Brevet FR2580064A1 — publié le 19861010

Procédé et Installation de chauffage d'air de séchasse essentiellement Par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air humide sortant de l'appareil de séchage A cause de l'évolution des colts de l'énergie, le processus de séchage par air chaud pose un problème important à beaucoup d'industries, probléme pour lequel la récupération de l'enthalpie contenue dans l'air humide sortant de l'appareil de séchage n'a pas encore trouvé de solution satisfaisante. Ce problème de récupération et de recyclage de l'enthalpie contenue dans l'air humide sortant de l'appareil de séchage a été résolu dans la présente invention par le choix et surtout par la combinaison de trois types de moyens comprenant - des batteries d'échangeurs entre l'air sortant ou entrant avec des fluides caloporteurs, fonctionnant avec un coéfficient de transmission de chaleur suffisamment élevé pour obtenir économiquement une faible différence de température entre l'air et le fluide caloporteur, - une pospe à chaleur utilisant un fluide thermodynamique parfaitement adapté au procédé, - un ou plusieurs compresseurs de vapeur d'eau produite dans un ballon Flash par détente de l'eau pressurisée dont la température est maintenue constante par circulation dans un condenseur de la pompe à chaleur. I1 est connu que les installations de séchage des solides, ou des liquides à transformer en poudres dans un courant d'air chaud, sont de grandes consommatrices d'énergie thermique coûteuse pour le chauffage de l'air. Dans la grande majorité des cas, l'air -humide sortant des installations de séchage est envoyé dans l'atmosphère où est dissipée la totalité ou la plus grande partie de l'enthalpie mise en oeuvre pour le chauffage de l'air entrant dans l'appareil de séchage. Il existe des tentatives de récupération de cette enthalpie où les taux de récupération sont faibles. Dans une installation récente et importante de fabrication de lait en poudre, un peu plus de 10% de l'enthalpie de l'air de séchage provient d'une récupération de l'enthalpie de l'air sortant au moyen d'un simple échangeur à tube produisant de l'eau chaude. Dans une autre installation, un peu moins de 20% de l'enthalpie de l'air de séchage provient d'une récupération dans un échangeur air/air. En conséquence, il est évident que pour adapter les installations de séchage aux coûts actuels de l'énergie, il importe d'améliorer sensi blasent le taux de récupération, afin de réduire la part de l'énergie thermique à fournir, et d'utiliser notamment l'énergie électrique au lieu des combuatibles fossiles, en valorisant son emploi dans toute la mesure du possible. Les coûts élevés des combustibles fossiles ont fait naître des techniques thermiques et thermodynamiques qu'il importe de metre e oeuvre dans une combinaison efficiente chaque fois que cela est techniquement et économiquement possible, coibinaison qui n'a jamais été réalisée jusqu'à présent. La présente invention concerne un procédé de chauffage de l'air essentielleent par récupération de l'enthalpie disponible dans l'air sortant de l'appareil de séchage. Ce procédé est caractérisé en ce que la récupération et le recyclage des enthalpies généralement perdues, sont réalisés de manière strictement méthodique, par des moyens appropriés et combinés de manière telle que l'on puisse obtenir un taux de récupération élevé qui peut atteindre 75% e période hivernale. Ce résultat exceptionnel provient de la synergie des moyens employés qui sont - la dissociation des échangeurs de chaleur en éléments capteurs d'enthalpie dans l'air sortant, et éléments émetteurs d'enthalpie dans l'air entrant, chacun de ces éléments étant spécialement conditionné pour obtenir un bon coéfficient de transmission de chaleur entre un gaz et un solide, - le transfert à l'air entrant de l'enthalpie de l'air sortant par l'utilisation d'un nombre suffisant de circuits de fluides caloporteurs pour assurer un échange méthodique entre air sortant et air entrant, - la valorisation extensive des chaleurs latentes de condensation de la vapeur d'eau produite dans l'appareil de séchage, présentes dans l'air humide sortant, que de ce fait, constitue une source de chaleur de qualité exceptionnelle pour le chauffage thermodynamique, parce que le procédé permet de récupérer avec une faible diminution de la température de l'air sortant, une part importante de l'enthalpie que réprésentent ces chaleurs latentes de condensation. - le relèvement dans un premier stade, du niveau de ltenthalpie récupérée dans