Brevet FR3052540A1 — publié le 20171215

Système de récupération de chaleur des eaux usées amélioré La présente invention concerne le domaine des systèmes de récupération de chaleur des eaux usées. Un système de récupération de chaleur des eaux usées permet de récupérer des calories dans les eaux usées générées dans un bâtiment avant de rejeter ces eaux usées dans les réseaux d'évacuation public. Les calories récupérées sont par exemple réutilisées dans une installation technique du même bâtiment. Ceci permet d'améliorer la performance énergétique globale du bâtiment. Le bâtiment est par exemple un bâtiment à usage d'habitation, de bureau, de commerce, d'industrie ou autre. W02010136681A2 divulgue un système de récupération de chaleur des eaux usées, comprenant une cuve de rétention des eaux usées, des échangeurs de chaleurs plongés dans les eaux usées à l'intérieur la cuve et prévu pour la circulation d'un fluide caloporteur. Un des buts de l'invention est de proposer un système de récupération de chaleur des eaux usées dont l'efficacité soit améliorée. A cet effet, l'invention propose un système de récupération de chaleur des eaux usées, comprenant une cuve de rétention pour retenir les eaux usées, la cuve de rétention possédant une paroi périphérique ayant une surface externe, et au moins un conduit d'échange de chaleur pour la circulation d'un fluide caloporteur, le conduit d'échange de chaleur s'étendant sur la surface externe de la paroi périphérique pour un échange de chaleur entre les eaux usées et le fluide caloporteur à travers la paroi périphérique. Le système de récupération de chaleur des eaux usées comprend en option une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le conduit d'échange de chaleur fait un ou plusieurs tours autour de la cuve de rétention ; - le conduit d'échange de chaleur s'étend en hélice autour de la cuve de rétention. - le conduit d'échange de chaleur possède une section transversale circulaire, elliptique, rectangulaire ou carré ; - le conduit d'échange de chaleur est formé par un tuyau ayant une section transversale possédant un côté rectiligne par lequel le tuyau est en contact avec la paroi périphérique de la cuve de rétention ; - le conduit d'échange de chaleur est en partie délimité par la paroi périphérique de la cuve de rétention ; 3052540 2 - la paroi périphérique est circulaire et/ou cylindrique ; - la cuve de rétention possède une entrée pour les eaux usées située à proximité du haut de la cuve de rétention, et une sortie pour les eaux usées située à proximité du bas de la cuve de rétention ; 5 - il comprend un dispositif de nettoyage comprenant au moins une buse d'aspersion pour asperger un fluide nettoyant dans la cuve de rétention ; - il comprend une pompe à chaleur configurée pour prélever de la chaleur au fluide caloporteur. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description 10 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 d'ensemble d'un système de récupération de chaleur des eaux usées ; - la Figure 2 est une vue en perspective d'une cuve de rétention des eaux usées 15 du système de récupération de chaleur de la Figure 1; - la Figure 3 est une vue en coupe partielle de la cuve de rétention et d'un conduit d'échange de chaleur s'étendant sur la surface externe d'une paroi périphérique de la cuve ; et - la Figure 4 est une vue analogue à celle de la Figure 3 et illustrant une variante. 20 Le système de récupération de chaleur 2 des eaux usées de la Figure 1 comprend une cuve de rétention 4 pour retenir temporairement des eaux usées et un échangeur de chaleur 6 pour un échange de chaleur entre les eaux usées retenues dans la cuve de rétention 4 et un fluide caloporteur. La cuve de rétention 4 est configurée pour retenir temporairement les eaux usées 25 pendant une durée permettant de prélever de la chaleur des eaux usées, avant l'évacuation des eaux usées. La cuve de rétention 4 possède une paroi périphérique 8 délimitant un volume de rétention des eaux usées. La paroi périphérique 8 présente une surface interne 8A et une surface externe 8B. La cuve de rétention 4 comprend un fond 10 et un couvercle 12. 