Brevet FR2536513A1 — publié le 19840525

La présente invention a pour objet des perfectionnements à une installation de chauffage équipée d'une pompe à chaleur à absorption. Dans certaines installations de chauffage d'un fluide, tel par exemple que de l'eau, en particulier pour le chauffage de ba- timents et la production d'eau sanitaire, installations comprenant au moins un brûleur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées" à température relativement élevée, on uti- lise parfois une pompe à chaleur à absorption afin d'améliorer le rendement thermique du chauffage. Dans un tel cas habituellement, le brûleur sert à faire bouillir la solution d'absorption utilisée dans le cycle d'absor- ption de la pompe à chaleur de façon à séparer les constituants de la solution et régénérer le fluide d'absorption utilisé dans le cycle. Au niveau de l'échange de chaleur fumées/solution d'absor- ption à régénérer, le rendement est médiocre du fait que compte tenu des conditions de l'échange thermique les fumées quittent l'installation à une température généralement élevée supérieure à 2000 C entrainant à la cheminée de grandes quantités d'énergie qui sont perdues. Dans la plupart des cas cette situation défavorable est tolérée car au niveau du cycle de la pompe à chaleur on récupère dans le milieu ambiant au niveau de l'évaporateur du cyble nette- ment plus d'énergie qu'on en a laissé échapper à la cheminée, de sorte que le rendement global de l'installation apparaît relative- ment bon Ceci n'est cependant vrai que si les conditions de fonc- tionnement de l'évaporateur sont satisfaisantes, c'est-à-dire généralement si le niveau de la "source froide" dans laquelle est "pompée" la chaleur délivrée à l'installation est suffisamment élevé Ce phénomène bien connu conduit du reste les installateurs à installer en parallèle sur l'installation de chauffage équipée d'une pompe à chaleur une chaudière de type classique qui chauf- fera directement le fluide à chauffer lorsque les conditions d'ex- ploitation de la source froide seront défavorables (généralement par temps froid plus particulièrement si l'évaporateur emprunte sa chaleur à l'air ambiant). De façon à réduire les pertes de chaleur à la cheminée, il a également été proposé de disposer des échangeurs récupé- rateurs de chaleur sur le circuit dces fumées, lesquels échangeurs récupérateurs seront en échange thermique avec le fluide à chauf- fer En pratique, cependant ces échangeurs ne donnent pas satis- faction, essentiellement pour les deux raisons suivantes. 1.)Le surcoût de l'installation que leur utilisation entraine n'est pas du point de vue économique rentable; 2.)l'aménagement de circuits d'échange, nécessitant de longues dimensions de canalisations fait qu'on reperd par pertes en ligne dans ces canalisations la plus grande partie de la cha- leur que l'on a tenté de récupérer. L'invention a pour objet dans une installation de chauffa- geéquipée d'une pompe à chaleur à absorption du type précité de résoudre les difficultés exposées, cela d'une façon efficace en proposant une installation compacte présentant en outre, certains avantages spécifiques qui apparaîtront-plus loin. Conformément à l'invention il est proposé notamment un échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur à absorption équipant une installation de chauffage d'un fluide comprenant au moins un brûleur produisant des fumées à températures relativement élevées, ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'il comprend deux étages disposés en série, le premier formant bouilleur servant à porter à température adéquate suffisamment élevée la solution d'absorption pour en séparer les consituants en vue de son travail dans un cycle d'absorption, le second formant récupérateur servant à ré- chauffer le fluide au voisinage de son entrée dans l'installation. Avantageusement, lesdits étages d'échange sont disposés immédia- tement à la suite l'un de l'autre, les "fumées" passant sans dis- continuité du premier étage au second Dans une solution préférée lesdits étages d'échange sont constitués chacun par un tube par- couru intérieurement par les fumées, ledit tube étant logé à l'in- térieur d'un tube de plus grande section, le volume compris entre les deux tubes étant parcouru respectivement pour le premier étage par ladite solution d'absorption et pour le second étage par ledit fluidei réchauffer Il apparaît ainsi que sans difficultés technologique, par simple allongement en quelque sorte de l'échangeur du