l'air sortant pour la fournir à l'air entrant au moyen d'une pompe à chaleur utilisant un fluide theriodynamique approprie au procédé ( tétrafluorodichloréthane ou R114), - le relèvement dans un deuxiéne stade du niveau de l'enthalpie produite par la pompe à chaleur, grSce' à la compression méçanique de la vapeur d'eau provenant de la détente de l'eau préalablement pressurisée, puis réchauffée par la pompe à chaleur. La p@ésente invention concerne également une installation basée sur le choix et la combinaison des appareils utilisés pour la réalisation du procédé. Cette installation de chauffage d'air de séchage essentiellement par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage est caractérisée par l'utilisation - de deux séries d'échangeurs thermiques avec fluides caloporteurs intermédiaires, permettant d'obtenir une faible différence de tempE- rature entre le fluide caloporteur et l'air entrant ou sortant, - d'une pompe à chaleur utilisant du tetrafluorodichlorethane, fluide theroodyna ique communément repris sous la dénomination R 114, - d'un ballon Flash de détente d'eau préalablement pressurisée, puis réchauffée par la pompe à chaleur, pour produire de la vapeur d'eau, - d'un ou plusieurs compresseurs de la vapeur d'eau produite dans le ballon Flash. Pour résoudre avec efficacité le difficile problème de la transmission de chaleur entre deux gaz - l'air entrant et l'air sortant - les échanges directs entre ces deux fluides sont réalisés en dissociant les échangeurs en éléments capteurs d'enthalpie dans l'air sortant, et en éléments émetteurs d'enthalpie dans l'air entrant. Cette disposition permet la sélection d'échangeurs présentant des conditions optima d'échange thermique entre l'air et le corps de l'échangeur dans chacun des deux circuits d'air, et donnant un écart faible entre les températures de l'air et du fluide caloporteur assurant le transfert d'enthalpie entre capteur et émetteur. Cet écart de température doit être de préférence inférieur à 5 C. les échangeurs fabriqués par Martel Catala, et décrits dans les brevets francais n 77 24925 et 78 16940, peuvent notamment répondre aux exigences qu'impliquent le procédé, car ils permettent d'attein dre économiquement un écart de quelques degrés centigrades entre la température de l'air et celle du fluide caloporteur. Ces échangeurs se présentent sous la forme de panneaux de toiles métalliques brasées sur une série de tuyaux de faible diamètre, incorporés dans les toiles au cours du tissage, et à l'intérieur desquels circule le fluide caloporteur qui est alimenté et repris dans des collecteurs soudés aux extrémités de ces tuyaux. De plus, le transfert d'enthalpie de l'air sortant vers l'air entrant est réalisé en associant individuellement et méthodiquement, des batteries de panneaux capteurs d'enthalpie à des batteries correspon dantes de panneaux émetteurs d'enthalpie. Ce découpage des transferts d'enthalpie en tranches successives permet d'assurer un échange méthodique à contre-coarant tant qu'il existe une différence suffisante entre les températures des deux circuits d'air. Dans chaque tranche ainsi constituée, le transfert peut être assuré par une pompe de circulation du fluide caloporteur qui peut être de l'eau. Quand l'écart entre les températures de l'air sortant et de l'air entrant devient trop faible, inférieur à 7-8 C, on utilise une pompe à chaleur fonctionnant au R 114 qui constitue un des moyens originaux du procédé perce qu'elle s'adapte parfaitement au procédé tel que revendiqué. En effet, le procédé permet un sous-refroidissement poussé du R 114 liquide, ce qui conduit à une plage d'évaporation trâs importante co e on peut s'en rendre compte dans le diagramme pression/enthalpie du R 114. Ce choix permet d'obtenir un excellent coéfficient de perforiance repris sous la désignation habituelle de oOP. L'utilisation méthodique d'échangeurs décrits ci-avant permet de réaliser un sous-refroidissement tel que l'on réussit à valoriser pleinement le comportement spécialement favorable du R 114. Pour réaliser un échange méthodique entre le réchauffement de l'air entrant et le R 114 liquide en sous-refroidissement, il faut diviser l'échangeur en un nombre suffisant de batteries avec passages succes rifts de R 114 dans ces batteries en sens contraire de l'air entrant. Cette synergie de l'emploi méthodique d'échangeurs dûment sélectionnés avec l'exploitation intensive des possibilités offertes par le cycle thermodynamique du R 114 est à l'origine d'un CCP très élevé. En vue d'éliminer les poussières et