FR2497333A1 - Procede et dispositif d'echange de chaleur par contact direct - Google Patents

Procede et dispositif d'echange de chaleur par contact direct Download PDF

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Bernard Duret
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/025—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material being in direct contact with a heat-exchange medium or with another heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
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Abstract

LA PRESENTE INVENTION A POUR OBJET UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF D'ECHANGE DE CHALEUR PAR CONTACT DIRECT. DANS UN PREMIER ECHANGEUR 3, UN FLUIDE PRIMAIRE CHAUD 2 EST AMENE EN CONTACT DIRECT AVEC UN MATERIAU SOLIDE 6 TRES FUSIBLE SE PRESENTANT SOUS FORME DIVISEE AFIN DE FAIRE FONDRE CE DERNIER QUI SE RASSEMBLE PAR GRAVITE A UNE EXTREMITE DE L'ECHANGEUR 3 AVANT D'ETRE REPRIS PAR UNE POMPE 7 QUI LE PULVERISE DANS UN DEUXIEME ECHANGEUR 9 OU IL EST MIS EN CONTACT DIRECT AVEC UN FLUIDE SECONDAIRE FROID 11: CE DERNIER SE RECHAUFFE TANDIS QUE LE MATERIAU 6 SE SOLIDIFIE SOUS FORME DE FINES PARTICULES QUI SONT SEPAREES DU FLUIDE SECONDAIRE 11 AVANT D'ETRE RECYCLEES DANS LE PREMIER ECHANGEUR 3. APPLICATION AU CHAUFFAGE DES BATIMENTS PAR GEOTHERMIE.

