Brevet FR3087877A1 — publié le 20200501

Description Titre de l'invention : PROCEDE DE TRANSFERT D'ENERGIE DE CONDENSATION DE LA VAPEUR D'EAU DE FUMEES DE COGENERATION [pool La présente demande concerne le domaine de l'augmentation du rendement de systèmes de cogénération. [0002] Le chauffage résidentiel collectif, notamment dans les immeubles d'habitation, et, éventuellement, la distribution d'eau chaude collective depuis un circuit sanitaire (eau de ville) sont généralement assurés par des chaudières à gaz ou au fuel. De telles chaudières sont généralement éteintes en été, lorsqu'il n'y a pas de demande en chauffage. [0003] L'installation des chaudières peut être complétée par un cogénérateur, c'est-à-dire une installation fonctionnant généralement à l'énergie fossile et fournissant de l'énergie thermique et de l'énergie électrique, dans un rapport généralement 2 pour 1 kW. L'énergie électrique est injectée dans le circuit électrique du bâtiment, l'énergie thermique peut être valorisée pour chauffer l'eau du circuit de chauffage. Un cogénérateur peut néanmoins fonctionner à partir d'autres combustibles ou carburants comme des bio-carburants de type huile végétale, bioéthanol, biodiesel, etc... [0004] Lors du fonctionnement du cogénérateur, une partie de l'énergie thermique n'est cependant pas récupérée, ce qui en réduit le rendement global. Par exemple, l'énergie comprise dans les fumées, sous forme sensible (chaleur intrinsèque) ou latente (vapeur d'eau), est dissipée dans l'atmosphère. [0005] La demanderesse a donc jugée nécessaire de proposer un procédé et un système permettant de récupérer efficacement l'énergie perdue ou, autrement dit, de réduire les pertes fatales. [0006] Solution de l'invention [0007] La présente invention propose, à cet effet, un procédé de transfert d'énergie de condensation de la vapeur d'eau de fumées de cogénération, issues de la combustion de carburant par un cogénérateur, à l'eau de retour d'un circuit de chauffage ou d'un circuit sanitaire, dont la température est supérieure à la température de ladite condensation, au moyen d'une pompe à chaleur comprenant un circuit fermé parcouru par un fluide frigorigène et sur lequel sont disposés un compresseur, un condenseur, un détendeur et. un évaporateur, procédé selon lequel : (A) on comprime le fluide frigorigène dans le compresseur, pour le chauffer ; (B) on transmet de la chaleur du fluide frigorigène comprimé à l'eau de retour du circuit de chauffage ou du circuit sanitaire dans le condenseur ; 2 (C) on détend le fluide frigorigène comprimé pour en baisser la température sous la température de condensation dans le détendeur ; (D) on réchauffe le fluide frigorigène détendu dans l' évaporateur parcouru directement par les fumées et au niveau duquel on refroidit les fumées sous la température de condensation de l'eau pour transmettre au fluide frigorigène la chaleur intrinsèque des fumées et la chaleur libérée par la condensation de l'eau qu'elles contiennent. [0008] On tonnait l'association d'un cogénérateur avec une pompe à chaleur pour récupérer l'énergie thermique des fumées, sous forme sensible (chaleur intrinsèque) ou latente (vapeur d'eau). Cependant, les systèmes connus utilisent des pompes à chaleur comprenant un évaporateur, non pas à fumées, mais à fluide caloporteur, tel que l'eau et/ou le glycol, comme par exemple celui du document FR 2 979 974, illustré sur la figure 4. Ce document décrit un thermocondenseur 5' refroidissant les fumées 34' de cogénération issue d'un cogénérateur 3' et relié à l'évaporateur 25' d'une pompe à chaleur (PAC) 2' au moyen d'un circuit intermédiaire 5',52' dans lequel circule le fluide caloporteur. L'énergie initialement récupérée dans le circuit intermédiaire 5',52' parcourant le thermocondenseur 5' et la PAC 2 est retransmise à l'eau de retour du circuit de chauffage 4'. Le circuit intermédiaire 52', ici pourvu d'une source additionnelle de chaleur à faible potentiel 51', a une fonction de régulation de la température de la source chaude de la PAC, qui, sinon, ne serait pas favorable au fonctionnement de la PAC, notamment lors de son démarrage. [0009] La demanderesse a néanmoins non seulement vaincu cet obstacle en proposant une PAC fonctionnant avec un nouveau type d'évaporateur « à fumées », c'est-à-dire ayant une interface d'échange calorifique direct entre les fumées et le fluide frigorigène de la PAC, mais doc et également considérablement simplifié la combinaison d'un cogénérateur et d'une pompe à chaleur. [0010] Par « directement » ou « direct », il faut donc entendre ici que, contrairement aux systèmes existants, aucun