Brevet FR2554571A1 — publié le 19850510

Le procédé selon l'invention a pour but de permettre le transfert de chaleur d'un fluide chaud vers un fluide froid, et plus particulièrement de permettre la récupération de chaleur disponible d'un fluide chaud pour la transmettre à un fluide froid qu'il est nécessaire de réchauffer. Dans de nombreux cas, un tel échange de chaleur ne peut pas être effectué dans des conditions satisfaisantes en mettant directement le fluide chaud et le fluide froid en relation d'échange dans un échangeur de chaleur. C'est en particulier le cas lorsque ces deux fluides circulent dans des conduits distants l'un de l'autre, le fait de les amener en contact dans un échangeur pouvant conduire à une installation encombrante et coûteuse, ou encore à des pertes de charge inacceptables. Ceci peut se produire notamment pour des échanges entre gaz circulant à des pressions relativement basses. I1 est connu dans un tel cas d'utiliser un agent caloporteur tel que l'eau, l'eau glycolée ou encore des fluides organiques liquides de température d'ébullition élevée, circulant dans une boucle d'échange, le fluide caloporteur étant chauffé par le fluide chaud dans une première zone d'échange de chaleur et chauffant le fluide froid dans une deuxième zone d'échange de chaleur distincte de la première. Un tel système nécessite le fonctionnement permanent d'une pompe de circulation, ce qui nécessite un entretien pour disposer d'un fonctionnement fiable sur une longue durée. D'autre part aucun des fluides utilisés n'est entièrement satisfaisant. L'eau employée sans antigel ne peut être utilisée en hiver dans la plupart des cas d'applications ; l'eau glycolée qui évite cet inconvénient présente des caractéristiques de viscosité élevée, nuisible au transfert thermique, et de corrosion. Enfin, les fluides organiques lourds sont cofteux et présentent également une viscosité élevée. I1 est connu d'autre part, qu'un transfert de chaleur peut être effectué par vaporisation et condensation d'un fluide tel que l'eau ou un fluide organique. Toutefois une telle technique n'est pas adaptée à l'échange de chaleur entre fluides dont la température évolue au cours de l'échange et en particulier ne peut être mise en oeuvre si les intervalles de température selon lesquels évoluent le fluide chaud et le fluide froid se recouvrent partiellement. L'objet de l'invention est de décrire un procédé permettant un taux de récupération de chaleur élevée sans consommation d'énergie mécanique et qui peut être utilisé même à de basses températures sans comporter de risque de congélation à condition de choisir un fluide caloporteur adapté. En particulier l'invention décrit un procédé de transfert de chaleur d'un fluide chaud à un fluide froid qui permet de pouvoir travailler avec un recouvrement partiel des domaines d'évolution de la température du fluide chaud et du fluide froid, donc avec un meilleur taux de récupération de chaleur. Le procédé selon l'invention de transfert de chaleur d'un fluide A relativement chaud à un fluide B relativement froid est caractérisé en ce que l'on maintient un fluide caloporteur dans un circuit continu sensiblement isobare, formant une boucle et comportant en série au moins deux zones distinctes d'échange de chaleur (I) et (II), des moyens d'aspiration capillaire sur l'un des circuits joignant l'échangeur (I) à l'échangeur (11),ledit fluide caloporteur comprenant au moins deux constituants capables de s'évaporer au moins en partie dans un domaine de température situé au moins en partie au-dessous de a température du fluide A et de se condenser au moins en partie dans un domaine de température situé au moins en partie au-dessus de la température du fluide B, deux au moins de ces constituants ne formant pas d'azéotrope entre eux, et en ce qu'on fait passer le fluide A dans la zone d'échange (I) et le fluide B dans la zone d'échange (II), chacun en relation d'échange thermique avec ledit fluide caloporteur, lesdits moyens d'aspiration capillaire permettant de faire passer la phase liquide formée par condensation de la zone (II) la zone (I). Le présent procédé est illustré par les Figures 1 et 2. La Figure 1 illustre un premier mode de réalisation de