Brevet FR3011627A1 — publié le 20150410

Echangeur thermique et système de récupération de la chaleur comprenant un tel échangeur La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques, notamment un échangeur thermique utilisable dans un système de récupération de chaleur, en particulier un système de récupération de chaleur des eaux usées. Les eaux usées, telles que les eaux grises des bâtiments de bureaux ou d'habitation, contiennent de la chaleur qui peut avantageusement être récupérée et valorisée, par exemple pour le chauffage du bâtiment lui-même. La récupération de la chaleur des eaux usées permet ainsi de limiter la consommation énergétique du bâtiment. Les performances d'un système de récupération de la chaleur des eaux usées dépendent en partie de l'efficacité d'un échangeur thermique de récupération de la chaleur des eaux usées. Un des buts de l'invention est de proposer un échangeur thermique efficace, en particulier pour récupérer la chaleur des eaux usées. A cet effet, l'invention propose un échangeur thermique pour un échange de chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide, l'échangeur thermique comprenant une première conduite tubulaire pour la circulation du premier fluide, dans lequel la première conduite comprend un tronçon d'échange pour un échange de chaleur avec le deuxième fluide, le tronçon d'échange ayant une section transversale non circulaire. En option, l'échangeur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le tronçon d'échange est de section transversale oblongue, de préférence allongée verticalement. - la première conduite possède successivement un tronçon d'entrée, le tronçon d'échange et un tronçon de sortie ; - le tronçon d'échange a une section transversale différente de celle du tronçon d'entrée et/ou de celle du tronçon de sortie ; - le tronçon d'entrée possède une section transversale circulaire et/ou le tronçon de sortie possède une section transversale circulaire ; - l'aire en section transversale de la première conduite est constante du tronçon d'entrée au tronçon de sortie ; - le tronçon d'échange possède un plan tangent extérieurement qui est aussi tangent au tronçon d'entrée et/ou au tronçon de sortie ; - il comprend une deuxième conduite pour la circulation du deuxième fluide ; - la deuxième conduite est un serpentin hélicoïdal s'étendant en hélice autour du tronçon d'échange ; - il comprend une cuve contenant un matériau caloporteur, au moins le tronçon intermédiaire de la première conduite et la deuxième conduite traversant la cuve ; L'invention concerne également une système de récupération de chaleur, en particulier de récupération de chaleur des eaux usées, comprenant un échangeur thermique tel que défini ci-dessus. Dans un mode de réalisation, le système de récupération de chaleur comprend une pompe à chaleur possédant un évaporateur relié fluidiquement à l'échangeur thermique pour la circulation du deuxième fluide dans l'échangeur thermique et l'évaporateur, et un condenseur relié fluidiquement à un circuit receveur pour la circulation d'un fluide receveur. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique en coupe d'un échangeur thermique ; - la Figure 2 est une vue en coupe selon II-II sur la Figure 1 de l'échangeur thermique ; et - la Figure 3 est une vue en coupe selon sur la Figure 1 de l'échangeur thermique ; - la Figure 4 est une vue en perspective d'une première conduite de l'échangeur thermique pour la circulation d'un premier fluide ; - la Figure 5 est une vue en coupe transversale de la première conduite ; et - la Figure 6 est une vue schématique d'un système de récupération de chaleur des eaux usées incorporant l'échangeur thermique. L'échangeur thermique 2 des Figures 1 à 3 est configuré pour un échange thermique entre un premier fluide F1 et un deuxième fluide F2. L'échangeur thermique 2 comprend une première conduite 4 tubulaire pour la circulation du premier fluide F1, et une deuxième conduite 6, qui est