30 La cuve de rétention 4 présente une entrée 4A et une sortie 4B pour les eaux usées. L'entrée 4A est raccordée à une conduite d'alimentation 14 pour l'alimentation en eaux usées et la sortie 4B est raccordée à une conduite d'évacuation 16 pour l'évacuation des eaux usées. La conduite d'alimentation 14 et la conduite d'évacuation 16 sont configurées pour 35 un écoulement gravitaire des eaux usées de la conduite d'alimentation 14 vers la conduite d'évacuation 16. 3052540 3 L'entrée 4A de la cuve de rétention 4 se situe dans le haut de cuve de rétention 4 et la sortie 4B de la cuve de rétention 4 se situe dans le bas de la cuve de rétention 4. L'entrée 4A de la cuve de rétention 4 se situe à un niveau supérieur à celui de la sortie 4B de la cuve de rétention 4. 5 Le système de récupération de chaleur 2 comprend un conduit ou siphon 18 raccordé à la sortie 4B de la cuve de rétention 4. Le siphon 18 s'étend entre la sortie 4B de la cuve de rétention 4 et la conduite d'évacuation 16. Le siphon 18 a une extrémité inférieure 18A raccordée à la sortie 4B de la cuve de rétention 4 et une extrémité supérieure 18B raccordée à la conduite d'évacuation 16. 10 L'échangeur de chaleur 6 comprend un conduit d'échange de chaleur 20 pour la circulation du fluide caloporteur. Le conduit d'échange de chaleur 20 s'étend sur la surface externe 8B de la paroi périphérique 8, pour un échange de chaleur entre les eaux usées et le fluide caloporteur à travers la paroi périphérique 8 de la cuve de rétention 4. Le conduit d'échange de chaleur 20 est disposé à l'extérieur de la cuve de 15 rétention 4. Le conduit d'échange de chaleur 20 s'étend sur la surface externe 8B de la paroi périphérique 8. Le conduit d'échange de chaleur 20 possède une entrée 20A située à proximité du bas de la cuve de rétention 4 et une sortie 20B située à proximité du haut de la cuve de rétention 4. 20 Comme illustré sur la Figure 1, de préférence, le conduit d'échange de chaleur 20 est agencé pour que le fluide caloporteur circule le long de la paroi périphérique 8 du bas vers le haut de la cuve de rétention 4. Ainsi, le fluide caloporteur circule à « contre-courant » des eaux usées qui circulent à l'intérieur de la cuve de rétention 4 du haut vers le bas. 25 Le conduit d'échange de chaleur 20 réalise avantageusement un tour ou plusieurs tours autour de la cuve de rétention 4. Sur la Figure 1, le conduit d'échange de chaleur 20 réalise plusieurs tours autour de la cuve de rétention 4. Chaque tour (ou spire) du conduit d'échange de chaleur 20 s'étend sur la paroi périphérique 8 de la cuve de rétention 8. Le conduit d'échange de 30 chaleur 20 s'étend ici en hélice autour de la cuve de rétention 4. La surface interne 8A de la paroi périphérique 8 est de préférence lisse. Ceci permet de maintenir la propreté de la cuve de rétention 4. Comme illustré sur la Figure 2, la paroi périphérique 8 est circulaire. Ceci facilite l'enroulement du conduit d'échange de chaleur 20 autour de la paroi périphérique. Cela 35 permet également d'obtenir une surface d'échange étendue rapportée au volume interne de la cuve de rétention 4. 