WO2013005161A1 - Procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent circulant dans une conduite, en particulier d'eaux usées, échangeur de chaleur et matériau pour mettre en oeuvre ce procédé - Google Patents

Procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent circulant dans une conduite, en particulier d'eaux usées, échangeur de chaleur et matériau pour mettre en oeuvre ce procédé Download PDF

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heat
effluent
exchanger
pipe
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Frédéric Duong
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Lyonnaise Des Eaux France
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    • F28F2275/02—Fastening; Joining by using bonding materials; by embedding elements in particular materials

Definitions

  • the invention relates to a method for extracting heat from an effluent circulating in a pipe, in particular a wastewater collector, a method according to which a heat exchanger is installed at least in the bottom of the pipe, baths in the effluent, this heat exchanger being formed by coating tubes with a concrete sufficiently conductive of the heat poured around the tubes intended for the circulation of a heat-transfer fluid, the heat exchange with the effluent of the pipe; effected through the molded coating.
  • Collectors or sewage pipes transport dirty water that is warm or temperate because of their residential or tertiary origin, or their origin from collective or industrial activity. Their temperature is generally between 15 and 20 ° C.
  • the sensible heat of these waters is a source of energy that can be recovered for purposes of building heating, domestic hot water production, or any other thermal use, in combination with a heat pump.
  • the object of the invention is, above all, to propose a method which makes it possible to obtain an exchanger of the kind in question in which the thermal conductive effect and the strength of the exchanger are simultaneously improved.
  • the process for extracting heat from an effluent circulating in a pipe, in particular a wastewater collector, of the kind defined above is characterized in that the concrete of the coating is composed of less than 50% by weight of silicon carbide, a needle load of a heat-conducting and mechanically resistant material, a binder and the balance of alumina, metal powder or carbon.
  • the needle load is preferably greater than 2% by weight.
  • the needles may be metal, especially carbon steel or aluminum, or may be carbon.
  • the diameter of the needles is preferably less than five tenths of a millimeter, and the length of the needles is preferably less than 10 mm.
  • a layer of thermally insulating material is placed between the tubes and the wall of the pipe; a layer of conductive concrete is placed in contact with the tubes, between the tubes and the effluent; and, on the surface, a layer of abrasion-resistant material is placed in contact with the effluent.
  • An intermediate mesh, metallic or of synthetic fibers, may be deployed above the tubes, before pouring the coating material, over the entire extent of a portion of the exchanger to enhance the mechanical strength and / or improve thermal transfer.
  • the tubes can be corrugated.
  • the tubes are made of plastic. These tubes are preferably flexible.
  • the invention also relates to an exchanger for extracting heat from an effluent circulating in a pipe, in particular a wastewater collector, installed at least in the bottom of the pipe to bathe in the effluent, the heat exchanger consisting of tubes embedded in a concrete conductive heat poured around the tubes for the circulation of a heat transfer fluid, the heat exchange with the effluent of the pipe being effected through the molded coating, characterized in that the concrete of the coating is composed of at least 50% by weight silicon carbide, a needle load of a heat-conducting and mechanically resistant material, a binder and the complement alumina, metal powder or carbon.
  • the tubes embedded in the concrete are corrugated tubes.
  • the tubes embedded in the concrete may be plastic. These tubes can be flexible.
  • the load of concrete needles is at least
  • the needles are preferably metal needles, in particular carbon steel or aluminum, or carbon.
  • the binder is made of cement.
  • the exchanger is preferably produced according to the method defined above.
  • the invention also relates to a material for carrying out the process defined above, this material being characterized in that it consists of a mixture composed of at least 50% by weight of silicon carbide, a needle charge of a heat-conductive and mechanically resistant material, a binder and the complement of alumina, metal powder or carbon.
  • the needle load is at least 2% by weight.
  • the needles may be metal, especially carbon steel or aluminum, or be carbon.
  • the thermal conductivity of the coating material according to the invention is substantially improved by silicon carbide which has a high thermal conductivity. Silicon carbide, combined with alumina and a binder leads to a type of concrete easy to implement.
  • the coating concrete according to the invention consists of a combination which makes it possible to obtain a composite having a coherence and a mechanical strength.
  • the thermal conductivity of alumina which is higher than that of conventional concrete, provides a higher composite conductivity than a mixture involving conventional concrete.
