Brevet FR2192269A1 — publié le 19740208

L'invention a pour objet un générateur d'air-butané, basse pression, petit débit, pour usages domestiques. Elle vise, plus particulièrement, un générateur de ce type, peu onéreux et permettant une utilisation domestique du butane aux lieu et place du propane. On sait que la clientèle domestique consomme des quantités de gaz combustibles, à l'état liquéfié, de plus en plus grandes. Or, les cuves de stockage domestique, de capacité appropriée à la consommation actuelle de ces gaz, ne peuvent qu'etre situées à l'extérieur de locaux d'habitations, donc soumises à des températures ambiantes qui peuvent être inférieures à OOC, ce qui entraîne l'obligation d'utiliser le propane dont le point d'ébullition, sous la pression atmosphérique, est de -44,50C, au détriment du butane (point d'ébullition égal à OOC, sous la pression atmosphérique) d'ou, par conséquent, des excédents de ce dernier. II est également connu que les mélanges air-butané ont des points de rosée notablement inférieurs à celui du butane et que des mélanges air-butané, dans des proportions définies, sont interchangeables avec le gaz naturel. Par exemple, pour le quart Nord-Est de la France alimenté par du gaz de Hollande, le mélange air-butané correspondant contient 40 % en volume de butane et a un point de rosée de -200C pour une distribution inférieure ou égale à 2 100 g/cm effectifs ; pour les autres parties de la France, le mélange air-butané contient 50 % en volume de butane et le point de rosée est de -150C pour une 2 pression de distribution de 100 g/cm effectifs. Or, les installations industrielles qui sont actuellement proposées pour produire de grandes quantités d'air-butané se présentent comme de véritables usines. Ces installations, couteuses et complexes, sont encombrantes et comportent de nombreux dispositifs de controle et de surveillance et ne pourraient etre la base d'une installation pour un particulier par réduction de leurs encombrements dans le rapport des quantités de mélange air-butané requises. En effet, les quantités de mélange air-butané demandées à une installation varient constamment ; il est donc essentiel que le dispositif de contrôle et de régulation des quantités de mélange produites soit progressif et permette une mise en oeuvre instantanée. La solution industrielle, qui consiste à mettre en service, successivement en fonction de la demande, une batterie de mélangeurs montés en parallèle et débitant dans un gazomètre servant de réservoirtampon, ne peut être retenue chez un particulier. De même, ces installations industrielles comportent un système de vaporisation, alimenté en eau chaude par une chaudière indépendante, ce qui ne convient pas à une installation à usages domestiques qui doit être économique et souple. Enfin, la vaporisation industrielle du butane exige l'emploi de pompes d'alimentation du butane liquide, qu'il n'est pas non plus envisageable d'installer chez un particulier. Un dispositif générateur d'air-butané à usages domestiques, conforme à l'invention, est un ensemble compact, économique, comprenant, essentiellement, un réservoir et un mélangeur et assurant les fonctions de - stockage du butane liquide, - mise sous pression et vaporisation du butane, - mélange de l'air et du butane à l'état gazeux, au moyen de dispositifs simples et robustes. Selon une première caractéristique de l'invention, le butane est réchauffé et vaporisé dans le réservoir de stockage au moyen d'un élément chauffant incorporé dans le corps de ce réservoir. La contenance du réservoir est, évidemment, adaptée aux besoins des particuliers. Elle est généralement comprise entre 200 litres et 2 000 litres ; un tel réservoir, de forme sensiblement cylindrique, ayant une longueur de 1 à 2 m et un diamètre de 60 à 100 cm. De plus, la puissance calorifique de l'élément chauffant, approprié à ces besoins, est de l'ordre de quelques centaines de kcal/heure. Selon une seconde caractéristique de l'invention, le dispositif, permettant de contrôler les quantités d'air-butané, est intégré au mélangeur. Ce dernier, constitué comme il est connu, par un é jecto-compresseur, comporte, alors, un organe mobile en translation dans la tuyère d'injection du fluide moteur, de sorte que la section de passage du butane gazeux, qui sert de fluide moteur, est variable. Cet organe mobile est, préférentiellement, constitué par une aiguille conique, de même conicité que