Brevet FR2532002A1 — publié le 19840224

"Accumulateur de vapeur', La présente invention se rapporte à un accumulateur de vapeur, utilisable dans toutes installations productrices et/ou consommatrices de vapeur. Le but de l'intention est de fournir un accumulateur de vapeur de capacité énergétique considérablement augmentée, par comparaison avec un accumulateur de vapeur classi- que, cet accumulateur permettant de récupérer et de réutili- ser de la vapeur dans des domaines industriels variés, et de parvenir à des économies d'énergie importantes, se traduisant par une économie de carburant et/ou par une angmen tation de rentabilité de l'installation concernée. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un accumulateur de vapeur qui est constitué par un récipient résistant à la pression intérieure et dans lequel est placée une charge d'absorption rapide constituée par un matériau po- reux ou cellulaire pré-humidifié. La charge se compose de matières seches et d1un certain volume d'eau. A titre d'exemples, on peut utiliser une roche poreuse ou du béton cellulaire pré-humidifié. Cette charge est introduite à l'intérieur du récipient de l'accumulateur, dont elle occupe une fraction importante du volu- me, en prcnant soin à ce qu'elle ne vienne pas en contact avec les parois du récipient, et en laissant un espace sous la partie inférieure de ladite charge pour permettre l'écou- lement des condensats. Une fois que la charge a été mise en place et le récipient hermétiquement fermé, la vapeur peut être injectée à l'intérieur.Grâce aux alvéoles de son matériau, la charge présente une surface d'échange considérable, d'oû une grande rapidité d'absorption de la vapeur et, inversement, une grande rapidité de revaporisation. Lorsquc la vapeur est injectée, elle transmet son éner- gie calorifique a la charge avec formation de condensats jusqu'a équilibre entre pression et chaleur sensible du condensat. Plus la pression augmente, plus la température s'é- lève et plus la formation de condensats est importante. Cos derniers se retrouvent d'une part dans la charge et d'autre part dans le fond de l'accumulateur. Afin d'éviter que la charge soit en contact avec le liquide, un dispositif placé à la partie inférieure de l'accumulateur, composé d'un trop-plein et d'un purgeur a flotteur, évacue l'excédent de condensats. Un dispositif comprenant un séparateur associé à un purgeur thermostatique est en outre pro vu avantageusement à la partie supérieure de l'accumulateur, afin d'éliminer les gaz incondensables. En supposant l'accumulateur chargé à une certaine pression, la restitution de la vapeur s'effectue comme suit des l'utilisation d'une certaine quantité de vapeur, une baisse de pression se produit et l'équilibre pression-cha. leur sensible du liquide tend à se rétablir par la revapo- risation de liquide contenu dans la charge. Le poids de vapeur et l'énergie calorifique emmagasinablos dans l'accumulateur de vapeur selon l'invention, et restituables par cet acotmulateur, sous une pression donnée, sont environ 10 à 15 fois plus élevés que dans le cas d'un accumulateur traditionnel, c'est-à-dire un simple récipient sans charge absorbante. Il est certain que si l'on remplaçait cette charge par de l'eau, la quantité d'énergie emmagasinée serait encore nettement supérieure. Ce genre d'appareil est d'ailleurs d'un usage très courant mais il ne pourrait être utilisé comme accumulateur et générateur de vapeur que pour de faibles débits de vapeur. Cet appareil est donc utilisé seulement comme réserve d'eau chaude ou d'eau surchauffée. L'accumulateur de vapeur objet de l'invention est avantageusement utilisable, dans certaines conditions de pression, en combinaison avec une pompe de recompression de la vapeur, placée soit en amont, soit en aval, ctest-d-dire soit soit sur le conduit d'admission de la vapeur dans l'accumulateur, soit sur le conduit de sortie et de réutilisation de la vapeur. L'utilisation d'une pompe de recompression mécanique de vapeur devient certes courant actuellement, mais dans un domaine restreint d'installations parce que cette pompe doit tourner en permanence et que, de plus, elle restitue une vapeur surchauffée qu'il faut parfois refroidir.Le branchement d'une telle pompe sur un circuit situé en amont ou en aval de l'accumulateur de vapeur élargit son do maine d'utilisation, l'accumulateur faisant office "d'amor- tisseur" lors de faibles consommations, et de générateur de vapeur lors de fortes consommations. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'ai- de de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de cet accumulateur de vapeur, et illustrant son fonctionnement Figure 1 est une vue de côté, et en coupe suivant 2-2 de figure 1, d'un accumulateur de vapeur conforme a la pré- sente invention avec indication de son implantation et du dispositif d'introduction dé la charge Figure 2 est une vue en coupe transversale de cet accumulateur de vapeur, suivant 2-2 de figure 1 Figure 3 est une vue en coupe longitudinale du mrno accumulateur, montrant ses branchements avec indication de variantes possibles Figure 4 est un diagramme donnant la capacité énerré-* tique d'un accumulateur de vapeur selon l'invention de vo- lume donné, et illustrant son fonctionnement e comparaison avec un accumulateur traditionnel. La figure 1 montre un accumulateur de vapeur, compre- nant un récipient cylindrique (1) d'axe horizontal, reposant sur le sol par l'intermédiaire de pieds (2), et recouvert extéricurement d'une isolation (3). A l'une de ses extrémités, le récipient (1) est fermé par un fond demon tablc (4), en face duquel aboutit un chemin de de roulement (5) se terminant par une partie relevable à la manière d'un pont-levis (6). Ce dispositif permet l'introduction, à l'intérieur du récipient (1), d'une charge en matériau poreux (7) divisée dans l'exemple considéré cn deux blocs dont chacun est monté sur un chariot porte-cilarge (8). Com- me le montre la figure 2, la charge (7) occupe presque toute la section circulaire du récipient (1), sans venir en contact avec ses parois, et en laissant un-espace libre d'une certaine hauteur (h) sous cette charge (7), a la partie inférieure du récipient (1), pour recevoir les condensats (9) (voir aussi figure 3). Cette figure 3 montre les branchements de l'accumula- tour, avec indication de certaine variantes possibles Un conduit d'admission de vapeur (10 ou 10') aboutit a l'extrémité du récipient (i) opposée au fond démontable (4), un écran pare-vapeur (11) se trouvant interposé entre le débouché de conduit et la charge (7). Il peut s'agir d'un conduit d'admission simple, comme indiqué en (10), ou en variante d'un conduit d'admission (10') sur lequel est intercalée une pompe de recomprcssion (12), placée dans le cas présent en amont de l'accumulateur A la partie supérieure du récipient (1) est prévu un départ de vapeur, associé à une soupape de sûreté (13) et se prolongeant par un conduit de réutilisation (14 ou 14t). Il peut s'agir d'un conduit de réutilisation simple, comme indiqué en (14), ou en variante d'un conduit de routilisa- tion (14') sur lequel est intercalée une pompe do recompression (15), placée dans le cas présent en aval de l'accumu- lateur. A la partie inférieure du récipient (1), est prévu un dispositif (16) d'évacuation de l'excédent de condensats (9), avec un trop-plein (17) et un purgeur a flotteur (18), ce dispositif évitant que la charge (7) soit en contact avec le liquide. Enfin, a la partie supérieure du récipient (1), est prévu un dispositif (19) d'évacuation des gaz incondensables, composé d'un séparateur (20), d'un purgeur thermostatique (21) et d'un clapet anti-retour (22). Les différents robinets ou vannes d'isolement, indiqués par le symbole habituel, ne méritent pas une description détaillée. Sur le diagramme de la figure 4 sont portes, cn abscisses, l'énergie calorifique (échelle : 1 graduation pour 500 thermies) et, en ordonnées, la pression absolue exprimée en bars et la tempe rature en degrés Celsius, dans le cas pris pour exemple d'un accumulateur de vapeur de 200 m3, avec une charge de matériau poreux dont le volume est égal à 60 du volume total du récipient.Les quatre courbes (a, b, c, d) dé'imitent quatre zones - la zone (I) représente l'énergie contenue dans la charge (7), le support de la charge et le recipient (1) - la zone (II) représente l'énergie rostée sous forme de vapeur - la zone (III) représente l'énergie