  • the needle load added to the combination of silicon carbide and alumina improves the mechanical strength of the mixture of silicon carbide-alumina, but also its thermal conductivity by creating thermal bridges that facilitate the passage of heat flow .
  • the mechanical properties of the mixture obtained, and in particular its high mechanical strength, allow its implementation in high stress environments such as, for example, the passage of an operator with studded boots or the fall of a tool d 'a man's height.
  • Fig. 1 is a cross section of a wastewater collector equipped in the lower part of an exchanger according to the invention.
  • Fig. 2 is a cross section of a wastewater collector, with deteriorated lower part, before introduction of an exchanger according to the invention.
  • Fig. 3 is a partial section on a larger scale of an alternative embodiment
  • Fig.4 is a longitudinal schematic partial section of a coated annular tube, an exchanger according to the invention.
  • a pipe 1 forming wastewater collector 2 in free surface flow In the lower part of the pipe 1 is installed a heat exchanger E which bathes in the effluent constituted by the wastewater 2.
  • the exchanger E is molded and consists of plies of flexible flexible tubes, preferably annealed, or possibly smooth, which are arranged parallel to each other and to the longitudinal direction of the pipe.
  • the conductive concrete 4 which, after solidification, will provide a dual function of mechanical protection and heat exchange.
  • the tubes 3 may be semi-rigid 3, metal.
  • the tubes 3 do not need to have intrinsic mechanical strength; they must allow the coolant 5 to circulate without risk of leakage with an optimized heat exchange.
  • the corrugated tubes of plastic material polyvinyl chloride PVC, PE polyethylene or other
  • PVC polyvinyl chloride
  • PE polyethylene or other can increase both the exchange surface (about 20%) and especially the internal surface exchange coefficient due to the turbulent flow caused by the profile of the corrugated tubes, and shown schematically in Fig.4.
  • the concrete 4 of the tube coating is composed of at least 50% by weight of silicon carbide, a needle load of a heat-conducting and mechanically resistant material, a binder and the complement of alumina.
  • the binder is usually made of cement.
  • the silicon carbide content can reach 90% by mass.
  • the needle load is preferably at least 2% by weight.
  • the needles of the load are preferably metallic, or carbon.
  • the metal needles are advantageously made of carbon steel or aluminum.
  • the diameter of the needles is generally less than five tenths of a millimeter for a length generally less than 10 mm.
  • the thermal conductivity of the concrete according to the invention is considerably improved compared to that of a conventional concrete and, simultaneously, the mechanical strength of the concrete, especially at the surface, is greatly improved by the presence of the needles.
  • the conductive concrete 4 according to the invention has excellent resistance to compression and erosion, good conductivity and an increase in the surface exchange coefficient fluid side and wastewater side.
  • the waste heat exchanger is implemented in the lower part of the pipes and is covered by the free surface flow of wastewater according to the scheme of FIG. 1.
  • the heat exchange system consists of two distinct parts:
  • the calories contained in the wastewater 2 are thus transferred to the coolant 5 circulating in the tubes 3 via the conductive material 4 and the tubes 3.
  • corrugated tubes 3 makes it possible not only to increase the exchange surface between the conductive material 4 and the tubes 3, but also to create turbulence T (FIG. 4) in the coolant 5 circulating in the tubes. 3, which improves the exchange conditions on the inner wall of the tubes 3.
  • the heat exchanger E is divided into portions, according to the flow direction of the wastewater, the size of which will be adjusted so that the coolant 5 heats up to about 4 ° C, in particular 4 ° C to 8 ° vs.
  • collectors (not shown) supply the tubes 3 with cold heat transfer fluid.
  • the heated heat transfer fluid is directed via other collectors (not shown) to a heat pump.
  • the heat transfer fluid circulates in closed circuit. The hydraulic balance of the assembly is advantageously achieved through a Tichelmann loop.
  • the conductive concrete according to the invention can be implemented by spraying against the inner wall of the pipe 1, which considerably reduces the exposure time and the complexity of the operation, compared to a solution using a heat exchanger Stainless steel.
  • the solution of the invention adapts to any pipe geometry and can be implemented by teams having the skills necessary for the use of a conventional concrete.
  • the new material according to the invention has the advantage of allowing a repair of a pipe 1 a (FIG 2) whose lower part 6 is damaged.
