HEATING PLANT EQUIPPED WITH AN ABSORPTION HEAT PUMP

Abstract: 1. Installation for heating a fluid such as for example water, particularly for the heating of buildings and for producing hot water for domestic purposes and of the type comprising at least one burner for solid, liquid and/or gaseous fuel and producing in a combustion chamber (11) smoke at a relatively high temperature which is then discharged ; an absorption-type heat pump circuit in which the absorption solution and the refrigerant circulate and comprising in series a condenser (2), an evaporator (4), an absorber (5), known per se, and a first heat exchanger (12) forming a first stage and constituting the boiler of the heat pump located on the smoke evacuation circuit and intended to be encountered by the smoke produced in the combustion chamber (11) in order to bring firstly the absorption solution to a high temperature, and a circuit for heating the said fluid comprising likewise in series not only the said absorber (5) and condenser (2) but a second heat exchanger (8) forming a recuperator and likewise located on the smoke discharge circuit, the said installation being characterised in that : - the said second heat exchanger (8) forms the second and last stage encountered by the smoke on its evacuation circuit (25) to heat the fluid upon its entry into the heating circuit, - the said first heat exchanger (12) is connected towards the smoke inlet end to a separator flask (18) communicating with the space in the boiler (15) in which the said absorption solution is heated at the level of the said heat exchanger (12) and in that it comprises : - a branching circuit (28) for the absorption solution, disposed in parallel on the said absorption circuit between the said separator flask (18) and the inlet (16) of the said first heat exchanger (12), the said branching circuit comprising a supplementary heat exchanger (26) which, when a part of the said absorption circuit is short circuited by a first branch-off valve (27) situated between the said supplementary heat exchanger (26) and the inlet (16) to the said first heat exchanger (12) and when a part of the said fluid heating circuit is likewise short-circuited by means of a second valve (29) disposed between the outlet (21) from the said second heat exchanger (8) and the supplementary heat exchanger (26) receives on the one hand the absorption solution emanating from the said separating flask (18), and on the other, the fluid which is to be heated as it emerges from the said second heat exchanger (8).

Description: "Perfectionnements à une installation de chauffage équipée d'une pompe à chaleur à absorption" La présente invention a pour objet des perfectionnements à une installation de chauffage équipée dLune pompe à chaleur à absorption. Dans certaines installations de chauffage drun fluide, tel par exemple que d l'eau, en particulier pour le chauffage de bâtiments et la production d'eau sanitaire, installations comprenant au moins un brûleur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées" à température relativement élevée, on utilise parfois une pompe à chaleur à absorption afin d'améliorer le rendement thermique du chauffage Dans un tel cas habituellement, le brûleur sert à faire bouillir la solution d'absorption utilisée dans le cycle d'absorption de la pompe à chaleur de façon à séparer les constituants de la solution et rdgdnérerla fluide d'absorption utilisé dans le cycle. Au niveau de l'échange de chaleur fumées/solution d'absorption à régénérer, le rendement est médiocre du fait que Compte tenu des conditions de l'échange thermique les fumées quittent l'installation à une température généralement élevée supérieure à 2000C entrainant à la cheminée de grandes quantités d'énergie qui sont perdues. Dans la plupart des cas cette situation défavorable est tolérée car au niveau du cycle de la pompe à chaleur on récflpère dans le milieu ambiant au niveau de l'évaporateur du cycle nettement plus d'énergie qu'on en a laissé échapper à la cheminée, de sorte que le rendement global de l'installation apparaît relativement bon. Ceci n'est cependant vrai que si les conditions de fonctionnement de l'évaporateur