Brevet FR2240422A1 — publié le 19750307

La présente invention concerne une cloison cylindrique formant gaine pour créer un thermosiphon dans une cuve è échangeur de chaleur vertical et destinée à être placée autour du. ou des tubes verticaux constituant ledit échangeur de chaleur. Il est en effet une technique connue lorsque l'on veut chauffer un liquide, comme c'est, par exemple le cas dans les accumulateurs d'eau chaude classiques,de placer ce Liquide dans une cuve et de faire traverser ladite cuve, et par conséquent le liquide qui s'y trouve, par des tubes verticaux dans lesquels on fait circuler des gaz chauds. Ces tubes verticaux constituent donc un échangeur de chaleur entre ces gaz chauds et ce liquide; mais ce type d'installation présente un inconvénient majeur. Ez effet, l'eau froide étant introduite à la base de la -cuve tandis que l'eau chaude est extraite de sa partie haute, on constate qu'il s'établit dans ladite cuve, pour une consommation moyenne, une répartition de l'eau suivant des plans horizontaux de température sensiblement homogène, nettement croissante lorsque lton se déplace vers le haut de la cuve. Ce phénomène peut s'expliquer du fait que, bien que le transfert thermique soit prépondérant à la base des tubes d'échange (puisque c'est en cet endroit que la différence de température entre les gaz chauds et le li quide froid est la plus grande),il il s'opère aussi'dans la partie supérieure desdits tubes un transfert non négligeable, ladite différence de température, plus faible dans cette zone, y état encore importante. Or, des prélèvements répétés de l'eau chaude contenue dans la cuve, prélèvements qui ont pour conséquence des réintroductions successives de quantités équivalentes d'eau froide à la base de ladite cuve, entratnent à chaque fois, par l'intermédiaire du thermostat incorporé (qui détecte l'abaissement de température qui s'ensuit dans son voisinage), l'allumage des brûleurs qui sont la source des gaz chauds alimentant les tubes d'échange. Ainsi, ces allumages répétés provoquent un échauffement non seulement de l'eau froide introduite, mais aussi celui de l'eau déjà chaude située dans-la partie supérieure de la cuve. Il s'ensuit donc un accroissement excessif de la. température de l'eau dans cette région, ce qui présente plusieurs inconvénients. D'une part, la température de l'eau délivrée risque d'autre supérieure à-celle qui a été prévue, ce qui peut étre très gênant, surtout du fait que, dépendant du nombre et dela durée des réallumages précédents des brûleurs, elle devient pratiquement imprévisible, et, d'autre part, les risques d'entartrage de la cuve sont nettement accrus en raison de cette augmentation non contr6- lée de température. Aussi la présente invention a-t-elle pour but de proposer un dispositif simple et efficace, susceptible d'être monté dans des cuves à échangeur de chaleur vertical classique et destiné à maintenir dans la cuve une circulation du liquide par convection suivant un parcours déterminé. Ce but est atteint conformément à la présente invention à l'aide d'une cloison de séparation pour cuve à échangeur de chaleur vertical, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une paroi refermée sur elle-m & e ayant la forme d'une gaine cylindrique ouverte à ses deux extrémités et de génératrice parallèle à l'axe vertical dudit échangeur de chaleur et entourant ce dernier en laissant entre sa face interne et la face externe dudit échangeur un passage pour le liquide contenu dans ladite cuve. Ainsi apparaît un premier avantage de l'invention. En effet, grâce à la présence de la cloison de séparation entourant l'échangeur de chaleur, il s'établit entre le liquide situé à l'extérieur de ladite cloison et le liquide situé à l'intérieur de ladite cloison, entre cette dernière et ledit échangeur de chialeur, un phénomène dit de siphon thermique. Le processus du fonctionnement de ce siphon thermique sera décrit plus loin, mais la circulation forcée du liquide qui en résulte provoque dans la cuve un brassage des différentes couches de liquide tel qu'il s'ensuit à l'intérieur de celle-ci une uniformisation notable de la température. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante donnée à titre indicatif mais non limitatif d'un mode de réalisation d'un accumulateur d'eau chaude muni d'une cloison de séparation, description faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale longitudinale d'un accumulateur d'eau chaude muni d'une cloison de séparation selon l'invention, et - la figure 2 représente une vue schématique en coupe II-II de l'accumulateur d'eau chaude de la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'accumulateur d'eau chaude est un accumulateur de conception classique comprenant une cuve cylindrique fermée 1 d'axe vertical la à l'intérieur de laquelle est admis par une ouverture 2 l'eau 3 que l'on veut chauffer. L'ouverture 2 est située à proximité de la base lb de la cuve 1. L'eau chaude est évacuée par l'intermédiaire d'une conduite 4 dont l'extrémité 4a débouche au voisinage de la face supérieure lc de la cuve 1. La cuve 1 est traversée de part en part par des tubes 5 placés parallèlement à l'axe vertical la de-la cuve 1 et qui sont ouverts à leurs deux. extrémités Sa et 5b. Ces tubes 5, qui sont en nombre quelconque, par exemple quatre, sont parcourus par des gaz- chauds et constituent l'échangeur de chaleur de l'accumulateur. En dessous de l'extrémité inférieure 5a de chacun des tubes 5 se trouve un brûleur 6 alimenté par une alimentation, non représentée, d'un combustible liquide ou gazeux dont la combustion constitue la source des gaz chauds circulant dans chacun desdits tubes 5 et qui s'échappent par son extrémité supérieure 5b vers une cheminée non représentée. Un thermostat 7, raccordé selon une technique connue au dispositif d'allumage des brûleurs 6 est placé, à un niveau correspondant sensiblement au.tiers, à partir du bas, de la hauteur de la cuve 1. La cloison de séparation 8 de l'invention est -constituée par une paroi métallique ou-en41iautre matériau ayant la forme d'une surface cylinrique, formant gaine, dont lés génératrices sont -parallèles à l'axe vertical la de la cuve 1 et s'appuient sur une courbe fermée quelconque en soi mais avantageusement circulaire. Cette cloison de séparation 8, de même que les tubes d'échange 5, est maintenue par un moyen quelconque solidaire de la cuve 1. Sa section, suivant un plan perpendiculaire à l'axe la est déterminée expérimentalement en fonction- de la température ou de la fourchette de températures finales désirées et de façon que la cloison 8 entoure les tubes 5, clest-à-dire l'échangeur de chaleur en laissant un passage libre 9 suffisant à l'eau 3 entre la surface latérale externe 5c des tubes 5 et sa propre surface interne 8a. En outre, la longueur et la ppsition de la cloison de séparation 8 sont choisies de telle sorte que, d'une part, la section 10 laissée libre au passage de l'eau 3, ctest-à-dire la surface latérale du cylindré vertical compris entre l'extrémité inférieure 8b de ladite cloison de séparation 8 et la base lb de la cuve I, soit supérieure à la section de passage 9 laissée libre à l'eau 3 entre la face interne 8a de cette cloison 8 et la face externe Se des tubes d'échange 5 et que, d'autre part, la section 11 laissée libre au passage de cette--eau 3,caest- -dire la surface latérale du cylindre vertical compris entre l'extrémité supérieure 8c de ladite çloison de séparation 8 et la surface 3a de ladite- eau 3, qui est séparée de-la face supérieure le de la cuve 1 par une bulle d'air résiduelle 12, soit elle aussi supérieure à la section dudit passage 9. Ces deux sections 10 et li peuvent d'ailleurs avantageusement goitre égales. L'action de la cloison de séparation 8 sur le mode d'échauffement de l'eau 3 contenue dans la cuve 1 s'effectue selon le processus suivant. L'eau 3 située dans le passage 9 s'échauffe au contact des parois latérales 5c des tubes d'échange 5. I1 s'ensuit la création d'un siphon thermique, autrement dit, l'eau échauffée dans le passage 9 ayant une masse volumique inférieure à celle de l'eau 3 située dans le meme plan horizontal, mais à l'extérieur de la cloison de séparation 8, va monter et donc se répandre au niveau de l'extrémité supérieure 8c de ladite cloison 8. Ainsi, ce mouvement étant continu, l'eau 3 est brassée en permanence car à chaque instant l'eau