Perfectionnements à une installation de chauffage d'un fluide comportant un cycle associé de pompe à chaleur à absorption

Abstract

 L'invention concerne des perfectionnements à une installation de chauffage comportant un cycle associé d'une pompe à chaleur à absorption.
L'installation prévoit un chauffage direct par thermosiphon de la solution à régénérer au contact d'un chemisage (15) entourant la chambre de combustion (9). La séparation de la solution à régénérer s'effectue dans une colonne de séparation (14) qui est en relation avec un déflegmateur (16) lequel améliore le rendement de la séparation, le rendement du cycle d'absorption et le rendement de récupération de la chaleur fournie par le brûleur. En outre en échangeur (8) permet le fonctionnement de l'installation avec mise hors fonction du cycle d'absorption.
L'invention s'applique notamment au chauffage central et au chauffage de l'eau sanitaire.

Description

[0001] La présente invention a pour objet des perfectionnements à une installation de chauffage équipée d'une pompe à chaleur à absorption.

[0002] Dans certaines installations 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, 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.

[0003] 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 régénérer Le fluide d'absorption utilisé dans Le cycle.

[0004] 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 200°C entrainant à La cheminée de grandes quantités d'énergie qui sont perdues.

[0005] Dans La plupart des cas cette situation défavorable est tolérée car au niveau du cycle de La pompe à chaleur on récupère 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 satisfaisantes, c'est-à-dire généralement si Le niveau de La "source froide" dans laquelle est "pompée" La chaleur délivrée à l'installation est suffisamment élevé. 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)

[0006] 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 circuit 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 entraine 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.

[0007] Dans la demande de brevet antérieure N° 82 19510 déposée le 22 novembre 1982 par le même demandeur, on a proposé une installation perfectionnée permettant de résoudre certaines des difficultés exposées.

[0008] A cet effet dans cette demande antérieure, l'échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur comprend deux étages disposés en série, le premier formant bouilleur servant à porter à température adéquate la solution d'absorption, le second formant récupérateur servant à réchauffer le fluide de chauffage au voisinage de son entrée dans l'installation. Les deux échangeurs sont constitués de façon originale par deux bitubes disposés en série, le tube intérieur des deux bitubes servant de passage de sortie pour les fumées produites dans la chambre de combustion de l'installation. En outre une connexion est prévue au niveau du premier échangeur à l'endroit où la solution à régénérer quitte cet échangeur après chauffage, cette connexion débouchant dans un ballon séparateur dans lequel s'effectue la séparation de la solution enrichie volatile et de la solution appauvrie plus lourde en vue de l'utilisation de ces deux solutions séparées dans le cycle d'absorption de l'installation.

[0009] La présente invention utilise les principes généraux de cette demande antérieure à laquelle elle apporte des perfectionnements spécifiques assurant une mise en oeuvre bien plus "performante" et une plus grande souplesse d'emploi.

[0010] A cet effet, 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 conforme à l'invention, du type comprenant au moins un brûleur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisant des "fumées" à température relativement élevée comprenant un premier échangeur pour bouilleur de pompe à chaleur et un deuxième échangeur récupérateur placé en série avec le premier et servant à chauffer ledit fluide, ledit premier échangeur communiquant avec un séparateur dans lequel s'effectue la séparation du "distillat" et du "résidu". de la solution d'absorption à régénérer après travail dans le cycle de l'installation, se caractérise en ce que ledit brûleur comporte une chambre de combustion en contact de laquelle est placé un chemisage qui communique directement avec la partie d'une colonne de séparation formant le séparateur précité, ladite colonne étant placée juste au-dessus et danslaquelle sont introduits les retours de la solution d'absorption à régénérer. Pour des facilités d'expression et de compréhension du texte, on dénommera dans la suite "distillat" la partie plus volatile ou solution "enrichie" de la solution d'absorption après sa régénération et "résidu"'la partie plus lourde constituant la solution "appauvrie" de la solution d'absorption après sa régénération.

[0011] En opérant de la façon ci-dessus indiquée on améliore considérablement les conditions de fonctionnement de l'installation car cela permet non seulement d'améliorer la récupération de la chaleur au niveau du brûleur et au profit de l'installation, mais également d'élever la température de la solution d'absorption à régénérer et d'améliorer simultanément l'efficacité de la séparation, donc le rendement thermique du cycle d'absorption.

