Brevet FR2539853A1 — publié le 19840727

L'invention se rapporte à une installation de pro- duction d'un fluide, tel notamment de l'eau, qui est chauffé par récupération d'au moins la chaleur de surchauffe de la vapeur d'un frigorigène avant son retour au condenseur d'une installation frigorifique. Il est en effet fréquent que se présentent simultané- ment des besoins de chauffage, notamment de l'eau, et de réfrigération de produits. Par exemple, dans un abattoir de volailles, préalablement à une phase au cours de laquelle les dites volailles seront plumées, celles-ci doivent généralement être plongées dans un bac échaudoir rempli d'eau à environ cinquante et un degrés celsius alors que, après cette phase au cours de laquelle elles auront été plumées, ces volailles devront sinon être congelées, au moins être refroidies jusqu'à environ trois degrés celsius au dessus de zéro. Ainsi donc, un tel abattoir doit-il disposer tant d'installations frigorifiques de refroidissement des volail- les que d'installations de chauffage de l'eau de l'échaudoir laquelle eau, pour des raisons sanitaires évidentes, doit de plus être constamment renouvelée. Lorsque de tels besoins de réfrigération et de chauf- fage se présentent simultanément, il apparait avantageux d'u- tiliser la chaleur extraite des produits refroidis dans 2.5 l'installation frigorifique afin de chauffer l'eau dans l'installation de chauffage. Dans les installations frigorifiques classiques, l'extraction de la chaleur des produits s'opère par l'inter- médiaire du frigorigène qui en se vaporisant à basse température dans un évaporateur, absorbe la chaleur disponible dans l'enceinte abritant les produits refroidis et l'évaporateur. Après sa vaporisation complète, le frigorigène est ensuite, par un compresseur, porté à une pression -5 relativement haute assurant sa circulation et accessoirement son réchauffage, après quoi, le gaz comprimé obtenu est amené à un condenseur dans lequel, par condensation, le frigorigène restitue au moins une partie de sa chaleur à un agent refroidisseur tel de l'air. Evidemment, en se refroidissant, le frigorigène repasse de l'état gazeux à l'état liquide et il peut alors, après passage dans un détendeur, être ramené à l'évaporateur pour un nouveau circuit. A partir d'une telle installation classique, il est déjà connu de récupérer la chaleur ainsi extraite par la vaporisation du frigorigène, et ce, en agissant soit en amont du condenseur, soit lors de son passage dans le condenseur (FR-A-2 346 644). Evidemment, d'une part, le cycle de fonctionnement de l'installation frigorifique et celui des demandes en eau chaude ne concordent pas nécessairement et, d'autre part, l'installation frigorifique ne peut pas être arrêtée ou mise en marche en fonction des seules nécessités de chauffage; Aussi, pour combler les insuffisances des possibilités de récupération, des moyens classiques de chauffage d'appoint sont généralement nécessaires mais, pour sinon annuler, du moins limiter fortement le recours, à un tel chauffage d'appoint grevant le prix de revient, l'installation de récupération doit être suffisamment efficace. Pour cela, une telle installation de production d'eau chaude par récupération doit être efficace: tant au plan des moyens de récupération qui doivent pouvoir prélever un maximum de chaleur mais pas trop pour ne pas nuire au fonctionnement du condenseur, par exemple, par une précondensation du frigorigène, qu'au plan des moyens en vue de stocker l'eau chaude tout en lui conservant sa chaleur. Par ailleurs, l'installation doit également pouvoir répondre rapidement à un besoin très important d'eau chaude et fournir en toutes hypothèses une eau de qualité et notamment à l'abri de toute contamination par le frigorigène même en cas de défaillance telle une fuite de son circuit. Un résultat que l'invention vise à obtenir est une installation qui permette de prélever un