Brevet FR2999280A1 — publié le 20140613

La présente invention concerne le domaine des installations rejetant des gaz chauds. Il peut s'agir de chaudières ou de tout processus industriel. Afin de tenter de récupérer au moins une partie de l'énergie dissipée par le rejet de tels gaz chauds, il a été proposé à maintes reprises d'installer des échangeurs de chaleur de type condenseurs sur la sortie des gaz chauds chargés en eau rejetés par les chaudières ou processus industriels précités. Cependant, l'installation de tels échangeurs de chaleur conduit à la formation de gaz saturés en eau en sortie de l'échangeur. En aval du condenseur ces gaz se condensent dans les circuits et provoquent des condensats acides nuisibles aux équipements. Sur les équipements existants, l'installation d'un condenseur seul pour récupérer l'énergie exige donc généralement la modification des 15 équipements en aval du condenseur pour les protéger des condensats, notamment le retubage des cheminées. Il en résulte jusqu'à présent un surcoût qui est insuffisamment compensé par les économies d'énergie et qui ne permet donc pas d'avoir un temps de retour sur l'investissement acceptable pour les industriels. 20 Face à cette situation, la présente invention a pour objectif de proposer de nouveaux moyens qui éliminent les inconvénients de la technique antérieure. Le but précité est atteint selon l'invention grâce à un dispositif de récupération énergétique de gaz chauds chargés en eau rejetés en 25 sortie d'une chaudière ou d'un processus industriel, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur-condenseur disposé en sortie des gaz chauds, un circuit de dérivation placé en parallèle du condenseur, un système de régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation, un premier capteur de mesure de la température des gaz en 30 sortie du condenseur et en amont du mélange entre la sortie du condenseur et la sortie du circuit de dérivation, un deuxième capteur de mesure de la température des gaz après mélange entre la sortie du condenseur et le circuit de dérivation et des moyens de pilotage du système de régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation sur la base d'une valeur de consigne de la température après mélange définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur. La solution technique ainsi proposée selon l'invention permet la récupération optimale de l'énergie contenue dans les gaz chauds, notamment l'eau de combustion de gaz chauds, sans modification des installations en aval du condenseur. En remontant la température des gaz en sortie du condenseur grâce à une partie du débit des gaz chauds prélevés sur l'entrée de l'échangeur-condenseur et détournés pour être réinjectés en sortie du condenseur, l'on évite la condensation et se faisant la formation de condensats acides nuisibles comme constaté selon l'état de la technique. La présente invention concerne également un procédé de récupération énergétique des gaz chauds chargés en eau, mettant en oeuvre le dispositif précité, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de récupération de calories au niveau d'un condenseur disposé en sortie des gaz chauds, une dérivation de gaz chaud issus de la chaudière ou du processus industriel à l'aide d'un circuit de dérivation placé en parallèle du condenseur, une régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation, une mesure de la température Tr des gaz en sortie du condenseur et en amont du mélange entre la sortie du condenseur et la sortie du circuit de dérivation à l'aide d'un premier capteur, une mesure de la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur et le circuit de dérivation à l'aide d'un deuxième capteur et une étape de pilotage de la régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation sur la base d'une valeur de consigne de la température Tm après mélange, définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 annexée représente une vue schématique d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 représente le schéma de principe de la consigne de température pour cette première variante de réalisation, - la figure 3 représente une vue schématique de principe d'une installation conforme à un deuxième mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et - la figure 4 représente le schéma de principe de la consigne de température correspondante. On va dans un premier temps décrire l'installation conforme à la première variante de réalisation illustrée sur la figure 1 annexée. On aperçoit sur cette figure 1, un système portant la référence générale 10 qui correspond à une chaudière ou tout processus industriel délivrant sur sa sortie 12 des gaz chauds chargés en eau. Comme indiqué précédemment, selon l'invention, il est prévu en aval de la sortie 12 de gaz chauds : - un condenseur 100 constitué d'un échangeur de chaleur, - un circuit de dérivation 110 placé en parallèle du condenseur 100, - un système 120 de régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation 110, - un premier capteur de température 130 adapté pour mesurer la température Tr des gaz chauds en sortie du condenseur 100 avant mélange des gaz issus du condenseur 100 avec les gaz issus du circuit de dérivation 110, - un deuxième capteur de température 140 adapté pour mesurer la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur 100 et la sortie du circuit de dérivation 110 et - un module 150 adapté pour piloter le système de régulation de flux 120 dans le circuit de dérivation 110 sur la base d'une valeur de consigne de la température après mélange CTm, contrôlée par le capteur 140, définie par une fonction polynomiale de la température Tr en sortie du condenseur 130 mesurée par le capteur 130. Le condenseur 100 