  • the establishment of a heat exchanger E according to the invention, on the lower part of the pipe 1 a allows a repair of this pipe through the conductive concrete that will line the bottom of it.
  • the high mechanical strength of the mixture protects the heat exchange system from any damage and allows its compatibility with all the cleaning methods of the wastewater collectors.
  • the tubes 3 are previously fixed, by any appropriate means, against the internal surface of the wall of the pipe 1.
  • the coating concrete 4 is then cast, preferably sprayed, around the tubes 3 to harden in situ.
  • a protective film 6, in particular a sheet of plastic material, can be provided between the inner surface of the pipe 1 and the heat exchanger E integrated in this pipe.
  • An intermediate mesh 7, in particular metal or synthetic fiber, is advantageously deployed above the tubes 3, over the entire length of each exchanger portion E, in the direction of flow of wastewater, so as to cover the entire of the sheet of tubes 3.
  • the mesh 7 strengthens the mechanical strength.
  • the coating of the tubes 3 can be made of several layers of materials of different properties, namely:
  • an optional layer 9 of erosion resistant material On the surface, an optional layer 9 of erosion resistant material.
  • the increase in the mechanical strength of the conductive concrete makes it possible to reduce the thickness of the concrete layer between the tubes 3 and the wastewater, which is also favorable to heat exchange, and combines with the improvement of the thermal conductivity.
  • a thermal and mechanically fluid modeling will be carried out for each project.
  • the implementation of the exchanger is fast, it does not require significant handling means.
  • the plies of flexible tubes wound on a cylindrical reel are introduced at the bottom of the pipe and fixed at spacing racks of the tubes 3.
  • a test with compressed air or water can detect any leaks and make a quick repair (connection sleeve).
  • the conductive cement prepared in a pasty (almost liquid) form is poured on the tubes (using a concrete pump on the surface) then vibrated so as to fill all the interstitial cavities and the rings of the tubes 3.
  • junction manifolds on the tubes located at the ends of the molded exchanger can be put in place before or after pouring.
  • an adjuvant can be incorporated at the time of preparation.
  • the required exchange area with a conductive concrete according to the invention is approximately equivalent.
  • the difficulty of implementation, and the decommissioning time of the collector to achieve the exchanger are greatly reduced.
  • the solution using the conductive concrete according to the invention requires a reduced exchange area by a factor of the order of four.
  • the material of the invention (conductive mixture of silicon carbide, alumina and needles) can be used for any application requiring both heat transfer and good mechanical strength.
  • the design of the molded exchanger of the invention meets the following main technical and economic criteria:
  • tubes 3 can be carried on corrugated flexible tubes used in thermal applications for the ambient heating of vegetable greenhouses. Flexible floor heating tubes could also be used.
  • the excellent performance of the molded exchanger is subject to the conductivity of the coating material and the exchange surface between the heat transfer tubes 3 and the material which is greater than that of a flat surface since the heat flow passes through by conductivity over the entire surface of the tubes including in their underside.
  • the mechanical strength of the coating material of the tubes makes it possible to limit its thickness and it is possible to carry out repairs of the surface in areas that show erosion after many years of operation.
  • the surface of the molded exchanger in contact with the wastewater preferably has a curvilinear cross section so that the flow rate remains at a maximum when the water flow is low.
  • the heat exchange on the immersed surface of the molded exchanger will be significant because the heat will be recovered in the warm saturated air prevailing in the waste water line.
  • the latent heat of condensation of the air increases the energy efficiency of the exchanger during periods of low flow of wastewater.
  • the reliability of the molded exchanger is similar to that of the millions of m2 of floor heating installed in the residential, tertiary and industrial sectors.

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Abstract

Procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent (2) circulant dans une conduite (1 ), notamment un collecteur d'eaux usées, selon lequel on installe, au moins dans le fond de la conduite, un échangeur de chaleur (E) qui baigne dans l'effluent, l'échangeur de chaleur (E) étant formé par enrobage de tubes (3) avec un béton suffisamment conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé; le béton (4) de l'enrobage est composé d'au moins 50% en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone..

Description

PROCEDE POUR EXTRAIRE DE LA CHALEUR D'UN EFFLUENT CIRCULANT DANS UNE CONDUITE, EN PARTICULIER D'EAUX USEES, ECHANGEUR DE CHALEUR ET MATERIAU POUR METTRE EN ŒUVRE CE PROCEDE.