sont satis faisantes, c'est-à-dire généralement si le niveau de la "source froide" dans laquelle est "pompée" la chaleur délivrée à l'installation est suffisamment élevée.Ce phénomène bien connu conduit du reste les installateurs à installer en parallèle sur l'installation de chauffage équipée d'une pompe à chaleur une chaudière de type classique qui chauffera directement le fluide à chauffer lorsque les conditions d'exploitation de la source froide seront défavorables (généralement par temps froid plus particulièrement si l'évaporateur emprunte sa chaleur à l'air ambiant). De façon à réduire les pertes de chaleur à la cheminée, il a également été proposé de disposer des échangeurs récupérateurs de chaleur sur le cricuit des fumées, lesquels échangeurs récupérateurs seront en échange thermique avec le fluide à chauffer. En pratique, cependant ces échangeurs ne donnent pas satisfaction, essentiellement pour les deux raisons suivantes. 1) Le surcoût de l'installation que leur utilisation entraîne n'est pas du point de vue économique rentable; 2) l'aménagement de circuits d'échange, nécessitant de longues dimensions de canalisations fait qu'on reperd par pertes en ligne dans ces canalisations la plus grande partie de la chaleur que l'on a tenté de récupérer. L'invention a pour objet dans une installation de chauffage équipée d'une pompe à chaleur à absorption du type précité de résoudre les difficultés exposées, cela d'une façon efficace en proposant une installation compacte présentant en outre, certains avantages spécifiques qui apparaîtront plus loin. Conformément à l'invention il est proposé notamment un échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur à absorption équipant une installation de chauffage d'un fluide comprenant au moins un brûleur produisant des fumées à températures relativement élevées, ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'il comprend deux étages disposés en série, le premier formant bouilleur servant à porter à température adéquate suffisamment élevée la solution d'absorption pour en séparer les constituants en vue de son travail dans un cycle d'absorption, le;second formant récupérateur servant à réchauffer le fluide au voisinage de son entrée dans l'installation. Avantageusement, lesdits étages d'échange sont disposés immédiatement à la suite l'un de l'autre, les "fumées" passant sans discontinuité du premier étage au second. Dans une solution préférée lesdits étages d'échange sont constitués chacun par un tube parcouru intérieurement par les fumées, ledit tube étant logé à l'intérieur d'un tube de plus grande section, le volume compris entre les deux tubes étant parcouru respectivement pour le premier étage par ladite solution d'absorption et pour le second étage par ledit fluide à réchauffer. Il apparaît ainsi que sans difficultés technologiques., par simple allongement en quelque sorte de l'échangeur du premier étage il va être possible de refroidir efficacement les fumées en récupérant la plus grande partie de leur chaleur latente et même la chaleur de condensation de reau contenue dans les fumées lorsque, comme c'est le cas le plus général, les retours froids du fluide à chauffer sont à température suffisamment basse. L'invention se rapporte également à une installation comprenant un échangeur de chaleur pour bouilleur de pompe à chaleur du type précité, cette installation étant caractérisée en ce que ledit 1er étage d'échange est relié vers l'extrémité d'entrée des fumées à un ballon séparateur communiquant avec le volume du bouilleur dans lequel est chauffée au niveau de cet étage ladite solution d'absorption. Dans une réalisation préférée permettant la construction d'une unité particulièrement compacte, les différents échangeurs de chaleur que comporte l'installation sont constitués par des serpentins s'enroulant en hélice autour d'un noyau que formera avantageusement l'absorbeur de la pompe à chaleur. L'invention et sa mise en oeuvre appararaltront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un schéma d'ensemble d'une installation construite selon l'invention, - la figure 2 montre à plus grande eile la constitution des deux étages d'échangeur susmentionnés