Brevet FR2542856A1 — publié le 19840921

Procédé et installation de séchage en continu adartés_,à l'u- tilisation de pompes à chaleur. La présente invention concerne un procédé de séchage en continu pour produits pour lesquels on doit ou on peut utiliser des températures croissantes durant le processus de séchage, ainsi que l'installation correspondante mettant en oeuvre des pompes à chaleur. Actuellement une grande partie des installations de séchage de produits dont le processus de séchage comporte la mise en oeuvre de-flux d'air à des températures croissantes, soit 1 o pour obtenir un séchage poussé, soit pour réaliser un traite- ment thermique (malt, briques, tuiles, etc) ont un fonction- nement cyclique, ce qui nécessite de grandes variations de puissance thermique et de température pendant la durée de traitement De plus, l'installation, dite par charges succes- sives, n'est pas utilisable durant le chargement et le déchar- gement, soit environ 15 % du temps. En général, la conception actuelle des installations destinées aux produits indiqués ci-dessus s'adapte difficilement à l'utilisation des pompes à chaleur en raison des débits d'air très élevés mis en jeu et des différences de température importantes entre l'air extrait et Vlair insufflé En effet, le rapport entre la quantité d'énergie fournie et celle con- sommée par une pompe à chaleur, appelé coefficient de perfor- mance, est inversement proportionnel à l'écart entre la tempé- rature à laquelle la chaleur est récupérée (à l'évaporateur) et la température à laquelle la chaleur est restituée (au condenseur). Dans certaines installations actuelles une source de chaleur à haute température est prévue en "série" en aval du condenseur de la pompe à chaleur pour obtenir les températures élevées auxquelles l'air doit être insufflé dans leinstallation, Les applications de pompes à chaleurff bien que rentables, se heurtent à une limitation des performances et nécessitent des investissements importants, ces deux facteurs entraînant des temps d'amortissement relativement longs. La présente invention permet de diminuer à la fois l'investis- sement et les frais d'exploitation en assurant une utilisation optimale des pompes à chaleur. La présente invention a pour objet un procédé de séchage en continu, ou quasi continu, de produits pour lesquels on doit ou on peut utiliser des températures croissantes vers la fin du processus de séchage et mettant en oeuvre le brassage transversal multiple dans lequel le flux d'air de séchage circule à contre-courant du produit à sécher et transver- salement en venant au contact dudit produit, caractérisé en ce qu'on introduit dans la zone correspondant à la fin du processus de séchage, un premier débit d'air représentant une fraction du débit total mis en oeuvre, le débit d'air complémentaire qui constitue le débit principal étant introduit dans une zone o le produit a perdu la majeure partie de l'humidité à éliminer, le premier débit d'air faisant l'objet, dans la zone finale du processus de séchage,d'apports calo- rifiques à haute température, le débit d'air complémentaire étant, avant son introduction, chauffé à température-moyenne et le débit d'air total faisant l'objet, dans la zone du processus de séchage située en amont du point d'introduction du débit complémentaire principal, d'apports calorifiques à température ou températures moyennes, provenant d'au moins une pompe à chaleur. Dans la présente description on appelle premier débit d'air celui qui est introduit à la fin du processus de séchage près de la sortie de l'enceinte et qui ne représente qu'une fraction réduite (par exemple 1/5 ème) -du débit d'air extrait ou débit d'air total mis en oeuvre dans le processus de séchage et on appelle débit d'air complémentaire la fraction principale nécessaire pour compléter le débit d'air total Dans la présen- te description également, on entend par "haute température" la température à laquelle doit être porté l'air pour que le produit puisse atteindre le degré de siccité requis et élever la température du produit jusqu'à la température finale du traitement et par "moyenne température" la température qui représente le compromis optimal entre, d'une part, les dimensions de l'installation (déterminées par la vitesse de séchage) et/ou les impératifs technologiques du produit et, d'autre part, le coefficient de performance de la pompe à chaleur mise en oeuvre. 