3052540 4 De préférence, la paroi périphérique 8 est cylindrique. Dans un mode de réalisation, comme illustré sur la Figure 3, le conduit d'échange de chaleur 20 est formé par un tuyau 22 de section transversale fermée disposé sur la surface externe 8A de la paroi périphérique 8. L'échange de chaleur entre les eaux usées 5 et le fluide caloporteur s'effectue à travers la paroi périphérique 8 de la cuve de rétention 4 et la paroi du tuyau 22. Sur la Figure 3, deux tours du même tuyau 22 enroulé en hélice autour de la cuve de rétention 4 sont visibles. Tel qu'illustré sur la Figure 3, la section transversale du tuyau 22 présente 10 avantageusement un côté rectiligne 24 par laquelle le tuyau 22 est en contact avec la surface externe 8A de la paroi périphérique 8. Le côté rectiligne 24 est plaqué contre la surface externe 8A. Ceci permet d'améliorer les échanges thermiques. Le tuyau 22 présente par exemple une section transversale rectangulaire à ayant deux grands côtés et deux petits côtés. Le côté rectiligne 24 en contact avec la paroi 15 périphérique 8 est un grand côté. Dans une variante, le tuyau 22 présente une section transversale oblongue avec deux côtés rectilignes parallèles reliés par deux côtés arrondis, une des deux côté rectiligne étant en contact avec la paroi périphérique 8. De manière générale, le tuyau 22 peut présenter une section transversale 20 polygonale (rectangle, carré, hexagone...), oblongue, circulaire ou elliptique. Dans la variante de la Figure 4, le conduit d'échange de chaleur 20 est délimité en partie par la paroi périphérique 8. Le conduit d'échange de chaleur 20 est délimité entre la paroi périphérique et un profilé 26 de section transversale ouverte disposé sur la surface externe 8B de la paroi 25 périphérique 8 de manière que la paroi périphérique 8 referme le profilé 26. Le profilé 26 présente par exemple une section transversale en U ayant une âme et deux ailes latérales, le profilé 26 étant fixé par ses ailes latérales sur la paroi périphérique 8. Tel qu'illustré sur la Figure 4, le profilé présente ici une section en U avec deux 30 rebords 28 par lesquels le profilé 26 est fixé sur la paroi périphérique 8. En revenant à la Figure 1, le système de récupération de chaleur 2 comprend une pompe à chaleur 30 configurée pour prélever de la chaleur du fluide caloporteur sortant de l'échangeur de chaleur 6. La pompe à chaleur 30 permet de transférer du fluide caloporteur sortant de 35 l'échangeur de chaleur 6 vers une application nécessitant un apport de chaleur, telle 3052540 5 qu'un système de chauffage d'une habitation, un système de chauffage d'une piscine, un système de chauffage d'eau sanitaire... La pompe à chaleur 30 comprend un évaporateur 32 un compresseur 34, un condenseur 36 et un détendeur 38 reliés par un circuit de pompe à chaleur 40 pour la 5 circulation d'un fluide frigorigène. Le circuit de pompe à chaleur 40 comprend une boucle 42 fermée de circulation du fluide frigorigène, passant successivement dans l'évaporateur 32, le compresseur 34, le condenseur 36 et le détendeur 38 pour revenir à l'évaporateur 32. Le système de récupération de chaleur 2 comprend un circuit de transfert 44 pour 10 la circulation du fluide caloporteur, reliant l'échangeur de chaleur 6 et l'évaporateur 32. Le circuit de transfert 44 comprend une boucle 46 fermée de circulation du fluide caloporteur passant par l'échangeur de chaleur 6 et l'évaporateur 36. L'évaporateur 36 est configuré pour un échange de chaleur entre le fluide caloporteur du circuit de transfert 44 et le fluide frigorigène du circuit de pompe à chaleur 34. L'évaporateur 36 couple 15 thermiquement le circuit de transfert 44 et le circuit de pompe à chaleur 34. Le circuit de transfert 44 comprend une pompe de circulation 48 disposés sur la boucle 46 pour forcer la circulation du fluide caloporteur 44 dans le circuit de transfert. La pompe de circulation 48 est disposée ici entre la sortie de l'échangeur de chaleur 6 et l'entrée de l'évaporateur 36. 20 En option, le circuit de fluide caloporteur 44 comprend un vase d'expansion 50. Le vase d'expansion 50 est ici disposé entre la sortie de l'échangeur de chaleur 6 et la pompe de circulation 46. En option, le circuit de fluide caloporteur 44 comprend un dispositif de by-pass 52 agencé pour by-passer l'échangeur de chaleur 6. 