Brevet FR2260749A1 — publié le 19750905

L'usage de la vapeur d'veau est très étendu. Dans le domaine technique, elle peut servir de source ou support d'énergie, de réactant chimique ou d'agent physique. On l'utilise aussi pour la stérilisation dans les domaines biologique, biochimique, médical, pharmaceutique, chirurgical, etc. La nécessité d'atteindre dans de nombreux cas des températures supérieures à 1000C conduit à utiliser la vapeur sous pression et généralement la vapeur saturante. Cette vapeur est produite dans des autoclaves ou, lorsqu'il y a consommation de vapeur, dans des chaudières. Les problèmes posés par les appareils à pression rendent difficile ltobtention de températures élevées si on se limite à l'utilisation de vapeur saturante. A titre d'exemple, il faut une pression de vapeur de 6,302 Kg/cmQpour atteindre une température de vapeur saturante de 160cl. C'est pour cette raison que dans certains cas on équipe la chaudière d'un échangeur supplémentaire destiné à surchauffer la vapeur émise par le bouilleur. Dans tous les cas, les appareils qui existent sont volumineux et lourds. Leur équipement de contrôle et régulation est relativement compliqué. En particulier dans le cas des chaudières, la production continue de vapeur exige l'utilisation d'un dispositif de régulation automatique du niveau d'eau dans le bouilleur. De meme les autoclaves exigent de mettre en place des dispositifs de sécurité par niveau bas de l'eau et sont d'un emploi peu commode. Enfin, les mises en régime de ces appareils sont longues. Bref, ces appareils paraissent mal adaptés aux besoins en vapeur des petits et moyens laboratoires. En effet, ces laboratoires ont plutôt besoin de petits appareils faciles à manipuler, peu encombrants, d'un fonctionnement à la fois simple et souple et pouvant meme éventuellement etre déplacés d'une pièce à l'autre. De préférence, la source d'énergie de ces appareils est électrique ce qui limite les dangers d'utilisation, supprime la pollution et réduit l'entretien. La présente invention a pour objet un appareil de génération continue de vapeur surchauffée comprenant des moyens de chauffage situés à l'intérieur d'une enceinte délimitant une chambre de vaporisation appelée à contenir un liquide à vaporiser et une chambre de surchauffe de la vapeur obtenue. Cet appareil est caractérisé en ce que ses moyens de chauffage sont associés à un élément conducteur de la chaleur, dit bloc de chauffe, agencé pour que la chaleur four- nie par les moyens de chauffage se répartissent dans celui-ci, le dit bloc de chauffe étant disposé en partie dans la chambre de vaporisation et en partie dans la chambre de surchauffe de l'en- ceinte en vue, à la fois,d'être plongé dens le liquide et d'émerger au niveau de la vapeur pour faire simultanément office de bouilleur et de surchauffeur.L'enceinte comprend d'une part un orifice d'entrée raccordé à des moyens de canalisation permettant d'amener en continu le liquide dans la chambre de vaporisation, d'autre part, un orifice de sortie raccordé à un conduit de vapeur par lequel la vapeur est appelée à s'échapper en continu. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant L'eau est admise dans la chambre de vaporisation. Le bloc de chauffe, par sa partie inférieure, transmet à cette eau l'énergie qu'il reçoit des résistances électriques. L'eau est portée à ébullition et il s'établit de façon automatique un niveau d'eau dans la chambre de vaporisation. La partie inférieure du bloc de chauffe est immergée dans l'eau de la chambre de vaporisation, et la hauteur d'immersion est fonction du débit d'eau et de la température de surchauffe. La vapeur émise est surchauffée à la température désirée par la partie du bloc de chauffe qui émerge de l'eau. La partie de l'enceinte qui n'est pas occupée par l'eau en ébullition joue le rle de chambre de surchauffe.Les chambres de vaporisation et de surchauffe sont contigties et peuvent ne pas présenter de séparatisn. Le bloc de chauffe de l'appareil présente de préférence une inertie thermique élevée. Cela permet d'emmagasiner de la chaleur pendant le préchauffage de l'appareil et avant l'introduction de l'eau. Cela permet aussi d'améliorer la régularité du débit de vapeur émise et de sa température de surchauffe. Enfin, cela permet aussi de protéger contre toute surchauffe les résistances électriques par coupure de courant grâce à un thermostat de sécurité qui capte la température du bloc de chauffe. Selon un mode de réalisation avantageux, les résistances sont incorporées au sein même du bloc de chauffe ce qui permet une excellente transmission. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de chauffage sont constitués par un brûleur disposé sous une cheminée de gaz chauds, celle-ci étant prolongée dans le bloc de chauffe par des canaux qui traverseht ce dernier et débouchent dans une cheminée d'échap pement à l'air libre. Ce mode de réalisation peut être avantageux pour des appareils de grosse capacité où les puissances électriques nécessaires seraient trop importantes. Selon un autre mode de réalisation avantageux, l'appareil comporte un régulateur de la température de la vapeur, pourvu d'un capteur de température placé sur la conduite de sortie de la vapeur, ledit régulateur étant adapté pour asservir la température de surchauffe de la vapeur et permettre de la régler à une valeur donnée dans une plage de 100 à 5000C. Le bloc de chauffe est réalisé de telle manière qu'il présente à la fois une très bonne conduction de la chaleur et une surface d'échange suffisante. L'enceinte délimitant les chambres de vaporisation et de surchauffe est conçue de telle manière qu'elle puisse être mise sous pression sans danger. Elle est équipée des accessoires de contrôle de sécurité nécessaires : manomètre indicateur de pression, soupape, vanne de décharge, clapet anti-retour sur canalisation d'arrivée de l'eau. De plus, cette enceinte est conçue pour permettre un démontage facile et rapide du bloc de chauffe, en vue du nettoyage et de l'entretien de l'appareil. Cette enceinte est bien calorifugée et le tout est présenté dans un carter de forme harmonieuse. Les appareils conçus suivant ces principes sont en général de petites dimensions et facilement transportables. L'alimentation continue en eau de l'appareil se fait à partir du réseau d'eau. En ce cas, le réglage du débit d'eau est réalisé au moyen d'une vanne micrométrique placée sur la canalisation d'amenée d'eau et la pression de fonctionnement est au plus égale à la pression du réseau d'eau. Suivant un autre mode de réalisation, l'alimentation en eau est réalisée au moyen d'une pompe doseuse qui puise l'eau dans une bache de stockage. La pression maximale de fonctionnement de l'appareil est fonction de la pression de refoulement de la pompe doseuse. Elle est en général comprise entre 3 et 5 Kg/cm5 mais elle peut être supérieure. Suivant un autre mode de réalisation, la capacité d'alimentation et la pompe sont incorporées dans l'appareil et réalisent ainsi un ensemble compact qu'il faut alimenter périodiquement en eau mais qui est autonome entre deux alimentations. Enfin, le débit de vapeur d'eau que l'on peut obtenir est fonction de la puissance calorifique de l'appareil. La régulation de température de surchauffe de la vapeur d'eau est en général du type "tout ou rien". Mais suivant un mode de réalisation avantageux, cette régulation peut être du type "continue" ce qui fournit une meilleure précision. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit, en regard des dessins annexés, lesquels descriptions et dessins-ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. EXEMPLE 1 : La planche 1 montre un appareil de génération continue, de vapeur surchauffée à chauffage électrique alimenté à partir du réseau de distribution générale d'eau. Ce générateur fournit de la vapeur surchauffée à pression atmosphérique ou sous pression. Il comprend - Une enceinte (1) en acier qui limite la chambre due vaporisation. - Un bloc de chauffe (2) constitué par une masse de cuivre et logé dans une chambre (3) en acier qui plonge dans la partie inférieure de l'enceinte (1), laquelle joue le règle de chambre de vaporisation. Le surchauffeur (4) est taillé dans la masse du bloc (2) et limité par la chambre (3). Les éléments chauffants (5) sont disposés dans la masse du bloc (2) et sont interconnectés au cable d'alimentation électrique (6) à l'intérieur du boitier (7). Un doigt