les parois internes de la tuyère d'injection du fluide moteur. De cette façon, il est possible d'obturer complètement la tuyère d'admission du butane. Le déplacement de l'organe mobile est commandé par un dispositif quelconque de régulation en fonction de la pression du mélange air-butané dans les canalisations situées en aval de l,éecto-compresseur, de sorte qu'on obture, plus ou moins, la tuyère d'injection suivant que la pression augmente ou diminue, c'est-à-dire suivant que la demande augmente ou diminue. Selon une troisième caractéristique de l'invention, la puissance calorifique fournie par l'élément chauffant est contrôlée par un régulateurfournissant un signal dont l'intensité dépend de la pression du butane gazeux contenu dans le réservoir, de sorte que l'élément chauffant cesse d'être alimenté en calories lorsque la pression atteint une valeur réglable. Selon une quatrième caractéristique de l'invention, pour maintenir le butane à l'état vapeur et éviter qu'il ne se condense avant son mélange à l'air, on dispose le mélangeur au plus près du réservoir, de préférence en l'accouplant directement à celui-ci. On va maintenant décrire, à titre d'exemples non limitatifs de réalisation, un générateur selon l'invention en se référant aux figures qui représentent: - figure 1 : une vue en perspective d'un générateur d'air-butané ; - figure 2a : une vue schématique du réservoir et du système de chauffage et de vaporisation ; - figure 2b : une vue schématique du mélangeur d'air et de butane ; - figure 3 une vue en perspective d'une variante de réalisation du système de chauffage et de vaporisation. La figure 1 représente une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un générateur d'air-butané selon l'invention. Le réservoir I de butane liquide, de forme cylindrique, est supporté par deux pieds 2. Il est constitué par un cylindre de 1,5 m de longueur et de 80 cm de diamètre environ. Le système de chauffage et de vaporisation est constitué par un ensemble de résistances électriques anti-déflagrantes, logé à l'intérieur d'un doigt de gant 3 contenant un fluide calo-porteur, notamment une huile thermique. Le doigt de gant pénètre de manière étanche à l'intérieur du réservoir 3. La paroi du réservoir a été en partie arrachée sur la figure 1 de façon à voir le doigt de gant 3. Le doigt de gant est logé, en majeure partie, à la partie basse du réservoir, de sorte qu'il est immergé dans le butane liquide pour le taux d'emplissage minimal du réservoir. Les résistances chauffantes d'une puissance de 1 kw environ sont ali mentées en courant électrique par deux câbles électriques 21 raccordés au réseau à travers un contacteur 4 et un disjoncteur 5. Deux boutons, marche 6, arrêt 7, permettent de mettre en service ou hors service le système de chauffage et de vaporisation. Deux pressostats 8 et 9 sont montés en parallèle sur deux canalisations pénétrant, de manière étanche, dans le réservoir. L'un d'eux, le pressostat 8, commande, comme il est connu, notamment en ouvrant ou en fermant le circuit d'alimentation électrique de la bobine du contacteur, la mise en service ou hors service du système de chauffage et de vaporisation. De la sorte, pour des pressions supérieures à une pression préréglée, voisine de 1,7 kg/cm effectifs, le système de chauffage est mis hors service. Lorsque la pression dimi 2 nue et devient inférieure à 1,7 kg/cm effectifs, le système de chauffage est de nouveau alimenté en énergie électrique.Ce premier pressostat 8 permet de maintenir sensiblement constante la pression dans le réservoir en controlant l'apport de calories par la résistance chauffante, l'autre pressostat 9 est préréglé pour une valeur de la pression supérieure à la précédente et sensiblement voi 2 sine de 2 kg/cm effectifs. Ce dernier pressostat commande, de manière simi- laire au précédent, la mise hors service du système de chauffage électrique. i Cependant, lorsque la pression diminue et devi ent inférieure à la pression préréglée, le système de chauffage reste hors service. Ce deuxième pressostat 9 est une sécurité qui met hors service, de manière irréversible, le système de chauffage et de vaporisation. La variante de réalisation représentée sur la figure 1 montre un système de chauffage et de vaporisation particulièrement compact. Les pressostats 8 et 9 et les coffrets électriques 4 et 5 sont disposés près du réservoir de butane liquide. Dans ce cas, ces éléments électriques