Brevet FR2249292A1 — publié le 19750523

Dans les chautSe-eau classiques à combustioeq, l'eau à réchauffer est généralement salarie des gaz de combustion par une paroi quelconque conductrice de 1 chaleur, qui peut être soit celle de tubes, soit celle d'uL récipient de forme quelconque Qui chauffe lteau par conduction. le principe de fonctionnement de certains chauffeeau à chauffage instantané consiste à injecter un jet d'eau froide pulvérisé dans une flamme, de préférence dans un jet de gaz enflammé, mais ce procédé présente des inconvénients certains : il faut faire tres-attention à faire entrer liteau en contact-avec la flamme en un point tel que son refroidissement ne provoque pas une combustion incomplète ; certaines des plus petites gouttelettes se vaporisent, et il faut les recondenser pour quelles ne- soient pas évacuées avec les gaz brQlés, la séparation de ces derniers et de-la vapeur d'eau exigeant-des condensateurs perfectionnés, -de sorte que la simplicité fondamentale drun tel système se trouve en grande partie annulée par la nécessité d'utiliser des accesscires compliqués. La présente invention-est basée sur la possibilité-de chauffer très rapidement une colonne d'eau à surface- cylindrique par contact direct de cette surface avec une flamme. L'eau n'est pas injectée dans la flamme, de sorte qute-lle risque moins de se vaporiser partiellement, L'apparei.l selon -l'invention comporte un tambour tournant à grande vitesse et-dans lequel la-force eentrifuge fait prendre à l'eau qui y est injectée la forme d'un tube cylindrique entourant dans le tambour un brdleur central- fixe dont la flamme -entre au moins partiellement en contact-avec la surface intérieure du cylindre tubulaire d'eau0 I1 est possible de régler le diamètre de ce cylindre, dont 11 eau est constamment renouvelée et réchauffée, au moyen de deux distributeurs annulaires fixes d'entrée et de sortie de diamètres différents qui, percés d'ouvertures, pénè trent -la colonne d'eau tubulaire. La différence des pressions statiques engendrées dans la colonne par ce dispositif-peut être facilement mesurée et utilisée pour régler le débit d'entrée et de sortie de l'eau. l'invention sera décrite plus en détail en regard du-dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel : La figure unique représente en coupe axiale le chauffe-eau selon l'invention qui comporte un tambour cylindrique creux 10 sur la paroi interne duquel sont fixés plusieurs déflecteurs verticaux et rayonnants 12 ainsi que des cloisons annu laires et horizontales 14 percées d'ouvertures 16 destinées au passage de 1' eau. les-deux extrémités du tambour sont fermées par des couvercles supérieur 18 et inférieur 20, le premier étant solidaire d'un arbre creux 22 qu'une poulie 26 menée par un moteur non représenté fait tourner rapidement sur des roulements 24 fixés sur la paroi externe d'un tube fixe 28 supportant lui-m8me intérieurement un autre tube 30 dans lequel est monté un brûleur 32 dont la rampe de combustion et l'allumeur portent les références 34 et 36. les tubes 28 et 30 sont séparés par un conduit d'admission - annulaire 38 communiquant par un orifice 40 avec une conduite d'eau non représentée.L'appareil comporte divers joints d'etanchéité dont l'un est représenté le couvercle inférieur 20 est solidaire d'un organe tronconique 44 ouvert à ses deux-extrémités et-dont la paroi latérale comporte une série d'ouvertures dont une seule 46 est représentée, dans lesquelles sont-fixées des aubes 48, et qui comportent une nervure rectangulaire 50 faisant saillie à l'intérieur de ltorgane 44. Lorsque l'utilisateur arr8te le brQleur en .T4 et le tambour, l'eau peut s'accumuisr/au fond d'un boîtier 52 qui enveloppe le tambour 10 et l'organe 44.Ce dernier, à la mise -en marche de l'appareil, aspire cette eau et la refoule presque entièrement dans le tambour. l'appareil comporte aussi deux distributeurs fixes d'entrée 56 et de sortie 58, constitués chacun d'une paire de plaques annulaires séparées par un intervalle et par un certain nombre d'aubes