maximum de chaleur mais pas trop pour ne pas nuire au bon fonctionnement du condenseur et de stocker l'eau chaude tout en lui conservant sa chaleur. Un autre résultat que l'invention vise à obtenir est une installation qui permette de répondre rapidement à un besoin très important d'eau chaude et de fournir en toutes hypothèses une eau de qualité et notamment à l'abri de toute contamination par le frigorigène - A cet effet, elle -a pour objet une installation du type cité plus haut notamment caractérisée en ce que, en sortie du réservoir de stockage, est raccordée une canalisation de retour de l'eau à l'entrée de l'échangeur. Elle sera bien comprise à l'aide de la description ci-après faite, à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin ciannexé qui représente schématiquement: figure 1-: une vue d'ensemble de l'installation, figure 2: une vue en perspective de l'échangeur principal, figure 3 une vue en coupe d'un échangeur annexe. En se reportant au dessin, on voit que l'installation dessert au moins un équipement 1 consommant de l'eau chaude, tel un bac échaudoir, et au moins un équipement 2 de produc- tion de froid, tel une armoire frigorifique, par évaporation d'un frigorigène dans un évaporateur 3. De manière connue, en sortie de l'évaporateur les vapeurs sont conduites par une canalisation 4 jusqu'à un compresseur 5 qui les porte à relativement haute pression. Après passage éventuel dans un deshui leur, le gaz comprimé est, par une canalisation 6, amené à un condenseur 7 dans lequel, par condensation il restitue au moins une partie de sa chaleur à un agent refroidisseur 8 tel de l'air. De l'état gazeux, le frigorigène repasse à l'état liquide et une canalisation 9 le conduit alors à un détendeur avant que par une canalisation 11 il retourne à l'évaporateur 3 pour un nouveau circuit. Pour que l'eau 12 fournie au bac échaudoir 1 soit chauffée par récupération de la chaleur de surchauffe de la vapeur du frigorigène qui, normalement, circule du compresseur 5 au condenseur 7 en passant par la canalisation 6, cette vapeur est dérivée vers au moins l'échangeur prin- cipal 13 en série avec lequel est monté un échangeur annexe 14. Cette dérivation s'opère sous le contrôle d'électrovan- nes 15, 16. Chaque échangeur 13, 14 pénètre dans une enceinte 17, 18 qui est remplie d'un certain volume d'un fluide intermédiaire 19, 20, tel de l'eau, qui en circuit fermé, est mis en mouvement de manière, qu'après avoir traversé l'échangeur 13, 14, parcouru par les vapeurs de frigorigène, ce fluide intermédiaire puisse traverser un échangeur secondaire 21, 22 qui, à cet effet, pénètre également dans l'enceinte 17, 18 précitée et qui, quant à lui, est parcouru par le fluide à chauffer, tel, dans l'exemple représenté, l'eau qui alimentera le bac échaudoir 1. Grâce à cette disposition, même en cas de fuite de frigorigène, celui-ci ne pourrait que se mélanger au fluide intermédiaire La perturbation qui en résulterait alors dans la machine frigorifique, serait immédiatement détectée et la fuite pourrait donc toujours être réparée avant que l'échangeur secondaire soit lui-même attaqué et que le fluide à chauffer soit contaminé. Evidemment, dans le cas o le fluide final ne serait pas -"alimentaire", le recours au fluide intermédiaire pour- rait être négligé et cela réduirait le prix de revient. Grâce à la circulation en circuit fermé du fluide intermédiaire, c'est déjà un fluide chaud qui retraverse l'échangeur principal ou annexe 13, 14 et, de ce fait, ce fluide atteint rapidement une température élevée. De plus, ce fluide dépose une fois pour toute son cal- caire et, de ce fait, il n'y a pas lieu de craindre les inconvénients liés à l'entartrage. La mise en mouvement du fluide intermédiaire peut être assurée par convection naturelle ou par une pompe de cir- culation 23 intercalée dans un circuit 24 de retour de l'é- changeur secondaire 21. L'échangeur principal 13 (figure 2) est avantageusement composé de plusieurs éléments 25 logés chacun au fond de l'une des alvéoles 26 que-présente à cet effet l'enceinte 17. 