Brevet FR2976657A1 — publié le 20121221

Echangeur thermique et utilisation d'un tel échangeur thermique pour la récupération de l'énergie d'eaux usées ou eaux à basse température. Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un échangeur thermique de type fluide / fluide comprenant un circuit amont dans lequel circule un fluide amont, un circuit aval dans lequel circule un fluide aval, le circuit amont et le circuit aval étant structurellement imbriqués de sorte à permettre un transfert d'énergie du fluide amont vers le fluide aval. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour la récupération de la chaleur des eaux usées d'un bâtiment, en vue de chauffer l'air ou l'eau chaude sanitaire du bâtiment par exemple. Des installations de chauffage urbain utilisent déjà la chaleur des eaux usées pour chauffer des bâtiments collectifs. Ces installations sont de taille importante pour chauffer des gros volumes d'air (plusieurs bâtiments par exemple). De plus, le circuit amont de ces installations, c'est-à-dire la source froide de la pompe à chaleur, est relié au circuit de collecte des eaux usées en des points suffisamment éloignés des points de collecte pour que la température des eaux usées soit sensiblement homogène et peu variable dans le temps, généralement entre 10°C et 20°C en fonction du climat, des saisons, etc. Ces faibles variations de températures des eaux usées sont nécessaires pour avoir des installations avec un coefficient de performance optimisé. Mais les installations connues ne sont pas adaptées à des bâtiments beaucoup plus petits, comme par exemple des logements individuels, car le coefficient de performances de ces installations chute de manière importante, à cause des variations importantes de température des eaux usées en sortie des petits bâtiments. Le coût des installations et l'allongement de la durée d'amortissement de ces installations les rendent ainsi peu attractives pour les particuliers notamment. Description de l'invention L'invention propose un nouvel échangeur présentant des performances thermiques améliorées par rapport aux échangeurs connus. Pour cela, l'invention propose un échangeur fluide / fluide, par ailleurs conforme aux échangeurs connus, et caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif de commande adapté à réguler un débit de fluide dans le circuit amont en fonction de la température du fluide à une entrée du circuit amont. Réguler le débit de fluide dans le circuit amont en fonction de la température du fluide entrant dans le circuit amont permet d'optimiser en continu le coefficient de performance de l'échangeur, et d'améliorer considérablement les performances de l'échangeur lorsqu'il est utilisé avec un fluide dont la température varie en permanence et sur une large plage de température, comme cela est le cas notamment de la température des eaux usées sortant d'un bâtiment de petite taille. Le dispositif de commande peut comprendre un dispositif de régulation de débit positionné à l'entrée du circuit amont, le débit à l'intérieur du circuit amont étant fonction d'une position du dispositif de régulation, et le dispositif de commande peut comprendre un moyen pour commander la position du dispositif de régulation en fonction d'une différence entre une température du fluide en amont du dispositif de régulation et une température de référence. Dans un exemple, la position X du dispositif de régulation est commandée en fonction de la température T selon une loi de type X - X0 = K1*(1 - K2 / (T - TO)), avec TO une température de référence, X0, une position de référence du dispositif de régulation fonction de la température de référence, K1, K2 des paramètres fonction de caractéristiques mécaniques du dispositif de régulation et de caractéristiques thermiques du circuit aval. Une telle relation mathématique a l'avantage de pouvoir être mise en oeuvre assez simplement avec un correcteur de type proportionnel intégral dérivé (PID). Le dispositif de commande peut également comprendre un moyen pour réguler un débit de fluide dans le circuit aval en fonction d'une température du fluide à une entrée du circuit aval. Combiner une régulation du débit de fluide dans le circuit amont de l'échangeur, et une régulation de débit dans le circuit aval de l'échangeur permet d'améliorer encore les performances thermiques de l'échangeur. L'échangeur selon l'invention peut être avantageusement utilisé avec un circuit amont relié à une conduite d'évacuation des eaux usées d'un bâtiment afin de récupérer l'énergie desdites eaux usées. L'échangeur selon l'invention peut être avantageusement utilisé avec un circuit amont relié à une conduite d'eaux à basse température afin de récupérer l'énergie desdites eaux à basse température. On entend par basse température, une température d'eau inférieure à 40°C. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation d'un échangeur thermique et d'une pompe à chaleur selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'un échangeur thermique selon l'invention, et - la figure 2 est un schéma d'une pompe à chaleur selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention Comme dit précédemment, l'échangeur thermique de type fluide / fluide selon l'invention comprend un circuit amont 10 dans lequel circule un fluide amont, un circuit aval 20 dans lequel circule un fluide aval, le circuit amont et le circuit aval étant structurellement imbriqués de sorte à permettre un transfert d'énergie du fluide amont vers le fluide aval. Dans l'exemple représenté, l'échangeur est installé sur une conduite de sortie d'un réservoir 30 tampon rempli en continu par les eaux usées du bâtiment. Le circuit amont 10 et le circuit aval 20 sont deux tubes creux imbriqués l'un dans l'autre localement. Les eaux usées circulent dans le tube intérieur (circuit amont) et un fluide frigorigène circule entre les deux tubes (circuit aval) pour récupérer la chaleur des eaux usées. L'échangeur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif de commande adapté à réguler un débit de fluide dans le circuit amont en fonction de la température du fluide à une entrée du circuit amont. Le dispositif de commande comprend un dispositif de régulation de débit positionné à l'entrée du circuit amont, le débit à l'intérieur du circuit amont étant fonction d'une position du dispositif de régulation ; le dispositif de commande comprend encore une sonde de température 120 positionnée à l'intérieur du circuit amont, en amont du dispositif de régulation de débit ; le dispositif de commande comprend encore une sonde de température 121 positionnée à l'intérieur du circuit aval ; le dispositif de commande comprend également un moyen pour commander la position du dispositif de régulation en fonction d'une différence entre une température du fluide en amont du dispositif de régulation et une température de référence. Le dispositif de commande comprend un moyen pour commander la position X du dispositif de régulation en fonction de la température T selon une loi de type X - X0 = K1 *(l - K2 / (T - TO)). TO est une température de référence, qui peut être ajustée par exemple en fonction du climat habituel du lieu où l'échangeur est installé, en fonction de la plage de variation de la température des eaux usées, etc. X0 est une position de référence du dispositif de régulation qui est fonction de la température de référence. K1, K2 sont déterminées pour permettre un transfert de chaleur optimal entre le circuit amont et le circuit aval ; KI, K2 sont constantes par rapport à la température, et sont fonction de caractéristiques mécaniques du circuit amont, de caractéristiques mécaniques du dispositif de régulation et de caractéristiques thermiques du circuit aval. Les caractéristiques mécaniques du circuit amont à prendre en compte sont notamment les valeurs minimales et maximales du débit du circuit amont. Les caractéristiques mécaniques du dispositif de régulation sont notamment la fonction liant le débit de fluide dans le circuit amont en fonction de la position du dispositif de régulation. Les caractéristiques thermiques du circuit aval sont notamment le coefficient d'échange thermique du fluide circulant dans le circuit aval et le débit du fluide dans le circuit aval. Dans l'exemple représenté, le dispositif de régulation est une vanne de débit 110, et le moyen pour commander la position du dispositif de régulation est une unité de traitement 130. La sonde de température 120 est positionnée à l'entrée du circuit amont, elle mesure la température des eaux usées en amont de la vanne de débit 110. La vanne de débit 110 est placée en l'entrée du circuit amont, dans le tube intérieur, et se présente sous la forme d'un distributeur fixe 111 dans le tube associé à un dispositif mobile 112 en translation selon l'axe du tube intérieur ; le débit de la vanne est fonction de la hauteur du dispositif mobile par rapport à la hauteur du distributeur fixe. L'unité de traitement calcule la position X(t+dt) optimale de la vanne dans le tube intérieur par un correcteur de type proportionnel intégral dérivé (PID) à partir de la différence T - TO entre la température T(t) des eaux usée mesurée à un instant t et la température de référence, puis ajuste la position X du dispositif mobile par rapport au distributeur fixe selon la valeur calculée X(t+dt). Ainsi, en commandant la position du dispositif mobile selon l'axe du tube intérieur, le dispositif de commande pilote le débit des eaux usées dans le tube intérieur. Dans un autre exemple, non représenté, le dispositif de commande comprend notamment une ailette de débit, une première sonde de température et une unité de traitement. La sonde de température est positionnée à l'entrée du circuit amont, elle mesure la température des eaux usées en amont de la vanne de débit. L'ailette de débit est placée à l'entrée du circuit amont, dans le tube intérieur, et se présente sous la forme d'une plaque de forme similaire à la section du tube intérieur montée rotative autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du tube intérieur ; le débit de fluide dans le tube intérieur est ainsi fonction de la position angulaire de l'ailette par rapport à une position de référence. Le dispositif de commande ajuste la position angulaire de l'ailette par rapport à sa position de référence en fonction de la température mesurée par la sonde. Ainsi, en commandant la position angulaire de l'ailette, le dispositif