Brevet FR2520853A1 — publié le 19830805

La présente invention concerne un système permettant de récupérer les calories dissipées par une machine électrique refroidie par un fluide comprenant une succession de circuits hydrauliques distincts en relation de transfert thermique les uns avec les autres par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur, ladite succession comportant un premier circuit hydraulique fermé qui est parcouru par le fluide de refroidissement de la machine électrique, et un circuit d'utilïsation. La présente invention est applicable à toute machine électrique, statique ou dynamique, dont les pertes Sont génératrices de chaleur et qui utilise un fluide pour son refroidissement et éventuellement pour -son isolement. Dans la suite du présent texte, pour fixer plus concrètement les idées, on supposera que l'invention est appliquée à un transformateur, étant entendu qu'il s'agit d'un exemple purement indicatif et nullement limitatif et que l'invention est en fait applicable à toute machine électrique telle que définie plus haut. Toutes les machines ont un rendement inférieur à 1, dû aux pertes sous forme souvent calorifique. Dans un transformateur, ces pertes sont de deux natures Les pertes à vide, dites pertes fer, résultant de l'effet de magnétisation du circuit magnétique. Ces pertes sont sensiblement constantes, quelle que soit la charge. Les pertes en charge, dites pertes cuivre, dans les enroulements par effet Joule. Ces pertes sont sensiblement proportionnelles au carré de l'intensité du courant. Ces pertes sont génératrices de calories et ltéchauffe- ment résultant doit, être maintenu dans des limites prédétermi nées pour la bonne tenue du transformateur. A cet effet, la partie active du transformateur est habituellement immergée dans un fluide diélectrique, en général de l'huile à haut pouvoir d'isolation. Les calories transmises au fluide diélectrique sont évacuées souvent en pure perte dans l'environnement par l'intermédiaire de radiateurs. A titre d'exemple, un transformateur de 100 MVA engendre des pertes de 250 a300 kW correspondant à environ 250.000 kcal/heure, ce qui est considérable et permettrait de chauffer un bâtiment d'environ 7500 à 8000 m3. On a dé3.ê proposé des systèmes permettant de récupérer la chaleur engendrée par les pertes d'une machine électrique statique. Ces systèmes connus de récupEration de chaleur utilisent à cet effet un ou plusieurs échangeurs de chaleur branchés directement sur la source de chaleur. Dans le cas d'un transformateur, ils sont montés en paralléle ou en série sur le circuit normal de refroidissement du transformateur (voir par exemple la revue "Jalons" nO 22, page 13, avril 1979, article "Aluminium Pechiney, à VENTHON on se chauffe gratuitement", ou encore la demande de brevet français nO 81 01241 publiée sous le numéro 2.475.199).Toutefois, dans ces systèmes connus de vécupération de chaleur, le circuit d'utilisation est toujours à un niveau de température inférieur à celui de la source de chaleur (le transformateur) à cause des pertes dans l'échangeur de chaleur. Dans le cas où plusieurs échangeurs de chaleur sont montés en cascade, la perte de calories est encore plus grande à cause de la multiplication des rendements des échangeurs, surtout si les fluides utilisés sont mauvais caloporteurs, et il faut alors utiliser des échangeurs de chaleur de grande surface. C'est pourquoi, dans la pratique, les systèmes connus de récupération de chaleur ne sont utilisables qu'avec des transformateurs ou des machines électriques dont la charge est élevée et constante si l'on veut avoir une température suffisante dans le circuit d'utilisatidn.A titre d'exemple, la température du fluide de refroidissement d'un transformateur, qui est de l'ordre de 70 a 800C à pleine charge, n'est plus que de 35 à 400C à mi-charge et la température qui est alors obtenue à la sortie de l'échangeur de.chaleur n'est plus que de 30 à 350C. En conséquence, lorsqu'on désire utiliser un tel système de récupération de chaleur avec un transformateur ou autre machine électrique de grande puissance, ne fonctionnant -pas en permanence à pleine charge, le problème qui se pose souvent est que les calories engendrées par les pertes dans le transformateur ou autre machine électrique ont un niveau de température trop bas pour pouvoir étre utilisées directement par exemple à des fins de chauffage de locaux et/ou de production d'eau chaude sanitaire, ou encore à des fins de chauffage, ou de séchage ou d'évaporation de produits divers, etc.. Le but de la présente invention est donc de fournir un système perfectionné permettant non seulement de récupérer les calories engendrées dans une telle machine électrique, mais de les valoriser en élevant leur niveau de température à un niveau suffisant et supérieur à celui de la source de chaleur, pour que les calories ainsi récupérées et valorisées soient utilisables