de gant (8) disposé dans cette même masse du bloc (2) contient un dispositif de sécurité qui permet de couper l'alimentation électrique si une certaine température de la masse est atteinte. La partie supérieure du bloc de chauffe est entourée d'une couronne (9) de collection de vapeur surchauffée.Cette vapeur sort de l'appareil par la canalisation (10) qui comporte une petite capacité (11) où est placé le capteur du régulateur de température de surchauffe de la vapeur. - Une virole extérieure (12) à laquelle est fixée une tôle de fond (13) et qui est coiffée d'un couvercle (14). La virole est isolée du corps (1) par de la laine de verre (15) et le couvercle rempli aussi de laine de verre est également isolé du corps par une plaque d'amiante (16). Le fonctionnement de l'appareil est le suivant On porte le bloc de chauffe en température et on règle la tempéra- ture de la vapeur à la valeur désirée par l'intermédiaire d'un régulateur qui a son capteur dans la capacité (11). On règle le débit d'eau d'alimentation à une valeur convenable au moyen de la vanne micrométrique (17). Cette alimentation est réalisée à partir du réseau d'eau (18). Un clapet anti-setour placé en amont de la vanne permet d'éviter un refoulement de vapeur dans le réseau d'eau en cas de surpression à l'intérieur de l'appareil. On obtient ainsi de la vapeur surchauffée à la température choisie. Cette vapeur surchauffée peut être obtenue sous pression en plaçant un détendeur en aval de l'appareil.La pression maximale que l'on peut atteindre est égale aux pertes de charge près, à la pression du réseau d'eau d'alimentation. Le manomètre (19) permet de contrtler la pression intérieure de la chambre de vaporisation. Une soupape de sécurité (20) ainsi qu'un robinet (21) permettent de décharger, soit automatiquement, soit manuellement, cette chambre de vaporisation. A titre d'indication, ce dispositif équipé de résistances électriques d'une puissance totale de 3.500 Watts permet de générer 4 Kg de vapeur à l'heure sous 3 Kg/css et à une température de surchauffe de 3000C. EXEMPLE 2 : La planche 2 montre un générateur de vapeur surchauffée identique au précédent alimenté à partir d'une réserve d'eau déminéralisée (22) par l'intermédiaire d'une pompe doseuse (23). Un clapet antiretour (24) protège cette pompe. Cette variante permet, par rapport à la précédente, d'obtenir une vapeur surchauffée à une pression plus élevée et avec un débit d'alimentation plus régulier. Elle présente de plus l'avantage d'utiliser de l'eau déminéralisée. EXEMPLE 3 : La planche 3 montre un générateur de vapeur surchauffée à chauffage électrique alimenté à partir du réseau de distribution générale d'eau. Ce générateur fournit de la vapeur surchauffée à pression atmosphérique ou sous pression et diffère des précédents par la conception du bloc de chauffe. Il comprend - Une enceinte (25) en acier inoxydable qui limite la chambre de vaporisation e-t de surchauffe ; - Un bloc de chauffe composé de tubes cylindriques (26) filetés extérieurement dans lesquels sont logées les résistances électriques (27). Le branchement électrique de ces résistances se faisant en (28) la partie inférieure dans la zone la plus froide de l'appareil. Perpendiculairement aux tubes cylindriques sont disposées des chicanes (29, 30, 31 et 32) en acier inoxydable soudées aux tubes qui jouent un rôle triple - Augmenter la masse métallique qui réalise un tampon thermique ; - Augmenter la surface d'échange, la chaleur émise par les résistances étant dissipée par csduction ; - Le rôle des chicanes pour le circuit de vapeur. Ces chicanes sont percées chacune d'un orifice de passage de la vapeur situé à leur partie périphérique, les orifices de deux chicanes consécutives étant opposés par rapport à l'axe vertical de l'appareil de manière à ce que le circuit de la vapeur réalise une sinusolde à cet axe. Dans cet axe est disposé un doigt de gant (33) dans lequel est logé un thermostat de sécurité (34). Le doigt de gant (33) et les tubes 26 sont soudés à la bride (35) en acier inoxydable, qui ferme le corps (25). Ce thermostat de sécurité est relié par le cable (36) au dispositif électronique de coupure (37) qui alimente électriquement les résistances par