premier étage il va être possible de refroidir ef- ficacement les fumées en récupérant la plus grande partie de leur cha- leur latente et même la chaleur de condensation de l'eau àonteftue dans les fumées lorsque, comme c'est le cas le plus géné- ral, les retours froids du fluide à chauffer sont-à température suffisamment basse. L'invention se rapporte également à une installation comprenant un échangeur de chaleur pour bouilleur de pompe à cha- leur du type précité, cette installation étant caractérisdaen ce que ledit 1 er étage d'échange est relié vers l'extrémité d'entrée des fumées à un ballon séparateur communiquant avec le volume du bouilleur dans lequel est chauffée-au niveau de cet étage ladite solution d'absorption. Dans une réalisation préférée permettant la construction d'une unité particulièrement compacte, les différents échangeurs de chaleur que comporte l'installation sont constitués par des serpentins s'enroulant en hélice autour d'un noyau que formera avantageusement l'absorbeur de la pompe à chaleur. L'invention et sa mise en oeuvre apparaitront plus claire- ment à l'aide de la description qui va suivre faite en -référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma d'ensemble d'une installation construite selon l'invention, la figure 2 montre à plus grande échelle la constitution des deux étages d'échangeur susmentionnés montés en série, la figure 3 illustre comme la figure 1 un schéma d'une autre installation comportant en outre, une position de chauffage sans utilisation du cycle d'absorption, la figure 4 montre en vue perpective de façon schémati- que et avec arrachements comment sont avantageusement disposés les différents organes de l'installation - On se reportera tout d'abord à la figure 1. L'installation comprend essentiellement le cycle de la pompe à absorption comprenant le bouilleur-régéngrateur 1,le condenseur 2,le détendeur 3, l'évaporateur 4,l'absorbeur 5,et un échangeur de solution 6 L'installation comprend d'autre part, le circuit de chauffage du fluide à chauffer par exemple de l'eau, avec l'entrée des retours froids en 7 dans l'échangeur-récupéra- teur de chaleur 8 un pré-chauffage dans l'absorpeur 5 au contact de la solution d'absorption puis le chauffage principal au niveau du condenseur 2 en échange de chaleur avec la partie évaporée est portée à haute température du cycle d'absorption Le départ chaud se fait en 9 Sur le dessin on a différencié le circuit de l'eau par-un trait tireté. Comme il apparait plus clairement à la figure 2 le bouilleur-générateur 1 comprend un brûleur 10, par exemple à gaz développant une flamme dansune chambre 11 de combustion. Evidemnent tout autre brûleur à combustible liquide et/ou solide peut être utilisé, l'avantage du brûleur à gaz étant sa simpli- cité de mise en place et de régulation Les produits de la com- bustion ou "fumées" chauds pénètrent alors dans l'échangeur de chaleur 12 servant à régénérer la solution d'absorption du cycle en la portant à température suffisamment élevée, par exemple vers 1500 C L'échangeur 12 dans l'exemple illustré est constitué essentiellement d'un tube intérieur 13 dans lequel circulent les fumées, lequel tube est logé à l'intérieur d'un tube 14 de plus grande section Dans le volume 15 compris entre les deux tubes 13 et 14 circule dans le sens des flèches la solution a régéné- rer Cette solution peut être constituée de toute manière appi:o- priéeconnue Elle peut être formée par exemple par un couple calogèneliquide d'absorption tel que ammoniac/eau ou encore R 21 =CHC 12 F /diéthylène glycol monoacétate = C 10 H 2004 La solution froide riche en fluide calogène entrant en 16 ressort en 17 vers un ballon séparateur 18 dans lequel la solu- tion se sépare en une solution liquide 19 -appauvrie en calogbne et en une phase gazeuse 20 constituée essentiellement par le flui- de calogène (c'est-à-dire dans les exemples susmentionnés consti- tuée par NH 3 ou par CH Cl F). A la sortie, de l'échangeur 12,les fumées passent sans discontinuité en continuant à parcourir le conduit 13 (répéré 13 ' dans cette partie de la figure) dans un second échangeur 8 constitué de façon similaire à l'échangeur 12 par un conduit 13 ' logé à l'intérieur d'un conduit 14 ' de plus grande section Dans le volume 15 ' de l'échangeur 8 circulent les retours froids du fluide à chauffer pénétrant en 7 et quittant l'échan- geur 8 en 21 L'échangeur 8 formant échangeur récupérateur de chaleur permet d'abaisser considérablement la température des fumées Dans