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La présente invention a pour objet des perfection-
nements ~ une installation de chauffage épuipée d'une pompe
à chaleur à absorption.
Dans certaines installations de chauffage d'un
5 fluide, tel par exemple que de l'eau, en particulier pour le
chauffage de bâtiments et la production d'eau chaude sanitai-
re, installations comprenant au moins un brûleur à combustible
solide, liquide et/ou gazeux produisant des ".fumées" ~ tempé-
rature relativement élevée, on utilise parfois une pompe à
10 chaleur ~ 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 cy- -
cle d'absorption de la pompe à chaleur de façon à séparer les
15 constituants de la solution et régénérer le fluide d'absorp-
tion utilisé dans le cycle.
Au niveau de l'échange de chaleur fumées/solution
d'absorption ~ régénérer, le rendement est médiocre du fait
que compte tenu des conditions de l'échange thermique les fu-
2n mées quittent l'installation à une température gén~ralement
--. élevée supérieure à 200~C entrainant à la cheminée de grandes
quantités d'énergie qui sont perdues.
Dans -a plupart des cas cette situation défavora-
ble est toléré car au niveau du cycle de la pompe ~ chaleur
on récupère dans le milieu ambiant au niveau de l'évaporateur
du cycle net~ement plus d'~nergie qu'on en a laissé échapper
à la cheminée, de sorte que le rendement global de l'instal-
lation apparait relativement bon. Ceci n'est cependant vrai
que si les conditions de fonctionnement de l'évoporateur sont
satisfaisantes, c'est-à-dire généralement si le niveau de la
'souEce froide" dans laquelle est "pompée" la chaleur délivrée
à l'installation est suffisamment élevé .Ce phénomène bien
connu conduit du reste les installateurs ~ installer en paral-
lèle sur l'installation de chauffage ~quipée d'une pompe ~
chaleur une chaudière de type classique qui chauffera direc-
- ~ tement le fluide à chauffer lorsque les conditions d'exploi-
tation de la source froide seront défavorables (généralement
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~_ 2
par temps froid plus particulièrement si l'évaporateur
emprunte sa chaleur à l'air ambiant).
De façon à reduire les pertes de chaleur a la
cheminee, il a egalement eté propose de disposer des
echangeurs recuperateurs de chaleur sur le circuit des
fumees, lesquels echangeurs recuperateurs 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'amenagement de circuits d'échange, néces-
sitant 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 tente de
recuperer.
Dans le brevet français No. 2.536.513 delivre
le 12 juillet 1985 au nom du Demandeur et dont la deman-
de a eté mise a la disposition du public le 25 mai 1984,
on a propose une installation perfection~epermettant de
resoudre certaines des difficultes exposees.
A cet effet dans ce brevet anterieur, l'echan-
geur pour bouilleur de pompe à chaleur comprend deux
etages disposés en série, le premier formant bouilleur
servant à porter à temperature adequate la solution
d'absorption, le second formant recuperateur servant
à rechauffer le fluide de chauffage au voisinage de son
entree dans l'installation. Les deux echangeurs sont
constitués de façon originale par deux bitubes disposes
en serie, le tube interieur des deux bitubes servant de
passage de sortie pour les fumees produites dans la
chambre de combustion de l'installation. En outre une
connexion est prevue au niveau du premier echangeur à
l'endroit où la solution à régénérer quitte cet
.. .
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-2a-
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
S de ces deux solutions séparées dans le cycle d'absorp-
tion de l'installation.
La présente invention utilise les principes
généraux de ce brevet antérieur à laquelle elle apporte
. ..'~
.
. _
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des perfectionnements spécifiques as.surant une mise en oeuvre
bien plus "performante" et une plus grande souplesse d'emploi.
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
5 conforme ~ l'invention, du type comprenant au moins un brû-
leur à combustible solide, liquide et/ou gazeux produis,ant
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 prèmier
10 et servant à chauffer ledit fluide, ledit:premier échangeur
communiquant avec un s~parateur dans lequel s'effectue la
séparation du "distillat" et du "résidu" de la soiution
d'absorption à régénérer après travail dans le cycle de l'ins-
tallation, se caractérise en ce que ledit brûleur comporte une
-chambre de combustion en contact de laquelleest placé un
- chemisage qui communique directement avec la partie d'une co-
- lonne 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.