incurvées analogue à celles d'une roue de pompe centrifugeO le diamètre du distributeur d'entrée est supérieur au diamètre interne de la colonne d'eau tubulaire dont-la surface intérieure est indiquée par la référence 60, le diamètre du distributeur de sortie étant supérieur à celui du distributeur d'entrée de sorte que sa périphérie est plus proche de la paroi du tambour 10 et plus enfoncée dans le colonne d'eau0 La sortie d'eau chaude comprend une série de tubes 62 qui débouchent dans un collecteur 64 d'où l'eau sort par un orifice -66.La référence 68 désigne une chape de support de l'ap- pareil qui est en général suspendu à une plaque 70 montée sur la chape ( tO-lt autre dispositif de support pouvant bien entendu être utilisé)0 en Il est possible dtutiliser le boîtier 52 comme car eau74 pour évacuer en 76 les gaz brAlésO Ce bottier peut avoir une forme quelconque mais il faut souligner qu'il est fixe et que le tambour 10 tourne à l'intérieur avec un certain espacement. Si l'on fait pénétrer un certain volume d'eau dans le tambour au cours de sa rotation, cette eau prend, par suite de la force centrifuge, la forme d'une colonne cylindrique creuse dont la surface interne est désignée par la référence 60. La pression statique de cette eau croît radialement de l'intérieur vers l'extérieur proportionnellement au ca-rré du rayon. Be dia- mètre du distributeur d'entrée est tel que la pression statique dans la colonne d'eau en rotation est sensiblement-plus forte que la pression atmosphérique qui s 'exerce sur la surface 60. Comme le distributeur d'entrée est fixe, si la pression statique de l'eau qui l'atteint en passant par l'orifice 40 et le conduit annulaire 38 est égale à la pression statique qui règne à sa périphérie, l'eau ne peut ni pénétrer dans le tambour rotatif ni en sortir, et le diamètre de la surface cylindrique 60 de la colonne d'eau reste constante. la pression statique interne de la colonne d'eau est plus grande à la périphérie du distributeur de sortie qu'à celle du distributeur d'entrée de sorte que l'eau de la colonne sort de l'appareil tant que son robinet de distribution doleau chaude reste ouvert. En revanche, dès qu'on ferme ce robinet, la pression statique monte entre lui et la périphérie du distributeur de sortie jusqu'à égaler la valeur de la pression statique régnant à cette périphérie. L'eau ne peut plus alors circuler dans le tambour et le diamètre interne de la colonne d'eau reste de nouveau constant. Si l'on ouvre de nouveau le robinet de distribution d'eau chaude, l'eau sort du tambour par le distributeur de sortie et la surface interne 60 de la colonne d'eau tubulaire se déplace radialement Vers l'extérieur, ce qui provoque autour du distributeur d'entrée une chute de la pression statique que vient alors compenser le courant dteau d'alimenta- tibn de l'appareil dont le débit est exactement le meme que celui du robinet de distribution d t eau chaude. ant que l'eau circule dans le tambour comme décrit précédemment, la pression qui s'exerce à la périphérie des deux distributeurs d'entrée et de sortie s'établit de façon plus complexe du fait qu'il s'agit d'une combinaison de pressions statiques et de pression dynamique.Autrement dit, la chute de pression statique au niveau du distributeur d'en-trée'résulte partiellement de a transformation en pression dynamique grace à laquelle stétablit le courant doleau, mais ce mEme phénomène intervient au niveau du distributeur de sortie du fait de la rotation du tambour qui communique à la colonne d'eau une certaine-énergie dynamique qui s'ajoute à sa pression statique à ce niveau.C'est pour cette raison que les deux distributeurs camportent intérieurement des aubes incurvées : celles du distributeur entrée sont incurvées dans le sens de rotation et celles du distributeur de sortie en sens inverse de manière à dévier le courant doleau vers l'intérieur de ce dernier en profitant de la vitesse de rotation de la colonne d'eau pour l'aspire rer hors du tambour et la chasser dans la tuyauterie de sortie. l'application