[0012] Avantageusement ledit chemisage est divisé en deux chambres contiguës,la première dans laquelle sont admis lesdits retours de la solution à régénérer avant d'être introduits dans ladite colonne de séparation, la seconde qui communique directement avec la solution présente à la base de ladite colonne par au moins une large ouverture favorisant les échanges thermiques par thermosiphon, une telle conception de la construction, de technique simple assurant naturellement et automatiquement un excellent chauffage homogène de la solution d'absorption à régénérer directement au niveau de la base de la colonne de séparation.

[0013] D'autres caractéristiques objets et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une installation-conçue--selon l'invention,

la figure 2 montre de façon plus détaillée une partie de l'installation comprenant le brûleur et la colonne de séparation,

la figgre 3 est une vue en coupe verticale montrant une des parties de l'installation constituant le "déflégmateur;"

la figure 4 est une vue par dessus faite selon la flèche IV de la figure 3,

la figure 5 montre de façon schématique en vue par devant avec arrachements partiels un mode de regroupement préféré des principaux organes de l'installation,

là figure 6 montre en vue par dessus et schématiquement l'implantation des différents organes de l'installation visibles à la figure 5.

[0014] On se reportera tout d'abord à la figure 1 illustrant le schéma d'ensemble d'une installation conçue selon l'invention.

[0015] Selon ce schéma l'installation comprend essentiellement le cycle de la pompe à absorption comprenant le bouilleur-régénérateur 1, le condenseur 2, le détenteur 3, l'évaporateur 4, l'absorbeur 5, une pompe de circulation 6 pour la solution, un échangeur de chaleur 7 et un échangeur supplémentaire 8.

[0016] Le bouilleur régénérateur 1 se compose quant à lui essentiellement d'un brûleur avec sa chambre de combustion 9 comportant à sa suite deux échangeurs de chaleur respectivement 10 et 11 constitués par deux bitubes montés en série, le tube intérieur 12 commun au deux échangeurs étant parcouru par les fumées produites dans la chambre de combustion 9 et qui s'échappent en 13 à la cheminée (non représentée).

[0017] Le bouilleur régénérateur 1 comprend en outre une colonne 14 de séparation qui reçoit après leur chauffage notamment dans l'échangeur de chaleur 10 et au niveau de la partie 20 du chemisage 15 entourant la chambre de combustion 9 des retours de la solution à régénérer provenant de l'absorbéur 5. Le bouilleur régénérateur 1 comprend encore un appareil dit déflegmateur 16 qui reçoit les distillats produits en tête de la colonne de séparation 14 en vue de leur assèchement afin d'améliorer le rendement du cycle d'absorption.

[0018] L'installation étant ainsi décrite dans son ensem- le, on se reportera maintenant aux figures 2,3 et 4 à l'aide desquelles on décrira plus en détail certains appareillages spécifiques utilisés dans l'installation.

[0019] En se référant tout d'abord à la figure 2 on décrira la constitution du brûleur 9 entouré de son chemisage 15 en liaison avec la colonne 14 de séparation.

[0020] Le brûleur (non représenté) dont on a seulement schématisé la flamme èn 16 comprend une chambre de combustion 17 entourée d'un chemisage 15. Dans l'exemple de réalisation illustré le chemisage 15, est divisé par une cloison 18 en deux chambres respectivement 19 et 20. La chambre 19 est en communication par deux conduits de section relativement importante 21, 22 avec la base de la colonne 14. De cette façon il s'établit sous l'effet du chauffage qui s'opère dans la chambre de combustion 17 une circulation efficace en thermosiphon de la solution à régénérer présente jusqu'au niveau repéré 23 à la colonne 14. On obtient ainsi une bonne homogénéisation de la température de la solution à régénérer dans la colonne 14.

[0021] La plus grande partie du chemisage 20 entourant la chambre de combustion 17 reçoit, comme il apparaitra plus clairement plus loin les retours de la solution d'absorption provenant de l'absorbeur 5 et après qu'ils auront traversé l'échangeur de chaleur 10 en vue de leur admission par le conduit 24 dans la colonne 14. De cette façon on obtient un chauffage plus efficace et à plus haute température de la solution d'absorption améliorant le processus de régénération de la qualité duquel dépend en grande partie le rendement du cycle d'absorption.