L'invention est relative à un procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, procédé selon lequel on installe, au moins dans le fond de la conduite, un échangeur de chaleur qui baigne dans l'effluent, cet échangeur de chaleur étant formé par enrobage de tubes avec un béton suffisamment conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé.
Les collecteurs ou conduites d'évacuation d'eaux usées transportent des eaux sales qui sont tièdes ou tempérées du fait de leur provenance résidentielle ou tertiaire, ou de leur provenance d'activité collective ou industrielle. Leur température est généralement comprise entre 15 et 20°C.
La chaleur sensible de ces eaux représente une source d'énergie qui peut être récupérée pour des besoins de chauffage de bâtiment, de production d'eau chaude sanitaire, ou toute autre utilisation thermique, en combinaison avec une pompe à chaleur.
DE 35 21 285 et EP 1 215 460 montrent des collecteurs d'eaux usées avec échangeur de chaleur noyé dans la paroi en béton du collecteur. De tels échangeurs sont d'un prix de revient avantageux, au point de vue fabrication et mise en œuvre, par rapport à des échangeurs de chaleur réalisés en pièces métalliques. Toutefois, la transmission de chaleur à travers le béton demande à être améliorée, de même que la résistance mécanique de cet échangeur qui peut avoir à supporter le piétinement de personnels de service.
L'invention a pour but, surtout, de proposer un procédé qui permet d'obtenir un échangeur du genre en question dans lequel l'effet conducteur thermique et la solidité de l'échangeur sont simultanément améliorés.
Selon l'invention, le procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que le béton de l'enrobage est composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone.
La charge en aiguilles est de préférence supérieure à 2 % en masse. Les aiguilles peuvent être métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou peuvent être en carbone. Le diamètre des aiguilles est de préférence inférieur à cinq dixièmes de millimètres, et la longueur des aiguilles est de préférence inférieure à 10 mm.
Avantageusement, une couche de matériau thermiquement isolant est placée entre les tubes et la paroi de la conduite ; une couche de béton conducteur est placée au contact des tubes, entre les tubes et l'effluent ; et, en surface, une couche de matériau résistant à l'abrasion est placée au contact de l'effluent.
Une résille intermédiaire, métallique ou en fibres synthétiques, peut être déployée au-dessus des tubes, avant coulage du matériau d'enrobage, sur toute l'étendue d'une portion de l'échangeur afin de renforcer la résistance mécanique et/ou améliorer le transfert thermique.
Les tubes peuvent être annelés. Avantageusement, les tubes sont en matière plastique. Ces tubes sont de préférence flexibles.
L'invention est également relative à un échangeur pour extraire de la chaleur à partir d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, installé au moins dans le fond de la conduite pour baigner dans l'effluent, l'échangeur étant constitué de tubes noyés dans un béton conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé, caractérisé en ce que le béton de l'enrobage est composé d'au moins 50% en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone.
De préférence, les tubes noyés dans le béton sont des tubes annelés. Les tubes noyés dans le béton peuvent être en matière plastique. Ces tubes peuvent être flexibles.
Avantageusement, la charge du béton en aiguilles est d'au moins
2 % en masse, et les aiguilles sont de préférence des aiguilles métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou en carbone. Généralement, le liant est constitué par du ciment.
L'échangeur est réalisé de préférence selon le procédé défini précédemment.
L'invention est également relative à un matériau pour la mise en œuvre du procédé défini précédemment, ce matériau étant caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mélange composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone.
Avantageusement, la charge en aiguilles est d'au moins 2 % en masse. Les aiguilles peuvent être métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou être en carbone.
La conductivité thermique du matériau d'enrobage selon l'invention est sensiblement améliorée par le carbure de silicium qui présente une conductivité thermique élevée. Le carbure de silicium, combiné à de l'alumine et à un liant conduit à un type de béton facile à mettre en œuvre.
Le béton d'enrobage selon l'invention consiste en une combinaison qui permet d'obtenir un composite présentant une cohérence et une tenue mécanique. La conductivité thermique de l'alumine, plus élevée que celle d'un béton classique, permet d'obtenir une conductivité du composite plus élevée que celle d'un mélange impliquant du béton usuel.