ici un serpentin hélicoïdal, pour la circulation du deuxième fluide F2. L'échangeur thermique 2 est configuré pour un échange thermique entre le premier fluide F1 circulant dans la première conduite 4 et le deuxième fluide F2 circulant dans la deuxième conduite 6. Dans un mode de réalisation, le premier fluide F1 est un liquide, notamment de l'eau, en particulier des eaux usées. Le deuxième fluide F2 est un fluide caloporteur, notamment un liquide caloporteur, par exemple de l'eau. L'échangeur thermique 2 comprend une cuve 8 de réception d'un matériau caloporteur F3. Le matériau caloporteur F3 est un matériau propre à transférer et/ou à stocker de l'énergie thermique. Dans un mode de réalisation, le matériau caloporteur F3 est un fluide caloporteur, en particulier un liquide caloporteur, par exemple de l'eau. En variante, le matériau caloporteur est un matériau à changement de phase froid/chaud/froid, propre à stocker de la chaleur en se liquéfiant, respectivement en se vaporisant (transition froid/chaud) et à restituer la chaleur en se solidifiant, respectivement en se solidifiant (transition chaud/froid). Le matériau caloporteur F3 est statique dans la cuve 8. La première conduite 4 traverse la cuve 8 en étant en contact thermique avec le matériau thermique F3. Plus particulièrement, la première conduite 4 traverse la cuve 8 en étant plongée dans le matériau caloporteur F3. La deuxième conduite 6 traverse la cuve 8 en étant en contact thermique avec le matériau thermique F3. Plus particulièrement, la deuxième conduite 6 traverse la cuve 8 en étant plongé dans le matériau caloporteur F3. Ainsi, le premier fluide F1 circulant dans la première conduite 4 échange de l'énergie thermique avec le deuxième fluide F2 circulant dans la deuxième conduite 6 à l'intérieur de la cuve 8, par l'intermédiaire du matériau caloporteur F3. Le premier Comme illustré sur les Figures 1 à 5, la première conduite 4 s'étend suivant une direction longitudinale L. En fonctionnement, la direction longitudinale L est sensiblement horizontale. Elle présente en pratique une légère inclinaison par rapport à l'horizontale pour permettre l'écoulement gravitaire du premier fluide F1. La première conduite 4 comprend successivement un tronçon d'entrée 10, un tronçon 12 d'échange 12 thermique et un tronçon de sortie 14. Le tronçon d'échange 12 est prévu pour un échange de chaleur entre le premier fluide F1 présent dans le tronçon d'échange 12 et le deuxième fluide F2, aux travers de la paroi du tronçon d'échange 12. Le tronçon d'échange 12 possède une section transversale, prise dans un plan vertical perpendiculaire à la direction longitudinale L, qui est non circulaire. Plus précisément, le tronçon d'échange 12 possède une section transversale oblongue allongée suivant une première direction transversale Il, perpendiculaire à la direction longitudinale. En fonctionnement, la première direction transversale Il est sensiblement verticale. Ainsi, la section transversale du tronçon d'échange 12 est allongée verticalement. La section transversale possède une hauteur h, prise suivant la première direction transversale T1, supérieure à sa largeur I, prise suivant une deuxième direction transversale 12 perpendiculaire à la direction longitudinale L et à la première direction transversale 11 (Figure 5). La paroi du tronçon d'échange 12 possède deux faces parallèles 16 s'étendant suivant la première direction transversale Il. Les faces parallèles 16 sont sensiblement verticales. Les faces parallèles 16 sont ici en outre planes, Les faces parallèles 16 sont reliées par deux faces de liaison prévues ici sous la forme d'arrondis 18 en arc de cercle (Figure 2 et 4). Le tronçon d'échange 12 possède une section transversale constante. Le tronçon d'échange 12 est en outre rectiligne. Il s'étend suivant la direction longitudinale L. Le tronçon d'échange 12 possède une section transversale différente de celle du tronçon d'entrée 10 et de celle du tronçon de