montés en série, - la figure 3 illustre comme la figure 1 un schéma d'une autre installation comportant en outre, une position de chauffage sans utilisation du cycle d'absorption, - la figure 4 montre en vue perspective de façon schématique et avec arrachements comment sont avantageusement disposés les différents organes de l'installation. On se reportera tout d'abord à la figure 1. L'installation comprend essentiellement le cycle de la pompe à absorption comprenant le bouilleur-régénérateur 1, le condenseur 2, le détendeur 3, l'évaporateur 4, l'absorbeur 5, et un échangeur de solution 6. L'installation comprend d'autre part, le circuit de chauffage du fluide à chauffer par exemple de l'eau, avec l'entrée des retours froids en 7 dans l'échangeur-récupérateur de chaleur 8 un pré-chauffage dans l'absorbeur 5 au contact de la solution d'absorption puis le chauffage principal au niveau du condenseur 2 en échange de chaleur avec la partie évaporée est portée à haute température du cycle d'absorption. Le départ chaud se fait en 9. Sur le dessin on a différencié le circuit de l'eau par un traittireté. Comme il apparaît plusclaimment à la figure 2 le bouilleur-générateur 1 comprend un brûleur 10, par exemple à gaz développant une flamme dans une chambre 11 de combustion. Evidemment tout autre brûleur à combustible liquide et/ou solide peut être utilisé, l'avantage du brûleur à gaz étant sa simplicité de mise en place et de régulation. Les produits de la combustion ou "fumées" chauds pénètrent alors dans l1échan- geur de chaleur 12 servant à régénérer la solution d'absorption du cycle en la portant à température suffisamment élevée, par exemple vers 1500C. L'échangeur 12 dans l'exemple illustré est constitué essentiellement d'un tube intérieur 13 dans lequel circulent les fumées, lequel tube est logé à l'intérieur d'un tube 14 de plus grande section. Dans le volume 15 compris entre les deux tubes 13 et 14 circule dans le sens des flèches la solution à régénérer. Cette solution peut être constituée de toute manière appropriée connue.Elle peut être forme par exemple par un couple calogène-liquide d'absorption tel que annrrmiac/eau ou encore R21 = CHCl2 F/ diéthylène glycol monoacétate = C10H2004. La solution froide riche en fluide calogène entranten 16 ressort en 17 vers un ballon séparateur 18 dans lequel la solution se sépare en une solution liquide 19 appauvrie en calogène et en une phase gazeuse 20 constituée essentiellement par le fluide de calogène (c'est-à-dire dans les exemples susmentionnés constituée par NH3 ou par CilCI 2F). A la sortie, de l'échangeur 12, les fumées passent sans discontinuité en continuant à parcourir le conduit 13 (repéré 13' dans cette partie de la figure) dans un second échangeur 8 constitué de façon similaire à l'échangeur 12 par un conduit 13' logé à l'intérieur d'un conduit 14' de plus grande section. Dans le volume 15' de l'échangeur 8 circulent les retours froids du fluide à chauffer pénétrant en 7 et quittant l'échangeur 8 en 21. L'échangeur 8 formant échangeur récupérateur de chaleur permet d'abaisser considérablement la température des fumées. Dans des conditions habituelles de fonctionnement la vapeur d'eau contenue dans les fumées pourra se condenser au moins en partie comme illustré aux dessins au niveau de la section finale 8a de l'échangeur 8. L'eau de condensation sera éliminée à l'égout comme schématisé en 22, les fumées refroidies étant évacuées en 23 à la cheminée. Avantgeusement on pourra prévoir au moins au niveau de la section finale 8a de l'échangeur 8 que le tube intérieur 13' sera intérieurement aileté ou pourvu de saillies analogues pour augmenter le coefficient d'échange et permettre une çondensation efficace de la vapeur d'eau avec récupération correspondante de la chaleur de condensation des fumées. Ci-après on décrira seulement très brièvement le fonctionnement général de l'installation qui pour le reste est classique. Le fluide calogène transformé à l'état gazeux à haute température (habituellement vers 15DOC) quitte le bouilleur en 20 et vient se condenser dans le condenseur 2 en abandonnant au fluide de chauffage sa chaleur de condensation. Le calogène liquide est alors détendu