La charge en aiguilles ajoutée à la combinaison de carbure de silicium et d'alumine permet d'améliorer la tenue mécanique du mélange de carbure de silicium-alumine, mais aussi sa conductivité thermique en créant des ponts thermiques qui facilitent le passage du flux de chaleur.
Les propriétés mécaniques du mélange obtenu, et notamment sa grande résistance mécanique, permettent sa mise en œuvre dans des environnements soumis à de fortes contraintes comme, par exemple, le passage d'un opérateur muni de bottes cloutées ou la chute d'un outil d'une hauteur d'homme.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence au dessin annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
Fig. 1 est une section droite d'un collecteur d'eaux usées équipé dans la partie inférieure d'un échangeur selon l'invention.
Fig. 2 est une section droite d'un collecteur d'eaux usées, avec partie inférieure détériorée, avant mise en place d'un échangeur selon l'invention.
Fig. 3 est une coupe partielle à plus grande échelle d'une variante de réalisation, et
Fig.4 est une coupe schématique partielle longitudinale d'un tube annelé enrobé, d'un échangeur selon l'invention.
En se reportant aux dessins, notamment à Fig. 1 , on peut voir une canalisation 1 formant collecteur d'eaux usées 2 en écoulement à surface libre. Dans la partie inférieure de la canalisation 1 est installé un échangeur de chaleur E qui baigne dans l'effluent constitué par les eaux usées 2.
L'échangeur E est moulé et constitué de nappes de tubes 3 souples, flexibles, de préférence annelés, ou éventuellement lisses, qui sont disposés parallèlement entre eux et à la direction longitudinale de la conduite. Sur les tubes 3 est coulé in situ le béton conducteur 4 qui, après solidification, assurera une double fonction de protection mécanique et d'échange thermique. Les tubes 3 peuvent être semi-rigides 3, métalliques.
Les tubes 3 n'ont pas besoin de présenter une tenue mécanique intrinsèque ; ils doivent permettre au fluide caloporteur 5 de circuler sans risque de fuite avec un échange calorifique optimisé. En cela les tubes annelés en matériau plastique (polychlorure de vinyle PVC, polyéthylène PE ou autre) permettent d'augmenter à la fois la surface d'échange (environ 20%) et surtout le coefficient d'échange superficiel interne du fait du régime d'écoulement turbulent provoqué par le profil des tubes annelés, et schématisé sur Fig.4.
Le béton 4 de l'enrobage des tubes est composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine. Le liant est généralement constitué par du ciment.
La teneur en carbure de silicium peut atteindre 90 % en masse. La charge en aiguilles est de préférence d'au moins 2 % en masse.
Les aiguilles de la charge sont de préférence métalliques, ou en carbone. Les aiguilles métalliques sont avantageusement réalisées en acier au carbone ou en aluminium.
Le diamètre des aiguilles est en général inférieur à cinq dixièmes de millimètres pour une longueur généralement inférieure à 10 mm.
La conductivité thermique du béton selon l'invention est considérablement améliorée par rapport à celle d'un béton classique et, simultanément, la résistance mécanique du béton, notamment en surface, est fortement améliorée par la présence des aiguilles.
Le béton conducteur 4 selon l'invention présente une excellente résistance à la compression et à l'érosion, une bonne conductivité et une augmentation du coefficient d'échange superficiel côté fluide et côté eaux usées.
L'échangeur de chaleur sur eaux usées est mis en œuvre dans la partie inférieure des conduites et est recouvert par l'écoulement à surface libre d'eaux usées selon le schéma de Fig. 1 . Le système d'échange thermique est constitué de deux parties distinctes :
- une couche d'un mélange conducteur 4 de carbure de silicium, d'alumine et d'aiguilles, notamment d'aiguilles ferritiques, qui vient tapisser le fond de la canalisation 1 et épouser sa forme,
- un réseau de tubes 3, en particulier de tubes annelés en matière plastique, emprisonnés dans cette couche de matériau conducteur 4.
Les calories contenues dans les eaux usées 2 sont ainsi transférées vers le fluide caloporteur 5 circulant dans les tubes 3, via le matériau conducteur 4 et les tubes 3.
L'utilisation de tubes annelés 3 permet, non seulement d'augmenter la surface d'échange entre le matériau conducteur 4 et les tubes 3, mais aussi une création de turbulences T (Fig.4) dans le fluide caloporteur 5 circulant dans les tubes 3, ce qui améliore les conditions d'échange sur la paroi interne des tubes 3.