2539853 A l'entrée de chacune des alvéoles 26, sous le contrôle d'électrovannes, le fluide intermédiaire est reparti entre les seuls éléments 25 dans lesquels la vapeur de frigorigène est à température suffisante. En sortie des -éléments 25, l'enceinte a des parois 27 aptes à regrouper le fluide intermédiaire des différentes alvéoles pour le conduire à l'entrée d'un compartiment 28 logeant l'échangeur secondaire 21 C'est en sortie de ce compartiment 28 qu'est raccordée la canalisation de retour 24 abritant la pompe de circulation. La quantité de fluide intermédiaire circulant au tra- vers de cet échangeur principal sera de préférence relativement importante et par exemple de mille deux cents litres environ pour offrir une bonne inertie thermique ce qui place à la fois et l'eau et le frigorigène à l'abri des brusques variations de température. L'échangeur annexe 14 (figure 3) comprend également plusieurs éléments 29 disposés près de la base de l'enceinte 18. Chauffé par les éléments 29, le fluide intermédiaire 20 tend à remonter par convection naturelle Jusqu'en haut de l'enceinte qui a une forme, par exemple sensiblement en tas de cailloux, apte à provoquer l'accélération du mouvement du fluide intermédiaire 20. Parvenu en haut de l'enceinte, ce fluide intermédiaire retombe derrière des cloisons latérales 30 que la dite en- ceinte présente à cet effet. Derrière ces cloisons sont montés les éléments 31 de l'échangeur secondaire 22 sur lesquels s'écoule alors le fluide intermédiaire avant de revenir à la base de l'enceinte pour un nouveau circuit. La quantité de fluide intermédiaire circulant au tra- vers de cet échangeur annexe 14 sera par exemple de six cents à sept cents litres. -35 Ainsi que cela ressort de la figure 1, dès leur sortie à environ quatre vingt quinze ou cent degrés celsius, les vapeurs de frigorigène parcourent l'échangeur principal 13 d'o elles ressortent à environ cinquante ou soixante dix 6 2539853 degrés celsius pour parcourir cette fois l'échangeur annexe 14 et en ressortir à environ quarante degrés celsius avant de regagner le condenseur. Dans ce montage, via leur fluide intermédiaire 19, 20 l'échangeur annexe 14 concourre au préchauffage de l'eau qui de dix ou douze degrés celsius environ est portée à environ vingt cinq ou vingt huit degrés celsius alors que, l'échangeur 13 concourre au chauffage final de l'eau qui, par exemple, de vingt cinq ou vingt huit degrés celsius est portée à cinquante ou soixante degrés celsius. Le maximum de la chaleur de surchauffe et de la chaleur latente de la vapeur est ainsi récupéré et utilisé pour chauffer l'eau sans pour autant que le condenseur ait à souffrir d'une trop grande chute de température comme cela 1.5 serait le cas si, au lieu de deux échangeurs successifs, il y avait un seul échangeur plus puissant, captant en une seule fois une part importante de la chaleur de surchauffe. Afin de rester disponible en quantité importante et à des moments qui ne concordent pas nécessairement avec les périodes de fonctionnement de la machine frigorifique, l'eau ainsi chauffée doit bien sûr être stockée. A cet effet, en sortie de l'échangeur secondaire 21 du poste principal de chauffage 28, l'eau chauffée est, par une canalisation 32, conduite à un réservoir 43, par exemple de vingt mille litres, en sortie duquel une canalisation 33 conduit à un réseau 34 distribuant l'eau sous le contrôle d'électrovannes 35. L'ensemble de l'installation est raccordée à une source d'eau, telle un réseau de distribution, par une canalisation 36 également contrôlée notamment par des électrovannes 37 et des moyens 38 de régulation de la pression. Cette canalisation d'arrivée 36 est raccordée à une extrémité de l'échangeur secondaire 22 du poste de préchauf- fage 