les vapeurs corrosives éventuel leeent présentes dans l'air sortant de l'installation de séchage, l'air passe dans des tours de lavage d'où il sort propre, débarassé des vapeurs corrosives par l'utilisation éventuelle d'une solution de lavage appropriée au processus de séchage, et saturé d'humidité. La chaleur sensible de l'air sortant de l'appareil de séchage est transformée dans les tours de lavage en chaleur latente de l'eau évaporée sans que l'enthalpie soit modifiée. La condensation de l'humidité de l'air saturé au cours de son refroidissement par passage dans l'échangeur servant d'évaporateur pour la pompe à chaleur, est particulièrement favorable au maintien du niveau de la température de l'air sortant, et donc à l'obtention d'une température et d'une pression d'évaporation relativement élevées, ce qui est important puisque la pression d'évaporation correspond au point le plus froid de l'évaporateur. Il se trouve que la chute relativement faible de la température de l'air sortant permet qusnd même de couvrir par échange à la sortie des tours de lavage une grande partie de la surchauffe qu'il faut donner au B 114 gazeux avant son admission dans le compresseur. Dans l'état actuel de la technique, les pompes à chaleur haute température ne permettent pas de dépasser 120 C dans l'eau réchauffée dans le condenseur. Vu la quantité importante de chaleurs latentes de condensation de l'humidité de l'air sortant, et vu le caractère soutenu de la tempé- rature à laquelle celles-ci sont disponibles, il faut chercher à valoriser ce potentiel particulièrement favorable de récupération d'enthalpie. Cette valorisation complémentaire peut être réalisée en associant - ne po à chaleur de production d'eau chaude, - un ballon flash de détente de l'eau chaude pressurisée produite par la pompe à chaleur, détente accompagnée de production de vapeur d'eau et d'un refroissement de l'eau qui est recyclée vers le condenseur de la pompe à chaleur, - n compresseur de la vapeur d'eau produite par le Flash avec un taux de compression suffisamment élevé pour atteindre au refoulement du compresseur, des températures de vapeur saturée situées entre 150 C et 200 C, selon les besoins du processus de séchage, - un condenseur de la vapeur surchauffée à la pression donnée par le compresseur, condenseur constitué d'une ou plusieurs batteries d'échangeurs émetteurs, - un détendeur de l'eau condensée qui est partiellement vaporisée dans le ballon flash.. la vapeur aspirée par le compresseur provient donc de l'évaporation des condensats et surtout de l'eau réchauffée par la pompe à chaleur qui, par détente et refroidissement, apporte à l'évaporateur que constitue le ballon flash, l'enthalpie d'évaporation d'une quantité d'eau relativement très petite par rapport au débit d'eau circulent dans le ballon Flash et la pompe à chaleur. L'ensemble évaporateur (ballon Flash), compresseur, condenseur, détendeur de vapeur dteau, constitue une unité de chauffage thermo- dynamique similaire aux pompes à chaleur classiques, unité dont le fluide thermodynamique est de l'eau. Le procédé revendiqué permet d'atteindre un recyclage de 75% de l'enthalpie ceteune dans l'air sortant qui est généralement perdue, ce qui site évidemment l'intérêt du procédé sur le plan économique. Le procédé permet en effet de réduire fortement, voire d'éliminer, la consommation de combustibles fossiles coûteux. De plus, arace au chauffage thermodynamique, l'énergie électrique consommée e remplacement de ces coibustibles se trouve valorisée vis-à-vis du chauffage par effet Joule à la mesure du coéfficient de performance global de l'installation. Ce procédé est donc spécialement bien adaRté à l'évolution actuelle des disponibilités et des coûts des différentes for es d'énergie. Un avantage accessoire mais non négligeable, est que la récupération de l'enthalpie de l'air humide saturé étant loin d'être complète, une source importante de chaleur de condensation an rapport avec la puissance de l'installation de séchage qui est souvent de forte capacité, reste encore disponible. Cette source est très favorable à l'installation de pompes à chaleur au R 114 pour le chauffage d'eau chaude avec un COP élevé qui sers fonction des possibilités de sous-refroidissement. La présente invention sera mieux comprise à l'examen du schéma général de la figure 1, qui est relatif à un exemple non limitatif de la production de lait ou de lactoserum en poudre p atomisation et séchage de ces produits introduits sous forme de liquides concentrés qui sont pulvérisés dans un