la liaison (38) et qui est lui même alimenté électriquement par la liaison (39). L'alimentation en eau de l'appareil se fait par l'intermédiaire de la canalisation (40) sur laquelle sont disposés un clapet antiretour (41) et une vanne micrométrique de réglage de débit (42). La vapeur surchauffée émise sort de l'appareil par la canalisation (43). Un doigt de gant (44) disposé à la sortie de la vapeur permet de loger le capteur de la régulation (45) de température de surchauffe de la vapeur. Ce capteur est relié au disposi-tif électronique de coupure et régulation (37) par la liaison (46). L'ensemble est entouré de matière isolante (47), le tout étant présenté dans une enveloppe métallique (48). Le fonctionnement de l'appareil est le suivant On met les résistances électriques sous tension et on préchauffe l'appareil, la température de surchauffe étant réglée à une valeur donnée comprise entre 100 et 300oC. Si l'appareil contient e-ncore de l'eau à sa partie inférieure, cette eau se vaporise et se surchauffe et atteint le capteur (45). Le préchauffage est régulé à la valeur de la température de surchauffe. Si l'appareil est complà tement vide, cest le thermostat de sécurité (34) qui joue le rôle de régulateur de surchauffe, la chaleur dissipée par les résistances lui étant transmise par conduction. On admet ensuite l'eau d'alimentation dans l'appareil en réglant son débit à l'aide de la vanne micrométrique (42). Il s'établit de façon automatique un certain niveau d'eau (49) dans la partie inférieure de l'appareil. La hauteur-d'eau est fonction du débit d'eau et de la température de surchauffe choisie. L'eau est en ébullition à 100du ou à une température supérieure si l'appareil est mis sous pression. La vapeur est surchauffée jusqu'à la température de surchauffe choisie, par la partie du bloc de chauffe qui émerge de l'eau. Si le débit d'eau est trop important par rapport à la puissance de l'appareil, la température de surchauffe ne peut être atteinte. Il ne faut donc pas dépasser un certain débit maximum d'eau qui est fonction de la puissance électrique de l'appareil et de la température de surchauffe affichée. Si on veut obtenir la vapeur surchauffée sous pression, il suffit de mettre l'appareil en pression à l'aide d'un mano-détendeur situé en aval de l'appareil. La pression maximale qui pourra être atteinte, sera la pression du réseau d'eau d'alimentation ou la pression fournie par la pompe d'alimentation d'eau si celle-ci se fait au moyen d'une pompe. Si la régulation de température de surchauffe devenait défectueuse, le thermostat de sécurité (34) couperait le chauffage électrique de manière à protéger les résistances électriques contre une surchauffe trop importante. EXEMPLE 4 : L'appareil est identique au précédent mais les chicanes soudées perpendiculairement aux tubes sont remplacées par un garnissa-ge bon conducteur de la chaleur tel que des billes ou des anneaux en acier inoxydable par exemple. Ce garnissage joue le- même rôle que les chicanes. Ces appareils sont d'une utilisation très avantageuse dans les laboratoires qui ont des besoins en vapeur soit pour des opérations de stérilisation, soit pour des opérations de chauffage soit dans des réactions. Bref, ils remplacent la chaudière industrielle et offrent en plus la possibilité d'obtenir la vapeur à température élevée et réglable. REVENDICATIONS 1 - Appareil de génération continue de vapeur surchauffée, comprenant des moyens de chauffage situés à l'intérieur d'une enceinte délimitant une chambre de vaporisation appelée à contenir un liquide à vaporiser et une chambre de surchauffe de la vapeur obtenue, ledit appareil étant caractérisé en ce que ses moyens de chauffage sont associés A un élément conducteur de la chaleur, dit bloc de chauffe, agencé pour que la chaleur fournie par les moyens de chauffage se répartissent dans celui-ci, ledit bloc de chauffe état disposé en partie dans la chambre de vaporisation et en partie dans la chambre de surchauffe de ltenceinte, en vue, à la fois, titre plongé dans le liquide et d'émerger au niveau de la vapeur pour faire simultanément office de bouilleur et de surchauffeur, ladite enceinte comprenant, d'une part, un orifice d'entre raccordé à des moyens de canalisation permettant dtamener en continu le liquide dans la chambre de vaporisation, autre part, un orifice de sortie raccordé à un conduit de vapeur par lequel la vapeur est appelée à s'échapper en continu. 