~ 20 Pour des facilités d'expression et de compréhension du texte,
on dénomme~a dans la suite "distillat" la partie plus volatile
ou solution "enrichie" de la solution d'absorption après sa
r~égénération et "résidu"~la partie plus lourde constituant la
solution "appauvrie" de la solution d'absorption après sa
25 regénération
En opérant dela façon ci-dessus indiquée on am~liore
consid~rablement les conditions de fonctionnement de l'instal-
lation car cela permet non seulement d'améliorer la récupéra-
tion de la chaleur au niveau du brûleur et au profit de l'ins-
30 tallation, mais également d'élever la température de la solu-
~ tion d'absorption à régénérer et d'améliorer simultanément
l'efficacité de la séparation, donc le rendement thermique du
cycle d'absorption.
Avantageusement ledit chemisage est divisé en deux
~ 35 chambres contiguës,la première dans laquelle sont admis
lesdits retours de la solution à régénérer avant d'être intro-
duits dans ladite colonne de séparation, la seconde qui
~ .
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communique directement avec la solution présente à la base
de ladite colonne par au moins une large ouverture favorisant
les échanges thermiques par thermosi-phon~ une telle conception
de la construction, de technique simple assurant naturellement
et automatiquement un excellent chauffage homogène de la so-
5 lutio~ d'absorption ~ régén~rer directement au niveau de labase de la colonne de séparation.
D'autres caractéristiques objets et avantages de
- - llinvention apparaitront plus clairement à llaide de la --
description qui va suivre faite en référence aux dessins
10 annexés dans lesquels :
la figure 1 est un schéma dlensemble d'une installa-
tion conçue selon l'invention,
la figure 2 montre de façon plus détaillée une
partie de l'installation comprenant le brûleur et la colonne
15 de séparation~
- la figu~e 3 est une vue en coupe verticale montrant
- une desF~rties 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 sch~matique en vue par
dévant avec arrachements partielsun mode de regroupement
préféré des principaux organes de llinstallation,
la figure 6 montre en vue par dessus et schématique-
ment l'implantation des différents organes de-l'installation
25 visibles à la figure 5.
On se reportera tout d'abord ~ la figure 1 illustrant
le sch~ma d'ensemble d'une installation conçue selon l'inven-
tion.
Selon ce schéma l'installation comprend essentiel-
30 lement le cycle de la pompe ~ absorption comprenant le bouil-
leur-régénérateur 1, le condenseur 2, le détenteur 3, l'~va-
porateur 4, l'absorbeur~- 5, une pompe de circulation 6 pour
la solution, un échangeur de chaleur 7 et un échangeur supplé-
mentaire 8.
Le bouilleur régénérateur 1 se compose quant ~ lui
essentiellement d'un brûleur avec sa chambre de combustion 9
comportant ~ sa suite deux ~changeurs de chaleur respective-
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ment 10 et 11 constitués par deux bitubes montés en série, le
tube intérleur 12 commun au deux.échangeurs étant parcouru
par les fumées produites dans la chambre de combustion 9 et
qui s'échappent en 13 ~ la cheminée (non représentée).
Le bouilleur régénérateur 1 comprend en outre une
colonne 14 de séparation qui reçoit après leur chauffage
notAmm~nt dans 1'échangeurd~h~lelr10etauniveaudelapartie 20 du
chemisage 15 entourant la chambre de combustion 9 des retours
de la solution à régénérer provenant de l'absorbeur- 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.
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.
En se référant tout d'abord à la figure 2 on décri-
ra la constitution du brûleur 9 entouré de son chemisage 15
en liaison avec.la colonne 14 de séparation.
Le brûleur (non représenté) dont on a seulement
schématisé la flamme en 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 commu-
nication 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'opere dans la cha~m-
bre de combustion 17 une circulation efficace en thermosiphon
de la solution à régénérer présente jusqu'au niveau rep~r~
23 à la colonne 14. On obtient ainsi une bonne homog~n~sation
de la température de la solution à régénérer dans la colonne
14.
La plus grande partie du chemisage 20 entourant la
chambre de combust-ion 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'~changeur de chaleur 10 en vue de leur admission par le
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.
conduit 24 dans la colonne 14. De cette faSon on obtient un
chauffage plus efficace et à plus haute température de la
solution d'absorption améliorant le processus de régén~ration
de la qualit~ duquel dépend en grande partie le rendement du
cycle d'absorption.