La combinaison du béton conducteur et de tubes 3 annelés, noyés dans le béton, permet d'obtenir une bonne liaison mécanique entre béton et tubes grâce à la succession d'anneaux des tubes 3. De plus, l'échange thermique est favorisé non seulement par les propriétés du béton, mais aussi par l'effet du tuyau annelé augmentant la surface d'échange et créant un régime d'écoulement turbulent pour le fluide caloporteur 5.
L'échangeur de chaleur E est divisé en portions, suivant la direction d'écoulement des eaux usées, dont la taille sera ajustée de sorte que le fluide caloporteur 5 se réchauffe d'environ 4°C, notamment de 4°C à 8°C. Pour chaque portion d'échangeur, des collecteurs (non représentés) alimentent les tubes 3 en fluide caloporteur froid. Après passage dans l'échangeur de chaleur E, le fluide caloporteur réchauffé est dirigé, via d'autres collecteurs (non représentés) vers une pompe à chaleur. Le fluide caloporteur circule en circuit fermé. L'équilibrage hydraulique de l'ensemble est avantageusement réalisé grâce à une boucle de Tichelmann.
Le béton conducteur conforme à l'invention peut être mis en œuvre par projection contre la paroi intérieure de la canalisation 1 , ce qui réduit considérablement le temps de pose et la complexité de l'opération, par rapport à une solution mettant en œuvre un échangeur en acier inoxydable.
La solution de l'invention s'adapte à toute géométrie de canalisation et peut être mise en œuvre par des équipes ayant les compétences nécessaires à l'utilisation d'un béton classique.
De par la composition des eaux usées, les canalisations sont soumises à des contraintes qui engendrent une usure particulièrement prononcée de leurs parties inférieures immergées.
En plus de permettre la création d'une solution d'échange de chaleur sur eaux usées, le nouveau matériau selon l'invention présente l'avantage de permettre une réfection d'une canalisation 1 a (Fig. 2) dont la partie inférieure 6 est détériorée. Au lieu du remplacement d'une conduite usée, la mise en place d'un échangeur de chaleur E selon l'invention, sur la partie inférieure de la canalisation 1 a, permet une réfection de cette conduite grâce au béton conducteur qui viendra tapisser le fond de celle-ci.
La résistance mécanique élevée du mélange protège le système d'échange thermique de tout dommage et permet la compatibilité de celui-ci avec toutes les méthodes de curage des collecteurs d'eaux usées.
Pour la réalisation de l'échangeur, les tubes 3 sont préalablement fixés, par tout moyen approprié, contre la surface interne de la paroi de la canalisation 1 . Le béton d'enrobage 4 est ensuite coulé, de préférence projeté, autour des tubes 3 pour durcir sur place.
Un film de protection 6, notamment une feuille de matière plastique, peut être prévue entre la surface intérieure de la conduite 1 et l'échangeur E intégré dans cette conduite.
Une résille intermédiaire 7, notamment métallique ou en fibres synthétiques, est avantageusement déployée au-dessus des tubes 3, sur toute la longueur de chaque portion d'échangeur E, suivant la direction d'écoulement des eaux usées, de manière à recouvrir la totalité de la nappe de tubes 3. La résille 7 renforce la résistance mécanique. Cette résille 7, lorsqu'elle est réalisée en un matériau conducteur thermique, notamment métallique, contribue à améliorer le transfert thermique.
Comme illustré selon la variante de Fig.3, l'enrobage des tubes 3 peut être réalisé en plusieurs couches de matériaux de propriétés différentes, à savoir :
- une couche 8 d'un matériau thermiquement isolant entre les tubes 3 et la paroi de la conduite 1 , ou entre les tubes 3 et le film 6 lorsqu'un tel film est prévu ;
- une couche de béton conducteur 4 selon l'invention au contact des tubes, entre les tubes 3 et l'effluent et,
- en surface, une couche éventuelle 9 de matériau résistant à l'érosion.
