Brevet FR2977659A1 — publié le 20130111

PROCEDE POUR EXTRAIRE DE LA CHALEUR D'UN EFFLUENT CIRCULANT DANS UNE CONDUITE, EN PARTICULIER D'EAUX USEES, ECHANGEUR DE CHALEUR ET MATERIAU POUR METTRE EN OEUVRE CE PROCEDE. L'invention est relative à un procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, procédé selon lequel on installe, au moins dans le fond de la conduite, un échangeur de chaleur qui baigne dans l'effluent, cet échangeur de chaleur étant i o formé par enrobage de tubes avec un béton suffisamment conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé. Les collecteurs ou conduites d'évacuation d'eaux usées transportent 15 des eaux sales qui sont tièdes ou tempérées du fait de leur provenance résidentielle ou tertiaire, ou de leur provenance d'activité collective ou industrielle. Leur température est généralement comprise entre 15 et 20°C. La chaleur sensible de ces eaux représente une source d'énergie qui peut être récupérée pour des besoins de chauffage de bâtiment, de production 20 d'eau chaude sanitaire, ou toute autre utilisation thermique, en combinaison avec une pompe à chaleur. DE 35 21 285 et EP 1 215 460 montrent des collecteurs d'eaux usées avec échangeur de chaleur noyé dans la paroi en béton du collecteur. De tels échangeurs sont d'un prix de revient avantageux, au point de vue 25 fabrication et mise en oeuvre, par rapport à des échangeurs de chaleur réalisés en pièces métalliques. Toutefois, la transmission de chaleur à travers le béton demande à être améliorée, de même que la résistance mécanique de cet échangeur qui peut avoir à supporter le piétinement de personnels de service. L'invention a pour but, surtout, de proposer un procédé qui permet 30 d'obtenir un échangeur du genre en question dans lequel l'effet conducteur thermique et la solidité de l'échangeur sont simultanément améliorés. Selon l'invention, le procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que le béton de l'enrobage est 35 composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone. La charge en aiguilles est de préférence supérieure à 2 % en masse. Les aiguilles peuvent être métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou peuvent être en carbone. Le diamètre des aiguilles est de préférence inférieur à cinq dixièmes de millimètres, et la longueur des aiguilles est de préférence inférieure à 10 mm. Avantageusement, une couche de matériau thermiquement isolant est placée entre les tubes et la paroi de la conduite ; une couche de béton conducteur est placée au contact des tubes, entre les tubes et l'effluent ; et, en surface, une couche de matériau résistant à l'abrasion est placée au contact de l'effluent. i o Une résille intermédiaire, métallique ou en fibres synthétiques, peut être déployée au-dessus des tubes, avant coulage du matériau d'enrobage, sur toute l'étendue d'une portion de l'échangeur afin de renforcer la résistance mécanique et/ou améliorer le transfert thermique. Les tubes peuvent être annelés. 15 L'invention est également relative à un échangeur pour extraire de la chaleur à partir d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, installé au moins dans le fond de la conduite pour baigner dans l'effluent, l'échangeur étant constitué de tubes (3) noyés dans un béton conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation 20 d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé, caractérisé en ce que le béton de l'enrobage est composé d'au moins 500/0 en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique 25 ou en carbone. Avantageusement, la charge en aiguilles est d'au moins 2 % en masse, et les aiguilles sont de préférence des aiguilles métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou en carbone. Généralement, le liant est constitué par du ciment. 30 L'échangeur est réalisé de préférence selon le procédé défini précédemment. L'invention est également relative à un matériau pour la mise en oeuvre du procédé défini précédemment, ce matériau étant caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mélange composé d'au moins 50 % en masse de 35 carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone. Avantageusement, la charge en aiguilles est d'au moins 2 % en masse. Les aiguilles peuvent être métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou être en carbone. La conductivité thermique du matériau d'enrobage selon l'invention est sensiblement améliorée par le carbure de silicium qui présente une conductivité thermique élevée. Le carbure de silicium, combiné à de l'alumine et à un liant conduit à un type de béton facile à mettre en oeuvre. Le béton d'enrobage selon l'invention consiste en une combinaison qui permet d'obtenir un composite présentant une cohérence et une tenue 1 o mécanique. La conductivité thermique de l'alumine, plus élevée que celle d'un béton classique, permet d'obtenir une conductivité du composite plus élevée que celle d'un mélange impliquant du béton usuel. La charge en aiguilles ajoutée à la combinaison de carbure de silicium et d'alumine permet d'améliorer la tenue mécanique du mélange de 15 carbure de silicium-alumine, mais aussi sa conductivité thermique en créant des ponts thermiques qui facilitent le passage du flux de chaleur. Les propriétés mécaniques du mélange obtenu, et notamment sa grande résistance mécanique, permettent sa mise en oeuvre dans des environnements soumis à de fortes contraintes comme, par exemple, le 20 passage d'un opérateur muni de bottes cloutées ou la chute d'un outil d'une hauteur d'homme. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec 25 référence au dessin annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une section droite d'un collecteur d'eaux usées équipé dans la partie inférieure d'un échangeur selon l'invention. Fig. 2 est une section droite d'un collecteur d'eaux usées, avec partie 30 inférieure détériorée, avant mise en place d'un échangeur selon l'invention, et Fig. 3 est une coupe partielle à plus grande échelle d'une variante de réalisation. En se reportant aux dessins, notamment à Fig. 1, on peut voir une canalisation 1 formant collecteur d'eaux usées 2 en écoulement à surface libre. 35 Dans la partie inférieure de la canalisation 1 est installé un échangeur de chaleur E qui baigne dans l'effluent constitué par les eaux usées 2. L'échangeur E est constitué de tubes souples ou semi-rigides 3, essentiellement parallèles à la direction longitudinale de la canalisation. Les tubes 3 peuvent être métalliques ou, de préférence, en matière plastique, avec une paroi annelée augmentant la surface de contact pour les échanges thermiques. Les tubes 3 sont enrobés dans un béton 4 conducteur de la chaleur. Le béton 4 de l'enrobage des tubes est composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine. Le liant est généralement constitué par du ciment. La teneur en carbure de silicium peut atteindre 90 % en masse. La 1 o charge en aiguilles est de préférence d'au moins 2 % en masse. Les aiguilles de la charge sont de préférence métalliques, ou en carbone. Les aiguilles métalliques sont avantageusement réalisées en acier au carbone ou en aluminium. Le diamètre des aiguilles est en général inférieur à cinq dixièmes de 15 millimètres pour une longueur généralement inférieure à 10 mm. La conductivité thermique du béton selon l'invention est considérablement améliorée par rapport à celle d'un béton classique et, simultanément, la résistance mécanique du béton, notamment en surface, est fortement améliorée par la présence des aiguilles. 20 L'échangeur de chaleur sur eaux usées est mis en oeuvre dans la partie inférieure des conduites et est recouvert par l'écoulement à surface libre d'eaux usées selon le schéma de Fig. 1. Le système d'échange thermique est constitué de deux parties distinctes : 25 - une couche d'un mélange conducteur 4 de carbure de silicium, d'alumine et d'aiguilles, notamment d'aiguilles ferritiques, qui vient tapisser le fond de la canalisation 1 et épouser sa forme, - un réseau de tubes 3, en particulier de tubes annelés en matière plastique, emprisonnés dans cette couche de matériau conducteur 4. 3o Les calories contenues dans les eaux usées 2 sont ainsi transférées vers le fluide caloporteur 5 circulant dans les tubes 3, via le matériau conducteur 4 et les tubes 3. L'utilisation de tubes annelés 3 permet, non seulement d'augmenter la surface d'échange entre le matériau conducteur 4 et les tubes 3, mais aussi 35 une création de turbulences dans le fluide caloporteur 5 circulant dans les tubes 3, ce qui améliore les conditions d'échange sur la paroi interne des tubes 3. L'échangeur de chaleur E est divisé en portions, suivant la direction d'écoulement des eaux usées, dont la taille sera ajustée de sorte que le fluide caloporteur 5 se réchauffe d'environ 4°C, notamment de 4°C à 8°C. Pour chaque portion d'échangeur des collecteurs (non représentés) alimentent les tubes 3 en fluide caloporteur froid. Après passage dans l'échangeur de chaleur E, le fluide caloporteur réchauffé est dirigé, via d'autres collecteurs (non représentés) vers une pompe à chaleur. Le fluide caloporteur circule en circuit fermé. L'équilibrage hydraulique de l'ensemble est avantageusement réalisé grâce à une boucle de Tichelmann. Le béton conducteur conforme à l'invention peut être mis en oeuvre par projection contre la paroi intérieure de la canalisation 1, ce qui réduit i o considérablement le temps de pose et la complexité de l'opération, par rapport à une solution mettant en oeuvre un échangeur en acier inoxydable. La solution de l'invention s'adapte à toute géométrie de canalisation et peut être mise en oeuvre par des équipes ayant les compétences nécessaires à l'utilisation d'un béton classique. 15 De par la composition des eaux usées, les canalisations sont soumises à des contraintes qui engendrent une usure particulièrement prononcée de leurs parties inférieures immergées. En plus de permettre la création d'une solution d'échange de chaleur sur eaux usées, le nouveau matériau selon l'invention présente l'avantage de 20 permettre une réfection d'une canalisation 1 a (Fig. 2) dont la partie inférieure 6 est détériorée. Au lieu du remplacement d'une conduite usée, la mise en place d'un échangeur de chaleur E selon l'invention, sur la partie inférieure de la canalisation 1a, permet une réfection de cette conduite grâce au béton conducteur qui viendra tapisser le fond de celle-ci. 25 La résistance mécanique élevée du mélange protège le système d'échange thermique de tout dommage et permet la compatibilité de celui-ci avec toutes les méthodes de curage des collecteurs d'eaux usées. Pour la réalisation de l'échangeur, les tubes 3 sont préalablement fixés, par tout moyen approprié, contre la surface interne de la paroi de la 30 canalisation 1. Le béton d'enrobage 4 est ensuite coulé, de préférence projeté, autour des tubes 3 pour durcir sur place. Un film de protection 6, notamment une feuille de matière plastique, peut être prévue entre la surface intérieure de la conduite 1 et l'échangeur E intégré dans cette conduite. 