, #iminu.ant le coût des conte. denseurs, évitant les encrassements et les corrosions. L'utilisation de plusieurs étages d'évaporation, de condensation et de compression permet d'obtenir la quantité de chaleur récupérée la plus élevée tout en assurant un chauffage à la température la plus élevée. REVENDICATIONS 1) Procédé de pompe à chaleur par éjectocompression de la vapeur d'eau pour le chauffage d'eau du type dan lequel on recupère la chaleur d'un circuit d'eau à basse température, caractérisé en ce qu'on effectue cette récupération par évaporation d'eau, on compri me cette eau évaporée par action de vapeur d'eau hau te pression dans un dispositif statique et on conden se la vapeur d'eau comprimée pour chauffer un circuit d'eau. 2) Procédé de pompe à chaleur suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on réalise une évaporation à plusieurs étages correspondant à des températures et des pressions différentes d'évaporation. 3) Procédé de pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'on effectue la compression dans plusieurs étages avec des pressions différentes. 4) Procédé de pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on réa lise une condensation à plusieu#rs étages correspondant à des températures et des pressions différentes de condensation. 5) Procédé de pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications I à 4 caractérisé en ce que-l'.ávaff poration a lieu par détente d'eau du circuit d'eau à basse température en introduisant l'eau à détendre dans un évaporateur dont la pression est plus faible que la pression d'équilibre liquide/vapeur correspond dant à la température de l'eau entrant. 6) Procédé de pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la condensation a lieu par contact entre la vapeur d'eau et l'eau du circuit d'eau à chauffer sans parois sé parant les deux fluides. 7) Installation (fig 1) pour la mise en oeuvre du procé dé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'elle comporte au moins un évapo rateur (7) récupérant la chaleur d'un circuit d'eau (1), au moins un dispositif de compression statique (2) utilisant de la vapeur d'eau haute pression pour assurer la compression de la vapeur d'eau provenant des évaporateurs, et au moins un condenseur (4) cédant au circuit d'eau à chauffer (6) la chaleur provenant de la condensation de la vapeur d'eau sortant des é vaporateurs et des dispositifs de compression statique. 8) Installation (fig 1) suivant la revendication 7 ca ractérisée en ce que le dispositif de compression statique est un éjecteur ( 2) comportant une tuyère de détente de la vapeur d'eau haute pression, une chambre de mélange de la vapeur d'eau aspirée et de la vapeur d'eau haute pression détendue, et un ventu ri de compression du mélange. 9) Installation (fig 2) suivant l'une quelconque des re vendications 7 et 8 caractérisée en ce que l'évapora teur est une chambre de détente ( 2) alimentée par le circuit d'eau (1) sur lequel on récupère la chaleur. 10) Installation (fig 2) suivant l'une quelconque des re vendications 7 à 9 caractérisée en ce que le conden seur (17) est une chambre dans laquelle l'échange thermique a lieu par contact direct entre la vapeur sortant des éjecteurs (19) et (21) et des évaporateurs .(2), (3) et (4) et l'eau du circuit à chauffer (24).