circuit intermédiaire de transfert de chaleur, utilisant un fluide caloporteur, n'est prévu entre le conduit de sortie des fumées et l'évaporateur. [0011] De préférence, il n'y a pas non plus de circuit intermédiaire entre le retour du circuit de chauffage et le condenseur de la pompe à chaleur, comme c'est le cas dans le système de FR 2 979 974 où un échangeur liquide/liquide est en outre prévu entre le condenseur de la PAC et le circuit de retour d'eau chaude sanitaire. On transmet de la chaleur du fluide frigorigène comprimé directement à l'eau de retour du circuit de chauffage dans le condenseur. [0012] L'invention propose également une pompe à chaleur agencée pour transférer de l'énergie de condensation de la vapeur d'eau de fumées, issues de la combustion de carburant, à de l'eau d'un circuit, dont la température est supérieure à la température de 3 ladite condensation, comprenant un circuit fermé parcouru par un fluide frigorigène et sur lequel sont disposés un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, caractérisé par le fait que l'évaporateur comprend une interface de transfert calorifique entre le fluide frigorigène et des fumées de combustion. [0013] L'interface de transfert s'entend comme une interface directe, c'est-à-dire que les fumées et le fluide frigorigène passent respectivement des deux côtés d'une paroi les séparant. Aucun fluide intermédiaire n'est utilisé. [0014] Il existe à l'évidence une relation technique entre la pompe à chaleur et la méthode revendiquée qui est que l'évaporateur comprend une interface entre le fluide frigorigène de la pompe à chaleur et les fumées de cogénération. Les deux inventions respectent donc l'exigence d'unité d'invention. [0015] L'invention propose enfin un ensemble d'une pompe à chaleur et d'un cogénératcur, l'ensemble étant agencé pour transférer de l'énergie de condensation de la vapeur d'eau de fumées, issues de la combustion de carburant dans le cogénératcur, à de l'eau d'un circuit, dont la température est supérieure à la température de ladite condensation, la pompe à chaleur comprenant un circuit fermé parcouru par un fluide frigorigène et sur lequel sont disposés un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, caractérisé par le fait que l'évaporateur comprend une interface de transfert calorifique entre le fluide frigorigène et les fumées de combustion du cogénérateur. [0016] Avantageusement, la pompe à chaleur est alimentée électriquement par le cogé- nérateur. [0017] L'invention permet un agencement particulièrement compact de l'ensemble formé par le cogénérateur et la pompe à chaleur, évitant d'avoir à installer des circuits intermédiaires parcouru par des fluides caloporteurs nécessitant une maintenance supplémentaire. Le procédé permet également d'éviter toute pelle d'énergie engendrée par de tels circuits intermédiaires et permet d'améliorer le rendement de l'ensemble. [0018] Un fluide frigorigène est un fluide qui permet la mise en oeuvre d'un cycle fri- gorifique. Il peut être pur ou être un mélange de fluides purs présents en phase liquide, gazeuse ou les deux à la fois en fonction de la température et de la pression de celui-ci. Les fluides frigorigènes sont couramment utilisés dans les systèmes de production de chaleur par pompes à chaleur et sont bien connus de l'homme du métier. Il ne s'agit donc pas ici d'eau ou de glycol. Par exemple, un fréon, l'ammoniac, le propane ou le butane peuvent être utilisés comme fluide frigorigène. [0019] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs mises en oeuvre de l'invention, en référence au dessin en annexe, sur lequel : [0020] [fig.1] est un schéma de l'ensemble de l'invention ; [0021] [fig.2] est une illustration schématique du procédé de l'invention ; [0022] [fig.3] illustre un bilan énergétique de l'ensemble de l'invention selon la figure 1 et du procédé selon la figure 2 et [0023] [fig.4] illustre l'art antérieur. [0024] En référence à la figure 1, un ensemble 1 comprend une pompe à chaleur 2 et un co- générateur 3. Le cogénérateur 3 produit, via la combustion de carburant, de l'énergie électrique 31, de l'énergie thermique 32 et des fumées 33. Les fumées 33 sont évacuées par un conduit 34 d'évacuation. La source d'énergie électrique 31 est reliée à la pompe à chaleur 2 et à un réseau électrique 35. La source d'énergie thermique est à proximité de l'eau d'un circuit 4 de chauffage alimentant ici un radiateur 41. Le sens de circulation de l'eau dans le circuit 4 est illustré par les flèches dessinées sur le circuit 4. [0025] La pompe à chaleur 2 comprend un circuit 21 de fluide frigorigène. Le