[0022] Comme il apparaît à la figure 2 le conduit 24 débouche par son orifice supérieur en 25 sensiblement à mi-hauteur de la colonne 14, laquelle comporte un certain nombre de chicanes 26, 27, 28 formant plateaux simplifiés de distillation dans cette colonne. Ainsi est obtenué une séparation plus efficace entre le "distillat" et le "résidu" séparés dans cette colonne à partir de la solution d'absorption provenant de l'absorbeur 5. Ainsi est également réduit l'entraînement par le distillat de fractions de résidus liquides sous forme de fines gouttelettes.

[0023] Le résidu liquide sort de la colonne de séparation par le conduit 29 en base de colonne, tandis que le distillat sort en haut de colonne par le conduit 30.

[0024] ,On se référera maintenant aux . figures 3 et 4 pour décrire la réalisation du "déflegmateur".

[0025] Les distillats sortant de la colonne 14 par le conduit 30 entrent dans le déflegmateur 16 à la partie supérieure d'un volume 31 ménagé entre la paroi 32 cylindrique circulaire verticale du déflegmateur 16, et une paroi 33 concentrique plus interne. A.1 'intérieur du volume 31 est également disposée une hélice tubulaire 34 dans laquelle circule comme indiqué par les flèches le fluide à chauffer formant fluide réfrigérant pénétrant dans le déflegmateur par le conduit 35 et en sortant par le-conduit 36 qui forme le départ chauffage de l'installation.

[0026] Les distillats introduits en 30 dans le déflegmateur sont donc canalisés selon un trajet hélicoïdal périphérique descendant à contre-courant avec le fluide à chauffer parcourant l'hélice 34 et débochentvers la base de l'appareillage dans le volume repéré 37. Les distillats subissent ainsi à la fois un effet de centrifugation et un effet de réfrigération qui tendent à condenser les parties de résidu entrainées avec . les distillats et à les séparer des distillats plus légers. Dans ces conditions, les résidus condensés s'échappent du déflegmateur par le conduit 38 situé à la base de l'appareil tandis que les distillats sous forme gazeuse s'échappent de l'appareil par le conduit 39 dont le débouché est placé en 40 en partie haute de l'appareil.

[0027] Comme il apparaît à la figure 1 les résidus séparés et recueillis en.38 dans le déflegmateur sont retournés à la colonne de séparation 14 vers la partie haute de cette colonne. De cette façon, on améliore très notablement la séparation de la solution d'absorption en ses distillats légers et résidus lourds, ce qui améliore le fonctionnement du cycle d'absorption.

[0028] En faisant référence maintenant aux figures 5 et 6, on aperçoit une implantation particulièrement efficace sur le plan thermique et commode sur le plan de la compacité de l'installation.

[0029] On voit que la colonne de séparation 14, le déflegmateur 16, les échangeurs de chaleur 7 et 8 ont tous été logés à l'intérieur des deux hélices bitubes constituant l'échangeur de chaleur 10 pour le bouilleur de la pompe à chaleur et l'échangeur de chaleur 11 formant récupérateur de chaleur pour le fluide 'à chauffer. De cette façon sont améliorés les échanges thermiques dans l'installation, tous les échangeurs "chauds" étant placés à l'intérieur des deux échangeurs chauds 10,11.

[0030] L'absorbeur 5 et le condenseur 2 trouvent leur place à l'extérieur des échangeurs 10,11, l'ensemble de l'installation, à l'exclusion de l'évaporateur 4 pouvant ainsi être logé dans une enveloppe formant habillage extérieur (non représentée)

[0031] En faisant maintenant référence plus particulièrement aux figures 1 et 5, on décrira le fonctionnement de l'installation et les différents circuits de circulation.

1) Circulation des distillats formant fluide calo- gène.