sont prévus anti-déflagrants pour des raisons de sécurité. Selon un autre mode de réalisation du générateur selon l'invention, les pressostats 8 et 9 et les coffrets 4 et 5 sont situés dans l'appartement de l'usager, à une distance du réservoir au moins supérieure à quelques mètres. Dans ce cas, il n'est plus nécessaire de prévoir des éléments anti-déflagrants. Par ailleurs, des voyants lumineux, visibles par l'usager et solidaires des pressostats et des coffrets électriques, indiquent si le système de chauffage est en service ou hors service et informent l'usager des éventuelles surpressions dans le réservoir en cas d'incident. Le gaz butane sort du réservoir par une tubulure 10 sur laquelle est monté un dispositif multi-valves 11, connu en soi, comportant différents organes dont les fonctions seront précisées en se référant à la figure 2a. Ce dispositif multi-valves il comporte, entre autres, un détendeur ; le gaz sortant du détendeur est introduit dans le mélangeur air-butane. Le mélangeur est fixé sur une tablette 12 solidaire du réservoir. II comporte un éjecto-compresseur 13, dispositif connu en soi. Ce dernier est, en particulier, réalisé pour aspirer l'air extérieur, selon le principe d'un tube venturi le fluide moteur étant le butane à l'état vapeur. Le mélange d'air et de butane sortant de la chambre de mélange est ensuite comprimé dans une tuyère située en aval de la tuyère motrice. Un robinet d'isolement général 14 permet d'isoler le générateur d'air-butané des circuits d'utilisation. Une canalisation de service 18 distribue le gaz aux différents appareils domestiques branchés sur le circuit d'alimentation en air butané ; le débit gazeux ainsi demandé varie, 3 selon l'utilisation, entre O m3/heure et 4 m /heure. Le débit de fluide moteur est contrôlé par un dispositif 19 comportant un organe mobile intégré à la tuyère motrice de l'é jecto-compresseur. Le déplacement de cet organe mobile est commandé par les variations de pressions mesurées en aval 20 de l'é jecto-compresseur. On verra, en se référant à la figure 2b, le détail de réalisation du dispositif de contrôle du débit de fluide moteur. L'air est admis dans le mélangeur à travers un filtre 15, une valve antiretour 16, une vanne papillon 17. Cette dernière permet de régler une fois pour toutes, lors de la mise en service, la composition du mélange air-butané. On remarquera que la disposition des différents organes composant le générateur d'airbutané est particulièrement compacte, notamment les canalisations entre le réservoir et l'organe multi-valves d'une part, et entre ce dernier et le mélangeur d'autre part, sont aussi courtes que possible afin de limiter les risques de condensation du butane vaporisé. La figure 2a est une vue schématique du réservoir et du système de chauffage et de vaporisation. On reconnaît la plupart des organes décrits en se référant à la figure 1. La résistance électrique chauffante 25 est montée dans un doigt de gant 3 contenant une huile thermique. Les différents organes 26, 27, 28, 29, 30, 31 et 32 composent l'organe multi-valves qui, rappelons le, est un organe connu en soi. L'organe 26 est une soupape de sécurité. Elle est prévue et définie pour évacuer une fraction du gaz sous pression contenu dans le réservoir lorsque la pression dans ce dernier dépasse une valeur critique. Cette surpression peut survenir en cas de défaillance du système de contrôle de la puissance électrique ou par suite d'une insolation excessive du réservoir situé à l'extérieur. II est connu de calculer une soupape pour qu'elle puisse évacuer la quantité de gaz produite par une insolation prolongée d'un réservoir contenant du butane. La soupape, selon l'invention, est également prévue pour évacuer la quantité de gaz produite par le système de chauffage et de vaporisation en cas d'incident. L'organe 27 est une jauge magnétique indiquant la quantité de butane liquide contenue dans le réservoir. L'organe 28 est un manomètre indicateur de la pression dans le réservoir. Les vannes 29 sont, de manière connue, utilisées pour remplir le réservoir en butane liquide et équilibrer la pression du gaz restant en en évacuant une partie. L'organe 30 est une vanne de contrôle du débit gazeux. L'organe 31 est un système détendeur. L'organe 32 est un manomètre indicateur de la pression à la sortie du détendeur. L'organe 33 est une vanne permettant la vidange complete du réservoir. La figure 2b est une vue