des conditions habituelles de fonctionnement la vapeur d'eau contenue dans les fumées pourra se condenser au moins en partie comme illustré aux dessins au niveau de la section fi- nale 8 a de l'échangeur 8 L'eau de condensation sera éliminée à l'égout comme schématisé en 22, les fumées refroidies étant évacuées en 23 à la cheminée Avantageusement on pourra prévoir au moins au niveau de la section finale 8 a de l'échangeur 8 que le tube intérieur 13 ' sera intérieurement aileté ou pourvu de saillies analogues pour augmenter le coefficient d'échange et D permettre une condensation efficace de la vapeur d'eau avec récu- pération correspondante de la chaleur de condensation des fumées. Ci-après on décrira seulement très brièvement le fonctionnement général de l'installation qui pour le reste est classique. Le fluide calogène transformé à l'état gazeux à haute tem- pérature (habituellement vers 150 'C) quitte le bouilleur en 20 et vient se condenser dansle condenseur 2 en abandonnant au fluide de chauffage sa chaleur de condensation Le calogène liquide est alors détendu dans le détendeur 3 et évaporé sous basse pression dans l'évaporateur 4 Cette évaporation nécessite une entrée de chaleur Q qui est empruntéeà une source froide, généralement l'air ambiant ou de l'eau puisée dans un puits, un lac ou une rivière. Le calogène gazeux réchauffé au -voisinage de la température am- biante est alors absorbé dans 1 ' absorbeur 5 par la solution d'absorption régénérée au niveau du séparateur 18 ou elle est pui- sée en 19 Un échangeur de chaleur 6 permet de refroidir la solu- tion d'absorption appauvrie en calogène avant son entrée dans l'absorbeur 5 et de réchauffer à contre-courant la solution enri- chie en calogène sortant de l'absorbeur 5 et entrant dans l'échan- geur 12 du régénérateur Une pompe de solution 24 liquide complète l 'installation. On se reportera maintenant au schéma de la figure 3 qui décrit une installation semblable à celle de la figure 1 n'en différant que par les points suivants 2 qui seront seuls décrits. Sur le départ 9 du chauffage après le condenseur 2 on fait passer le fluide à chauffer dans un échangeur supplémentaire 25 à contre-courant avec-la solution d'absorption régénérée préparée au séparateur 18, cet échangeur 25 étant donc placé en série sur l'échangeur 6 Habituellement en effet, la solution régénérée d'absorption quitte l'échangeur 6 à une température supérieure à celle de sortie du fluide à chauffer, au moins lorsque les condi- tions extérieures ne sont pas trop rigoureuses. D'autre part, l'installation comprend un autre échangeur 26 destiné à fonctionner lorsque les conditions extérieures ne sont pas favorables à un bon fonctionnement de la pompe à chaleur. Dans ce cas, la pompe 24 est arrêtée et une vanne trois voies placée en 27 convenablement cientée permet de faire traverser l'échangeur 26 par la solution chauffée dans le volume 15 de l'échangeur 12 dirigée à le sortie du ballon 18 non plus vers l'échangeur 6 mais directement vers l'échangeur 26 par un circuit de dérivation 28 De la même façon, une vanne trois voies 29 convenablement orientée dirige le fluide à chauffer à la sortie de l'échangeur 8 non plus vers l'absorbeur 5 mais directement vers l'échangeur 26 Dans ces conditions, le bouilleur évaporateur 1 fonctionne comme une chaudière ordinaire, à ceci près que le premier étage 12 d'échange placé sur le circuit des fumées sert à chauffer non pas directement le fluide à chauffer mais un fluide intermédiaire pouvant être -portéà plus haute température 5 ce qui est thermodynamiquement favorable. Selon une technologie originale 5 et comme illustré sché- matiquement à la figure 4 les différents organes de l'installation et en particulier les échangeurs seront avantageusement constitués par des serpentins s'enroulant en hélice autour d'un noyau central. Avantageusement le noyau sera constitué par l'absorbeur 5 de la pompe à chaleur et les échangeurs du bouilleur 12 de solution et de récupérateur 8 de fluide à chauffer seront formés sur une hélice extérieure tandis que les autres échangeurs tel que condenseur 2, échangeur de solution 6, échangeur supplémentaire 25,échangeur de chaudière 26 seront formés sur des hélices plus intérieures Le ballon séparateur 18 pourra être formé par un tore venant coiffer l'ensemble La chambre de combustion pourra venir en partie supérieure à l'entrée de l'échangeur 12; sur la figure 4 on n'a représenté schématiquement que la flamme 11 i brulant dans la cham- bre de