4, Avec le procédé conforme à l'invention, la chaleur nécessaire peut être apportée aux débits d'air assurant le séchage à partir de deux ou plusieurs sources ayant des températures différentes, l'apport calorifique de la source de chaleur à haute température qui n'a à chauffer que le premier débit d'air, c'est-à-dire une fraction, par exemple un cinquième, du débit d'air total, à la haute température requise, ne représente qu'une faible partie de l'apport calorifique total et l'apport calorifique de la ou des sources à moyennes températures peut être assuré par mise en oeuvre de pompes à chaleur présentant un coefficient de performance élevé. De préférence, le débit d'air de séchage passe de la zone des apports à haute température à la zone des apports à moyenne température en traversant une zone de transition sans apport calorifique dans laquelle sa température devient sensiblement égale à celle des apports calorifiques à moyenne température. Selon une autre caractéristique du procédé, on régle le premier débit d'air pour obtenir, au point d'introduction du débit d'air complémentaire, une température sensiblement égale à celle des apports calorifiques t-moyenne température. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé est du type comprenant une enceinte allongée, un transporteur continu ou quasi continu transportant le produit à sécher sous une forme constituant une couche perméable à l'air, de l'entrée jusqu'à la sortie de l'enceinte, des moyens pour introduire dans la zone de l'enceinte voisine de la sortie, un premier débit d'air de séchage, des moyens pour faire traverser la couche de produits par ledit débit d'air et des moyens pour extraire ledit débit dans la zone de l'enceinte voisine de l'entrée du produit et elle est caractérisée en ce qu'elle comporte,outre lesdits moyens d'introduction d'un premier débit d'air de séchage,des moyens pour introduire un débit complémentaire d'air de séchage dans au moins une zone inter- médiaire de l'enceinte et des moyens pour chauffer à haute température le premier débit d'air de séchage et lui apporter dans l'enceinte des calories à haute température, et des moyens pour chauffer avant son introduction l'air constituant le débit complémentaire à une température moyenne et apporter dans l'enceinte, entre le point d'introduction de ce débit complémentaire et le point d'extraction du débit d'air total, des calories à moyenne température. Selon une autre caractéristique de l'installation, les moyens pour chauffer le débit d'air complémentaire à une température moyenne et apporter dans l'enceinte des calories à moyenne température pour chauffer le produit à ladite température moyenne sont constitués par le ou les condenseurs d'au moins une pompe à chaleur récupérant les calories de l'air humide extrait de l'installation Il est possible d'utiliser plusieurs pompes à chaleur fonctionnant à des températures différentes et assurant diverses températures moyennes le long de l'encein- te. Selon un mode de réalisation et lorsque la ou les pompes à chaleur sont entraînées par un ou des moteurs thermiques, les moyens pour chauffer le débit d'air et porter le produit à haute température utilisent au moins pour partie les rejets thermiques du ou des moteurs. Selon un autre mode de réalisation et lorsque la ou les pompes à chaleur alimentant les condenseurs à moyenne température sont entraînées par des moteurs électriques, les moyens pour chauffer le débit d'air et porter le produit à haute tempéra- ture sont constitués par des pompes à chaleur distinctes fonctionnant à haute température. Selon une autre caractérisque, les moyens prévus pour assurer des apports calorifiques au débit d'air circulant par brassage dans l'enceinte après que celui-ci se soit refroidi par éva- poration d'eau et échange thermique en traversant le produit, sont constitués par les condenseurs des pompes à chaleur à moyenne température. Selon une autre caractéristique l'air neuf constituant le débit complémentaire est préchauffé par passage sur un échan- geur de refroidissement du condensat provenant des condenseurs des pompes à chaleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les pompes à chaleur fonctionnent selon le système à condensation indi- recte, leur condenseur réchauffant l'eau d'un circuit d'eau chaude alimentant des échangeurs de chauffage placés dans l'enceinte. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de modes de réalisation, faite ci-après avec référence aux dessins schématiques ci-annexés dans lesquels La figure 1 est un graphique indiquant les variations de la température et de la teneur en eau en gramme par kilogramme d'air sec de l'air de séchage ainsi que la température du produit; la figure 2 est le diagramme de Mollier indiquant les paramètres de l'air au cours du processus aux différents points de l'installation; la figure 3 est un schéma de l'installation destiné à expliquer le procédé; la figure 4 est un schéma du circuit thermique de l'instal- lation dans le cas d'une pompe à chaleur de récupération-entrainée par un moteur thermique et la figure 5 est un schéma correspondant à la figure 4 dans le cas de pompes à chaleur entrainées par des moteurs électriques. L'installation telle qu'illustrée dans son principe à la figure 3, comporte une enceinte allongée 1 dans laquelle est installé un transporteur représenté ici par le brin supé- rieur d'une bande transporteuse 2 sur lequel est disposé en unecouche 3, le produit à sécher, la bande transporteuse et la couche étant perméables à l'air Le transporteur pourrait être de tout autre type quelconque tel qu'à nacelles ou casiers, pneumatique, à lit fluidisé, etc, selon laznature et la forme du matériau à sécher Le produit est introduit dans l'enceinte par une entrée E et en sort par une sortie S. Il peut circuler en continu ou par saccades sous réserve de séjourner dans l'enceinte pendant le temps requis pour les échanges thermiques L'enceinte est subdivisée en quatre zones I à IV dont la nature sera expliquée ci-après Elle comporte deux entrées d'air 4 et 5, la première au droit de la zone IV et la seconde entre les zones I et Il, et une sortie d'air 6 dans la zone I au voisinage de l'entrée E de l'enceinte Des brasseurs, tels que des ventilateurs 7, assurent le brassage transversal du flux d'air circulant des entrées vers la sortie pour lui faire traverser la couche 3 du produit ou le faire circuler au contact des produits lorsqu'il s'agit de produits en forme Des échangeurs ther- miques 8 sont prévus dans les zones I ( 8 (I)) et III ( 8 (III) et un évaporateur 9 de pompe à chaleur est prévu dans le circuit d'extraction 10 de la sortie 6 et un condenseur 11 de pompe à chaleur ou autre échangeur thermique est prévu sur le circuit d'introduction 12 de l'entrée 5. Dans l'installation, la zone I est la zone principale de séchage ou de traitement à température moyenne dans laquelle la majeure partie de l'eau du produit est transférée à l'air de séchage, la zone II est une zone de transition, la zone III est une zone de séchage final ou de traitement à haute température et la zone IV est une zone de refroidissement du produit séché. De l'air sec à la température ambiante est introduit en 4 et est brassé par le ventilateur 7 (IV) pour traverser la couche 3 de produit en fin de traitement Ce premier débit d'air Vap, conformément à l'invention, représente une fraction par exemple le cinquième du débit d'air total nécessaire pour, à la température Ts de l'air à la sortie et une teneur en eau Xs en grammes d'eau par kilogramme d'air sec, évacuer l'eau à extraire du produit introduit en E Par cette circu- lation à travers le produit, l'air est réchauffé à la tempé- rature T(IV) (Figure 1) On pourrait, sans sortir du cadre de l'invention, supprimer la zone IV mais ce refroidissement permet de récupérer des calories contenues dans le produit traité. Le débit d'air brassé par les ventilateurs 7 (III) circule à travers la couche 3 en passant sur des échangeurs thermiques 8 (III)> 1 8 ( 111)2, 8 ( qu'il traverse pour le chauffer et évaporer le reliquat d'eau. Le produit étant déjà presque sec l'accroissement du taux d'humidité X de l'air dans la zone III est faible et l'apport calorifique nécessaire pour compenser la chaleur d'évaporation est faible Ceci explique que l'apport calorifique dans la zone III avec des calories à haute température ne représente que, par exemple 10 à 15 %, de l'apport calorifique total, ledit apport étant concentré sur un débit d'air réduit. Dans la zone Il, le débit d'air primaire qui circule au contact d'un produit de plus en plus froid et de plus en plus humide se charge d'humidité (de X(III) à X(II) dans la figure 1) et sa température décroit. On introduit à ce moment, au point 5, le débit d'air complé- mentaire Vac, ce débit d'air ayant de préférence été préchauffé à la température moyenne TM 2 qui est sensiblement égale à la température atteinte par le débit d'air à la sortie de la zone Il Du fait de cette introduction d'un débit d'air sec le degré d'humidité de l'air tombe de X(II) à X 5. r Dans la zone I, l'air brassé par les ventilateurs 7 (I) pour traverser la couche 3 et passer sur des échangeurs thermiques 8 I, 812,, 81 N se refroidit en évaporant de l'eau du produit et se réchauffe en passant sur chaque échangeur les- quels sont à une température moyenne TM Le débit d'air global Va sort alors à une température Ts avec un taux d'humidité X 51 Xs il Il est possible, comme représenté dans les figures,de mettre en oeuvre dans une première partie I 2 de la zone I, une tem- pérature moyenne TM 2 et de mettre en oeuvre dans une seconde partie I une autre température moyenne TM 1 plus élevée, ce