25 Le dispositif de by-pass 52 comprend une vanne de by-pass 54 configurée pour commander sélectivement l'écoulement du fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur 6 ou le by-pass de l'échangeur de chaleur 6. Le dispositif de by-pass 52 comprend un capteur de température 55 configuré pour capter la température du fluide caloporteur à l'entrée de l'évaporateur 36. 30 La vanne de by-pass 54 est pilotée en fonction du signal de sortie du capteur de température 55. Si la température du fluide caloporteur est suffisante, le dispositif de bypass 52 est fermé et le fluide caloporteur circule dans l'échangeur 6 pour récupérer de la chaleur et la transférer au fluide frigorigène. Si la température du fluide caloporteur est insuffisante, le dispositif de by-pass 52 est ouvert pour éviter une perte de chaleur du 35 fluide caloporteur dans l'échangeur 6. 3052540 6 Dans l'exemple illustré, la pompe à chaleur 30 est configurée pour transférer la chaleur à un fluide caloporteur circulant dans un circuit receveur 56 d'une application receveuse. Le circuit receveur 56 passe par le condenseur 36 qui permet le transfert de 5 chaleur entre le fluide frigorigène de la pompe à chaleur 30 et le fluide caloporteur du circuit receveur 56. En option, le système de récupération de chaleur 2 comprend un broyeur 58 disposé en amont de l'entrée 4A de la cuve de rétention 4. Le broyeur 58 permet de broyer des éléments solides qui seraient présent dans les eaux usées amenées par la 10 conduite d'alimentation 14. En option, le système de récupération de chaleur 2 comprend une conduite de by- pass 60 reliant la conduite d'alimentation 14 à la conduite d'évacuation 16 en by-passant la cuve de rétention 4. Le système de récupération de chaleur 2 comprend une vanne de by-pass 62 15 permettant commander sélectivement l'écoulement des eaux usées vers la cuve de rétention 4 ou vers la conduite de by-pass 60. En option, le système de récupération de chaleur 2 comprend un dispositif de nettoyage 64 pour nettoyer l'intérieur de la cuve de rétention 4. Le dispositif de nettoyage 64 comprend une ou plusieurs buses d'aspersion 66 20 disposée(s) à l'intérieur de la cuve de rétention 4 et en haut de la cuve de rétention 4. Chaque buse d'aspersion 66 est alimentée par un circuit d'alimentation 68 en fluide nettoyant. Chaque buse d'aspersion 66 est de préférence disposée à un niveau supérieur à celui de la surface libre des eaux usées dans la cuve de rétention 4. Le dispositif de nettoyage 64 comprend ici plusieurs buses d'aspersion 66 alimentée par une rampe 25 d'alimentation du circuit d'alimentation 68. Avantageusement, le fond 10 de la cuve de rétention 4 présente des parois inclinées convergeant vers un orifice de vidange 70 pour vidanger la cuve. Le système de récupération de chaleur 2 comprend une conduite de vidange 72 raccordée à l'orifice de vidage 70, et une vanne de vidange 74. 30 Avantageusement, la cuve de rétention 4 est calorifugée pour limiter les pertes thermiques. Elle est ici enveloppée par une enveloppe 76 isolante thermiquement. Le conduit d'échange de chaleur 20 est situé à l'intérieur de l'enveloppe 76. Le système de récupération de chaleur 2 est logé dans un coffre 78 contenant au moins la cuve de rétention 4 et la pompe à chaleur 32. Le coffre 78 est réalisé de 35 préférence en tôle laquée ou en tôle inoxydable. 3052540 7 En fonctionnement, les eaux usées amenées par le conduit d'alimentation 14 sont broyées dans le broyeur 58 puis introduites dans la cuve de rétention 4 par l'entrée 4A. Les eaux usées circulent dans la cuve de rétention 4 vers le bas en se refroidissant progressivement, puis sortent par la sortie 4B et rejoignent le conduit d'évacuation 16 par 5 l'intermédiaire du siphon 18. Le fluide caloporteur circule dans le conduit d'échange de chaleur 20 de 1"échangeur de chaleur 6 en échangeant de la chaleur avec les eaux usées au travers de la paroi périphérique 8 de la cuve de rétention 4. Le fluide caloporteur se réchauffe dans l'échangeur de chaleur 6. 