de commande pilote le débit des eaux usées dans le tube intérieur. L'invention concerne également une pompe à chaleur de type fluide / fluide comprenant un premier échangeur 210 tel que décrit ci-dessus. La pompe à chaleur comprend également, de manière classique (figure 2) : - un compresseur 220 adapté à comprimer le fluide sortant du circuit aval de l'échangeur, - un deuxième échangeur 230 adapté à transférer vers l'extérieur de la pompe une énergie du fluide comprimé, - un détendeur 240 adapté à détendre le fluide sortant du deuxième échangeur et transmettre le fluide détendu au circuit aval du premier échangeur. Le circuit amont 211 du premier échangeur est relié à une conduite d'évacuation des eaux usées, comme expliqué précédemment. Le circuit aval 212 du premier échangeur, le compresseur 220, le circuit amont 231 du deuxième échangeur et le détendeur 240 sont associés en série pour former un circuit intermédiaire de la pompe à chaleur dans lequel circule un fluide frigorigène. Le circuit aval 232 du deuxième échangeur thermique est relié à une installation non représentée, telle que par exemple un ballon d'eau sanitaire, un circuit de chauffage, ou plus généralement à tout dispositif adapté à consommer l'énergie fournie par la pompe à chaleur. Le premier échangeur 210 comprend un dispositif de commande adapté à réguler le débit de fluide dans le circuit amont du premier échangeur thermique, comme expliqué précédemment. A noter que, dans la mesure où le circuit aval du premier échangeur, le compresseur, le circuit amont du deuxième échangeur et le détendeur sont associés en série et forment un circuit intermédiaire fermé dans lequel circule un fluide frigorigène, la régulation de la vitesse du moteur du compresseur et la régulation du débit de fluide en sortie du détendeur sont nécessairement liées. De préférence encore, le dispositif de commande est adapté à réguler le débit des eaux usées dans le circuit amont du premier échangeur en fonction de la température des eaux usées à l'entrée du circuit amont du premier échangeur. Le dispositif de commande est également adapté à réguler le débit des eaux à basse température dans le circuit amont du premier échangeur en fonction de la température à basse température des eaux à l'entrée du circuit amont du premier échangeur. L'eau chaude peut, par exemple, être issue d'un chauffe eau solaire. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons.15 REVENDICATIONS1. Echangeur thermique de type fluide / fluide comprenant un circuit amont (10) dans lequel circule un fluide amont, un circuit aval (20) dans lequel circule un fluide aval, le circuit amont et le circuit aval étant structurellement imbriqués de sorte à permettre un transfert d'énergie du fluide amont vers le fluide aval, l'échangeur étant caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif de commande adapté à réguler un débit de fluide dans le circuit amont en fonction de la température du fluide à une entrée du circuit amont. 2. Echangeur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande comprend : - un dispositif de régulation de débit (110) positionné à l'entrée du circuit amont, le débit à l'intérieur du circuit amont étant fonction d'une position du dispositif de régulation et de la température d'eau de 10 stockage, et - un moyen pour commander (130) la position du dispositif de régulation en fonction d'une différence entre une température du fluide en amont du dispositif de régulation et une température de référence. 5. Echangeur selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de commande est adapté à commander la position X du dispositif de régulation en fonction de la température T selon une loi de type X - X0 = Kl *(1 - 15 K2 / (T - TO)), avec TO une température de référence, X0, une position de référence du dispositif de régulation fonction de la température de référence, K1, K2 des constantes fonction de caractéristiques mécaniques du dispositif de régulation et de caractéristiques thermiques du circuit aval. 6. Echangeur selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel le dispositif de régulation est : - une vanne de débit (110) positionnée à l'intérieur du circuit amont, le dispositif de commande étant 20 adapté à commander une hauteur de la vanne en fonction de la température du fluide en amont de la vanne, ou - une ailette positionnée à l'intérieur du circuit amont, le dispositif de commande étant adapté à commander une position angulaire de l'ailette en fonction de la température du fluide en amont de l'ailette. 25 5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit amont et le circuit aval sont constitués d'au moins deux tubes creux imbriqués l'un dans l'autre. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de commande comprend également un moyen pour réguler un débit de fluide dans le circuit aval en fonction d'une température du fluide à une entrée du circuit aval. 30 7. Utilisation d'un échangeur selon l'une des revendications 1 à 6, le circuit amont étant relié à une conduite d'évacuation des eaux usées d'un bâtiment. 8. Utilisation d'un échangeur selon l'une des revendications 1 à 6, le circuit amont étant relié à une conduite d'eaux à basse température.