Brevet FR3155288A1 — publié le 20250516

Appareil industriel comprenant : - un circuit (2) dans lequel circule un fluide de travail ; ledit circuit (2) comprenant un moyen (20) pour chauffer le fluide de travail et étant dépourvu d'évaporateur, - une ligne de circulation (31) dans laquelle circule un fluide caloporteur ; la ligne de circulation (31) étant fermée sur elle-même ; le débit du fluide caloporteur dans ladite ligne de circulation (31) étant compris entre 10 et 500 m3/h, - un premier échangeur de chaleur (901) ; le premier échangeur de chaleur (901) mettant ledit circuit (2) et ladite ligne de circulation (31) en communication thermique, - un chauffage industriel (92) comprenant un second échangeur de chaleur (902) dans lequel passe la ligne de circulation (31), caractérisé en ce que le moyen de chauffage (20) consiste en une pompe à piston (21). [FIG. 1] APPAREIL DE CHAUFFAGE ET PROCÉDÉ POUR USAGE INDUSTRIEL La présente invention concerne un appareil industriel et une procédé de chauffage utilisée dans un appareil industriel. Il existe des appareils de chauffage connus pour être utilisés dans des installations industrielles, par exemple dans des installations de pasteurisation. Dans ce cas, la chaleur nécessaire peut être obtenue au moyen d'une chaudière qui brûle un combustible. Dans une solution alternative, on peut utiliser une pompe à chaleur dans laquelle les éléments classiques d'un cycle de réfrigération inversé sont utilisés : un compresseur agissant sur un fluide au moins partiellement gazeux, un condenseur, un évaporateur et un dispositif de détente. Dans ce contexte, l’objectif de la présente invention est de proposer un appareil de chauffage et un procédé permettant d'obtenir des performances élevées tout en optimisant la consommation d'énergie. Un autre objectif est de permettre une maintenance facile. Un objectif supplémentaire est de fournir une solution peu bruyante. Les objectifs spécifiés sont substantiellement atteints par un appareil de chauffage et un procédé décrits ci-dessous. Selon un premier aspect, l'invention concerne un appareil industriel comprenant : - un circuit dans lequel circule un fluide de travail ; ledit circuit comprenant un moyen de chauffage du fluide de travail et étant dépourvu d'évaporateur, - une ligne de circulation dans laquelle circule un fluide caloporteur ; la ligne de circulation étant fermée sur elle-même ; le débit du fluide caloporteur dans ladite ligne de circulation étant compris entre 10 et 500 m 3 /h, - un premier échangeur de chaleur, le premier échangeur de chaleur mettant ledit circuit et ladite ligne de circulation en communication thermique, - un chauffage industriel comprenant un second échangeur de chaleur dans lequel passe la ligne de circulation. L'appareil est caractérisé en ce que le moyen de chauffage consiste en une pompe à piston. En d'autres termes, le circuit dans lequel circule un fluide de travail est dépourvu d'évaporateur et le moyen de chauffage consiste uniquement en une pompe à piston pour chauffer le fluide de travail circulant dans ledit circuit. En conséquence, le chauffage du fluide de travail ne nécessite pas d'air ou de liquide provenant de l'environnement extérieur. Cela signifie que le chauffage de l'appareil ne dépend pas de la température extérieure. Selon une autre caractéristique, ledit fluide caloporteur est autre que de l'eau. Avantageusement, le premier échangeur de chaleur est un échangeur à faisceau tubulaire. Dans un mode de réalisation préféré, l'appareil comprend des moyens de contrôle de capacité pour contrôler le débit du fluide de travail dans le circuit ; lesdits moyens de contrôle de capacité comprenant une vanne motorisée située le long du circuit. Selon un premier mode de réalisation, l'appareil comprend un générateur de vapeur ou un sécheur ; qui à son tour comprend ledit chauffage, qui reçoit la chaleur de la ligne de circulation et l'utilise pour un procédé prédéterminé. Selon un deuxième mode de réalisation, l'appareil comprend un distillateur ; ou un émulsifiant ; ou un pasteurisateur qui à son tour comprend ledit chauffage, qui reçoit la chaleur de la ligne de circulation et l'utilise pour un procédé prédéterminé. Selon un troisième mode de réalisation, l'appareil