Comme il-appara~t à la figure 2 le conduit 24 dé-
bouche par son orifice supérieur en 25 sensiblement ~ mi-hau-
teur de la colonne 14, laquelle comporte un certain nombre de
chicanes 26, 27, 28 formant plateaux simplifiés de distilla-
tion dans cette colonne. Ainsi est obtenue une séparation
plus efficace entre le "distillat" et le "résidu" séparés
dans cette colonne--à-partir de la solution d ! absorption-pro-
venant de l'absorbeur 5. Ainsi est également réduit l 'entrai-
nement par le distillat de fractions de résidus liquides sous
forme de fines gouttelettes.
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.
.On se référera maintenant aux figur~s 3 et 4 pour
décrire la réalisation du "déflegmateur".
Les distillats sortant de la colonne 14 par le con-
duit 30 entrent dans le déflegmateur 16 à la partie supérieure
d'un volume 31 menagé entre la paroi 32 cylindri~ue circulaire
verticale du déflegmateur 16, et une paroi 33 concentrique
plus interne. A l 'interieur du volume 31 est également dispo-
sée une h~lice tubulaire 34 dans laquelle circule comme indi-
qué par les flèches le fluide a chauffer formant fluide réfri-
gérant pénétrant dans le déflegmateur par le conduit 35 et en
sortant par le--con~ll;t 36 qui forme le départ chauffage de l'ins-
tallation.
Les distillats introduits en 30 dans le déflegmateur
sont donc canalisés selon un trajet hélicoidal périphérique
descendant ~ contre-courant avec le fluide ~ chauffer parcou-
rant 1'h~lice 34-et débo~hentvers la base de 1'appareillage
dans le volume repéré 37. Les distillats subissent ainsi à la
fois un effet de centrifugation et un effet de réfrigération
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qui tendent à condenser les parties de résidu entrainées avec .
les distillats et à les séparer des disti,llats plus l~gers.
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 plac~ en
40 en partie haute de l'appareil.
Comme il appara~t à la figure 1 les résidus sépar~s
et recueillis en-38 dans le déflegmateur sont retournés à la
colonne de séparation 14 vers la partiè haute de cette colonne.
De cette façon, on améliore très notable~ent la s~paration
de la solution d'absorption en ses distillats légers et rési-
dus-lourds~ ce qui--améliore le fonctionne,ment~du-cye-le-- -
d'absorption.
En faisant référence maintenant aux figures 5 et 6,
on aperçoit une implantation particulièrement efficace sur le
plan thermique et commode sur-le ~an de la compacité de
l'installation.
- On voit que la colonne de séparation 14, le défleg-
mateur 16, les échangeurs de chaleur 7 et 8 ont tous été
logés ~ 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 récup~rateur de
chaleur pour le fluidei~ chauffer. De cette façon sont amé-
liorés les échanges thermiques dans l'installation, tous les
échangeurs "chauds" étant placés à l'intérieur des deux échan-
geurs chauds i0,11.
L'absorbeur 5 et le condenseur 2 trouvent leur
place ~ l'extérieur des échangeurs 10,11, l'ensemble de
l'installation, ~ l'exclusion de l'évaporateur 4 pouvant
ainsi être logé dans une enveloppe formant habillage ex-
térie~r (non représentée).
- lZ51699
,
En faisant maintenant référence plus particulière-
ment 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.
Les distillats sont produits comme mentionnés ci-
dessus dans la colonne de séparation 14 à partir de la solu-
tion d'absorption provenant de la colonne d'absorption 5.