contenue dans les condensats restés dans la charge (,) - la zone (IV) représente l'énergie contenue dans les condensats (9) qui se sont écoulés vers la partie inférieu- re du récipient (1). A titre comparatif, la cinquième courbe (e) corres- pond à la quantité d'énergie totale contenue dans un accumulateur de vapeur de de même volume sans charge absorbante. Plusieurs exemples concrets d'utilisation seront maintenant donnés, en se référant au diagramme de la figure 4 Exemple N 1 Un accumulateur de vapeur de 200 m3 se trouve à un ma- ment donné sous la pression absolue de 5 bars. On souhaite consommer la vapeur jusqu'à une pression absolue de 1,8 bar. Quelle sera l'énergie restituée ? A partir du point "5 bars" pris sur l'échelle des pressions, on trace une ligne horizontale jusqu'à son in tersection (A) avec la courbe (c). Du point (A), on trace une ligne verticale jusqu' son intersection avec l'échelle supérieure correspondant à l'énergie.On procède de même à partir du point "1,8 bar" pris sur l'échelle des pressions, ce qui permet d'obtenir doux autres points (B et B'). La distance entre les points (A' et B') correspond à 4,2 graduations de l'échelle représentant l'énergie, donc l'énergie restituée est : 4,2 X 500 = 2 100 thermies ou 0,21 TEP. Exemple N0 2 Quelle serait l'énergie restituée, si le volume de l'accumulateur n'était que de 120 m3, toutes les proportions étant conservées ? On procède comme décrit pour l'esemple N I et lion obtient donc 4,2 graduations. L'éner- gie restituée sera dans le cas présent 120 4,2 X 500 X = 1 260 thermies ou 0,126 TEP. 200 Exemple N0 3 En considérant de nouveau un accumulateur de vapeur de 200 m3, utilise dans les conditions de l'exemple N0 1, on envisage d'extraire de cet accumulateur une quantité d'énergie plus importante au moyen dtune pompe de recompression, pouvant recompresser la vapeur avec une diffé- rence de pression égale a t bar entre son aspiration et son refoulement, cette pompe étant située en aval de llaccu- mulateur.Quelle sera l'énergie supplémentaire restituée ? On procède comme décrit précédemment et, à partir du point "o,8 bar" (=1,8 - i) pris sur 1'échelle des pressions, on trace une ligne horizontale pour obtenir le point (C), puis une ligne verticale donnant le point (C'). Entre les points (C' et B'), on obtient un intervalle de 2,8 graduations, correspondant à une énergie supplémentaire restituée de 2,8 X 500 = t 400 thermies ou 0,14 TEP. Exemple N 4 : Quellc sera l'énergie supplémentaire accumulée, si l'on utilise une pompe de recompression situee en amont de l'accumulateur de vapeur et procurant aussi un gain de pression de 1 bar, soit une recompression de 5 à 6 bars ? En déterminant toujours selon le même procédé les points (D et D'), on obtient entre les points (A' et D') un intervalle de 0,8 graduation, correspondant a une énergie supplémentaire accumulée et restituable de : 0,8 X 500 = 800 thermies ou 0,04 TEP. Par le diagramme et les exemples précédents, on se rcnd compte qutil est intéressant d'utiliser une pompe de recomprcssion surtout dans le domaine des basses prcssions, mais que l'intérêt d'une telle pompe est moins apparent aux moyennes pressions et, à plus forte raison, aux hautes pres siens. Pour les moyennes et hautes pressions, il est préfé- rable d'utiliser un ou plusieurs accumulateurs supplemen- taires, en fonction des pressions de vapeur à récupérer et surtout en fonction de la réutilisation possible. Si l'on compare maintenant l'accumulateur selon l'invent ion avec un accumulateur traditionnel auquel correspond la courbe (e), on note que : - à une pression absolue de 2 bars, l'accumulateur de l'invention contient une énergie calorifique 20 fois plus élevee que l'autre accumulateur - a une pression absolue de 9 bars, l'accumulateur de l'invention contint une énergie 18 fois plus élevée - a une pression absolue de i4 bars, l'accumulateur de l'invention contient une énergie 15 fois plus élevée. En ce qui concerne le poids de vapeur accumulable, dans le cas pris ici pour exemple d'un accumulateur dont le ré cipicnt a un volume de 200 m3, celui ci est de z 4,4 tonnes à 2 bar, 12,9 tonnes à 6 bars, 18,5 tonnes à 11 bars, et 22,4 tonnes à 16 bars (pression