comprend un réacteur pour effectuer une réaction chimique ; ledit réacteur comprend à son tour ledit chauffage, qui reçoit la chaleur de la ligne de circulation et l'utilise pour un procédé prédéterminé. L'une des principales caractéristiques de l'invention est que le circuit comprend uniquement une pompe à piston pour chauffer le fluide de travail circulant à l'intérieur. En conséquence, l'appareil comprend avantageusement un moteur électrique pour entraîner la pompe à piston ; ledit moteur électrique comprenant/étant un moteur électrique asynchrone magnétique. Dans un mode de réalisation préféré, le fluide de travail est choisi dans le groupe constitué de R1233ZD(E), R1234ZE et R295. Avantageusement, le fluide de travail est R1233ZD(E) qui a un potentiel de réchauffement global (PRG) de 5, c'est-à-dire un faible effet de serre. Selon un mode de réalisation spécifique, l'appareil comprend une unité de contrôle pour réguler les températures et la pression nécessaires pour maintenir en phase liquide le fluide de travail circulant dans le circuit. L'invention concerne également une procédé de chauffage impliquant l'appareil tel que décrit ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : - faire circuler un fluide de travail dans un circuit, - chauffer le fluide de travail qui circule dans ledit circuit, - effectuer un transfert de chaleur du fluide de travail à un fluide caloporteur qui recircule dans une première ligne de circulation, - fournir la chaleur provenant du fluide caloporteur dans un chauffage situé le long de la ligne de circulation. De préférence, le fluide de travail a une pression comprise entre 6 et 8 bars et reste de préférence toujours en phase liquide dans le circuit. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortent de la description donnée à titre d’information, et donc non limitative, d'un mode de réalisation préféré mais non exclusif d'un appareil et d'un procédé de chauffage, illustrés schématiquement à la FIG. 1 . Dans la figure annexée, l’appareil de chauffage industriel est désigné par le numéro de référence 1. L'appareil 1 comprend un circuit 2 dans lequel circule un fluide de travail. Le fluide de travail peut être un fluide HFO (fluide à base d'hydrofluorooléfine) tel que, par exemple, R1366Mzz ou R1233ZD ou un fluide à base d'ammoniac ou de carbonate de calcium inhibé ou encore d'autres. Il est avantageusement le R1233ZD(E). En pratique, le fluide de travail dans le circuit 2 reste toujours en phase liquide et avantageusement entre 6 et 8 bars. En pratique, le débit du fluide de travail dans le circuit 2 est compris entre 20 et 500 m 3 /h (mètres cubes/heure). Le circuit 2 comprend un moyen 20 pour chauffer le fluide de travail. Le moyen de chauffage 20 sera mieux décrit ci-dessous. Le circuit 2 définit une pompe à chaleur. L'appareil 1 comprend une ligne 31 pour la circulation d'un fluide caloporteur. Le débit volumétrique du fluide caloporteur dans ladite ligne 31 est avantageusement supérieur à 10 m 3 /h ; il est de préférence supérieur à 30 m 3 /h. En pratique, le débit volumétrique du fluide caloporteur est inférieur à 500 m 3 /h ; il est avantageusement inférieur à 200 m 3 /h, encore plus préférablement inférieur à 150 m 3 /h. De préférence, la ligne 31 définit une boucle fermée sur elle-même. Il s'agit donc d'une ligne de recirculation. L'appareil 1 comprend un premier moyen d'échange de chaleur 5 entre le circuit 2 et la ligne de circulation 31. Le premier moyen d'échange de chaleur 5 comprend un premier échangeur de chaleur 901. Le premier échangeur de chaleur 901 met le circuit 2 et la ligne 31 en communication thermique. Par conséquent, le premier échangeur 901 met le fluide de travail qui circule dans le circuit 2 en communication thermique avec le fluide caloporteur qui circule dans la ligne 31. Comme illustré sur la FIG. 1 , le premier échangeur 901 est un échangeur à faisceau tubulaire. Cette solution est particulièrement avantageuse, car dans les applications industrielles, il est important d'avoir des débits substantiels. Dans une solution alternative, il pourrait s'agir d'un échangeur à plaques. En pratique, le fluide caloporteur dans la ligne 31 reste toujours à l'état liquide. En pratique, le fluide caloporteur