dans le détendeur 3 et évaporé sous basse pression dans l'évaporateur 4. Cette évaporation nécessite une entrée de chaleur Q qui est empruntée à une source froide, généralement l'air ambiant ou de l'eau puisée dans un puits, un lac ou une rivière. La calogène gazeux réchauffé au voisinage de la température ambiante est alors absorbé dans l'absorbeur 5 par la solution d'absorption régénérée au niveau du séparateur 18 ou elle est puisée en 19. Un échangeur de chaleur 6 permet de refroidir la solution d'absorption appauvrie en calogène avant son entrée dans l'absorbeur 5 et de réchauffeur à contre-courant la solution enrichie en calogène sortant de l'absorbeur 5 et entrant dans l'échangeur 12 du régénérateur. Une pompe de solution 24 liquide complète l'installation. On se reportera maintenant au schéma de la figure 3 qui décrit une installation semblable à celle de la figure 1 n'en différant que par les points suivants, qui seront seuls décrits. Sur le départ 9 du chauffage après le condenseur 2 on fait passer le fluide à chauffer dans un échangeur suppld- mentaire 25 à contre-courant avec la solution d'absorption régénéré préparée au séparateur 18, cet échangeur 25 étant donc placé en série sur l'échangeur 6. Habituellement en effet, la solution régénérée d'absorption quitte l'échangeur 6 à une température supérieure à celle de sortie du fluide à chauffer, au moins lorsque les conditions extérieures ne sont pas trop rigoureuses. D'autre part, l'installation comprend un autre échangeur destiné à fonctionner lorsque les conditions extérieures ne sont pas favorables à un bon fonctionnement de la pompe à chaleur. Dans ce cas, la pompe 24 est arrêtée et une vanne trois voies placée en 27 convenablement orientée permet de faire traverser l'échangeur 26 par la solution chauffée dans le volume 15 de l'échangeur 12 dirigée à la sortie du ballon 18 non plus vers l'échangeur 6 mais directement vers l'échangeur 26 par un circuit de dérivation 28. De la même façon, une vanne trois voies 29 convenablement orientée dirige le fluide à chauffer à la sortie de l'échangeur 8 non plus vers l'absorbeur 5 mais directement vers l'échangeur 26. Dans ces conditions, le bouilleur évaporateur 1 fonctionne comme une chaudière ordinaire, à ceci près que le premier étage 12 d'échange placé sur le circuit des fumées sert à chauffer non pas directement le fluide à chauffer mais un fluide intermédiaire pouvant être porté à plus haute température, ce qui est thermodynamiquement favorable. Selon une technologie originale, et comme illustré schématiquement à la figure 4 les différents organes de l'installation et en particulier les échangeurs seront avantageusement constitués par des serpentins s'enroulant en hélice autour d'un noyau central. Avantageusement le noyau sera constitué par l'absorbeur 5 de la pompe à chaleur et les échangeurs du bouilleur 12 de solution et de récupérateur 8 de fluide à chauffer seront formés sur une hélice extérieure tandis que les autres échangeurs tel que condenseur 2, échangeur de solution 6, échangeur supplémentaire 25, échangeur de chaudière 26 seront formés sur des hélices plus intérieures Le ballon séparateur 18 pourra être formé par un tore venant coiffer l'ensemble. La chambre de combustion pourra venir en partie supérieure à l'entrée de l'échangeur 12;surla figure 4,on n'a représenté schématiquement que la flamme 11' brûlant dans la chambredecombustion. il apparaît que une telle technologie permet une construction très compacte et réduit au minimum les pertes de chaleur. Pour ce qui est de l'évaporateur 4, celui-ci sera placé généralement un peu à l'écart et disposé selon les contraintes liées à la nature de la source froide à laquelle la chaleur est empruntée (air ambiant ou eau de puisage ou résiduelle). A la figure 4 ont été repérés par les mimes chiffres que dans les figures précédentes les organes correspondants de l'installation. Evidemment des conduits de jonction nécessaires relient comme indiqué au schéma de la figure 3 les différents organesRcIr ne pas surcharger la figure ces jonctions n'ont pas été représentées à l'exception de la jonction 30 reliant le volume du séparateur 18 au volume 15 de l'échangeur 12.