sens de cir- culation du fluide frigorigène dans le circuit 21 est illustré par les flèches dessinées sur le circuit 21. [0026] Le long du circuit 21 sont disposés un compresseur 22, un condenseur 23, un détendeur 24 et un évaporateur 25. Le condenseur 23 est parcouru par veau du circuit 4 de chauffage et l'évaporateur 25 est parcouru par le conduit 34 d'évacuation des fumées 33 de combustion du cogénérateur 3. [0027] Les cogénérateurs sont bien connus de l'homme du métier et peuvent être utilisés in- différemment pour la mise en oeuvre de l'invention. Le carburant peut être du gaz naturel, du bio-gaz, du mazout, de l'huile végétale comme de l'huile de colza par exemple, ou du bioéthanol. Le cogénérateur peut même être flexible et fonctionner avec plusieurs types de carburants. [0028] La figure 2 reprend une partie de la figure 1, en en conservant la numérotation, pour illustrer la mise en oeuvre du procédé de l'invention. [0029] Le cogénérateur 3 brule un carburant et génère des fumées qui sont évacuées par le conduit 34 d'évacuation qui traverse l'évaporateur 25 de la pompe à chaleur 2. Les fumées 34 entrent ici dans l'évaporateur à une température de 85 °C. L'eau de retour du circuit 4 de chauffage arrive au niveau du condenseur à 60°C, température est supérieure à la température qui serait nécessaire pour la condensation d'eau des fumées par échange direct entre l'eau du circuit 4 et le conduit 34 d'évacuation des fumées. La pompe à chaleur 2 est donc insérée entre ces deux éléments. Dans une étape A, le fluide frigorigène 21 est comprimé dans le compresseur 22, la pression augmente, la réaction est exothermique et le liquide frigorigène chauffe. Le compresseur 22 peut être alimenté en électricité par le cogénérateur 3. [0030] Le compresseur est ici par exemple un compresseur classique de pompe à chaleur au fréon. [0031] Dans l'étape B, en sortie du compresseur 22, le fluide frigorigène parcourt le condenseur 23. Le condenseur est agencé pour qu'il y ait une grande surface d'échange thermique entre le fluide frigorigène et l'eau de retour du circuit 4. La pression du fluide frigorigène est constante dans le condenseur et ce fluide va subir plusieurs phases. Dans un premier temps, sa température diminue alors que sa chaleur sensible est transférée à l'eau du circuit 4. Dans un deuxième temps, le fluide frigorigène se condense, sa température restant alors constante et son énergie de condensation étant transférée à l'eau du circuit 4. Dans un dernier temps, la température diminue à nouveau, alors que sa chaleur sensible est transférée à l'eau du circuit 4. Durant l'étape B, on transmet donc de la chaleur du fluide frigorigène comprimé à l'eau de retour du circuit de chauffage, qui passe ici de 60 °C à 65 °C, le fluide frigorigène passe à l'état liquide. [0032] Le condenseur est un condenseur classique de pompe à chaleur, qui doit toutefois pouvoir résister à des pressions de l'ordre de plusieurs dizaines de bar, par exemple entre 20 et 30 bars. [0033] Dans l'étape C, le fluide frigorigène est détendu au niveau du détendeur 24. La chute de pression entrainc l'évaporation et l'abaissement de la température du fluide frigorigène sous la température de condensation de l'eau à pression atmosphérique, ou température de rosée. [0034] Dans l'étape D, le fluide frigorigène s'expanse en parcourant l'évaporateur 25 qui est agencé pour qu'il y ait une grande surface d'échange thermique/calorifique entre le fluide frigorigène et les fumées 34 de combustion du cogénérateur 2. L'expansion étant endothermique, les fumées y sont ainsi refroidies sous la température de condensation de l'eau en transmettant au fluide frigorigène la chaleur sensible/intrinsèque des fumées et la chaleur latente libérée par la condensation de l'eau contenues dans les fumées. Les fumées ressortent de l'évaporateur à 35°C. [0035] Les températures du circuit d'eau de chauffage et des fumées indiquées ici sont purement illustratives d'un ordre de grandeur et ne sont pas des valeurs absolues. [0036] La pompe à chaleur 2 est donc ici une pompe à chaleur air/eau c'est-à-dire peimettant le transfert de l'énergie thermique d'un milieu gazeux à l'eau de retour du circuit 4. Elle présente néanmoins la particularité d'être agencée spécifiquement pour que le milieu gazeux soit des fumées chaudes. [0037] En particulier, l'évaporateur est agencé pour permettre l'échange calorifique direct entre les fumées et le fluide frigorigène. Cela implique notamment que l'échangeur puisse supporter d'un côté des fumées entre 80 et 90 °C et d'un autre coté un fluide frigorigène très froid. L'évaporateur doit donc supporter des différences de températures élevées, bien plus élevées que dans une pompe à chaleur utilisée classiquement en aérothermie par exemple. La partie de l'évaporateur dans laquelle passent les fumées doit également être chimiquement résistantes aux fumées, qui peuvent être acides, encrasser les parois. 