à diverses fins quelle que soit la charge de la machine électrique. Selon la présente invention, ce problème est résolu et ce but est atteint par le fait que ladite succession de circuits hydrauliques comporte une pompe à chaleur qui est en relation de transfert de chaleur avec le circuit d'utilisation par l'intermédiaire d'un-échangeur de chaleur qui constitue le condenseur de la pompe à chaleur. On décrira maintenant diverses formes d'exécution de la présente invention appliquée à un transformateur, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 montre schématiquement une première forme d'exécution du système de récupération de chaleur selon la présente invention. La figure 2 montre schématiquement une deuxième forme d'exécution du système de récupération de chaleur. La figure 3 montre schématiquement une troisième forme d'exécution du systeme de récupération de chaleur. La figure 4 montre une variante du système de la figure 3. Le système de récupération de chaleur représenté dans les dessins peut être décomposé en deux parties, à savoir, d'une part, la partie captage et valorisation des calories ou partie amont du système, du transformateur 1 à la pompe à chaleur 2 incluse, et, d'autre part, la partie utilisation, située en aval de la pompe à chaleur 2. Dans la figure 1, le transformateur 1, éventuellement muni de ses propres radiateurs 3, utilise pour son refroidissement et son isolement un fluide frigorigène, comme par exemple le"fréon (marqué déposée), et il est combiné à la pompe à chaleur 2 de manière à constituer la source dite "source froide", mais aussi l'évaporateur de la pompe à chaleur. A cet effet, le circuit de la pompe à chaleur 2, dans lequel circule le fluide frigorigène, est raccordé directement, c'est-a-dire sans interposition d'un échangeur de chaleur, à la cuve du transformateur 1 ou au circuit normal de refroidissement dudit transformateur, de façon à être en série ou en parallèle avec les radiateurs 3. Dans la figure 1, on a également représenté le compresseur 4 et le condenseur 5 de la pompe à chaleur 2, ainsi qu'un clapet anti-retour 6. Le condenseur 5 est constitué par un échangeur de chaleur dans le circuit primaire duquel circule le fluide frigorigène de la pompe à chaleur, et dans le circuit secondaire duquel circule un fluide à chauffer, par exemple de l'eau. Ainsi, le fluide frigorigène évaporé dans le transformateur 1 est tout d'abord comprimé par le compresseur 4, puis envoyé dans le circuit primaire du condenseur 5, où il se condense en cédant sa chaleur au fluide qui circule dans le circuit secondaire du condenseur, et il est ensuite renvoyé à travers le clapet anti-retour 6 dans le transformateur 1 pour y être à nouveau évaporé. Dans la figure 2, l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 2 est constitué par un échangeur de chaleur dont le circuit primaire est raccordé par un circuit 8 à la cuve du trans for- mateur 1 ou au circuit normal de refroidissement dudit transformateur. Ainsi, en passant dans le circuit primaire de l'évapo- rateur 7, le fluide de refroidissement du transformateur 1, par exemple de l'huile ou un "ascarel" (nom commercial), cède sa chaleur au fluide frigorigène, par exemple du "fréon", circulant dans le circuit secondaire de l'échangeur 7, afin de provoquer l'évaporation dudit fluide frigorigène.Comme dans le cas de la figure 1, le fluide frigorigène évaporé est ensuite comprimé par le compresseur 4, puis se condense dans le circuit primaire du condenseur 5 en cédant sa chaleur au fluide de qui circule dans lecircuit secondaire dudit condenseur, et il est à nouveau renvoyé à travers le clapet anti-retour 6 dans le circuit secondaire de l'échangeur de chaleur 7 pour y etre évaporé. Le système de récupération de chaleur représenté sur la figure 3 se distingue de celui représenté sur la figure 2 par le fait qu'un circuit fermé 9, parcouru par exemple par de l'eau, est intercalé entre la pompe à chaleur 2 et le circuit 8 dans lequel circule le fluide de refroidissement du transformateur 1. Le circuit 9 est en relation de transfert thermique avec le circuit 8 par l'intermédiaire d'un premier échangeur de chaleur 10, et avec la pompe à chaleur 2 par l'internté- diaire d'un second échangeur de chaleur 11, ce dernier constituant l'évaporateur de la pompe à chaleur 2. L'échangeur de chaleur 10 peut être situé tout près du transformateur 1, tandis que l'échangeur de chaleur 11 et la pompe à chaleur 2 peuvent être situés au lieu d'utilisation des calories récupérées. Bien que cette forme d'exécution comporte un plus grand nombre d'échangeurs de chaleur, cette solution peut néanmoins s'avérer avantageuse dans le cas où le transformateur 1 se trouve à une distance relativement grande du lieu d'utilisation des calories. En effet, dans ce cas, les calories sont véhiculées sur une distance relativement longue par le circuit 9 à un bas niveau de température, donc