Claims: REVENDICATIONS 1. Echangeur pour bouilleur de pompe à chaleur à absorption équipant une installation de chauffage d'un fluide tel par exemple que de l'eau en particulier pour le chauffage de bâtiments et la production d'eau chaude sanitaire comprenant au moins un brûleur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées" à températures relativement élevées, ledit échangeur étant caractérisé en ce qu'il comprend deux étages disposés en série, le premier (12) formant bouilleur servant à porter à température adéquate suffisamment élevée la solution d'absorption pour en séparer les constituants en vue de son travail dans un cycle d'absorption, le second (8) formant récupérateur servant à réchauffer le fluide au voisinage de son entrée dans l'installation. 2. Echangeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits étages (12, 8) d'échange sont disposés immédiatement à la suite l'un de l'autre, les "fumées" passant sans discontinuité du premier étage au second. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce quelesdits étages d'échange (12,8) sont constitués chacun par un tube (13, 13')parcouru intérieurement par les fumées, ledit tube étant logé à l'intérieur d'un tube (14, 14') de plus grande section, le volume (15,15') compris entre les deux tubes étant parcouru respectivement pour le premier étage- (12) par ladite solution d'absorption et pour le second étage (8) par ledit fluide à réchauffer. 4. Echangeur selon la revendication 3 caractérisé en ce que le tube central (13, 13') se prolonge de façon continue du premier au second étage. 5. Echangeur selon la revendication 3 ou la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits tubes (13, 14, 13', 14') sont disposés en serpentins. 6. Echangeur selon l'une des revendications de 3 à 5 caractérisé en ce que le tube intérieur (13, 13') est pourvu d'ailettes ou analogues au moins vers son extrémité d'évacuation des fumées. 7. Installation de chauffage d'un fluide tel par exemple que de liteau en particulier pour le chauffage de b - timents et la production d'eau chaude sanitaire comprenant au moins un brûleur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées" à température relativement élevée comprenant un échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur du type décrit dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit premier étage d'échange (12) est relié vers l'extrémité d'entrée des "fumées" à un ballon séparateur (18) communiquant avec le-volume du bouilleur (15) dans lequel est chauffée au niveau de cet étage (12) ladite solution d'absorption. 8. Installation selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle comprend en parallèle sur le circuit du condenseur-évaporateur-absorbeur (2,4,5) de la pompe à chaleur un échangeur de chaleur (26) assurant un échange entre la solution d'absorption traversant l'échangeur-bouilleur (12) et le fluide à chauffer lorsque la pompe à chaleur est court-circuitée sur ledit échangeur de chaleur (26). 9. Installation selon la revendication 7 ou la revendication 8 caractérisée en ce que les différents échangeurs de chaleur (12, 8, 2, 6, 25, 26) sont constitués par des ser pentinsps'enroulant en hélice autour d'un noyau (5). 10. Installation selon la revendication 9 caractérisée en ce que ledit noyau (5) est constitué par l'absorbeur de la pompe à chaleur. 11. Installation selon la revendication 9 ou la revendication 10 caractérisée en ce que le bouilleur (12) et le récupérateur (8) qui lui fait suite de la pompe sont formés sur une hélice extérieure tandis que les autres échangeurs (2,6, 25,26) sont formés sur des hélices plus intérieures. 12.Installation selon l'une des revendications 9 à 11 caractérisée en ce que le ballon séparateur (18) de la pompe est placé en partie haute de l'installation.

Inventors: FLORETTE, MARC, JUNET, ROLAND, VIGNES, ROGER
Applicants: GAZ DE FRANCE
Application year: 1983
Main classification: F25B33
IPC codes: F25B33, F25B30, F24H4