l'invention. La Figure 2 illustre l'application du procédé au contrôle de la ventilation de locaux d'habitation. Avec l'agencement selon l'invention, le fluide caloporteur liquide monte à travers les moyens d'aspiration capillaire (4), s'évapore au moins partiellement dans l'échangeur (I), redescend au moins en partie à l'état de vapeur par le conduit (1) et se condense dans l'échangeur (Il) pour être repris par les moyens d'aspiration capillaire. Le fluide A et le fluide B circulent dans les échangeurs respectifs (I) et (II), de préférence globalement à contre-courant du fluide caloporteur contenu dans le circuit formant une boucle. Par moyens d'aspiration capillaire, on entend tout moyen permettant de faire déplacer un liquide de bas en haut dans une conduite, sans exercer sur lui une pression d'origine externe. Ces moyens seront, par exemple, un ou plusieurs tubes capillaires (de faible diamètre) ou un ou plusieurs tubes remplis d'un matériau poreux. Une caractéristique essentielle du procédé de l'invention réside dans le fait qu'aucun dispositif mécanique n'est nécessaire, le transfert du mélange entre les zones d'échange I et II s'effectuant naturellement de lui-même, sans requérir d'énergie mécanique externe, sous l'action des forces capillaires. Cette caractéristique permet de réaliser facilement un circuit scellé sans risque de fuite du mélange et d'éviter les problèmes d'entretien et de fiabilité liés à la mise en oeuvre d'un compresseur ou d'une pompe. En d'autres termes, le procédé selon l'invention de transfert- de chaleur d'un fluide relativement chaud A à un fluide relativement froid B est caractérisé en ce que l'on maintient un fluide caloporteur dans un circuit fermé comportant deux zones successives distinctes d'échange de chaleur à gradient I et II reliées entre elles, d'un côté par au moins une conduite continue et de l'autre par au moins une conduite capillaire ou renfermant une matière poreuse continue, ledit circuit fermé ne renfermant pas de moyens mécaniques de mise en circulation de fluides, ledit fluide caloporteur comprenant au moins deux constituants distillables, ne formant pas d'azéotrope entre eux, le procédé comprenant les étapes suivantes :: (a) le mélange en phase liquide est vaporisé progressivement au moins partiellement avec élévation de la température du mélange par échange thermique de préférence globalement à contre-courant avec un premier fluide extérieur introduit à une température supérieure à celle de début de vaporisation dudit mélange et qui lui cède de la chaleur dans la première zone d'échange de chaleur I, (b) la phase vapeur obtenue au cours de l'étape (a) est envoyée par la conduite continue dans la deuxième zone d'échange de chaleur II sans subir de compression ni de détente, (c) le mélange en phase vapeur est condensé progressivement avec abaissement de la température du mélange par échange thermique de préférence globalement à contre-courant avec un second fluide extérieur introduit à une température inférieure à celle de début de condensation dudit mélange et qui reçoit de la chaleur dans la deuxième zone d'échange II, (d) la phase liquide obtenue au cours de l'étape (c) est mise en contact avec la matière poreuse, ce qui lui permet de retourner par capillarité à la première zone d'échange de chaleur sans subir de compression ni de détente, les étapes (b) et (d) étant réalisées sans échange substantiel de chaleur avec l'exterieur et le niveau moyen de la zone d'échange I etant plus élevé que le niveau ioyen de la zone d'échange II. Le procédé est schématisé en référence sur la figure 1. Le mélange non azéotropique, qui circule dans le circuit fermé représenté sur la Figure 1, arrive à l'état liquide, par capillarité, par le conduit 4 dans la zone d'échange I, dans laquelle il est mis enrelation d'échange thermique, par contact indirect globalement à contre-courant, avec un premier fluide extérieur qui arrive par le conduit 2 et repart par le conduit 3. Le mélange est vaporisé progressivement, au moins en partie, au cours de cette étape avec une élévation de température qui correspond au moins en partie à l'intervalle de vaporisation dudit mélange. De cette manière il est donc possible de faire évoluer la