II est à noter que l'augmentation de la résistance mécanique du béton conducteur permet de réduire l'épaisseur de la couche de béton entre les tubes 3 et les eaux usées, ce qui est également favorable aux échanges thermiques, et se combine avec l'amélioration de la conductivité thermique. Afin de dimensionner les caractéristiques physiques de l'échangeur moulé E en fonction des paramètres de fonctionnement : Puissance calorifique, température et débit du fluide caloporteur et des effluents, dimensions des conduits, profil en travers, surface développée, nombre de tubes et espacement, vitesse des fluides, etc., une modélisation thermique et méca- fluide sera réalisée pour chaque projet.
A l'issue de la mise en service, des essais de performances in situ permettront d'affiner les paramètres de calcul pour optimiser les installations suivantes.
La mise en œuvre de l'échangeur est rapide, elle ne nécessite pas de moyen de manutention important.
- La conduite 1 est vidée, nettoyée à la lance sous haute pression (éventuellement avec du sable additionnel), et une peinture d'accroché est pulvérisée sur la surface qui recevra l'échangeur.
- Les nappes de tubes 3 souples enroulés sur un dévidoir cylindrique sont introduites au fond de la conduite et fixées au niveau de râteliers d'espacement des tubes 3.
- A l'issue de la mise en place des nappes de tubes 3 une épreuve à l'air comprimé ou à l'eau permet de détecter des fuites éventuelles et de procéder à une réparation rapide (manchon de raccordement).
- La préparation du béton conducteur : ciment + SiC + eau + adjuvant est réalisée à l'extérieur de la conduite (toupie ou malaxeur selon la quantité)
- Le ciment conducteur préparé sous une forme pâteuse (presque liquide) est coulé sur les tubes ( à l'aide d'une pompe à béton en surface) puis vibré de manière à remplir toutes les cavités interstitielles et les anneaux des tubes 3.
- Les collecteurs de jonction sur les tubes situés aux extrémités de l'échangeur moulé peuvent être mis en place avant ou après coulage.
- Pour accélérer la prise du ciment, un adjuvant peut être incorporé au moment de la préparation.
- Afin d'augmenter la dureté de surface il est également possible d'incorporer une résine durcissante dans le mélange de la couche superficielle.
Exemples comparatifs
En comparaison d'un échangeur de chaleur sur eaux usées constitué de modules en acier inoxydable, la surface d'échange nécessaire avec un béton conducteur selon l'invention est environ équivalente. Cependant, la difficulté de mise en œuvre, et le temps de mise hors service du collecteur pour réaliser l'échangeur sont fortement réduits.
Par rapport à une solution utilisant un béton classique pour enrober les tubes, la solution utilisant le béton conducteur selon l'invention nécessite une surface d'échange réduite d'un facteur de l'ordre de quatre.
Des essais effectués avec un béton conducteur selon l'invention, à 90 % en masse de carbure de silicium (SiC), ont donné une conductivité thermique de 72 W/m.°K. Pour un béton classique, la conductivité thermique est de l'ordre de 1 ,4 W/m.°K. Pour un échangeur en acier inoxydable, la conductivité thermique est de l'ordre de 16 W/m.°K. L'amélioration apportée par la solution de l'invention est donc considérable.
Le matériau de l'invention (mélange conducteur de carbure de silicium, d'alumine et d'aiguilles) peut être utilisé pour toute application nécessitant à la fois un transfert thermique et une bonne tenue mécanique.
La conception de l'échangeur moulé de l'invention répond aux principaux critères techniques et économiques suivants :
- Maximiser l'échange calorifique entre l'eau qui circule dans le conduit des eaux usées et le fluide caloporteur du circuit fermé qui est relié à l'évaporateur de la pompe à chaleur.
- Minimiser le coût de fabrication et de mise en œuvre du dispositif.
- Fiabiliser l'équipement, éviter tout risque de fuite et permettre une réparation rapide en cas d'accident localisé.
- Réduire le délai d'intervention pour le montage in situ.
Le choix pour les tubes 3 peut se porter sur des tubes souples annelés utilisés dans des applications thermiques pour le chauffage ambiant de serres maraîchères. Des tubes souples de plancher chauffant pourraient être également utilisés.
L'excellente performance de l'échangeur moulé est assujettie à la conductivité du matériau d'enrobage et à la surface d'échange entre les tubes 3 caloporteurs et le matériau qui est supérieure à celle d'une surface plane puisque le flux de chaleur transite par conductivité sur toute la surface des tubes y compris dans leur face inférieure.
La tenue mécanique du matériau d'enrobage des tubes permet de limiter son épaisseur et il est possible d'effectuer des réfections de la surface dans les zones qui présenteraient une érosion à l'issue de nombreuses années d'exploitation.