18 dont l'autre extrémité est elle-même raccordée par 3.5 une canalisation 39, à l'entrée de l'échangeur secondaire 21 du poste principal de chauffage. Le poste de préchauffage peut être court-circuité par une canalisation 40 contrôlée par une vanne motorisée à trois 7 2539853 voles 41 commandée par une sonde de température 42 plongée dans 1 e fluide intermédiaire 20 du poste de préchauffage 18. En sortie du-réservoir de stockage 43 est également raccordée une canalisation 44 de retour de l'eau à l'entrée de l'échangeur secondaire 21 du poste principal de chauffage 28, lequel retour s'opère notamment sous le contrôle de vannes ou électrovannes 45 et d'un clapet de anti- retour 46 ainsi que sous la commande éventuelle d'une pompe de circulation 47. Le réservoir est scindé en compartiments 48, 49, 50 par des cloisons 51, 52 ne laissant libre qu'un étroit passage 53, 54 entre les compartiments contigus. Pour chaque compartiment, l'entrée et la sortie du fluide sont situées à l'opposé l'une de l'autre, l'une tout en bas, l'autre tout en haut du réservoir-pour créer un chicanage. Dans chaque compartiment 48, 49, 50, plonge une sonde , 56, 57 de mesure de la température. Dans le premier compartiment 48 plonge une conduite 58 de prélèvement du fluide pour le ramener à l'échangeur secondaire 22 du poste principal 28 du chauffage soit direc- tement, soit via la conduite 44 précitée - De ce fait, lors de la réalimentation de l'installa- tion, il est possible de ne recycler que le premier compar- timent jusqu'à ce qu'il atteigne la température des suivants, ce qui évite de refroidir l'eau des compartiments suivants par un passage de l'un à l'autre. Dans un abattoir de volailles bénéficiant d'une telle installation, le procédé de chauffage de l'eau sera par exemple le suivant: le matin, une horloge jour-nuit/hebdomadaire avec réserve de marche ouvrira les électrovannes 37 d'arrivée d'eau de ville et 35 de sortie de cuve de stockage 43 Le bac échaudoir se remplira alors avec l'eau qui était stockée dont la température est d'environ cinquante degrés celsius. Automatiquement, un chauffage d'appoint, tel une chaudière au fuel ou des résistances électriques, se mettra en marche pour porter cette température de l'eau à celle souhaitée soit, dans cet exemple, à cinquante et un degrés celsius. Evidemment, l'installation de récupération est dimensionnée de manière à limiter au maximum sinon annuler totalement le recours à ce chauffage d'appoint De ce fait, dans l'exemple précité, l'installation de récupération tend à porter l'eau à cinquante cinq degrés celsius soit légèrement au dessus de la température souhaitée Eventuellement, les horloges pourront avoir pour mission de shunter les thermostats des installations frigorifiques afin de les faire fonctionner au moment o il y a une forte demande en eau. pendant le travail, au travers des échangeurs et de la cuve de stockage 43, le bac échaudoir sera alimenté par de l'eau de ville à raison d'environ trois mille litres par heure Cette alimentation pourra, par exemple, être gérée pour un flotteur. le soir, le poste principal de chauffage et la cuve de stockage fonctionneront en circuit fermé A cet effet, les électrovannes 37 d'arrivée d'eau de ville seront fermées. L'eau de la cuve de stockage 43 sera alors constamment recy- clée ce qui lui permettra de récupérer les calories et de monter en température. La mise en circuit fermé pourrait bien sûr, au lieu d'une horloge, être obtenue par action sur une commande manuelle notamment s'il est difficile de prévoir l'heure de la fin de l'utilisation du bac échaudoir. Cette mise en circuit fermé entraînera la mise en route de la pompe de circulation qu'avec un retard de quinze à trente minutes. En position circuit fermé, l'installation sera pilotée par un régulateur différentiel -: une information sur la température sera prise au niveau de l'entrée de l'échangeur secondaire