est autre que de l'eau. Avantageusement, le fluide caloporteur est un fluide HFO (fluide à base d'hydrofluorooléfine) tel que, par exemple, R1366Mzz ou R1233ZD(E) ou un fluide à base d'ammoniac ou de carbonate de calcium inhibé ou encore d'autres. Il est avantageusement le R1233ZD(E). Dans un mode de réalisation particulier, le fluide de travail dans le premier échangeur 901 subit une variation de température comprise entre 35 et 85 °C. Le fluide de travail se refroidit dans le premier échangeur 901 et chauffe le fluide caloporteur qui circule dans la ligne 31. De manière pratique, l'appareil 1 comprend des moyens de contrôle de capacité 93 pour contrôler le débit du fluide de travail dans le circuit 2. Les moyens de contrôle de capacité 93 comprennent une vanne motorisée 930 située le long du circuit 2. La vanne motorisée 930 est de préférence actionnée à distance. À cet effet, elle dispose d'un actionneur électrique spécial (par exemple, il peut y avoir un moteur ou un électroaimant). La vanne 930 peut être actionnée par un opérateur ou par un capteur de pression le long du circuit 2 pour maintenir en phase liquide le fluide de travail circulant dans le circuit. De manière pratique, la vanne motorisée 930 est située en aval du premier échangeur 901 et en amont du moyen de chauffage 20. Comme illustré sur la FIG. 1 , le moyen de chauffage 20, la vanne motorisée 930 et le premier échangeur de chaleur 901 sont disposés en série le long du circuit 2. Le long de la ligne 31, l'appareil 1 peut comprendre une pompe de recirculation pour le fluide caloporteur. La pompe de recirculation d'eau est typiquement une pompe centrifuge. Elle permet de recirculer le fluide caloporteur le long de la ligne 31. Le moyen de chauffage 20 est une pompe à piston 21. Il s'agit typiquement d'une pompe à piston haute pression 21. L'appareil 1 peut être considéré comme une pompe à chaleur dans le sens où il a un COP supérieur à 7, de préférence supérieur à 10. Le COP (Coefficient de Performance) est un indice de l'efficacité d'une pompe à chaleur et est donné par le rapport entre l'énergie délivrée et l'électricité consommée. Néanmoins, contrairement à une pompe à chaleur standard, le système de l'invention ne comprend pas d'évaporateur. La pompe 21 entraine ainsi le chauffage du fluide de travail. Cela se produit en raison de l'action de compression sur le fluide de travail incompressible. Une telle compression force le fluide de travail le long des conduits de la pompe 21, provoquant une augmentation de l'énergie cinétique et un chauffage du fluide par friction. De manière pratique, le circuit 2 comprend uniquement ladite pompe à piston 21 pour chauffer le fluide de travail circulant à l'intérieur. La pompe à piston 21 est une pompe volumétrique de type connu, si elle considérée en elle-même. La pompe à piston pourrait être une pompe à piston axial, mais aussi une pompe à piston d'un autre type. Par exemple, elle comprend des pistons logés dans des chambres de pompage correspondantes. Avantageusement, la pompe 21 comprend plus de trois pistons. Les chambres de pompage sont commodément intégrées dans un corps qui peut être mis en rotation. La rotation de ce corps et donc des chambres de pompage entraîne les pistons en rotation et provoque ainsi un mouvement alternatif de va-et-vient des pistons dans les chambres de pompage correspondantes. En fait, les pistons ont une extrémité pressée par un moyen élastique contre une plaque inclinée par rapport à l'axe de rotation des chambres de pompage. L'appareil 1 comprend un moteur électrique 22 pour entraîner la pompe à piston 21. Le moteur électrique 22 comprend de préférence/est un moteur électrique asynchrone magnétique 22. Cela contribue au silence de l'appareil 1. De manière pratique, le moteur 22 comprend un onduleur. Le fonctionnement du moteur 22 est également régulé en fonction du retour d'information fourni par la sonde de température 321 située le long de la ligne 31. L'appareil 1 peut comprendre un filtre 61 et un voyant 62. De manière pratique, ils sont disposés en aval du premier échangeur 901 et en amont de la pompe à piston 21. L'appareil 1 comprend commodément un boîtier insonorisé abritant la pompe à piston 21 à l'intérieur. L'appareil 1 