qui commence à être chauffée le long des tubes 5 est celle, située au niveau le plus bas qui franchit la section 10, autrement dit, la plus-froide. I1 découle de ce qui précède un mouvement de convection suivant les flèches 13 plus rapide qu'en l'absence de gaine et qui assure donc une uniformisation meilleure de la température de l'eau 3 dans la cuve 2. En outre5 tout transfert thermique des tubes d'échange 5 avec l'eau déjà chaude est éliminé du fait qu'elle n'est plus en contact avec ces derniers. Des essais comparatifs entre des-accumulateurs identiques munis et non munis d'une cloison de séparation 8 ont d'tailleurs montré ladifférence considérable qui existe entre > - Xes températures relevées. Ainsi les thermostats étant tous réglés pour une même valeur correspondant à l'obtention d'une eau chaude à 650C (l'eau froide étant à 15"C) lors du premier prélèvement, on a relevé après un certain nombre de prélèvements, et donc de réallumages des brûleurs, effectués à une cadence rapide, les températures suivantes tl, t2, t35 t4 sur des thermomètres placés respectivement dans les positions référencées 14, 15, 16 et 17: cuve sans cloison de séparation : cuve avec cloison de séparation tl = 40"C : tl = 550C t2 = 63 C : t2 = 63"C t3 = 72"C : t3 = 680C t4 = 780C : t4 = 730C Il ressort donc de ces mesures que- l'écart de températures entre le niveau le plus chaud (le plus haut) et celui le plus froid (le plus bas), qui était de 780C - 40"C = 38"C en l'absence de la cloison de séparation se trouve ramené par la simple adjonction de celle-ci à une valeur de 730C - 550C = 180C, soit moins de la moitié. L'uniformisation de la température suivant les niveaux est donc incontestablement meilleure. En outre, l'accroissement de la température de l'eau prête à être puisée lors du prélèvement suivant par rapport à la température initiale affichée sur le thermostat et qui était dans le premier cas de 780C - 650C = 13 C, se trouve ici encore ramenée à 720C - 650C = 70C. Autrement dit, cet accroissement parasite est aussi diminué de moitié. Il est évident que la présente invention ne sue limite pas au seul.mode de réalisation décrit mais qutelIe en couvre au contraire toutes les variantes incluses dans le cadre des revendications annexées. En particulier, ce même type de cloison de séparation pourra bien sûr etre utilisé dans toutes les applications industrielles où ce type d'échangeur de chaleur est utilisé pour des liquides quelconques. REVENDICATIONS 1. Cloison de séparation pour cuve à échangeur de chaleur vertical, caractérisée en ce quelle est constituée d'une paroi refermée sur elle-même ayant la forme d'une gaine cylindrique ouverte à ses deux extrémités et de génératrice parallèle à l'axe vertical dudit échangeur de chaleur et entourant ce dernier en laissant, entre sa face interne et la face externe dudit échangeur,un passage p o u r 1 e liquide contenu dans ladite cuve. 2. Cloison de séparation pour cuve à échangeur de chaleur vertical selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section laissée libre au passage du liquide contenu dans la cuve entre la base de cette dernière et l'extrémité inférieure de la cloison de séparation est supérieure à la section du passage laissé libre au liquide entre la face interne de ladite cloison et la face externe dudit échangeur de chaleur. 3. Cloison de séparation pour cuve à échangeur de chaleur vertical selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la section laissée libre au passage du liquide contenu dans la cuve entre l'extrémité supérieure de ladite cloison et la surface dudit liquide est supérieure à la section du passage laissé libre au liquide entre la face interne de ladite cloison et la face externe dudit échangeur de chaleur. 4. Cloison de séparation pour cuve à échangeur de chaleur vertical selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la section laissée libre au passage du liquide contenu dans la cuve entre la base de cette dernière et l'extrémité inférieure de la cloison de séparation et la section laissée libre au passage de ce même liquide entre ltextrémité supérieure de ladite cloison de séparation et la surface dudit liquide sont sensiblement égales.