et à la cuve de stockage; les deux informations seront comparées et la pompe de circulation arrêtée si la température de la cuve de stockage est supérieure ou égale à 3.5 celle du poste principal de chauffage Le régulateur ne redonnera l'ordre de fonctionnement à la pompe que si la température de la cuve de stockage redevient inférieure à celle du poste principal de chauffage V 3 2539853 En cas d'arrêt prolongé, le midi par exemple, l'ins- tallation pourra être pilotée de la même façon que pour le soir. REVENDICATIONS 1 Installation de production d'un fluide chaud, tel de l'eau alimentant une installation consommant ce fluide telle un bac ( 1) échaudoir, dans laquelle installation le fluide est chauffé par récupération d'au moins la chaleur de surchauffe de la vapeur d'un frigorigène qui, à cet effet, après sa sortie du compresseur ( 5) et avant son retour au condenseur ( 7) d'une installation frigorifique ( 2), peut sous le contrôle d'électrovannes ( 15, 16) être dérivée vers l'échangeur ( 13) d'un poste principal de chauffage ( 28) qui concourre à l'élévation de température du fluide à chauffer qui est prélevé à au moins une source ( 36) puis chauffé et stocké dans un réservoir ( 43) avant son envoi à l'installation ( 1) le consommant via un moyen de distribution ( 34), cette installation de production d'un fluide chaud étant CARACTERISEE en ce que, en sortie du réservoir de stockage ( 43) est raccordée une canalisation ( 44) de retour de l'eau à l'entrée de l'échangeur. 2 Installation selon la revendication 1 caractérisée d'une part, en ce que le réservoir est scindé en comparti- ments ( 48, 49, 50) par des cloisons ( 51, 52) ne laissant libre qu'un étroit passage ( 53, 54) entre les compartiments contigus, et, d'autre part, en ce que, pour chaque compartiment, l'entrée et la sortie du fluide sont situées à l'opposé l'une de l'autre, l'une tout en bas, l'autre tout en haut, du réservoir pour créer un chicanage. 3 Installation selon la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce que, dans le premier compartiment ( 48), plonge une conduite ( 58) de prélèvement du fluide pour le ramener à l'échangeur du poste principal ( 28) du chauffage. 4 Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que sur le parcours des vapeurs du frigorigène, en série avec l'échangeur ( 13) du poste principal de chauffage ( 28), est monté un échangeur annexe ( 14). 5 Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que l'échangeur ( 13, 14) pénètre dans une enceinte ( 17, 18) qui est remplie d'un certain volume d'un fluide intermédiaire ( 19, 20) tel de l'eau qui, en circuit fermé, est mis en mouvement de manière qu'après avoir traversé l'échangeur ( 13, 14) parcouru par les vapeurs de frigorigène, ce fluide intermédiaire puisse traverser un échangeur secondaire ( 21, 22) qui, à cet effet, pénètre également dans l'enceinte ( 17, 18) précitée et qui, quant à lui, est parcouru par le fluide à chauffer. 6 Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée, d'une part, en ce que, l'échangeur principal ( 13) est composé de plusieurs éléments ( 25) logés chacun au fond de l'une des alvéoles ( 26) que présente à cet effet l'enceinte, et, d'autre part, en ce qu'elle comprend à l'entrée de chacune des alvéoles ( 26), des électrovannes contrôlant la répartition de fluide intermédiaire entre les seuls éléments ( 25) dans lesquels la vapeur de frigorigène est à température suffisante. 7 Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que l'échangeur annexe ( 14) comprend plusieurs éléments ( 29) disposés près de la base de l'enceinte ( 18), et présente intérieurement des cloisons latérales ( 30) lui conférant une forme apte à provoquer l'accélération du mouvement ascendant du fluide intermédiaire qui, parvenu en haut de l'enceinte, retombe derrière les dites cloisons latérales ( 30) o sont montés les éléments ( 31) de l'échangeur secondaire 22).