La surface de l'échangeur moulé en contact avec les eaux usées a de préférence un profil en travers curviligne de manière à ce que la vitesse d'écoulement reste maximale lorsque le débit d'eau est faible.
L'échange calorifique sur la surface non immergée de l'échangeur moulé sera significatif, car la chaleur sera récupérée dans l'air tiède saturé qui règne dans la conduite d'eau usée. La chaleur latente de condensation de l'air augmente l'efficacité énergétique de l'échangeur en période de faible débit d'eau usée.
La fiabilité de l'échangeur moulé est du même ordre que celle des millions de m2 de plancher chauffant installés dans les secteurs résidentiel, tertiaire et industriel.
Le coût de fabrication d'un échangeur moulé est très inférieur à celui d'un échangeur construit en module d'acier inox assemblé mécaniquement Le coût de mise en œuvre sur site serait d'environ la moitié et le délai de réalisation également réduit.
Le coût d'entretien sera minime, car les matériaux sont imputrescibles et la réparation de la surface de l'échangeur envisageable à l'issue de nombreuses années d'exploitation.
L'impact environnemental de construction et de déconstruction est limité, car cette technologie peut faire appel à des matériaux essentiellement recyclés : tubes, SiC broyé, etc.
L'association de tubes flexibles annelés et d'un matériau conducteur à base de SiC permet de réaliser un échangeur de chaleur à la fois performant et économique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé pour extraire de la chaleur d'un effluent (2) circulant dans une conduite (1 ), notamment un collecteur d'eaux usées, selon lequel on installe, au moins dans le fond de la conduite, un échangeur de chaleur (E) qui baigne dans l'effluent, l'échangeur de chaleur (E) étant formé par enrobage de tubes (3) avec un béton suffisamment conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé,
caractérisé en ce que le béton de l'enrobage est composé d'au moins 50% en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone..
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la charge en aiguilles est supérieure à 2 % en masse.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les aiguilles de la charge sont métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou sont en carbone.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des aiguilles est inférieur à cinq dixièmes de millimètres pour une longueur généralement inférieure à 10 mm.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aiguilles sont des aiguilles ferritiques,
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que :
- une couche (8) de matériau thermiquement isolant est placée entre les tubes (3) et la paroi de la conduite (1 ),
- une couche de béton conducteur (4) est placée au contact des tubes, entre les tubes et l'effluent,
- et, en surface, une couche (9) de matériau résistant à l'abrasion est placée au contact de l'effluent.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une résille intermédiaire (7), métallique ou en fibres synthétiques, est déployée au-dessus des tubes (3), avant coulage du matériau d'enrobage, sur toute l'étendue d'une portion de l'échangeur afin de renforcer la résistance mécanique et/ou améliorer le transfert thermique.
5
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (3) sont annelés.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé0 en ce que les tubes (3) sont en matière plastique.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (3) sont flexibles. 5
1 1 . Echangeur pour extraire de la chaleur à partir d'un effluent circulant dans une conduite, notamment un collecteur d'eaux usées, installé au moins dans le fond de la conduite pour baigner dans l'effluent, l'échangeur étant constitué de tubes (3) noyés dans un béton conducteur de la chaleur coulé autour des tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, l'échange calorifique avec o l'effluent de la conduite s'effectuant au travers de l'enrobage moulé,
caractérisé en ce que le béton (4) de l'enrobage est composé d'au moins 50% en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone.
5
12. Echangeur selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que les tubes (3) noyés dans le béton sont des tubes annelés.
13. Echangeur selon la revendication 1 1 ou 12, caractérisé en ce que les tubes 0 (3) annelés sont en matière plastique.
14. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 13, caractérisé en ce que les tubes (3) sont flexibles. 5
15. Matériau pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mélange composé d'au moins 50 % en masse de carbure de silicium, d'une charge en aiguilles d'un matériau conducteur de la chaleur et résistant mécaniquement, d'un liant et du complément en alumine, en poudre métallique ou en carbone..
16. Matériau selon la revendication 15, caractérisé en ce que la charge en aiguilles est d'au moins 2 % en masse.
17. Matériau selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que et les aiguilles sont métalliques, en particulier en acier au carbone ou en aluminium, ou sont en carbone.
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