10 Le fluide caloporteur circule ensuite dans l'évaporateur 32 dans lequel il cède des calories au fluide frigorigène de la pompe à chaleur 30. Le fluide frigorigène de la pompe à chaleur 30 cède les calories au fluide caloporteur du circuit receveur 56, ce qui permet un apport de chaleur au circuit receveur 56. Le système de récupération de chaleur 2 permet ainsi de récupérer de la chaleur 15 des eaux usées chaudes, provenant par exemple de baignoires, de douches, de lave- linge, de lave-vaisselle...pour utiliser cette chaleur par exemple dans une installation de chauffage, d'eau chaude sanitaire... L'échangeur de chaleur 6 comprenant un conduit d'échange de chaleur 20 disposé sur la paroi périphérique 8 de la cuve de rétention 4 permet une récupération efficace de 20 la chaleur des eaux usées. En effet, de la chaleur qui pourrait être perdue à travers la paroi périphérique 8 de la cuve de rétention 4 est ici captée par le fluide caloporteur du conduit d'échange de chaleur. Le conduit d'échange de chaleur 20 disposé sur la surface externe 8B de la paroi périphérique 8 n'est pas encrassé par les eaux usées contenu dans la cuve de rétention, 25 ce qui préserve l'efficacité de l'échangeur de chaleur 6. En outre, il est possible de prévoir une surface interne 8A lisse facilitant le nettoyage de la cuve de rétention 4, et préservant l'efficacité de l'échangeur de chaleur 6. Ce nettoyage peut être réalisé facilement de manière automatique au moyen d'un dispositif d'aspersion, sans intervention manuelle à l'intérieur de la cuve de rétention 4. 30 REVENDICATIONS1.- Système de récupération de chaleur des eaux usées, comprenant une cuve de rétention (4) pour retenir les eaux usées, la cuve de rétention (4) possédant une paroi périphérique (6) ayant une surface externe (8), et au moins un conduit d'échange de chaleur (20) pour la circulation d'un fluide caloporteur, le conduit d'échange de chaleur (20) s'étendant sur la surface externe (8) de la paroi périphérique (6) pour un échange de chaleur entre les eaux usées et le fluide caloporteur à travers la paroi périphérique (6). 2.- Système de récupération de chaleur des eaux usées selon la revendication 1, dans lequel le conduit d'échange de chaleur (20) fait un ou plusieurs tours autour de la cuve de rétention (4). 3.- Système de récupération de chaleur des eaux usées selon la revendication 1, dans lequel le conduit d'échange de chaleur (20) s'étend en hélice autour de la cuve de rétention (4). 4.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit d'échange de chaleur (20) possède une section transversale circulaire, elliptique, rectangulaire ou carré. 5.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit d'échange de chaleur (20) est formé par un tuyau ayant une section transversale possédant un côté rectiligne par lequel le tuyau est en contact avec la paroi périphérique de la cuve de rétention. 6.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le conduit d'échange de chaleur (20) est en partie délimité par la paroi périphérique (6) de la cuve de rétention (4). 7.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi périphérique (6) est circulaire et/ou cylindrique. 8.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cuve de rétention (4) possède une entrée (4A) pour les eaux usées située à proximité du haut de la cuve de rétention (4), et une sortie (4B) pour les eaux usées située à proximité du bas de la cuve de rétention (4). 9.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de nettoyage comprenant au moins une buse d'aspersion (66) pour asperger un fluide nettoyant dans la cuve de rétention. 10.- Système de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pompe à chaleur (40) configurée pour prélever de la chaleur au fluide caloporteur.