des principes bien connus de la dynamique des fluides permet d'optimaliser l'écoulement et de réduire au minimum les transformations irréversitles d'énergie au sein du dispositif. -- le brdleur à gaz fait partie du distributeur d'entrée l'appareil comporte à son sommet un dispositif convenable alimentant ce-brtleur en gaz et en air Ce dispositif est constitué de fentes qu un obturateur ferme plus ou moins pour régler le débit de l'air de combustion qui est aspiré, -en même temps que le gaz passant par le tube 30 et la rampe 34, par les aubes 48 de l'organe 44o Cette rampe 34 est constituée d'une succession de bandes circulaires en acier inoxydable, alternativement ondulées et planes, enroulées autour d'une âme qui supporte aussi l'allu meur électrique 36.Ce dernier, analogue à une bougie d'allumage, enflamme au moyen d'une étincelle électrique le mélange gazeux sortant de la rampe 34. la flamme ainsi produite lèche la surface interne 60 de la colonne cylindrique d'eau qui est ainsi réchauffée d'une part par rayonnement et d'autre part par contact avec les gaz de combustion. Ces derniers, refroidis par leur entrée en contact avec cette surface 60, sont aspirés par 11 organe 44 et en sortent par le centre du distributeur 58 et les orifices 46 de cet organe 44 en passant entre les tubes 62, pour s'échapper par l'intervalle 74 séparant le boîtier 52 du tambour 10 dont ils réchauffent la surface extérieure, leur évacuation se faisant par la partie en spirale du boîtier et le carneau 76. l'utilisateur arrête le chauffe-eau en coupant l'alimentation de son moteur, ce qui provoque aussi la fermeture de deux éleetrovannes dont l'une interrompt l'alimentation en eau de l'appareil et l'autre I'alimentation en gaz du brûleur, le tambour 10 tournant alors en roue libre jusqu'à son arrêt Au bc;ut d'un certain temps, son ralentissement est tel que la force centrifuge devient insuffisantQ pour que l'eau qu'll contient conserve la forme de colonne tubulaire précitée, de sorte que l'eau s'écoule au travers de l'organe 44 pour s'accumuler dans le fond du boîtier 52. Lorsque l'utilisateur remet en marche l'appareil, la rotation de ltorgane 44 mené par le tambour 10 fait passer dans ce dernier l'eau que contient le fond du boîtier 52, les -déflecteurs 12 forçant cette eau à prendre la forme de colonne tubulaire déja décrite l'organe 44 assume deux fonctions . il aspire le mélange combustible traversant le brtleur 32 et, grâce à sa forme conique, il pompe l'eau que contient le boîtier pour la,faire passer et la maintenir dans le tambour 10 dès que ce dernier commence à tourner. les saillies internes 50 montées dans les ollvertures 46 de l'organe 44 empêchent les aubes 48 d'aspirer l'eau par ces ouvertures, de sorte que seuls les gaz brûlés passent entre les aubes 48 pendant que l'eau que contient le boîtier est refoulée dans le tambour au moment du démarrage de l'appareil. Du fait que l'intervalle qui sépare l'organe 44 et le boîtier 52, une certaine quantité d'eau demeure dans ce dernier, mais les gaz brûlés la réchauffent et la vaporisent de sorte Ru'elle est évacuée en même temps qu'eux. Ce chauffe-eau n'exige aucun joint d'étanchéité monté sur un arbre -pour acheminer de l'eau d'un élément fixe (le distributeur d'entrée) à un autre élément fixe (le distributeur de sortie) en passant par le tambour tournant. 10 principe de fonctionnement nouveau consistant à équilibrer la pression statique régnant dans un élément fixe par une pression statique engendrée dans une colonne tubulaire d'eau en rotation peut s'appliquer à bien d'autres dispositifs que le chauffe-eau selon l'invention, par exemple à des rotors de turbine à gaz refroidis par liquide, à des tachmètres, à des pompes sans joints d'étanchéité, à des pompes à chaleur etc. les cloisons annulaires horizontales 14 représentées sur la figure ne servent pas seulement à séparer les déflecteurs verticaux 12, mais elles comportent aussi un certain nombre de trous 16 qui leur font assumer la fonction de chicanes pour for cr l'eau qui circule du