sortie 14. L'aire de la section transversale du tronçon d'échange 12 est égale à celle de la section transversale du tronçon d'entrée 10 et/ou de celle de la section transversale du tronçon de sortie 14. Le tronçon d'échange 12 est relié à chacun du tronçon d'entrée 10 et du tronçon de sortie 14 par un tronçon de transition 20 tubulaire. Chaque tronçon de transition 20 possède une section transversale variant progressivement et continûment entre la section transversale du tronçon d'échange 12 et la section transversale du tronçon d'entrée 10 ou du tronçon de sortie 14. Chaque tronçon de transition 20 possède ainsi une section transversale variable. Chaque tronçon de transition 20 possède sur toute sa longueur une aire de section transversale constante. Ainsi, la première conduite 4 présente entre son tronçon d'entrée 10 et son tronçon de sortie 14 une section transversale variable, l'air de la section transversale de la première conduite 4 restant constante entre le tronçon d'entrée 10 et le tronçon de sortie 14. Le tronçon d'entrée 10 et le tronçon de sortie 14 sont chacun de section transversale constante. Le tronçon d'entrée 10 et le tronçon de sortie 14 sont chacun rectiligne. Ainsi, le tronçon d'entrée 10 et le tronçon de sortie 14 sont chacun cylindriques. Le tronçon d'entrée 10 et le tronçon de sortie 14 sont coaxiaux suivant un axe d'extrémité B-B. La première conduite 4 possède un plan tangent commun P (Figure 2 et 5) qui est tangent au tronçon d'entrée 10, au tronçon d'échange 12 et au tronçon de sortie 14. Le plan tangent commun P est aussi tangent aux tronçons de transition 20. En fonctionnement, le plan tangent commun P est un plan horizontal inférieur, horizontal et situé sous la première conduite 4. En vue axiale (Figure 5) la section transversale du tronçon d'échange 12 et celles du tronçon d'entrée 10 et du tronçon de sortie 14 sont tangentes entre elles au niveau du plan tangent commun P. La première conduite 4 possède une ligne de plus bas niveau 22 rectiligne. La ligne de plus bas niveau 22 est formée par une droite génératrice commune au tronçon d'entrée 10, au tronçon d'échange 12 et au tronçon de sortie 14. La ligne de plus bas niveau 22 s'étend aussi de manière rectiligne le long des tronçons de transition 20. En option, comme illustré sur la Figure 2, la première conduite 4 possède, sur la surface externe de son tronçon d'échange 12, des ailettes 24 de transfert thermique pour augmenter les échanges thermique avec l'extérieur de la première conduite 4. Les ailettes de transfert thermique comprennent des ailettes radiales s'étendent dans un plan radial, des ailettes axiales s'étend le long du tronçon d'échange 12 et/ou au moins une ailette hélicoïdale, s'étendant en hélice autour du tronçon d'échange 12. Les ailettes 24 représentées sur la Figure 2 sont des ailettes radiales. La deuxième conduite 6 est un serpentin hélicoïdal s'étendant en hélice autour du tronçon d'échange 12, à l'intérieur de la cuve 8. La deuxième conduite 6 possède une extrémité amont 28 et une extrémité aval 30 sortant de la cuve 8 pour le raccordement de la deuxième conduite 6 dans un circuit fluidique. La deuxième conduite 6 s'étend suivant une hélice coaxiale au tronçon d'échange 12. La deuxième conduite 6 possède ici des spires jointives. En variante, les spires de la deuxième conduite sont non jointives. La deuxième conduite 6 possède ici des spires circulaires (Figure 2). En variante, les spires sont non circulaires. Comme visible sur la Figure 2, la deuxième conduite 6 est tangente au tronçon d'échange 12 sur une partie de la circonférence du tronçon d'échange 12, et espacée du tronçon d'échange 12 sur une autre partie de la circonférence du tronçon d'échange 12. Plus spécifiquement, la deuxième conduite 6 est tangente au tronçon d'échange 12 dans les zones diamétralement opposées de la section transversale du tronçon d'échange 12 suivant la première direction transversale 11 de plus grande dimension de