combustion Il apparaît que une telle technologie permet une construction très compacte et réduit au minimum les pertes de chaleur. Pour ce qui est de l'évaporateur 4, celui-ci sera placé généralement un peu à l'écart et disposé selon les contraintes liées à la nature de la source froide à laquelle la chaleur est empruntée(air ambiant ou eau de puisage ou résiduelle). A la figure 4 ontété repéré par les mêmes chiffres que dans les figures précédentes les organes:correpondants de l'installa- tion Evidemment des conduits de jonction nécessairesrelient comme indiqué au schéma de la figure 3 les différents organes Pour ne pas surcharger la figure ces jonctions n'ont pas été représentées à l'exception de la jonction 30 reliant le volume du séparateur 18 au volume 15 de l'échangeur 12. REVENDICATIONS 1 Échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur à absorption équipant une installation de chauffage d'un fluide tel par exemple que de l'eau en particulier pour le chauffage de bâtimentset la production d'eau chaude sanitaire comprenant au moins un brûleur combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées"à températures relativement élevées, ledit échangeur étant caractéri- sê en ce qu'il comprend deux étages disposés en série, le premier samment élevée la solution d'absorption pour en séparer les cons- tituants en vue de son travail dans un cycle d'absorption, le se- cond( 8)formant récupérateur servant à réchauffer le fluide au voisinage de son entrée dans l'installation. 2 Echangeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits étages( 12,8)d'échange sont disposés immédiatement à la suite l'un de l'autre, les "fumées" passant sans discontinuité du premier étage au second. 3 Echangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits étages d'échange ( 12, 8)sont consti- tués chacun par un tube( 13,13 ')parcouru intérieurement par les fumées, ledit tube étant logé à l'intérieur d'un tube( 14,14 ') de plus grande section, le volume( 15, 15 ')compris entre les deux tubes étant parcouru respectivement pour le premier étage ( 12)par ladite solution d'absorption et pour le second étage( 8)par ledit fluide à réchauffer. 4 Echangeur selon la revendication 3 caractérisé en ce que le tube central ( 13,13 ')se prolonge de façon continue du premier au second étage. Echangeur selon la revendication 3 ou la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits tubes ( 13,14,13 ',14 ')sont disposés en serpentins. 6 Echangeur selon l'une des revendications de 3 à 5 caracté- risé en ce que le tube intérieur ( 13,13 ')estpourvu d'ailettes ou analoguesau moins vers son extrémité d'évacuation des fumées. 7 Installation de chauffage-d'un fluide tel par exemple que de l'eau en particulier pour le chauffage de bâtiments et la pro- duction d'eau chaude sanitaire comprenant au moins un brûleur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées" à température relativement élevée comprenant un échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur du type décrit dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit premier étage d'échange( 12)est relié vers l'extrémité d'entrée des "fumées" à un ballon séparateur( 18)communiquant avec le volu- me du bouilleur({ 15)dans lequel est chaufféeau niveau de cet étage ( 12) ladite solution d'absorption. 8 Installation selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle comprend en parallèle sur le circuit du condenseur-évapo- rateur-absorbeur ( 2,4,5) de la pompe à chaleur un échangeur de chaleur( 26)assurant un échange entre la solution d'absorption traversant l'échangeur-bouilleur( 12)et le fluide à chauffer lorsque la pompe à chaleur est court-circuitée sur ledit échangeur de chaleur ( 26 9 Installation selon la revendication 7 ou la revendica- tion 8 caractérisée en ce que les différents échangeurs de chaleur 02,8,2, 6,25,26)sont constitués par des serpentins s'enroulant en hélice autour d'un noyau C Installation selon la revendication 9 caractérisée en ce que ledit noyau( 5)est constitué par l'absorbeur de la pompe à chaleur. 11 Installation selon la revendication 9 ou la revendica- tion 10 caractérisée en ce que le bouilleur ( 12)et le récupérateur ( 8) qui lui fait suite de la pompe sont formés sur une hélice extérieure tandis que les autres échangeurs( 2,6,25,26)sont formés sur des hélices plus intérieures. 12 Installation selon l'une des revendications 9 à 11 caractérisée en ce que le ballon séparateur f 8)de la pompe est placé en partie haute de l'installation.