avec moins de pertes calorifiques que si elles étaient véhiculées à un haut niveau de température. La partie utilisation située en aval du condenseur 5 de la pompe à chaleur 2 est identique dans les trois figures 1, 2 et 3. Comme montré, la partie utilisation peut par exemple comporter un circuit 12 qui est branché aux extrémités du circuit secondaire du condenseur 5 et qui alimente en eau chaude les radiateurs de chauffage 13 (un seul d'entre eux a été montré sur les dessins) d'un bâtiment 14. Un réservoir ou bâche d'accumulation 15 est monté en série dans le circuit 12. Un échangeur de chaleur eau/eau 16 pour la production d'eau chaude sanitaire est branché dans le circuit 12 en parallèle sur les radiateurs 13. Le circuit 12 peut en outre comporter deux branchements 17 en attente pour un apport éventuel de chaleur en provenance d'une source auxiliaire de chaleur, par exemple une chaudière classique. Comme montré dans les figures 1 à 3, des pompes de circulation 18, 19 et 20 sont prévues respectivement dans les circuits 12, 9 et 8 pour faire circuler les fluides dans ces circuits. Des vannes d'arrêt ou d'isolement hydraulique (non montrées) peuvent être prévues dans les circuits 2, 8, 9 et 12 pour les isoler les uns des autres en cas de fuite entre les circuits primaire et secondaire de l'un quelconque des échangeurs de chaleur 5, 7, 10 et 11.De même, afin d'éviter, en cas de perforation du premier échangeur de chaleur, c'est-à-dire l'échangeur 5 dans la figure 1, l'échangeur 7 dans la figure 2 et l'échangeur 10 dans la figure 3, l'introduction d'eau (figures 1 et 3) ou de fluide -frigorigène (figure 2) dans le fluide d'isolement et de refroidissement du transformateur 1, les pressions des fluides dans les circuits successifs sont réglées de telle manière que la pression dans le premier circuit 2 (figure 1) ou 8 (figures 2 et 3) soit plus grande que la pression dans le deuxième circuit 12 (figure 1) ou 2 (figure 2) ou 9 (figure 3), que la pression dans le second circuit 2 (figure 2) ou 9 (figure 31 soit plus grande que dans le troisième circuit 12 (figure 2) ou 2 (figure 3), et ainsi de suite jusqu'au circuit d'utilisation 12.Dans le même but, l'échangeur 5- (figure 1) ou 7 (figure 2) ou 10 (figure 3) peut être avantageusement-constitué par un échangeur à plaques dont les fuites à travers les joints se font toujours vers l'extérieur et sans communication entre les circuits primaire et secondaire de l'échangeur. En outre, toutes les jonctions entre le système de récupération de chaleur et la cuve du transformateur 1 sont isolées électriquement dès la sortie de ladite cuve par des moyens connus d'isolation 21 semblables à ceux qui sont habituellement utilisés dans le système d'isolement dit "masse/cuve" du transformateur, afin d'éviter toute interférence électrique aussi bien du transformateur 1 sur le système de récupération de chaleur, que de ce dernier, qui comporte des organes alimentés en courant électrique, sur le système de mesure des courants de défaut habituellement installé sur le transformateur. I1 est bien entendu que les formes d'exécution de la présente invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données & titre purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. C'est ainsi notamment que d'autres schémas de branchement de la pompe à chaleur 2 peuvent être imaginés. Par exemple, comme cela est montré dans la figure 4, dans laquelle les éléments qui sont identiques à ceux de la figure 3 sont désignés par les mêmes numéros de référence, deux vannes 22 et 23 peuvent être prévues respectivement dans le circuit 9 et dans le circuit d'utilisation 12, et deux autres vannes 24 et 25 peuvent être montées respectivement dans deux dérivations 26 et 27 branchées entre le circuit 9 et le circuit d'utilisation 12 pour relier ces deux circuits en série, sans passer par la pompe à chaleur 2, quand les vannes 22 et 23 sont fermées et que les vannes 24 et 25 sont ouvertes. Un dispositif de régulation et de commande (non montré) peut être prévu pour commander automatiquement la fermeture des vannes 22 et 23, l'ouverture des vannes 24 et 25 et l'arrêt du compresseur 4 où, inversement, la mise en marche du compresseur 4, la fermeture des vannes 24 et 25 et l'ouverture des vannes 22 et 23, en fonction de divers paramètres tels que les températures à l'extérieur et à l'intérieur du bâtiment 14 (mesurées respectivement par des sondes), la température désirée à l'intérieur du bâtiment 14 (sélectionnée par exemple au moyen d'un thermostat), la température de l'eau dans le circuit 12 et la température de l'eau dans le circuit 9 (mesurées respectivement par des thermocouples par exemple), l'heure du jour et de la nuit (minuterie), etc.Le dispositif de régulation et de commande peut être avantageusement conçu de telle façon que la pompe à chaleur 2 soit automatiquement mise en service (compresseur 4 en marche, vannes 24 et 25 