Description

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'échange de chaleur par contact direct.
Dans la plupart des applications où l'on utilise un liquide chaud pour réchauffer un liquide froid, l'échange de chaleur se fait à travers des parois métalliques comme dans le cas des échangeurs à plaques par exemple. De tels systèmes présentent des inconvénients notamment dans le cas où le liquide chaud est chargé de produits corrosifs : c'est le cas notamment des eaux d'origine géothermique qui sont fortement chargés en sels minéraux et en hydrogène sulfuré. Pour eviter la destruction des échangeurs par corrosion, on est obligé d'utiliser des aciers spéciaux ou du titane, ce qui en augmente considérablement le coat ; de plus, on n'évite pas l'encrassement des échangeurs par dép8t de ces différents produits et l'échange de chaleur se fait beaucoup plus difficilement.
Pour pallier ces inconvénients, on a utsli- sé des systèmes liquide/ liquide dans lesquels le premier liquide chaud est mis en contact direct avec un liquide intermédiaire qui se réchauffe : celui-ci est ensuite mis en contact direct avec le fluide froid pour réchauffer ce dernier avant d'entre recyclé.
Cependant, si on évite les problèmes de corrosion et d'encrassement, de telles installations ont des dimensions importantes et sont encore assez coûteuses.
La présente invention a justement pour objet un procédé qui remédie à ces défauts en utilisant un matériau intermédiaire qui subit des changements d'état liquide/solide.
Selon la principale caractéristique du procédé objet de l'invention, celui-ci consiste - à amener un premier fluide chaud, dit "fluide pri
maire" en contact direct avec un matériau solide
très fusible se présentant sous forme divisée, de
manière à fondre ce dernier tandis que le fluide
primaire se refroidit, - a pulvériser le matériau fondu et à l'amener en
contact direct avec un deuxième fluide froid, dit
"fluide secondaire" afin de réchauffer ce dernier
tandis que le matériau se solidifie sous forme de
fines particules, et - à séparer le matériau solidifié du fluide scondai-
re avant de le recycler.
Les changements d'état du matériau inter maire absorbent ou libèrent une grande quantité de chaleur sans qu'il y ait variation de température de celui-ci : par rapport aux systèmes dans lesquels le matériau intermédiaire reste à l'état liquide, un volume plus faible est suffisant pour stocker le même nombre de calories.
D'autre part, le fait que le matériau intermédiaire se présente sous forme divisée, soit de gouttelettes, soit de particules solides augmente la surface de contact et favorise les échanges de chaleur. Il en résulte que les installations sont moins encombrantes et, partant, moins couveuses.
I1 est bien entendu qu'il n'y a pas de contact direct entre le fluide primaire chaud et le fluide secondaire à réchauffer mais uniquement entre chacun des deux fluides et le matériau intermédiaire utilisé pour le transfert de chaleur : c'est en ce sens qu'il faut entendre l'expression "échange de chaleur par contact directs par opposition aux systèmes dans lesquels l'échange de chaleur se fait indirectement à travers une paroi.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé évoqué ci-dessus.
Selon la principale caractéristique de ce dispositif, celui-ci comprend - un circuit dans lequel circule le fluide primaire, - un premier échangeur dans lequel le matériau fond
au contact du fluide primaire chaud et se rassemble
par gravité à une extrémité dudit échangeur, - un deuxième échangeur dans lequel le matériau fondu
préalablement pulvérisé se solidifie au contact du
fluide secondaire froid, - un circuit à travers lequel le matériau fondu passe
du premier échangeur au deuxième échangeur, - une pompe permettant de pulvériser le matériau fon
du et de le faire circuler à travers ledit circuit, - un circuit dans lequel circule le fluide secondai
re, - un séparateur permettant de séparer les particules
du matériau solidifié du fluide secondaire et de le
recycler dans le premier échangeur.
D'autres caractéristiques et variantes de l'invention apparattront à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, à l'aide du dessin annexé, lequel comporte une figure unique représentant une vue schématique du dispositif objet de l'invention.
Sur la figure, on voit un circuit 1, dans lequel circule le fluide primaire 2, par exemple de l'eau d'origine géothermique. Celle-ci arrive chaude dans le premier échangeur 3 par l'entrée 4 et en ressort froide par la sortie 5. Dans l'échangeur 3 est introduit un matériau très fusible 6, qui peut être du paradichlorobenzène, et se présente sous forme de fines particules solides. Au contact de l'eau chaude, ces particules fondent et se rassemblent par gravité en bas de l'échangeur 3 tandis que l'eau se refroidit avant de quitter l'échangeur 3 par la sortie-5.
Le matériau fondu 6 est ensuite repris par une pompe 7 qui le pulvérise et l'envoie, à travers un circuit 8 dans un deuxième échangeur 9. Un autre circuit 10 permet au fluide secondaire 11 d'arriver froid dans l'échangeur 9 par l'entrée 12 et d'en ressortir réchauffé par la sortie 13.
Dans l'échangeur 9, les gouttelettes du matériau fondu 6 tombent dans le fluide secondaire 11, qui peut être l'eau destinée au chauffage d'un bâtiment. Au contact de cette eau froide, les gouttelettes se solidifient en cédant des calories au fluide secondaire 11 qui se réchauffe avant de quitter l'échangeur 9 par la sortie 13. Les particules solides du matériau 6 se rassemblent en bas de l'échangeur 9 où elles sont reprises avant d'être recyclées dans le premier échangeur 3. Cependant, comme elles entraînent avec elles une partie du fluide secondaire 11, elles passent d'abord dans un séparateur 14 : le fluide secondaire 11 passe dans un circuit 15 avant d'être recyclé dans le circuit 10 tandis que les particules solides du matériau 6 passent dans un circuit 16 d'où elles retombent dans le premier échangeur 3.
I1 est bien entendu qu'il s'agit là d'un mode de réalisation et qu'on peut en imaginer d'autres sans sortir pour autant du cadre de l'invention.
Par exemple, les fluides primaire et secondaire peuvent être des liquides organiques et le matériau intermédiaire un sel liquéfiable. De plus, dans l'exemple décrit ci-dessus, le matériau intermédiaire 6 circule à contre-courant des fluides primaire et secondaire, mais on peut imaginer un dispositif dans lequel il circulerait à co-courant dans l'un ou l'autre des échangeurs 3 et 9.
Le procédé objet de l'invention présente de nombreux avantages. Le fait d'utiliser un matériau fusible en contact direct avec les fluides primaire et secondaire permet non seulement d'éliminer les problèmes d'encrassement et de corrosion, mais de plus les changements d'état mettent en jeu des quantités de chaleur importantes : un faible volume de matériau peut transmettre un nombre important de calories et les installations sont de ce fait beaucoup moins encombrantes et moins coûteuses.
A titre d'exemple, on a comparé les performances d'une installation d'échange de chaleur réalisée selon les deux modes suivants - échangeur par contact direct sans changement 3
d'état : puissance volumique : 250 RW/m3 ; - échangeur par contact direct avec changement 3
d'état : puissance volumique : 1000 KW/m3
On voit donc que, pour la même installation, la puissance volumique est quatre fois plus grande dans le système utilisant les changements d'état que dans le système qui ne les utilise pas le volume des colonnes peut donc être quatre fois plus faible. Quant au coût de l'installation, il est diminué dans un rapport de 2 à 4.
Le procédé et le dispositif objet de l'invention peuvent s'appliquer à toutes les installations d'échange de chaleur en permettant aussi bien de diminuer le prix des installations que de transfé rer de grandes quantités de chaleur dans un volume faible, le choix du matériau intermédiaire étant fonction des conditions de fonctionnement, notamment des conditions de température.

Claims (2)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'échange de chaleur par contact direct, caractérisé en ce qu'il consiste : à à amener un premier fluide chaud, dit "fluide pri
maire" (2) en contact direct avec un matériau soli
de (6) très fusible se présentant sous forme divi
sée, de manière à fondre ce dernier tandis que le
fluide primaire (2) se refroidit, à à pulvériser le matériau fondu (6) et à l'amener en
contact direct avec un deuxième fluide froid, dit
"fluide secondaire" (11) afin de réchauffer ce der
nier tandis que le matériau (6) se solidifie sous
forme de fines particules, et à à séparer le matériau solidifié (6) du fluide se
condaire (11) avant de le recycler.
2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - un circuit (1) dans lequel circule le fluide pri
maire (2), - un premier échangeur (3) dans lequel le matériau
(6) fond au contact du fluide primaire chaud et se
rassemble par gravité à une extrémité dudit échan
geur (3), - un deuxième échangeur (9) dans lequel le matériau
fondu (6), préalablement pulvérisé, se solidifie au
contact du fluide secondaire froid (11), - un circuit (8) à travers lequel le matériau fondu
(6) passe du premier échangeur (3) au deuxième
échangeur (9), - une pompe (7) permettant de pulvériser le matériau
fondu (6) et de le faire circuler à travers le cir
cuit (8), - un circuit (10) dans lequel circule le fluide se
condaire (11), - un séparateur (14) permettant de séparer les parti
cules du matériau (6) solidifié du fluide secondai
re (11) et de le recycler dans le premier échan
geur (3).
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