température du mélange selon une évolution de température parallèle à l'évolution de température du fluide extérieur qui se refroidit entre l'entrée et la sortie de la zone d'échange.Pour réaliser de telles conditions d'échange, il est souhaitable de sélectionner le mélange de manière à ce que l'intervalle de vaporisation soit aussi proche que possible de l'intervalle de variation de la température du fluide extérieur et il est avantageux de réaliser l'échange dans des conditions aussi proches que possible de l'échange à contre-courant. Lorsque l'échange thermique aura lieu avec de l'air ou avec un gaz, la batterie d'échange sera, de préférence, conçue pour permettre un mode d'échange mixte contre-courant/courants croisés. La phase vapeur de mélange non-azéotropique obtenue s'évacue d'elle-même par le conduit à libre passage 1 dans la zone d'échange II dans laquelle le mélange non-azéotropique gazeux est mis en relation d'échange thermique par contact indirect, globalement à contre-courant, avec un deuxième fluide extérieur qui arrive par le conduit 5 et repart par le conduit 6. Le mélange est condensé progressivement au cours de cette étape avec un abaissement de température qui correspond au moins en partie à l'intervalle de condensation dudit mél-ange. L'ensemble du circuit est sensiblement isobare, les variations de pression étant seulement liées aux pertes de charge dues à la circulation du mélange.Dans ces conditions l'intervalle de condensation est le même que l'intervalle de vaporisation et, au cours de l'étape de condensation le mélange suit en sens inverse (abaissement au lieu d'élévation de température) une évolution sensiblement identique à l'éVolution de température suivie au cours de l'étape de vaporisation. Au cours de ladite étape de condensation, le mélange se refroidit tandis que le fluide extérieur se réchauffe. Il est également avantageux de réaliser cet échange dans des conditions aussi proches que possible de l'échange à contre-courant. La phase liquide obtenue remonte par capillarité dans la conduite 4 et retourne ainsi à la zone d'échange I, sans subir de compression ni de détente. Le mélange non-azéotropique utilisé doit comprendre au moins deux constituants ne formant pas d'azéotrope entre eux, caractérisé par des températures d'ébullition différentes d'au moins 15 C (sous la pression atmosphérique) et de préférence d'au moins 30 C, chacun desdits constituants étant présent dans une proportion d'au moins 5 % (par exemple 5% à 95 % et 95 % à 5 % dans le cas de deux constituants) en mole et de préférence d'au moins 10 % en mole. Les mélanges utilisés peuvent être des mélanges de deux, trois (ou davantage) constituants (composés chimiques distincts). Les constituants du mélange peuvent être des hydrocarbures dont la molécule comprend un nombre d'atomes de carbone par exemple de 3 à 8, tels que le propane, le butane normal, l'isobutane, '^ pentane normal, l'isopentane, le néopentane, l'hexane normal, l'isohexane, l'heptane normal, l'isoheptane, l'octane normal et l'isooctane ainsi que des hydrocarbures aromatiques tels que le benzène et le toluène et des hydrocarbures cycliques tels que le cyclopentane et le cyclohexane. Le mélange utilisé peut être également un mélange de fluides halogénés du type "fréon" ; parmi ces fluides, on peut citer, le trifluorométhane CHF3 (R23), le chlorotrifluorométhane CClF3 (R13), le trifluorobrbmométhane CF3Br (R13B1), le chlorodifluorométhane CHClF2 (R22), le chloropentafluoroéthane CClF2 -CF3 (R115), le dichlorodifluorométhane CCl2F2(R12), le difluoroéthane CH3CHF2 (R152a),le chlorodifluoroéthane CH3-CClF2 (R142b), le dichlorotétrafluoroéthane CClF2-CClF2 (R114), le dichlorofluorométhane CHC12F (R21), le trichlorofluorométhane CCI3F (R11), le trichiorotrifluoro- éthane CCl2FCClF2 (R113), le dichlorohexafiuoropropane (R216). L'un au moins des constituants du mélange pourra être un azéotrope de composés halogénocarbonés, ayant la propriété de se comporter comme un fluide pur ; parmi les principaux azéotropes utilisables, on peut citer - R500 : azéotrope de R12/R152a (73,8 %/ 26,2 % en poids) - R501 : azéotrope de R22/R12 (75 %/25 % en poids) - R502 : azéotrope de R22/R115 (48,8 %/51,2 % en poids - R503 : azéotrope de R23/R13 (40,1 %/59,9 % en poids) - R504 : azéotrope de R32/R115 (48,2 %/51,8 % en poids) - R505 : azéotrope de R12/R31 (78,0 %l22,0 % en poids) - R506 : azéotrope de R31/R114 (55, P44,9 % en poids) D'autres types de mélanges sont des mélanges comprenant de l'eau et au moins un second constituant miscible avec l'eau tels que les mélanges formés d'eau et d'ammoniac, les mélanges formés d'eau et d'une amine telle que la méthylamine ou l'éthylamine, les mélanges formés d'eau et d'un alcool tel que le méthanol, les mélanges formés d'eau et d'une cétone telle que l'acétone. Dans le cas qui a été décrit en relation avec la Figure 1, la zone d'échange I à travers laquelle passe le fluide chaud se trouve audessus de la zone d'échange II à travers laquelle passe le fluide froid. Dans ces conditions, la phase liquide condensée à la sortie de la zone d'échange II est aspirée par capillarité vers la zone d'échange I. Un critère important de sélection du mélange nonazéotropique sera la tension superficielle de la phase liquide condensée dans la zone II. Pour faire remonter la phase liquide, le procédé selon l'invention consiste à remplir le conduit 4 avec un remplissage poreux qui peut être réalisé, par exemple, au moyen d'un tissu métallique, de fibres de verre ou de poudres métalliques frittées ou non. Il est également possible de mettre en place un faisceau de tubes capillaires. Le diamètre des pores obtenus doit être d'autant plus petit que la hauteur à remonter est importante et se situer, par exemple, dans la gamme 0,01 à 0,2 mm. Le remplissage poreux doit se prolonger sur au moins une partie de la zone de vaporisation se produisant dans l'échangeur I, de manière à ce que la vaporisation du fluide à l'interface liquide-vapeur entraîne l'aspiration contine de la phase liquide par capillarité. Les deux exemples suivants décrivent la mise en oeuvre de l'invention dans des cas particuliers. EXEMPLE 1 Il représente l'application de la technique selon l'invention, dans le cas d'une habitation chauffée par l'air et équipée d'un système double-flux. L'habitation, équipée d'une ventilation mécanique contrôlée, a une surface habitable de 150 m2 ; le volume d'air renouvelé est d'environ 360 -m3/h. La boucle de transfert par aspiration capillaire est représentée sur la Figure 2. Un extracteur d'air (EXA) placé sous le toit, par exemple, prélève l'air de la maison à 200 C ; celui-ci est refroidi jusqu'à une température de 80 C dans l'évaporateur (El) de la boucle de transfert (BT). La puissance Frélevée dans (E1) est 1,56 kW ; en général, un dispositif d'évacuation des condensats résultant du refroidissement de l'air extrait est prévu. L'air neuf arrive, dans la partie basse de la boucle, sur la batterie (E2) alimentée par un ventilateur hélicoide (VH) ; le débit d'air frais identique au débit d'air extrait est injecté par une gaine dans la partie inférieure de l'habitation. A titre d'exemple, l'air neuf est réchauffé, à travers (E2) de 0 C jusqu'à 120 C ; l'agent caloporteur est un mélange de difluorochlométhane (R22) et de dichlorotétrafluorométhane (R114), de fractions molaires 0,80 et 0,20. Le mélange est sélectionné pour se vaporiser et se condenser selon un profil de températures de 120 C environ ; en première approximation, la vaporisation du mélange dans (El) et sa condensation dans (E2) sont supposées totales ; les plages de vaporisation et de condensation varient entre 40 C et 160 C, alors que la pression moyenne du système est voisine de 5 bars. L'application décrite met en oeuvre, en pratique, deux batteries constituées de plusieurs nappes de tubes ailetés permettant un échange de chaleur mixte contre-courant/courants croisés correspondant globalement à un contre-courant. Les pertes de charge principales de l'installation sont localisées dans l'évaporateur (E1) et le condenseur (E2) ; la chute de pression de la phase vapeur le long du tube de liaison (T1) peut être rendue faible, par un dimensionnement adéquat ; les matériaux capillaires du tube (T2) (et particulièrement, le diamètre des pores) seront choisis pour assurer une pression capillaire suffisante. Pratiquement, celle-ci sera comprise entre 1 kPa et 50 kPa, par exemple. La pression moyenne