[0032] Les distillats sont produits comme mentionnés ci-dessus dans la colonne de séparation 14 à partir de la solution d'absorption provenant de la colonne d'absorption 5. Les distillats s'échappent en tête de la colonne 14 par le conduit 30 pénétrant dans le déflegmateur 16. Après passage dans le déflegmateur qui assure la centrifugation et un refroidissement à contre courant avec le fluide à chauffer, les distillats débarrassés de leur "humidité" (les parties lourdes de "résidu" entrainées étant retournées à la colonne 14 par le conduit 38) sont amenés par le conduit 39 à l'intérieur du condenseur 2 refroidi à contre-courant par le circuit de fluide à chauffer dans lequel s'effectue la condensation. Les distillats condensés sont alors admis par le conduit 41 dans le détendeur 3 dans lequel s'effectue leur détente et refroidissement consécutif. Ils se réchauffent dans l'évaporateur 4 qui peut être un échangeur -à air échangeant de la chaleur avec le milieu ambiant ou par exemple à eau échangeant de la chaleur avec une eau résiduaire. C'est au niveau de cet appareil, comme il est connu que s'effectue l'emprunt de la chaleur au milieu extérieur. Les distillats ainsi détendus réchauffés à la sortie de l'évaporâteur 4 pénètrent par le conduit 43 en haut de la colonne d'absorption 5. Dans cette colonne, les distillats sont absorbés par les résidus lourds amenés par le conduit 44 dans l'absorbeur etauxquels ils se mélangent en libérant de la chaleur, laquelle est échangée en partie avec le fluide à chauffer comme il sera décrit ci-après en relation avec ce circuit. La solution de mélange quitte l'absorbeur par le conduit 45 d'où elle est reprise par la pompe 6 pour être ramenée après traversée de l'échangeur de chaleur 7 en contre courant avec les résidus chauds provenant de la colonne 14, avant de pénétrer dans l'échangeur 10 puis la chambre 20 formée autour de la chambre de combustion 17 avant d'être introduite dans la colonne de séparation 14 par le conduit 24.

2) Circulation des résidus.

[0033] Les résidus du cycle d'absorption quittant la base de la colonne 14 par le conduit 29 sont amenés par un circuit repéré 46 dans l'échangeur 7 en contre-courant avec la solution à régénérer qu'ils réchauffent. En suite de quoi les résidus passent par le conduit 47 dans l'échangeur de chaleur supplémentaire 8 lequel est refroidi à contre courant par le circuit du fluide à chauffer. A la sortie de l'échangeur 8 les résidus refroidis pénètrent par le conduit 44 en tête de la colonne d'absorption 5 pour s'y mélanger avec les distillats amenés à la colonne par le conduit 43.

3) Circulation du fluide à chauffer.

[0034] L'entrée froide dû fluide à chauffer qui peut constituer par exemple les retours froids d'un chauffage central s'effectue en 48 à l'extrémité de l'échangeur 11 par lequel sont évacuées les fumées 13 de l'installation. En 49 est figurée l'évacuation des condensats provenant des fumées, la température des retours froids permettant généralement de récupérer au moins une grande partie de la chaleur de condensation des fumées.

[0035] A la sortie de l'échangeur 11 le fluide de chauffage gagne par un conduit,49 l'absorbeur 5, ce qui permet un refroidissement optimal des condensats améliorant les conditions de travail du cycle d'absorption. Après l'absorbeur 5 le fluide de chauffage est amené par un conduit 50 dans l'échangeur de chaleur 8, ce qui dans la position normale de fonctionnement de l'installation jusqu'à présent décrite permet de récupérer une partie de la chaleur des résidus avant leur entrée dans la colonne d'absorption 5. A la sortie de l'échangeur 8, le fluide à.chauffer gagne par un conduit 51 le condenseur 2 dans lequel s'effectue la plus grande partie de l'apport de chaleur réalisé par le circuit d'absorption. A la sortie du condenseur 2 le fluide à chauffer gagne par un conduit 52 le déflegmateur 16 dans lequel s'effectue une dernière opération de chauffage, laquelle permet comme il a été décrit plus haut d'améliorer l'épuration et la séparation en distillat léger et résidu lourd de la solution d'absorption à la sortie de la colonne d'absorption 5.

[0036] Lorsque les conditions de fonctionnement du cycle d'absorption ne sont pas favorables, c'est-à-dire par exemple lorsque la température de la source froide à laquelle la chaleur extérieure est emprunté esttrop basse, on peut arrêter la fonctionnement du cycle d'absorption, c'est-à-dire le fonctionnement du déflegmateur 16, du condenseur 2,du détendeur 3 et de l'évaporateur 4, ainsi que le fonctionnement de l'échangeur 7 qui est court-circuité par un conduit 53 disposé en parallèle sur l'échangeur 7 et commandé par une vanne 54.

[0037] Dans de telles conditions de fonctionnement, on voit que le fluide à chauffer est chauffé essentiellement dans l'échangeur 11 puis dans l'échangeur 8, lequel est chauffé par le circuit de la solution traversant l'échangeur 10, la base de la colonne 14 le conduit 29, la dérivation 53,1'échangeur 8 et retournant à l'échangeur 10 après traversée de d'absorbeur 5 (qui ne fonctionne plus en tant qu'absorbeur) et le conduit de retour 45 via la pompe de circulation 6.