distributeur d'entrée au distributeur de sortie à s'écouler irrégulièrement. En effet, comme la colonne tubulaire d'eau est réchauffée près de sa surface interne, la couche d'eau ainsi réchauffée devient plus légère que l'eau plus froide du reste de la colonne et a donc tendance à demeurer au voisinage de la surface 60 tandis que l'eau plus froide et donc plus lourde est projetée par la force centrifuge contre la paroi interne du tambour.Si l'on ne contrariait pas cette ten dance, la couche.d'eau d'eau superficielle atteindrait rapidernent son point d1ébullition et se vaporiserait. les chicanes 14, gracie à leurs trous irrégulièrement espacés, assurent un brassage de l'eau de la colonne de façon à mieux répartir sa température. En outre, les gaz chauds circulant autour du tambour réchauffelnt sa paroi conductrice de la chaleur et donc l'eau qIi est en contact avec elle à l'intérieur du tambour. Cette eau réchauffée devient plus légère et tend à se déplacer vers le centre du tambour, ce qui contribue à améliorer la répartition de la température. Compte tenu de cette circulation naturelle de l'eau dans la colonne, il est facile de régler le mélange d'eau chaude et d'eau froide ainsi que le débit du courant d'eau traversant l'appareil pour obtenir les meilleurs résultats et éviter que l'eau réchauffée se vaporise partiellement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REENDI(ATIO:S 1. - Récipient destiné a réchauffer un liquide, caractérisé en ce qu'un mécanisme fait tourner un tambour cylIndrique fermé à ses deux extrémités par des couvercles comportant l'un un orifice d'admission et l'autre un orifice d'évacuation du liquide, ce tambour contient,entre son axe de rotation et sa paroi latérale,deux distributeurs fixes d'entrée et de sortie dont les parties centrales communiquent respectivement avec llorlfice correspondant et dont les parties périphériques ouvertes, plus proches de ladite paroi pour le second distributeur que pour le premier, pénètrent une colonne liquide cylindrique et tubulaire engendrée le long de la paroi latérale du tambour par sa rotation, la surface interne de cette colonne étant au moins partiellement en contact direct avec la flamme d'un brûleur pénétrant dans le tambour. 2. - Récipient selon la revendication 1, caractérisé en ce que les distributeurs sont -ssnsiblement annulaires et constitués chacun de deux disques plats espacés l'un de l'autre. 3. - Récipient selon la revendication 2, caractérisé en ce que ltouverture périphérique des distributeurs est presque ininterrompue. 4. - Récipient selon la revendication 2, caractérisé en ce que les distributeurs sont situés chacun contre un des couvercles. 5. - Récipient selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tambour est enfermé dans un boîtier avec lequel il coopère pour former un carneau évacuant les produits de la combustion. 6. - Récipient selon la revendication 5, caractérisé en ce que le brûleur est situé près de l'orifice d'admission du liquide, l'entrée du carneau étant située près de l'orifice d'évacuation. 7. - Récipient selon la revendication 1, caractérisé en ce quedes cloisons ou déflecteurs rayonnants orientés suivant l'axe du tambour, partent de sa paroi latérale vers l'intérieur. 8. - Récipient selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits déflecteurs sont séparés les uns des antres par des cloisons annulaires perforées perpendiculaires à l'axe du tambour et partant de sa paroi latérale vers l'intérieure 9. - Récipient selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des distributeurs comprend deux plaques espacées situées dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du tambour. 10. - Récipient selon la revendication 9, caractérisé en ce que des aubes montées entre les plaques de chacun des distributeurs contribuent suivant le cas à faire entrer le liquide dans le tambour ou à l'en faire sortir. 71, - Récipient selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un ventilateur est monté sur le tambour autour de son orifice d'évacuation.