de fonctionnement sera supérieure à la pression atmosphérique et inférieure à 30 bars, de préférence comprise entre 1 et 15 bars. EXEMPLE 2 La technique proposée par l'invention peut également trouver des applications industrielles, chaque fois qu'un transfert thermique direct entre des effluents ou des rejets thermiques et le fluide à réchauffer n'est pas possible. On considère, par exemple, le cas d'une récupération thermique sur les fumées d'un four ; celles-ci sont refroidies de 3000 C à 200 C, dans la partie supérieure de la boucle d'échange, décrite précédemment dans son principe ; dans la partie inférieure de la boucle, l'air neuf nécessaire à la combustion ou à la réaction est préchauffé, par exemple, de 500 C jusqu'à 150" C. On utilise, à titre d'exemple, en tant qu'agent caloporteur, un fluide mixte composé de propane et de para-xylène, dont la composition molaire en propane est 0,75 ; le mélange précédent a une température en fin d'évaporation de 2250 C et une température en fin de condensation de 1250 C ; son intervalle de température en vaporisation ou en condensation égal à 1000 C est donc identique à la variation de température de chacun des fluides extérieurs. La perte de charge totale dans les zones d'échange sera comprise, par exemple, entre 10 et 30 kPa et sera compensée par la force capillaire. Plus généralement, pour une application du type précédent, on pourra substituer au propane, l'isobutane, le butane ou le pentane ; le deuxième constituant du mélange pourra être un aromatique type benzène, toluène, xylène (ortho, méta ou para) ou alkylbenzène ; on peut également envisager une combinaison ternaire des composés précédents. REVENDICATIONS 1- Procédé d'échange thermique entre un fluide chaud et un fluide froid, caractérisé en ce que l'on maintient un fluide caloporteur dans un circuit continu sensiblement isobare, formant une boucle et comportant en série au moins deux zones distinctes d'echange de chaleur (I) et (II) et, sur l'un des circuits joignant l'échangeur (I) à l'échangeur (II), des moyens d'aspiration capillaire, ledit fluide caloporteur comprenant au moins deux constituants capables de s'évaporer au moins en partie dans un domaine de température situé au moins en partie au dessous de la température du fluide A et de se condenser au moins en partie dans un domaine de température situe au moins en partie au-dessus de la température du fluide B, deux au moins de ces constituants ne formant pas d'azéotrope entre eux, et en ce qu'on fait passer le fluide A dans la zone d'échange I et le fluide B dans la zone d'échange II, chacun en relation d'echange thermique avec ledit fluide caloporteur, lesdits moyens d'aspiration capillaire permettant de faire passer la phase liquide formée par condensation de la zone (iI) à la zone (I). 2- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fait circuler le fluide A et le fluide B, chacun dans sa zone respective d'échange de chaleur, globalement à contre-courant du fluide caloporteur. 3- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'aspiration capillaire sont constitués d'un matériau poreux comprenant des pores d'un diamètre de 0,01 à 0,2 mm. 4- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'aspiration capillaire se prolongent sur au moins une partie de l'échangeur (I), de manière que la vaporisation du fluide caloporteur entrain l'aspiration continue de la phase liquide par capillarité. 5- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les constituants du fluide caloporteur sont des hydrocarbures halogénés. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les constituants du fluide caloporteur sont des hydrocarbures. 7- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les constituants du fluide caloporteur sont l'eau et l'ammoniac. 8- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le fluide caloporteur est constitué de deux composés chimiques distincts de points d'ébullition différant d'au moins 150 C à la pression de travail, les proportions molaires des deux constituants étant respectivement de 5 à 95 % et de 95 % à 5 %. 9- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la pression, dans le circuit formant une boucle, est comprise entre 1 et 15 bars.