schématique du mélangeur et du système de contrôle du débit du butane gazeux. Le mélangeur est disposé à la sortie du détendeur, comme il est représenté sur les figures 2a et 2b prises ensembles, cependant, on notera que le mélangeur est illustré à plus grande échelle que le réservoir. Sur la figure 2b, on reconnalt : le filtre à air 15, le clapet anti-retour 16, la vanne papillon 17, I'é jecto-compresseur 13 et le robinet d'isolement général 14. Le fluide moteur, c'est-à-dire le gaz butane détendu, est introduit 2 dans l'é jecto-compresseur sous une pression effective de 1,5 kg/cm au moyen d'une tubulure 35 alimentant une tuyère motrice 36. L'organe mobile 37 est constitué par une aiguille dont l'extrémité a un profil adapté au programme de variations du débit. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2b, L'aiguille 38 est conique et sensiblement de même conicité que la tuyère motrice. Cette aiguille est mobile en translation suivant l'axe longitudinal de la tuyère 36, de sorte que la section de passage du fluide moteur décroît au fur et à mesure que l'extrémité conique de l'aiguille s'engage dans le col de la tuyère motrice. Les variations de la section de passage en fonction du degré d'enfoncement de l'aiguille sont sensiblement linéaires il en serait autrement 5i le profil de l'extrémité de l'aiguille n'était pas conique. En particulier, dans le cas où ce profil serait de forme hyperbolique, la section de passage décroitrait très lentement au début, puis plus rapidement par la suite, toutes choses étant égales, par ailleurs, en ce qui concerne le degré d'enfoncement de l'aiguille. Ainsi, il est possible de moduler le programme de variations du débit en choisissant la forme du profil de l'orgune mobile. L'aiguille 37 dans l'exemple de réalisation de la figure 2b est solidaire d'une membrane élastique 39 dont les déplacements verticaux sont liés à !'action antagoniste, d'une part, de la pression régnant dans la chambre 43 et, d'autre part, du ressort 40 prenant appui sur le corps de l'éjecto-compresseur et sur la membrane 39. Les variations de la pression en aval de l'éjecto-compresseur sont amplifiées et éventuellement modulées, de manière connue, au moyen d'une chaine d'amplification et de modulation 42. La pression, à la-sortie de la chai'nue d'amplification et de modulation, est notamment modulée au moyen d'un système de cames non linéaires. La liaison fluide, entre la chaîne d'amplification et de modulation et la chambre 43, est constituée par une tubulure contenant une huile transmettant à la chambre 43 les variations de pressions à la sortie de la chaine d'amplification et de modulation. Selon un autre mode de réalisation, la liaison, entre le dispositif de mesure de pression en aval de l'éjecto-compresseur et l'aiguille 37, est constituée par un système de leviers et de butées. La chaîne d'amplification et de modulation est nécessaire dans la mesure où les pertes d'énergie par frottement des différents organes mobiles sont élevées. En effet, les variations de pressions à la sortie de l'é jecto- compress eur ont généralement une intensité trop faible pour actionner l'aiguille 37 ; notam- ment, ces variations de pressions sont sensiblement comprises entre 25 g/cm 2 et 30 g/cm effectifs. Ainsi, la section de passage du gaz butane dans la tuyère motrice varie automatiquement en fonction des variations de la pression en aval de l'é jecto- compresseur, c'est-à-dire en fonction de la fluctuation de la consommation globale d'air butané par les différents brûleurs à usages domestiques. La section de passage décroit lorsque la pression en aval de l'é jecto-compresseur augmente. De ce fait, la consommation de gaz butane diminue et la quantité de gaz aspiré diminue également. La production d'air butané s'adapte automatiquement à la demande ; elle est nulle, L'organe mobile obturant complètement la tuyère motrice, si la consommation est elle-même nulle. La figure 3 représente une vue en perspective d'une variante de réalisation d'un système de chauffage et de vaporisation. On reconnait le réservoir 1. Le doigt de gant contenant les résistances électriques est remplacé par un serpentin 45 parcouru par un fluide calo-porteur, notamment une huile thermique. Le serpentin est alimenté par une chaudière 46 située légèrement en contrebas du serpentin, de manière à faciliter l'écoulement du fluide thermique par effet thermo-siphon. Cette chaudière, qui peut être située à distance du réservoir, est chauffée par toute source de chaleur appropriée, notamment des résistances électriques ou un brûleur à gaz. La puissance calorifique de cette source est contrôlée, comme il a été décrit précédemment. Ce dernier mode de réalisation de l'élément chauffant présente une plus grande sécurité de fonctionnement que le précédent. En effet, aucun élément électrique n'est situé à l'intérieur du réservoir de butane liquide dans cette dernière version. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation, représentés ét décrits en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Générateur d'air-butané basse pression, notamment comprise entre 2 2 20 g/cm et 80 g/cm effectifs, petit débit, particulièrement inférieure à 3 quelques Nm /heure, pour usages domestiques, comprenant - un réservoir de butane, - un système de chauffage et de vaporisation du butane, - un mélangeur air-butané, - un dispositif de contrôle et de régulation d'air-butané produit en fonction de la consommation, caractérisé en ce que le réservoir est équipé d'un élément chauffant pour mettre 2 en pression et vaporiser le butane sous une pression comprise entre 0,5 kg/cm et 4 kg/cm2 effectifs. 2 - Générateur d'air-butané selon la revendication 1, caractérisé ce que l'élément chauffant est logé, en majeure partie, à l'intérieur du réservoir et à la partie basse de ce dernier, de sorte que ses parois soient immergées dans le butane liquide pour le taux d'emplissage minimal du réservoir. 3 - Générateur d'air-butané selon la revendication 1, dans lequel le mélangeur est constitué d'un éjecto-compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle du débit air-butané produit est un organe mobile intégré à l'éjecta-compresseur modifiant la section d'injection du fluide moteur. 4 - Générateur d'air-butané selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe mobile, intégré à l'é jecto-compresseur, est une aiguille mobile en translation dans la tuyère d'injection du fluide moteur ; le profil de ladite aiguille étant adapté à celui de ladite tuyère pour assurer une section variable. 5 - Générateur d'air-butané selon la revendication 4, caractérisé ce que l'aiguille conique est mobile entre deux positions - une première position pour laquelle la section de passage du fluide moteur est maximale et égale à la section de la tuyère d'injection, - une seconde position pour laquelle l'aiguille conique, en butée con tre les parais, interne, de même conicité, de la tuyère d'injection, obture complètement le passage du fluide mateur. 6 - Générateur d'air-butané selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de régulation du débit d'air-butané produit est constitué par un régulateur sensible à la pression en aval de l'é jecto-compresseur fournissant un signal commandant le déplacement de l'organe mobile de contrôle du débit. 7 - Générateur d'air-butané selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que la puissance calorifique délivrée par l'élément chauffant est contrôlée par un régulateur sensible à la pression du butane gazeux contenu dans le réservoir et fournissant un signal commandant, pour une pression réglable, le système d'alimentation en énergie calorifique. 8 - Générateur d'air-butané selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour des raisons de sécurité, la puissance calorifique délivrée par l'élément chauffant est contrôlée par un second régulateur sensible à la pression du butane gazeux dans le réservoir fournissant un signal arrêtant le système d'alimentation en calories pour une pression réglable, supérieure à la précédente. 9 - Générateur d'air-butané selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, comportant un détendeur à la sortie du réservoir, caractérisé en ce que l'é jecto-compresseur est situé à proximité du réservoir, de préférence accouplé à celui-ci (en aval du détendeur), pour éviter une condensation du butane avant son mélange avec l'air. 10 - Générateur d'air-butané, selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, tel que le réservoir comporte une soupape de sécurité suffisante pour évacuer le gaz produit par une insolation prolongée du réservoir, ladite soupape étant caractérisée en ce que sa section de passage est comprise entre 5 mm et 20 mm, de sorte qu'en cas d'incident sur le système de sécurité du système de chauffage la quantité de gaz vaporisé par ce dernier puisse être évacuée.