2 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bloc de chauffe présente une inertie thermique élévée. 3 - Appareil selon ltune des revendications t ou 2 caractérsé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par des résistances électriques incorporées au sein du bloc de chauffe dans des- loge- mente ménagés à cet effet, lesdites résistances étant reliées par des conducteurs électriques à une source d'énergie électrique. 4 - Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que le bloc de chauffe est constitué par un ensemble de tubes reliés entre eux par un garnissage, ces tubes présentant des surfaces externes adap tées pour améliorer l'échange thermique et contenant intérieurement les résistances électriques. 5 - Appareil selon la revendication 4 caractérisé en ce que le gar nissage entre tubes est formé par un ensemble de chicanes soudées sur lesdits tubes. 6 - Appareil selon ltune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de surchauf-fe est au moins en partie formée par, au moins, un canal en spirale ménagé dans le bloc de chauffe, le dit canal débouchant par une extrémité au-dessus de la chambre de vaporisation et par l'autre dans un collecteur de vapeur relié au conduit de sortie de lá vapeur. 7 - Appareil selon l'une des revendications 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les conducteurs électriques sont soudés sur les résistances électriques qu'ils alimentent, dans une zone située au niveau ou au-dessous de la chambre de vaporisation. 8 - Appareil selon l'une des revendications 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qutil comprend un interrupteur de sécurité, en particulier du type interrupteur à dilatation thermique, adapté pour couper l'alimentation électrique des résistances lorsqu'elles atteignent un seuil déterminé de température. 9 - Appareil selon 11 une des revendications I ou 2 caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par un bradeur disposé sous une cheminée de circulation de gaz chauds, celle-ci étant prolongée dans le bloc de chauffe par des canaux qui traversent ce dernier et débouchent dans une cheminée d'échappement à lair libre. 10 - Appareil selon l'une des revendications t, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, caractérisé en ce qutil comporte un régulateur de la température de la vapeur, pourvu d'un capteur de température placé sur la conduite de sortie de la vapeur, ledit régulateur étant adapté pour asservir la température de surchauffe de la vapeur et permettre de la régler à une valeur donnée dans une plage de 100 à 500 C. 51 - Appareil selon ltune des revendications t, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens de canalisation amenant le liquide sont équipés d'un raccord permettant de les bran cher sur un réseau d'alimentation et et d'une vanne micrométrique per- mettant de régler le débit d'arrivée dudit liquide. 12 - Appareil selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens de canalisation amenant le liquide sont équipés dtune pompe doreuse. 13 - Appareil selon l'une des revendications Il ou 12 caractérisé en ce que les moyens de canalisation amenant le liquide sont pourvus d'un clapet anti-retour adapté pour empocher un refoulement de vapeur dans lesdits moyens. 14 - Appareil selon ltune des revendications f, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1O, 11, 12, 13, caractérisé en ce que son enceinte est entourée par une enveloppe calorifugée. 15 - Appareil selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comprend un manomètre permettant de contrler la pression de la chambre de surchauffe. 16 - Appareil selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend une soupape de sécurité permettant de décharger la chambre de surchauffe au-delà d'une pression déterminée. 17 - Appareil selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, tl, 12, 13, 14, 15 ou 16, caractérisé en ce qu'il comprend un robinet manuel permettant de décharger manuellement la chambre de surchauffe.