6 [0038] La surface d'échange entre le fluide frigorigène et les fumées est calculée de façon connue par l'homme du métier, notamment en fonction des températures de sortie de fumée, du fluide frigorigène ainsi que des débits des fumées et du fluide frigorigène. [0039] Aucun évaporateur spécifiquement conçu pour un échange fumées chaudes/fluide fri- gorigène n'étant disponible sur le marché, la demanderesse a détourné des échangeurs eau/fréon en remplaçant l'eau par les fumées de cogénération. [0040] Par exemple, l'évaporateur est un échangeur à plaque en acier, comme le Compact36 de la société Airco AB, permettant une grande résistance mécanique, bien qu'il induise de fortes pertes de charges du côté des fumées. On peut également envisager un évaporateur à tubes, par exemple avec deux tubes de cuivre coaxiaux enroulés en spirale, qui bien que moins résistant mécaniquement, induit moins de pertes de charge et de contre pression coté fumées. [0041] En référence à la figure 3, un cogénératcur 3 est alimenté avec 97 kW de carburant, par exemple du mazout. La combustion du mazout permet de générer 33 kW d'énergie électrique (kWe), transmise pour une part, 3 kWe à la pompe à chaleur 2 et pour le reste, 30 kWe au circuit électrique 35, ce qui correspond à un rendement de 34%. La combustion du mazout permet également de produire 63 kW d'énergie thermique (kWt), ce qui correspond à un rendement de 65%, transmise au circuit d'eau chaude de chauffage 4, pour atteindre une température de 75 °C. Le cogénératcur a donc un rendement de 99%. [0042] La combinaison au cogénérateur de la pompe à chaleur permet ici de transférer 13 kWt des fumées à l'eau de chauffage 4 en lui apportant 3 kWe des 33 kWe produits par le cogénérateur. Il en résulte qu'à partir de 97 kW de carburant, l'ensemble cogénérateur-pompe à chaleur produit 30 kWe et 76 kwt (63 kWt du cogénérateur + 13 kWt récupéré par la pompe à chaleur), soit un rendement de 109%. [0043] Le bilan de la combinaison directe du cogénérateur et de la pompe à chaleur, spé- cialement agencée pour récupérer directement l'énergie sensible et latente des fumées, est nettement supérieur au bilan d'un cogénérateur seul. [0044] Les chiffres indiqués ici sont purement illustratifs et dépendent évidemment de la taille de l'installation et de sa configuration particulière ainsi que des réglages. Par exemple, la consigne du circuit de chauffage peut ne pas être fixée à 75°C mais à une autre température plus ou moins élevée, selon la configuration particulière de l'installation de l'immeuble. Les paramètres peuvent aussi être différents si le carburant est du mazout de l'huile de colza ou du bioéthanol. [0045] Un cogénérateur libère également généralement de la chaleur dans le local ou il se trouve. Ce local doit être aéré, ventilé pour y maintenir une température correcte. Une pompe à chaleur peut également être adaptée pour récupérer l'énergie thermique dissipée dans l'air environnant le cogénérateur. Cette pompe à chaleur peut être la 7 pompe à chaleur déjà utilisée pour les fumées ou une autre pompe à chaleur installée par exemple en série de la première sur le circuit de retour d'eau de chauffage. Par exemple, le circuit de ventilation peut être adapté pour faire circuler l'air chaud du local dans l'évaporateur de la pompe à chaleur, pour en transférer la chaleur sensible au fluide frigorigène. [0046] -11 peut être envisagé que le conduit d'évacuation des fumées du cogénérateur soit dévié vers la pompe à chaleur qui serait installée juste à côté. La pompe à chaleur pourrait également être installée directement sur le conduit d'évacuation des fumées sans modifier celui-ci. Toute disposition judicieuse dans l'espace du cogénératcur et de la pompe à chaleur permettant aux fumées du cogénérateur de traverser l'évaporateur de la pompe à chaleur est possible. Il est néanmoins préférable de limiter la distance entre les deux entités de l'ensemble. [0047] Le circuit 4 ici illustré est un circuit d'eau de chauffage. Il pourrait néanmoins s'agir d'un autre type de circuit dans lequel le retour d'eau est à une température plus élevée que la condensation de l'eau dans les fumées, par exemple dans une installation industrielle particulière ou simplement un circuit d'eau de ville ou circuit sanitaire. 8 [Revendication 1]