Les distillats s'échappent en tête.de la colonne 14 par le
conduit 30 pénëtrant dans le déflegmateur 16. Après passage
10 dans le déflegmateur qui assure la centrifugation et un re-
- f~oidissement à contre courant avec le fluide à chauffer, les
distil-lats débarr~ssés_de--leu-r---"humidit-é"~ es parti~s lourdes
de "résidu" entrainées étant retournées à la colonne 14 par
- le conduit 38) sont amenés par le conduit 39 à l'intérieur
15 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'évapora-
- 20 teur 4 qui peut être un échangeur à air échangeantde la cha-
leur avec le milieu ambiant ou par exemple à eau échan~ant de
la chaleur avec une eau résiduaire. C'est au niveau de cet
appareil, comme il est.connu que s'effectuel'emprunt-~-. de la
chaleur au milieu extérieur. Les distillats ainsi détendus
25 réchauffés à la sortie de l'évaporateur 4
p~nètrent par le conduit 43 en haut de la colonne
d'absorption 5. Dans cette colonne, les distillats sont absor-
bés par les résidus lourds amenés par le conduit 44 dans
l'absorbeur et~ ils-se~m~langent en libérant de la chaleur,
30 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'o~ elle est reprise par la pompe 6 pour être ramenée après
traversée de l'~changeur de chaleur 7 en contre courant avec
35 les résidus chauds provenant de la colonne 14, avant de péné-
trer dans l'échangeur 10 puis la chambre 20 formée autour de
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- la chambre de combustion 17 a~ant d'être introdui~ dans la
colonne de séparation 14 par le conduit 24.
2) Circulation des résidus.
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 solu-
tion a régénérer qu'ils réchauffent. .Ensuite de quoi les
résidus passent par le conduit 47 dans l'échangeur de chaleur
suppl~mentaire 8 lequel est re~roidi a contre courant par
le circuit du fluide ~ chauffe,r. A la sortie de l'échangeur
8 les résidus refroidis p~n~trent par le conduit 44 en tête
de la colonne d'absorption 5 pour s'y mélanger avec les
distillats amenés ~la-col-onne-par le-conduit-~3. --
3) Circulation du fluide à chauffer.
L'entrée froide du fluide a chauffer qui peutconstituer par exemple les retours froids d'un chauffage
central s'effectue en 48 ~ 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
- 20 de récupérer au moins une grande partie de la chaleur de con-
densation des fumées.
A la sortie de l'échangeur 11 le fluide de chauffa-
ge gagne par un conduiti49 l'absorbeur 5, ce qui permet un
. refroidissement optimal des condensats améliorant les condi-
tions 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 per-
met 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 ~ chauffer gagne par un conduit 5~.
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 ~ chauffer gagne par
un conduit 52 le déflegmateur 16 dans lequel s'effectue une
dernière opération de chauffage, laquelle permet comme il a
ét~ décrit plus haut d'améliorer l'épuration et la séparation
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1 0
en distillat léger et résidu lourd de la solution d'absorption
à la sortie de la colonne d'absorption 5.
Lorsque les conditions de fonctionnement du cycle
d'absorption ne sont pas favorables, c'est-~-dire par exemple
lorsque la température de la source froide à laquelle la cha-
5 leur,extérieure est emprunté' esttrop.~basse, on peut arrêterla fonctionnement du cycle d'absorption, c'est-à-dire le
fonctionnement du déflegmateur 16Jdu 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 dispos~
en parallèle sur l'échangeur 7 et command~ par une vanne 54.
Dans de telles conditions de fonctionnement, on voit
que le fluide à chauffer est chauffé essentiellement dans
' l'échangeur 11 puis dans l'ëchangeur 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'échan-
geur 8 et: retoumantà l'échangeur 10 après traversée de
. d'absorbeur 5 (qui ne fonctionne plus en tant qu'absorbeur)
et le condyit de retour 45 via la pompe de circulation 6.
De la description qui préc~de, il apparait que '
20 l'insta~lation consue selon l'invention et'utilisant des
appareillagessimples et peu nombreux présente une très grande
souplesse d'emploi, autorise une grande compacité de construc-
tion, et permet le fonctionnement.de l'installation avec mise
hors circuit ou en circuit selon les conditions les plus fa-
25 vorables du cycle d'absorption'formant pompe à chaleur.En outre dans son fonctionnement associ~ à la pompe à chaleur,
l'installation permet d'obtenir des rendements améliorés par
rapp,ort aux'installations connues, grâce à une meilleure
séparation des distillats et résidus produits dans le cycle
30 d'absorption, permettant de meilleurs rendements de ce cycle
et paral~èlement,une,meilleure récupération de la chaleur
~ latente-- et de condensation des fum~es et également latente et
de condensation au niveau du cycle d'absorption et notamment
des distillats dans la colonne de s~paration 14 et dans le
35 déflegmat,eur 16.