peut être formé de tout échangeur de chaleur connu en soi. Sa structure et son fonctionnement ne seront donc pas décrits plus en détail par la suite. Le cas échéant, il peut d'ailleurs être prévu un système échangeur additionnel dénommé économiseur en amont du condenseur 100 entre le point d'entrée du circuit de dérivation 120 et l'entrée du condenseur 100. Un tel économiseur est connu en soi. Il n'est donc pas représenté sur les figures annexées afin de simplifier l'illustration. De même, sa structure et son fonctionnement connus en soi ne seront pas décrits plus en détail par la suite. Sur la figure 1 annexée, on a référencé 122 le point d'entrée du circuit de dérivation 120 entre la sortie 12 des gaz chauds et l'entrée 102 du condenseur 100 et l'on a référencé 124 le point de mélange entre la sortie du circuit de dérivation 110 et la sortie 104 du condenseur 100. Avantageusement, la fonction polynomiale précitée définissant la valeur de consigne CTm de la température Tm est de type CTm =A.Tr+B dans laquelle les coefficients A et B dépendent de la température 20 moyenne des gaz en entrée de l'échangeur condenseur 100. Le système de régulation 120 de flux placé dans le circuit de dérivation 100 peut être formé de tout moyen approprié. Il s'agit de préférence d'un volet motorisé piloté par le module de pilotage 150 pour être déplacé entre une position dans laquelle il libère complètement la 25 section du circuit de dérivation 110 afin d'autoriser un flux maximal et une position d'obturation de la section du circuit de dérivation 110 pour interrompre le flux précité. Les gaz chauds provenant de la chaudière 10 ou du processus industriel sont refroidis partiellement dans l'échangeur condenseur 100, 30 ce qui permet de refroidir les gaz en dessous de leur température de rosée afin de récupérer une partie de l'énergie contenue dans l'eau sous forme latente. Le circuit de dérivation 110 dévie une partie des gaz chauds afin de les mélanger dans le mélangeur 124 avec les gaz issus du condenseur 100, et ainsi remonter la température des gaz en sortie du mélangeur 124 au-dessus de la température de rosée du mélange. Selon une variante de réalisation ébauchée sur la figure 1, l'invention peut également mettre en oeuvre un troisième capteur de température 160 qui mesure la température de l'air extérieur Te. Dans ce cas la loi polynomiale qui pilote le système de régulation de flux 120 à partir du module 150, en définissant une température de consigne CTm pour la température Tm en sortie de l'échangeur-condenseur 100 est de type CTm =A.Tr+A'.Te+B+B' dans laquelle les coefficients A, A' et B, B' dépendent de la température moyenne des gaz en entrée de l'échangeur condenseur 100. On a schématisé sur la figure 2, le fonctionnement du module de régulation 150 recevant en entrée les deux températures mesurées Te et Tr pour fournir la consigne de régulation CTm à laquelle est comparée la température Tm réellement mesurée par le capteur 140. Les inventeurs ont en outre déterminé que la consigne de température CTm des gaz en sortie du mélangeur 124, mesurée par le capteur 140, peut être optimisée, afin de maximiser la récupération d'énergie par l'échangeur, en prenant en compte tout ou partie des mesures additionnelles suivantes : la mesure de température Tf des gaz en amont du circuit de dérivation 110 à l'aide d'un capteur 170 et la mesure de la concentration 02 en oxygène des gaz en amont du condenseur 100 à l'aide d'un capteur dédié 180. Lorsque l'installation de régulation conforme à la présente invention met en oeuvre l'ensemble des capteurs de mesure précités, la consigne de température CTm est définie par une fonction polynomiale faisant intervenir des fonctions fi(re), f2(o2,-rf) et D02(02) du type: CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-X.Te+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02s) dans laquelle X, Y, Z et W sont des constantes. avec comme condition (si la mesure Tf est mesurée) que si Tf Selon un mode particulier de mise en oeuvre, le calcul de la consigne CTm intègre les fonctions suivantes présentées sur le schéma de la figure 4 : . fO(Tr,Tf)= (af. Tf + bf).Tr+ (a "rf + b') . ficre)= -1,064.Te . D02(02,)=02s-02min. avec pour condition : Si la fonction D02(02,) est négative, alors D02(02s)=02min . f2(02,-rf)= (-0,0000146.Tf2+0.01.Tf-1,95)-DO2(02s) Ainsi selon une mise en oeuvre avantageuse mais non limitative : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-1,064.Te+(-0,0000146.Tf2+0.01.Tf- 1,95)-DO2(02s) Lorsque la mesure Tf n'est pas utilisée on fixe dans le calcul de CTm la valeur de Tf, en prenant comme valeur la température moyenne théorique des gaz en entrée échangeur. Lorsque la correction de température extérieur Te n'est pas prise en compte dans le calcul de CTm on fixe la valeur de Te à 0. On a alors : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'.Tf+b')+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02s) Et préférentiellement : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')+(-0,0000146.Tf2+0.01.Tf-1,95).D02(02s) Lorsque la correction à partir de la mesure de la concentration en oxygène n'est pas prise en compte D02(02,)=0. On a alors : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'.Tf+b')-X.Te Et préférentiellement : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-1,064.Te La mesure du taux d'oxygène doit être exprimée en sec. Les coefficients af, bf, a', b', 02min Tfmin dépendent du type de combustible utilisé. Un tableau indicatif et non limitatif est donné ci-30 dessous. Gaz Gaz Fioul Naturel Liquide Domestique af 0,004 0,004 0,004 bf -0,396 -0,392 -0,339 a' -0,227 -0,221 -0,193 b' 129,2 125,3 113,8 02min 2,9 3 4,6 Tfmin 110 110 100 En pratique les coefficients précités peuvent être définis par étalonnage et apprentissage in situ lors de la mise en service du système. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. REVENDICATIONS1. Dispositif de régulation énergétique de gaz chauds chargés en eau rejetés en sortie d'une chaudière ou d'un processus industriel (10), caractérisé par le fait qu'il comprend un condenseur (100) disposé en sortie des gaz chauds, un circuit de dérivation (110) placé en parallèle du condenseur (100), un système (120) de régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation (110), un premier capteur (130) de mesure de la température Tr des gaz en sortie du condenseur (100) et en amont du mélange entre la sortie du condenseur (100) et la sortie du circuit de dérivation (110), un deuxième capteur (140) de mesure de la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur (100) et le circuit de dérivation (110) et des moyens (150) de pilotage du système (120) de régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation (110) sur la base d'une valeur de consigne (CTm) de la température Tm après mélange, définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur (100). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fonction polynomiale de régulation est de type CTm =A.Tr+B dans laquelle A et B sont des constantes. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un capteur de mesure de la température Te de l'air extérieur (160). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la fonction de régulation polynomiale est de type CTm =A.Tr+A'.Te+B+B' dans laquelle A, A' et B, B' sont des constantes. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre au moins un capteur choisi dans le groupe comprenant un capteur (170) de mesure de la température Tf des gaz en amont du circuit de dérivation (110) et un capteur (180) demesure de la concentration 02 en oxygène des gaz en amont du condenseur (100). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la fonction polynomiale de régulation est de type CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-X.Te+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02,) dans laquelle X, Y, Z, W, af, bf, a', et b', sont des coefficients qui dépendent de l'installation, par exemple du type de combustible utilisé. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la fonction polynomiale de régulation est de type CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-X.Te+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02s) dans laquelle X, Y, Z, W, af, bf, a', et b', sont des coefficients qui dépendent de l'installation, par exemple du type de combustible utilisé, avec comme condition (si la mesure Tf est mesurée) que si Tf 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que la fonction polynomiale de régulation est de type CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-1,064.Te+ (-0,0000146.Tf2+0 .01.Tf- 1,95)-D02(02s)- 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que lorsque la mesure Tf n'est pas utilisée on fixe dans le calcul de CTm la valeur de Tf, en prenant comme valeur la température moyenne des gaz en entrée échangeur. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que lorsque la correction de température extérieur Te n'est pas prise en compte dans le calcul de CTm on fixe la valeur de Te à 0, la fonction polynomiale est alors : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'.Tf+b')+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02s) Et préférentiellement : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')+(-0,0000146.Tf2+0.01.Tf-1,95).D02(02s)- 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que lorsque la correction à partir de la mesure de la concentrationen oxygène n'est pas prise en compte D02(02,)=0, la fonction polynomiale est alors : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'.Tf+b')-X.Te Et préférentiellement : CTm=(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-1,064.Te 12. Procédé de régulation énergétique de gaz chauds chargés en eau rejetés en sortie d'une chaudière ou d'un processus industriel, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de récupération de calories au niveau d'un condenseur (100) disposé en sortie des gaz chauds, une dérivation de gaz chaud issus de la chaudière ou du processus industriel (10) à l'aide d'un circuit de dérivation (110) placé en parallèle du condenseur (100), une régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation (110), une mesure de la température Tr des gaz en sortie du condenseur (100) et en amont du mélange entre la sortie du condenseur (100) et la sortie du circuit de dérivation (110) à l'aide d'un premier capteur (130), une mesure de la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur (100) et le circuit de dérivation (110) à l'aide d'un deuxième capteur (140) et une étape de pilotage de la régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation (110) sur la base d'une valeur de consigne (CTm) de la température Tm après mélange, définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur (100), à l'aide d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 11. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les gaz chauds provenant de la chaudière ou du processus industriel (10) sont refroidis partiellement dans l'échangeur condenseur (100), ce qui permet de refroidir les gaz en dessous de leur température de rosée afin de récupérer une partie de l'énergie contenue dans l'eau sous forme latente, le circuit de dérivation (110) dévie une partie des gaz chaud afin de les mélanger dans le mélangeur (124) avec les gaz issus du condenseur (100), et ainsi remonter la température des gaz en sortie du mélangeur (124) au-dessus de la température de rosée du mélange.