comprend également une unité de contrôle central pour contrôler le fonctionnement global et réguler les températures et la pression nécessaires pour maintenir en phase liquide le fluide de travail circulant dans le circuit 2. L'appareil 1 comprend également un chauffage industriel 92. Le chauffage 92 comprend un second échangeur 902. La ligne de circulation 31 passe dans le second échangeur 902. La ligne de circulation 31 transporte ainsi le fluide caloporteur du premier au second échangeur 901, 902 et permet son retour du second échangeur 902 au premier échangeur 901. Cela se fait dans une boucle fermée. Le second échangeur 902 est donc disposé le long de la ligne de circulation 31. Le fluide caloporteur est refroidi dans le second échangeur 902. La ligne 31 définit ainsi le côté chaud du second échangeur 902. Le côté froid peut être un conduit dans lequel circule un autre fluide ou un environnement dans lequel la chaleur libérée déclenche un procédé. Le second échangeur de chaleur 902 pourrait ainsi libérer de la chaleur dans un environnement ou la transférer à un autre fluide à chauffer. De manière pratique, le fluide caloporteur est un liquide et reste liquide tout au long du chemin de la ligne 31. Le fluide caloporteur transporte ainsi au chauffage 92 au moins une partie de la chaleur générée dans le circuit 2 par la pompe 21 et sera ensuite utilisée par l'appareil industriel 1. L'appareil 1 peut en fait comprendre, à titre d'exemple non exhaustif, l'un des dispositifs suivants : - un générateur de vapeur, ou - un sécheur ; ou - un distillateur ; ou - un émulsifiant ; ou - un pasteurisateur ; ou - un réacteur pour effectuer une réaction chimique. Le dispositif en question comprend à son tour le chauffage 92 afin de recevoir la chaleur de la ligne de circulation 31. La chaleur ainsi obtenue est utilisée pour réaliser les procédés dédiés de chaque dispositif. Le dispositif peut donc être défini comme un dispositif de traitement thermique industriel. La présente invention concerne également un procédé de chauffage utilisée dans un appareil industriel. Le procédé est avantageusement mis en œuvre par un appareil 1 ayant une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-dessus. Le procédé comprend les étapes suivantes : - faire circuler un fluide de travail dans un circuit 2 ; de manière pratique, le fluide de travail reste toujours liquide tout en recirculant à l'intérieur du circuit 2 (on pourrait ainsi parler de liquide de fonctionnement) ; - chauffer le fluide de travail qui circule dans le circuit 2. L'étape de chauffage du fluide de travail qui circule dans le circuit 2 a lieu pendant le passage du fluide de travail dans une pompe à piston 21 située le long du circuit 2. La pompe à piston 21 chauffe ainsi le fluide de travail. De manière pratique, au moins au niveau de la pompe 21 (mais de préférence partout), le fluide de travail est liquide. La pompe à piston 21 agit sur ledit fluide de travail, provoquant une augmentation de la pression comprise entre 11 et 50 bars, entre 6 et 8 bars par exemple lorsque le R1233ZD(E) est utilisé, et/ou une élévation de la température d'au moins 100°C. En aval de la pompe à piston 21, des températures pour le fluide de travail encore plus élevées que 110°C ou 165°C peuvent être obtenues. En plus de provoquer le chauffage du fluide de travail, la pompe 21 est également seule responsable de son mouvement. Le procédé comprend une étape de transmission de chaleur du fluide de travail à un fluide caloporteur qui recircule dans une première ligne de circulation 31. Cela se fait au moyen d'un premier échangeur 901. De manière pratique, le procédé comprend l'étape de fournir la chaleur provenant du fluide caloporteur dans un chauffage 92 situé le long de la ligne de circulation 31. Le chauffage 92 utilise cette chaleur pour effectuer des opérations spécifiques. Le chauffage 92 comprend en fait un second échangeur de chaleur. Par exemple, le chauffage 92 pourrait être intégré dans un générateur de vapeur. Dans ce cas, la chaleur transportée par le fluide caloporteur à travers le second échangeur 902 est utilisée pour produire de la vapeur. Ou le chauffage pourrait être un sécheur et la chaleur est utilisée pour sécher des produits alimentaires (ou non alimentaires) présents dans un environnement. Ou, dans le cas d'un distillateur, la chaleur pourrait être utilisée pour favoriser les passages d'état et séparer les composants chimiques. Ou, dans le cas d'un pasteurisateur, la chaleur pourrait être utilisée pour traiter des matières premières et des produits semi-transformés frais, à une température telle qu'elle réduit considérablement la charge bactérienne, tout en préservant les propriétés nutritionnelles des aliments. La présente invention présente des avantages importants. Tout d'abord, elle permet d'obtenir des performances de chauffage remarquables. De plus, elle permet de faciliter la maintenance. Il est également possible d'obtenir une solution compacte et peu bruyante. L'invention telle qu'elle est conçue est susceptible de nombreuses modifications et variantes, toutes relevant du concept inventif qui la caractérise. En outre, toutes les caractéristiques peuvent être remplacés par d'autres éléments techniquement équivalents. En pratique, tous les matériaux utilisés, ainsi que les dimensions, peuvent être quelconques, selon les besoins. Appareil industriel comprenant : - un circuit (2) dans lequel circule un fluide de travail ; ledit circuit (2) comprenant un moyen (20) pour chauffer le fluide de travail et étant dépourvu d'évaporateur, - une ligne de circulation (31) dans laquelle circule un fluide caloporteur ; la ligne de circulation (31) étant fermée sur elle-même ; le débit du fluide caloporteur dans ladite ligne de circulation (31) étant compris entre 10 et 500 m3/h, - un premier échangeur de chaleur (901) ; le premier échangeur de chaleur (901) mettant ledit circuit (2) et ladite ligne de circulation (31) en communication thermique, - un chauffage industriel (92) comprenant un second échangeur de chaleur (902) dans lequel passe la ligne de circulation (31), caractérisé en ce que le moyen de chauffage (20) consiste en une pompe à piston (21). Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est autre que de l'eau. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit premier échangeur de chaleur (901) est un échangeur à faisceau tubulaire. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle de capacité (93) pour contrôler le débit du fluide de travail dans le circuit (2) ; lesdits moyens de contrôle de capacité (93) comprenant une vanne motorisée (930) située le long du circuit (2). Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de vapeur ; ou un sécheur ; qui à son tour comprend ledit chauffage (92), qui reçoit la chaleur de la ligne de circulation (31) et l'utilise pour un processus prédéterminé. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un distillateur ; ou un émulsifiant ; ou un pasteurisateur qui à son tour comprend ledit chauffage (92), qui reçoit la chaleur de la ligne de circulation (31) et l'utilise pour un processus prédéterminé. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un réacteur pour effectuer une réaction chimique ; ledit réacteur comprend à son tour ledit chauffage (92), qui reçoit la chaleur de la ligne de circulation (31) et l'utilise pour un processus prédéterminé. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique (22) pour entraîner la pompe à piston (21) ; ledit moteur électrique (22) comprenant/étant un moteur électrique asynchrone magnétique (22). Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de travail est R1233ZD(E). Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de contrôle pour réguler les températures et la pression nécessaires pour maintenir en phase liquide le fluide de travail circulant dans le circuit (2). Procédé de chauffage impliquant l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant les étapes suivantes : - faire circuler un fluide de travail dans un circuit (2) ; - chauffer le fluide de travail qui circule dans ledit circuit (2) ; - effectuer une transmission de chaleur du fluide de travail à un fluide caloporteur qui recircule dans une première ligne de circulation (31), - fournir la chaleur provenant du fluide caloporteur dans un chauffage (92) situé le long de la ligne de circulation (31). Procédé selon la revendication 11, caractérisée en ce que le fluide de travail a une pression comprise entre 6 et 8 bars.