qui est intéressant lorsque l'on dispose de sources de calories à des températures moyennes différentes afin de relever le coefficient de performance des pompes à chaleur. Les courbes des figures 1 et 2 sont des courbes théoriques simplifiées destinées à expliquer le procédé La zone entre les deux-courbes Tmin et Tmax délimite la variation de la température du débit d'air par échange avec le produit et avec les échangeurs assurant son réchauffage et la courbe T représente la température du produit mais les allures des courbes peuvent changer en fonction de l'humidité du produit, des températures et de la nature des échangeurs, etc Il est possible, et cela constitue un avantage du procédé, de jouer sur les différents facteurs, volumes, températures et degrés d'humidité des volumes d'air introduits notamment, pour faire varier l'allure de la courbe de température du produit, par exemple en y créant des paliers, et l'allure de la courbe (non représentée) de la teneur en humidité du produit Ceci permet de traiter par le procédé de l'invention les produits les plus variés tels que malt, engrais, fourrages, luzerne, pulpe de betterave, textiles, non tissés, tuiles, briques, etc en adaptant à chaque produit la nature du trans- porteur telle que lit fluidisé, bande sans fin poreuse, à chariots, à clayettes, à balancelles, etc. L'avantage important du procédé réside dans la réduction de l'apport thermique à haute température, la majeure- partie de l'apport thermique, par exemple 85 à 90 %, étant effectuée à températures moyennes ce qui permet de réaliser, avec un rendement élevé, cet apport thermique par des pompes à chaleur. Deux exemples d'installations utilisant des pompes à chaleur sont décrits ci-après avec références aux figures 4 et 5, les mêmes références étant utilisées dans les deux figures pour désigner les mêmes éléments que dans la figure 3 La circulation de l'air est indiquée par des flèches en traits mixtes, la circulation des fluides frigorigènes par des traits pleins et celle de l'eau par des tiretés. Dans l'exemple de la figure 3, le compresseur 13 de la pompe à chaleur fonctionnant à basse température est entraîné par un moteur thermique 14 Le fluide frigorigène comprimé et chaud est envoyé aux échangeurs 8 (I) à température moyenne comme décrit ci-dessus puis il passe dans un échangeur sous refroidisseur de récupération 11 dans lequel il réchauffe l'air neuf complémentaire introduit en 5 puis,après passage dans un détendeur 15, il se vaporise dans l'évaporateur 9 qui récupère les calories du flux d'air sortant 6. Les rejets calorifiques du moteur thermique 14, à savoir la chaleur récupérée sur le refroidissement du moteur et celle contenue dans les gaz d'échappement, sont récupérés par un échangeur 16 placé dans un circuit d'eau chaude avec une pompe de circulation 17 qui alimente les échangeurs 8 (III) il de la zone finale III à haute température La quantité de- chaleur récupérée sur le moteur thermique suffit pour satis- faire les besoins en apports calorifiques à haute température de la zone'III En cas d'excès, un by-pass permet de diriger cet excès dans un échangeur 18 de post-chauffage de l'air neuf complémentaire introduit en 5 en aval du sous-refroi- disseur récupérateur 11 - Dans le cas de la figure 5, le compresseur 13 est entraîné par un moteur électrique 19 et le circuit de la pompe à chaleur est identique à celui décrit avec référence à la figure 4. Cette pompe à chaleur qui fonctionne à température moyenne et fournit la partie principale de la puissance calorifique totale nécessaire a un coefficient de performance élevé La puissance calorifique à haute température est fournie également par une pompe à chaleur mais à coefficient de performance moindre qui-toutefois ne fournit qu'une faible partie de la puissance calorifique totale Dans la figure, 20 désigne le compresseur de cette pompe à chaleur à haute température, 21 son moteur électrique d'entraînement, 22 un sous-refroi- disseur récupérateur monté en aval des échangeurs 8 (III) - pour préchauffer l'air primaire entrant en 4, 15 ' son détendeur et 9 ' son évaporateur monté dans le circuit d'extraction de la sortie 6 en amont de l'évaporateur 9 de la pompe à chaleur à température moyenne. Revendications 1 Un procédé de séchage en continu, ou quasi continu, de produits pour lesquels on doit ou on peut utiliser des tempé- ratures croissantes vers la fin du processus de séchage et mettant en oeuvre le brassage transversal multiple dans lequel le flux d'air de séchage circule à contre-courant du produit à sécher et transversalement en venant au contact dudit pro- duit, caractérisé en ce qu'on introduit dans la zone correspondant à la fin du