la section transversale, et espacées dans les zones diamétralement opposées de la section transversale du tronçon d'échange 12 suivant la deuxième direction transversale 12 de plus petite dimension de la section transversale. La deuxième conduite 6 est ici tangente aux arrondis 18, et est espacée des faces parallèles 16. La cuve 8 possède une virole 32 cylindrique circulaire coaxiale au tronçon intermédiaire 12 et fermée à ses extrémités par deux flasques 34 radiaux. La première conduite 4 traverse les flasques 34. La cuve 8 possède un orifice de remplissage 36 pour remplir la cuve 8 avec le matériau caloporteur F3. De préférence, la cuve 8 est munie d'une paroi interne 38 en acier inoxydable et d'une couche d'isolation thermique 40 enveloppant la paroi interne 38. La couche d'isolation thermique 40 possède par exemple une épaisseur supérieure à 40 mm et un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,041 W/m2°C. Avantageusement, la cuve 8 possède une paroi externe 42 entourant la couche d'isolation thermique 40. La paroi externe 42 est par exemple réalisée en acier, de préférence en acier inoxydable. Le tronçon d'échange 12 de section non circulaire, et en particulier de section oblongue, favorise des échanges thermiques rapides entre le premier fluide F1 et l'extérieur du tronçon intermédiaire, ici le matériau thermique F3 dans lequel baigne le tronçon d'échange 12, tout en assurant un bon écoulement du premier fluide F1, en particulier lorsque le premier fluide F1 s'écoule de manière gravitaire. Le tronçon d'entrée 10 et le tronçon de sortie 14 de section transversale circulaire permettent le raccordement de l'échangeur thermique 2 dans un circuit fluidique, en particulier un circuit d'évacuation des eaux usées d'un bâtiment. L'aire en section transversale constante de la première conduite 4, du tronçon d'entrée 10 jusqu'au tronçon de sortie 14, assure un bon écoulement du premier fluide. La ligne de plus bas niveau 22 rectiligne assure également un bon écoulement, en particulier lorsque l'écoulement du premier fluide est gravitaire. Les ailettes 24 permettent d'augmenter les échanges thermiques aux travers de la paroi du tronçon d'échange 12. Le matériau caloporteur F3 entourant la première conduite 4 et la deuxième conduite 6 assure un contact thermique efficace avec chacune de la première conduite 4 et la deuxième conduite 6, et ainsi un bon échange thermique entre la première conduite 4 et la deuxième conduite 6. Le matériau caloporteur F3 forme également un volume de stockage thermique permettant de lisser les échanges thermiques entre le premier fluide F1 et le deuxième fluide F2, en particulier lorsque le premier fluide F1 est formé par des eaux usées, dont le débit et la température sont irréguliers. Le système de récupération de chaleur 50 représenté sur la Figure 4 comprend une pompe à chaleur 52 associée à l'échangeur thermique 2 utilisé comme source de chaleur. La pompe à chaleur 52 possédant un circuit de pompe à chaleur 54 en boucle fermée, pour la circulation d'un fluide frigorigène. Le circuit de pompe à chaleur 54 possède successivement un évaporateur 56, un compresseur 58, un condenseur 60 et un réducteur de pression 62. L'échangeur thermique 2 est inséré fluidiquement dans un circuit d'évacuation des eaux usées. L'échangeur thermique 2 est relié fluidiquement à l'évaporateur 56 pour une circulation en boucle fermée du deuxième fluide F2 dans l'échangeur thermique 2 et l'évaporateur 56. Le deuxième fluide F2 est ici un fluide caloporteur. Le condenseur 60 est relié fluidiquement à un circuit fluidique receveur 64 pour le passage d'un fluide receveur circulant dans le circuit fluidique receveur 64 au travers du condenseur 60. En fonctionnement, le fluide frigorigène circule en boucle fermée dans le circuit de pompe à chaleur, en passant successivement dans l'évaporateur 56, où il est gazeux et où il prend de la chaleur au deuxième fluide F2, dans le compresseur 58 où il est