fermées et vannes 22 et 23 ouvertes) seulement lorsque la température de l'eau dans le circuit 9 est trop basse pour assurer directement les besoins de chauffage, par exemple quand le transformateur 1 fonctionne à vide ou à faible charge, et de telle façon que la pompe à chaleur 2 soit mise automatiquement hors service (compresseur 4 arrêté, vannes 22 et 23 fermées et vannes 24 et 25 ouvertes) lorsque la température de l'eau dans le circuit 9 est suffisante.pour assurer directement les besoins de chauffage, par exemple quand le transformateur 1 fonctionne à pleine charge. Ceci permet notamment de compenser les fluctuations de charge du transformateur et de faire l'économie de la dépense d'énergie absorbée par le compresseur 4 lorsque la pompe à chaleur 2 n'est pas nécessaire pour assurer les besoins de chauffage. De plus, quand le besoin de chauffage est faible, la nuit par exemple, ou quand il suffit de mettre le batiment 14 hors gel, la pompe à chaleur 2 pourra être mise hors service au moyen de la minuterie ou du'thermostat du dispositif de régulation et de commande. Un tel dispositif de régulation et de commande pourra être facilement conçu par l'homme de 11 art à partir des indications qui précèdent. Des vannes (non montrées) peuvent être éventuellement prévues pour mettre hors service les radiateurs 3 du transformateur 1 lorsque celui-ci fonctionne à vide. Ces dernières vannes peuvent être également commandées par le dispositif de régulation et de commande susmentionné. Toutefois, dans ce cas, un système de sécurité devra être prévu pour mettre automatiquement en service,les radiateurs 3 du transformateur 1 si la température à l'intérieur de celui-ci dépasse un seuil acceptable pour un bon fonctionnement du transformateur. D'autre part, en amont de la pompe à chaleur 2, le système de récupération de chaleur peut etre raccordé à plusieurs sources de chaleur, par exemple plusieurs transformateurs électriques ou plusieurs machines électriques, statiques ou dynamoques, telles que définies au début du présent texte. Par ailleurs, bien que dans ce qui précède, le circuit d'utilisation 12 soit plus particulièrement conçu pour le chauffage de bâtiments, il peut être également conçu pour le chauffage, le séchage ou l'évaporation de produits divers. REVENDICATIONS =====a====================== 1.- Système permettant de récupérer les calories dissipées par une machine électrique (1) refroidie par un fluide comprenant une succession de circuits hydrauliques distincts (2, 8, 9, 12) en relation de transfert thermique l'un avec l'autre par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur (5, 7, 10, 11), ladite succession comportant un premier circuit hydraulique fermé (2, 8) qui est parcouru par le fluide de refroidissement de la machine électrique (1), et un circuit d'utilisation (12), caractérisé en ce que ladite succession de circuits hydrauliques comporte une pompe à chaleur (2) qui est en relation de transfert de chaleur avec le circuit d'utilisation (12) par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (5) qui constitue le condenseur de la pompe à chaleur. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit hydraulique fermé est constitué par la pompe à chaleur (2) dont le fluide frigorigène est le liquide de refroidissement de la machine électrique (1), laquelle forme à la fois la "source froide" et l'évaporateur de la pompe à chaleur. 3.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit hydraulique fermé (8) est en relation de transfert thermique avec la pompe à chaleur (2 > par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (7) qui constitue l'évapo- rateur de la pompe à chaleur. 4.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite succession de circuits hydrauliques comporte en outre un deuxième circuit hydraulique fermé (9) qui est parcouru par de I.'eau et qui est en relation de transfert thermique avec le premier circuit hydraulique fermé (8) par l'intermédiaire d'un premier échangeur de chaleur (10) et avec la pompe à chaleur (2) par l'intermédiaire d'un second échangeur de chaleur (11) constituant l'évaporateur de cette dernière. 5.- Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une première paire de vannes (22, 23) disposées respectivement dans le deuxième circuit hydraulique fermé (9) et dans le circuit d'utilisation (12) et permettant de couper ces deux circuits, et unè deuxième paire de vannes (24, 25) montées respectivement dans deux dérivations (26, 27) branchées entre le deuxième circuit hydraulique (9) et le circuit d'utilisation (12) pour relier ces deux circuits en série sans passer par la pompe à chaleur (2) quand la première paire de vannes est fermée et que la seconde est ouverte. 6.- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pressions des fluides dans les circuits successifs vont en décroissant du premier circuit hydraulique (2 ou 8) vers le circuit d'utilisation (12).