processus de séchage, un premier débit d'air représentant une fraction du débit total mis en oeuvre, le débit d'air complémentaire qui constitue le débit principal étant introduit dans une zone o le produit a perdu la majeure partie de l'humidité à éliminer, le premier débit d'air faisant l'objet, dans la zone finale du processus de séchage, d'apports calorifiques à haute température, le débit d'air complémentaire étant, avant son introduction, chauffé à tem- pérature moyenne et le débit d'air total faisant l'objet, dans la zone du processus de séchage située en amont du point d'introduction du débit complémentaire principal, d'apports calorifiques à température ou températures moyennes, provenant d'au moins une pompe à chaleur. 2 Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit d'air de séchage passe de la zone des apports à haute température à la zone des apports à moyenne température en traversant une zone de transition sans apport calorifique dans laquelle sa température devient sensiblement égale à celle des apports calorifiques à moyenne température. 3 Un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on régle le premier débit d'air pour -3 obtenir, au point d'introduction du débit d'air complémentaire, une température sensiblement égale à celle des apports calori- fiques à moyenne température. 4 Une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, du type comprenant une enceinte allongée, un transporteur continu ou quasi continu transportant le produit à sécher sous une forme constituant une couche perméable à l'air, de l'entrée jusqu'à la sortie de l'enceinte, des moyens pour introduire dans la zone de l'enceinte voisine de la sortie, un premier débit d'air de séchage, des moyens pour faire traverser la couche de produits par ledit débit d'air et des moyens pour extraire ledit débit dans la zone de l'enceinte voisine de l'entrée du produit, caractérisée en ce qu'elle comporte outre lesdits moyens ( 4) d'introduction d'un premier débit d'air de séchage des moyens ( 12) pour introduire un débit complémentaire d'air de séchage dans une zone intermédiaire de l'enceinte et des moyens ( 8 (III)) pour chauffer à haute température le premier débit d'air de séchage et lui apporter dans l'enceinte des calories à haute température et des moyens ( 11-8)pour chauffer avant son introduction l'air constituant le débit complémen- taire à une température moyenne et des moyens ( 8 (I)) pour apporter dans l'enceinte, entre le point d'introduction de ce débit complémentaire et le point ( 6) d'extraction du débit d'air total des calories à moyenne température. Une installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens pour chauffer le débit d'air complémentaire à une température moyenne et apporter dans l'enceinte des calories à moyenne température pour chauffer le produit à ladite température moyenne,sont cons- titués par le ou les condenseurs ( 8 (i)) d'au moins une pompe à chaleur ( 13) récupérant les calories de l'air humide extrait de l'installation. 6 Une installation selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que lorsque la ou les pompes à chaleur ( 13) sont entraînées par un ou des moteurs thermiques ( 14), -5 les moyens ( 16) pour chauffer le débit d'air et porter le produit à haute température utilisent au moins pour partie les rejets thermiques du ou des moteurs ( 14). 7 Une installation selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée-en ce que lorsque la ou les pompes à chaleur ( 13) alimentant les condenseurs à moyenne température sont entraînées par des moteurs électriques ( 19), les moyens pour chauffer le débit d'air et porter le produit à haute tempé- rature sont constitués par des pompes à chaleur distinctes ( 20) fonctionnant à haute température. 8 Une installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que les moyens prévus pour assurer des apports calorifiques au débit d'air circulant par brassage dans l'enceinte après que celui-ci se soit refroidi par éva- poration d'eau et échange thermique en venant au contact avec le produit sont constitués par les condenseurs( 3) des pompes à chaleur à moyenne température. 9 Une installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'air neuf constituant le débit complé- mentaire est préchauffé par passage sur un échangeur ( 11) de refroidissement du condensat provenant des condenseurs ( 8) des pompes à chaleur. Une installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 et 9, caractérisée en ce que les pompes à chaleur fonctionnent À'5 selon le système à condensation indirecte, leur condenseur réchauffant l'eau d'un circuit d'eau chaude alimentant des échangeurs de chauffage ( 8) placés dans l'enceinte.