compressé ce qui augmente sa pression et sa température, dans le condenseur 60 où il se condense en cédant de la chaleur au fluide receveur de manière à augmenter la température du fluide receveur, puis dans le réducteur de pression, dans lequel sa pression et sa température diminuent. Le deuxième fluide F2 circule en boucle fermée dans l'évaporateur 56 dans lequel il cède de la chaleur au fluide frigorigène de la pompe à chaleur 52 et dans l'échangeur thermique 2 dans lequel il récupère de la chaleur du premier fluide F-1 constitué ici d'eaux usées. Le fluide receveur circule dans le condenseur 60 en prenant de la chaleur au fluide frigorigène de la pompe à chaleur 52. Le système de récupération de chaleur 50 permet donc de récupérer de la chaleur du premier fluide F-1, formé ici d'eaux usées qui sont évacuées et dont la chaleur serait perdue, pour la céder à un fluide receveur. Le circuit receveur 64 est par exemple un circuit de chauffage pour le chauffage d'un ou plusieurs bâtiments, ou un circuit d'eau sanitaire, ou autres applications. Bien entendu, il est possible d'utiliser l'échangeur thermique sans pompe à chaleur intermédiaire. Dans un tel cas, le deuxième fluide F2 est directement un fluide receveur, par exemple un fluide receveur 64 d'un circuit de chauffage ou d'un circuit d'eau sanitaire. 25 REVENDICATIONS1.- Echangeur thermique pour un échange de chaleur entre un premier fluide (F1) et un deuxième fluide (F2), l'échangeur thermique comprenant une première conduite (4) tubulaire pour la circulation du premier fluide, dans lequel la première conduite (4) comprend un tronçon d'échange (12) pour un échange de chaleur avec le deuxième fluide (F2), le tronçon d'échange (12) ayant une section transversale non circulaire. 2.- Echangeur thermique selon la revendication 1, dans lequel le tronçon d'échange est de section transversale oblongue, de préférence allongée verticalement. 3.- Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première conduite possède successivement un tronçon d'entrée (10), le tronçon d'échange (12) et un tronçon de sortie (14). 4. Echangeur thermique selon la revendication 3, dans lequel le tronçon d'échange a une section transversale différente de celle du tronçon d'entrée et/ou de celle du tronçon de sortie. 5.- Echangeur thermique selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans lequel le tronçon d'entrée possède une section transversale circulaire et/ou le tronçon de sortie possède une section transversale circulaire. 6.- Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel l'aire en section transversale de la première conduite (4) est constante du tronçon d'entrée (10) au tronçon de sortie (14). 7.- Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le tronçon d'échange (12) possède un plan tangent extérieurement qui est aussi tangent au tronçon d'entrée (10) et/ou au tronçon de sortie (14). 8.- Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une deuxième conduite (6) pour la circulation du deuxième fluide (F2). 9.- Echangeur thermique selon la revendication 8, dans lequel la deuxième conduite (6) est un serpentin hélicoïdal s'étendant en hélice autour du tronçon d'échange (12). 10.- Echangeur thermique selon la revendication 8 ou 9, comprenant une cuve (8) contenant un matériau caloporteur (F3), au moins le tronçon intermédiaire (12) de la première conduite (4) et la deuxième conduite (6) traversant la cuve (8). 11.- Système de récupération de chaleur, en particulier de récupération de chaleur des eaux usées, comprenant un échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Système de récupération de chaleur selon la revendication 11, comprenant une pompe à chaleur (52) possédant un évaporateur (56) relié fluidiquement à l'échangeur thermique (2) pour la circulation du deuxième fluide (F2) dans l'échangeur thermique (2) et le l'évaporateur (56), et un condenseur (60) relié fluidiquement à un circuit receveur pour la circulation d'un fluide receveur.