courant d'air chaud, processus réalisé dans la tour d'atomisation 5. L'air entrant est réchauffé par passages successifs dans une série d'échangeurs émetteurs A, B, C, D, E. L'échangeur émetteur A permet de réchauffer l'air jusqu'à 14 C, si il pénètre dans cet échangeur à -10 C. L'échangeur A peut être éliminé de même que son homologue ', capteur de chaleur dans l'air sortant, quand la température extérieure est supérieure à 14 C. Les échangeurs B et B' permettent de réchauffer l'air entrant jusque 30-C, et comme les échangeurs A et A', ils sont équipés d'un nombre suffisants de batteries et de circuits de fluides caloporteurs pour réaliser un échange méthodique entre l'air sortant et l'air entrant. Les échangeurs M' et BB' fonctionnent par échange direct sans consos- nation d'énergie autre que celle qui est nécessaire pour vaincre les faibles pertes de charges dans l'air et dans l'eau qui sert de fluide caloporteur entre les éléments capteurs et émetteurs d'enthalpie. L'eau des premières batteries des échangeurs AA' doit être suffisant aent glycolée pour éviter tout risque de gel. A partir d'une température de 300C dans l'air entrant, la pompe à chaleur 1 permet de relever le niveau de l'enthalpie récupérée pour augmenter progressivement la température de l'air par échange métho diquc dans les batteries de l'échangeur C, puis la porter finalement à 115 C à la sortie de l'échangeur D. A Sa sortie du compresseur de la pompe à chaleur 1, le I 114 passe successivement - par l'échangeur D où il est désurchauffé et partiellement condensé, - par un condenseur à eau interne à la pompe à chaleur 1 apportant au Flash 2 l'enthalpie nécessaire à la production de vapeur. - par l'échangeur de sous-refroidissement C, où sa température est abaissée en dessous de 40 C, - et après détente, par l'évaporateur C' qui a un rôle primordial dans la récupération de l'enthalpie de l'air sortant. Un échangeur interne à la pompe à chaleur 1 complète l'enthalpie de surchauffe que le R 114 acquiert partiellement à sa sortie de l'évapo- rateur C' où il rencontre l'air sortant directement après son passage dans les tours de lavage 5. Sans cette précaution, le R 114 se liquéfierait partiellement au cours de sa compression. Le compresseur 3 aspirc la vapeur d'eau produite dans le Flash 2. Un taux de compression voisin de 8 permet de réchauffer l'air entrant dans l'échangeur E jusque 170 C, température qui sera suffisante dans beaucoup de processus de séchage, quitte à lodifier éventuelle lent les conditions de fonctionnement de l'appareil de séchage pour pouvoir bénéficier intégralement de la forte réduction du coût de l'énergie de séchage apportée par le procédé. Il n'en restera pas moins nécessaire de prévoir une batterie de résistances électriques F pour fournir à l'installation un minimum d'enthalpie nécessaire au démarrage. Cette batterie peut également jouer un rôle de régulateur final de la température de l'air entrant dans la tour d'ato isation 4. Il est remerquable de pouvoir constater dans le cas de l'exemple cité qu'en plein hiver, période ou l'énergie est particulièrement coûteuse, l'installation permet simultanément - de réchauffer l'air de -10 à 170C, - d'obtenir dans ce cas un COP global 4p l'ordre de 3,5 compte-tenu des consommations d'électricité pour vaincre les pertes de charge dans les différents circuits de fluides, et pour le fonctionnement des appareils auxiliaires. I1 est également intéressant de pouvoir constater a) que le procédé permet d'sugeenter de 1800C la température de l'air entrant, en prélevant sur l'air sortant 75Z de ltenthalpie nécessaire, alors que la température de l'air sortant ne diminue que de 200C; ceci confirme pleinement une des caractéristiques essentielles du procédé, à savoir l'exploitation intensive de la source d'énergie idéale que représente pour les pompes à chaleur, le potentiel très important des enthalpies de condensation de la vapeur d'eau produite dans l'installation de séchage; b) que, finalement, la synergie des trois moyens utilisés dans le procédé permet en fait de régénérer à raison de 75%, l'énergie qui a été dégradée dans l'installation de séchage. Ces trois Doyens combinés sont - des échangeurs airifluide caloporteur présentant des coéfficients de transmission de chaleur élevés, que favorise la dissociation des échangeurs en éléments capteurs d'enthalpie et élements émetteurs d'enthalpie, éléments utilisés de manière à créer un échange méthodique gracie à la division des échangeurs en un nombre suffisant de batteries, - une pompe à chaleur