[0038] De la description qui précède, il apparaît que l'installation conçue selon l'invention et utilisant des appareillages simples et peu nombreux présente une très grande souplesse d'emploi, autorise une grande compacité de construction, et permet le fonctionnement de l'installation avec mise hors circuit ou en circuit selon les conditions les plus favorables du cycle d'absorption formant pompe à chaleur. En outre dans son fonctionnement associé à la pompe à chaleur, l'installation permet d'obtenir des rendements améliorés par rapport aux installations connues, grâce à une meilleure séparation des distillats et résidus produits dans le cycle d'absorption, permettant de meilleurs rendements de ce cycle et parallèlement une meilleure récupération de la chaleur latente - et de condensation des fumées et également latente et de condensation au niveau du cycle d'absorption et notamment des distillats dans la colonne de séparation 14 et dans le déflegmateur 16.

Revendications

1. 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 (9) à combustible solide, liquide et/ou gazeux produisantdesfumées" à température relativement élevée comprenant un premier échangeur (10) pour bouilleur de pompe à chaleur et un deuxième échangeur récupérateur (11) placé en série avec le premier et servant à chauffer ledit fluide, ledit premier échangeur (10) communiquant avec un séparateur (14) dans lequel s'effectue la séparation du "distillat" et du "résidu" de la solution d'absorption à régénérer après travail dans le cycle de l'installation, ladite installation étant caractérisé en ce que ledit brûleur (9) comporte une chambre de combustion (17) en contact de laquelle est placé un chemisage (15) qui communique directement avec la partie d'une colonne de séparation (14) formant le séparateur précité, ladite colonne étant placée juste au dessus et dans laquelle sont introduits les retours de la solution d'absorption à régénérer.

2. Installation selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit chemisage (15) est divisé par une paroi (18) en deux chambres contiguës(19,20), la première (20) dans laquelle sont admis lesdits retours de la solution à régénérer avant d'être introduits dans ladite colonne de séparation (14); la seconde (19) qui communique directement avec la solution présente à la base de ladite colonne (14) par au moins une large ouverture (21, 22) favorisant les échanges thermiques par thermosiphon.

3. Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ce que ladite chambre de combustion (17) étant sensiblement cylindrique circulaire, ledit chemisage (15) est disposé annulairement autour de cette chambre.

4. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la colonne de séparation (14) est de forme générale cylindrique verticale comportant un certain nombre de chicanes (26-28) disposées sensiblement horizontalement formant une colonne à plateaux simplifiée.

5. Installation selon l'une des revendications précédentes caractériséeen ce qu'elle comporte à la sortie de la colonne de séparation (14) sur le trajet (30) des distillats séparés dans la colonne un appareil (16) dit déflegmateur assurant un assèchement au moins partiel des distillats, les parties liquides séparées dans le déflegmateur étant retournées (en 38) à la dite colonne de séparation (14).

6. Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que le déflegmateur (1₆) comprend un ballon sensiblement cylindrique à axe vertical comportant au moins un trajet hélicoïdal périphérique descendant dans lequel sont introduits lesdits distillats, ledit trajet étant disposé en échange thermique de chaleur avec un fluide réfrigérant tel notamment que ledit'fluide à chauffer.

7. Installation selon la revendication 6 caractérisée en ce que ledit trajet hélicoïdal est formé entre la paroi interne (32) dudit ballon et une paroi plus interne concentrique (33) ménageant entre elles un espace annulaire, et une hélice tubulaire (34) placée dans cet espace annulaire et dans laquelle circule ledit fluide réfrigérant.

8. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que sur le trajet des "résidus" sortant de la colonne de séparation (14)est placé un échangeur de chaleur (7) dans lequel sont admis à contre courant les retours de la solution à régénérer après passage dans l'unité d'absorption (5).

9. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'il est prévu un échangeur de chaleur supplémentaire (8) dans lequel sont admis à contre courant le fluide à chauffer et les"résidus" avant leur entrée dans l'unité d'absorption (5).

10. Installation selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il est prévu un circuit de dérivation (53) court-circuitant l'échangeur de chaleur (7) entre "résidus" et retours de la solution d'absorption pour le fonctionnement de l'installation avec mise hors fonction du cycle d'absorption.

11. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la colonne de séparation (14), les échangeurs de chaleur (7,8) et le déflegmateur (16) sont logés au centre d'une hélice à axe vertical formant le premier et le second échangeur (10,11) de chaleur précités placés sur le circuit des fumées.

Dessins