absolue). Néanmoins, pour qu'une installation dotée d'un accumulateur de vapeur selon l'invention avec ou sans pompe de recompression soit rentable, il est nécessaire que le cycle d'absorption et de restitution de vapeur s'effectue plusieurs fois par jour. A titre d'exemples, on peut citer les applications suivantes, dans lesquelles l'utilisation de l'accumulateur de vapeur objet de l'invention est intér@ssante : - Absorption d'un échappement de vapeur qui se faisait habituellement dans l'atmosphère, avec réutilisation différée mais toujours sous'forme de vapeur de l'énergie accumu léc. - Constitution d'une réserve-tampon pour une chaudière, permettant de faire face aux "pointes" de consommation de vapeur et d'avoir une puissance de chaudière moindre. - Utilisation de la vapeur accumulée pour le chauffase ou le pré-chauffage de matières ou d'appareils, dans des installations employant la vapeur comme fluide caloporteur. - Avec mise en oeuvre d'une pompe à recompression, extraction de l'énergie de matières chaudes et humides en aspirant la vapeur a des pressions inférieures à la pression atmosphérique. - Accumulation de l'énergie produite par certains appareils récupérant l'énergie solaire ou autre, cette énergie récupérée pouvant être restituée la nuit par exemple. - Absorption de la revaporisation des condensats - Accumulation des vapeurs "molles" dans les papeteries ct les distilleries. Comme il va de soi, l'invention nc se limite pas à la seule forme d'exécution de cet accumulateur de vapeur, et a ses seuls exemples d'utilisation, qui ont été décrits cidessus, elle en embrasse, au contraire, toutes les varian- tes de réalisation et d'application relevant du même principe, quels que soient notamment : - la forme du récipient de l'accumulateur ainsi que son volume, lequel peut être compris entre quelques mètres cubes et plusieurs centaines de mêtres cubes - le matériau constitutif de la charge absorbante - l'utilisation de l'accumulateur de vapeur, de nombreux cas d'application autres que ceux énumérés ci-dessus pouvant être envisagés. - REVENDICATIONS 1. - Accumulateur de vapeur, caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement par un recopient (g) résis- tant à la pression intérieure et dans lequel est placée une charge d'absorption rapide (7) constituée par un matériau poreux ou cellulaire pré-humidifié. 2. - Accumulateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge (7) est constituée par une roche por@use pré-humidifiée. 3. - Accumulateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge (7) est constituée e par du béton cellulaire pré-humidifié. 4. - Accumulateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications I â 3, caractérisé on ce que la charge (7) remplit le volume du récipient (1) sans venir en contact avec ses parois, et en laissant un espace libre pour les condensats t9) à la partie inférieure dudit ro'cipient (1). 5. - Accumulateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que son récipient (1), cylindrique et d'axe horizontal, est fermé à une extrémité par un fond dé montablo (4) pour l'introduction de la charge (7) montée sur au moins un chariot porto-charge (8). 6. - Accumulateur de vapeur selon la revendications ' ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend â sa partie infé- rieure un dispositif (16) compose d'un trop-plein (17) et d'un purgeur à flotteur (18), pour l'évacuation de l'excédent de condensats (9). 7. - Accumulateur de vapeur selon la revendication 6, caractérisé en cc qu'il comprend en outrc, à sa partie supéricure, un dispositif (19) composé d'un séparateur (20) et d'un purgeur thermostatique (21), pour l'élimination des gaz incondensables. 8. - Accumulateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en cc qutil est associe a une pompe (12, 15) de recompression do la vapeur. 9. - Accumulateur de vapeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pompe de recompression (12) est placée en amont de l'accumulateur, sur le conduit d'admissien de vapeur (10'). 10. - Accumulateur de vapeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pompe de recowpression (15) est placée en aval de l'accumulateur, sur le conduit de sortie et de réutilisation de vapeur (14').