au R 114 s'adaptant très harmonieusement aux besoins du procédé, grève aux larges possibilités de sous-refroidis sent mises en valeur par les échangeurs ci-dessus, - un ensemble d'appareils constitué d'un ballon Flash de production de vapeur d'eau, d'un ou de plusieurs compresseurs de la vapeur d'eau produite, qui apporte un deuxième étage de relèvement d'enthalpie à des températures que ne permettent pas d'atteindre les fluides thermodynamiques traditionnels, ensemble qui permet de recycler dans l'air entrant un complément appréciable d'enthalpie que la pompe à chaleur au R 114 a prélevé sur l'air sortant. REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage de l'air de séchage essentiellement par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage, caractérisé par - le transfert à l'air entrant de l'enthalpie de l'air sortant en utilisant des éléments capteurs d'enthalpie dans l'air sortant, et des éléments émetteurs d'en thalpie dans l'air entrant, éléments semblables spé cialement étudiés en vue d'obtenir une faible diffé rence de température entre l'air et -le fluide caloporteur assurant le transfert, lesdits éléments étant divisés en un nombre suffisant de batteries pour réaliser un chauffage méthodique à contre-courant, par transfert d'enthalpie recueillie dans une batterie d'élément capteur, i la batterie correspondante de 1 'élément émetteur, - le relèvement dans un premier stade, du niveau de l'enthalpie récupérée dans l'air sortant, pour la fournir à l'air entrant, au moyen d'une pompe à cha leur utilisant le R 114 comme fluide thermodynamique, - le relèvement dans un deuxième stade, du niveau de l'enthalpie produite dans le premier stade, par la compression mécanique de la vapeur d'eau provenant de la détente de l'eau préalablement pressurisée puis réchauffée dans la pompe à chaleur. 2. Installation de chauffage de l'air de séchage essentiellement par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage (4), caractérisée par l'utilisation - de deux séries d'échangeurs thermiques (A,A' B,B'), comprenant des éléments (A',B') capteurs d'enthalpie dans l'air sortant, et des éléments (A,B) émetteurs d'enthalpie dans l'air entrant, permettant d'obtenir dans chaque série, une faible différence de tempéra ture entre les fluides caloporteurs et l'air entrant ou sortant, - d'une pompe à chaleur (1) utilisant le fluide thermo dynamique R 114 dont le sous-refroidissement (en C) permet une récupération élevée de l'enthalpie de l'air sortant (de 5), - d'un ballon Flash (2) de détente d'eau pressurisée, puis réchauffée dans un condenseur de la pompe à cha leur au R 114, pour produire de la vapeur, - d'un ou plusieurs compresseurs (3) de la vapeur d'eau produite dans le ballon Flash (2). 3. Installation de chauffage de l'air de séchage essentiellement par récupération de I'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage (4), suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments (A,B,C,D,E) émetteurs d'enthalpie, et les éléments (A',B',C') capteurs d'enthalpie permettent d'obtenir une différence de température inférieure à 5 entre l'air et le fluide caloporteur. 4. Installation de chauffage de l'air de séchage essentiellement par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage, suivant les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les éléments (A',B') capteurs d'enthalpie, et les éléments (A,B) émetteurs d'enthalpie, sont divisés en un nombre suffisant de batteries pour réaliser un chauffage méthodique, à contre-courant, par transfert d'enthalpie recueillie dans une batterie d'élément capteur (A' ou B'), à la batterie correspondante de l'élément émetteur (A ou B), transfert réalisé par une pompe de circulation du fluide caloporteur. 5. Installation de chauffage de l'air de séchage essentiellement par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage suivant les revendications 2 à 4, caractérisée par l'utilisation d'éléments capteurs d'enthalpie dans l'air sortant comme évaporateur (C') de la pompe à chaleur (1) au R 114, et d'éléments émetteurs d'enthalpie dans l'air entrant comme condenseur (D) et sous-refroidisseur méthodique (C) du R 114 liquide. 6. Installation de chauffage de l'air de séchage essentiellement par récupération de l'enthalpie contenue dans l'air sortant de l'appareil de séchage, suivant les revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la vapeur d'eau recueillie dans le ballon Flash (2) est produite au départ d'enthalpie récupérée dans l'air sortant par l'intermédiaire de la pompe à chaleur (i).