35 Une résille intermédiaire 7, notamment métallique ou en fibres synthétiques, est avantageusement déployée au-dessus des tubes 3, sur toute la longueur de chaque portion d'échangeur E, suivant la direction d'écoulement des eaux usées, de manière à recouvrir la totalité de la nappe de tubes 3. La résille 7 renforce la résistance mécanique. Cette résille 7, lorsqu'elle est réalisée en un matériau conducteur thermique, notamment métallique, contribue à améliorer le transfert thermique. Comme illustré selon la variante de Fig.3, l'enrobage des tubes 3 peut être réalisé en plusieurs couches de matériaux de propriétés différentes, à savoir : - une couche 8 d'un matériau thermiquement isolant entre les tubes 3 et la paroi de la conduite 1, ou entre les tubes 3 et le film 6 lorsqu'un tel film est prévu ; - une couche de béton conducteur 4 selon l'invention au contact des tubes, 1 o entre les tubes 3 et l'effluent et, - en surface, une couche éventuelle 9 de matériau résistant à l'érosion. Il est à noter que l'augmentation de la résistance mécanique du béton conducteur permet de réduire l'épaisseur de la couche de béton entre les tubes 3 et les eaux usées, ce qui est également favorable aux échanges 15 thermiques, et se combine avec l'amélioration de la conductivité thermique. Exemples comparatifs En comparaison d'un échangeur de chaleur sur eaux usées constitué de modules en acier inoxydable, la surface d'échange nécessaire avec un béton 20 conducteur selon l'invention est environ équivalente. Cependant, la difficulté de mise en oeuvre, et le temps de mise hors service du collecteur pour réaliser l'échangeur sont fortement réduits. Par rapport à une solution utilisant un béton classique pour enrober les tubes, la 25 solution utilisant le béton conducteur selon l'invention nécessite une surface d'échange réduite d'un facteur de l'ordre de quatre. Des essais effectués avec un béton conducteur selon l'invention, à 90 % en masse de carbure de silicium (SiC), ont donné une conductivité thermique de 30 72 W/m.K. Pour un béton classique, la conductivité thermique est de l'ordre de 1,4 W/m.K. Pour un échangeur en acier inoxydable, la conductivité thermique est de l'ordre de 16 W/m.K. L'amélioration apportée par la solution de l'invention est donc considérable. Le matériau de l'invention (mélange conducteur de carbure de 35 silicium, d'alumine et d'aiguilles) peut être utilisé pour toute application nécessitant à la fois un transfert thermique et une bonne tenue mécanique. REVENDICATIONS1. Procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent (2) circulant dans une conduite (1), notamment un collecteur d'eaux usées, selon lequel on installe, au moins dans le fond de la conduite, un échangeur de chaleur (E) qui baigne dans l'effluent, l'échangeur de chaleur (E) étant formé par enrobage de tubes (3) avec un béton suffisamment conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé, i o caractérisé en ce que le béton de l'enrobage est composé d'au moins 500/0 en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge en aiguilles est supérieure à 2 % en masse. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les aiguilles de la charge sont métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, 20 ou sont en carbone. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que : - une couche (8) de matériau thermiquement isolant est placée entre les tubes 25 (3) et la paroi de la conduite (1), - une couche de béton conducteur (4) est placée au contact des tubes, entre les tubes et l'effluent, - et, en surface, une couche (9) de matériau résistant à l'abrasion est placée au contact de l'effluent. 30 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une résille intermédiaire (7), métallique ou en fibres synthétiques, est déployée au-dessus des tubes (3), avant coulage du matériau d'enrobage, sur toute l'étendue d'une portion de l'échangeur afin de renforcer la résistance 35 mécanique et/ou améliorer le transfert thermique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (3) sont annelés.7. Echangeur pour extraire de la chaleur à partir d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, installé au moins dans le fond de la conduite pour baigner dans l'effluent, l'échangeur étant constitué de tubes (3) noyés dans un béton conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé, caractérisé en ce que le béton (4) de l'enrobage est composé d'au moins 500/0 en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau i o conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone. 8. Matériau pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mélange 15 composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone. 9. Matériau selon la revendication 8, caractérisé en ce que la charge en 20 aiguilles est d'au moins 2 % en masse. 10. Matériau selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que et les aiguilles sont métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou sont en carbone. 25