Brevet FR2295393A1 — publié le 19760716

La présente invention concerne un aménagement apporté aux installations comportant une source de chaleur, désignée ici par "fluide chauffant", et une source de fluide en circulation entre une zone froide et une zone chaude, désignée ici par "fluide chauf fé", un conduit amenant le fluide chauffé provenant de la zone froide à traverser une enceinte contenant le fluide chauffant, pour y emmagasiner une portion de l'énergie thermique du fluide chauf fant et à la transférer à la zone chaude. Une telle installation peut fonctionner avec des fluides de toute nature, gazeux ou liquide, à savoir de l'air, de l'eau, de l'air chargé de gaz de combustion d'hydrocarbures, de la vapeur d'eau ou tous autres fluides intervenant dans l'industrie, les moyens de chauffage du fluide chauffant pouvant être aussi bien physico-chimiques, tels que la combustion de charbon, de bois, ou d'hydrocarbures, qu'essentiellement physiques, tels que l'énergie électrique, solaire, atomique ou autre. En d'autres termes, l'invention vise un aménagement de caractère absolument général, quelle que soit la nature des deux fluides, des moyens de chauffage-initial du fluide chauffant, de l'utilisation du fluide chauffé, et plus généralement encore de la nature de l'installation, qui peut être par exemple une chaudière de chauffage industriel ou domestique ou un système de réchauf fage de carburant dans un moteur ou tout autre genre d'installation, intervenant dans l'industrie. En effet, il est connu dans toutes ces installations, que le problème majeur est celui du rendement thermique c'est-a-dire vde l'utilisation de l'énergie thermique du fluide chauffant pour échauffer le fluide chauffé. I1 y a toujours transfert de cette énergie dans l'enceinte précitée, mais jamais en totalité, et c'est précisément la proportion entre l'énergie transférée et 1' énergie conservée par le fluide chauffé que l'on a recherché à rendre maximale par divers moyens. Il est bien évident que, aussi longtemps que le fluide chauffant quitte l'installation à une température supérieure à cel le de la zone froide, il y a perte d'énergie, de sorte que, dans leur ensemble, les solutions déjà préconisées ont consisté à utiliser le fluide chauffant, déjà partiellement refroidi, sa sortie de l'installation, pour préchauffer le fluide chauffé avant de l'in troduiire dans l'enceinte de transfert. Toutefois, il s'agit là d'une simple récupération, dont le rendement demeure toujours médiocre, l'énergie du fluide chauffant se trouvant gaspillé, dès lors que ce fluide a quitté l'enceinte, alors que sa source de chauffage continue de fonctionner à plein. Le problème qui se posait était donc, soit de conserver le même degré de transfert thermique en diminuant la consommation de la source de chaùffage du fluide chauffant, soit de conserver cette consommation, mais en accroissant le degré de transfert thermique, soit en pratique, les deux. A cet effet l'invention consiste à aménager une installation du type précité, de manière à prélever la proportion maximale de l'énergie thermique du fluide chauffant avant que ce dernier ne quitte l'enceinte de transfert, par emmagasinage de cette énergie au moyen d'éléments appropriés disposés dans ladite enceinte, et à restituer cette énergie emmagasinée au fluide chauffé, soit dans l'enceinte même, soit immédiatement quand le fluide chauffé quitte l'enceinte pour être envoyé dans la zone chaude. Comme il a été évoqué plus haut, grâce à cet aménagement, il est possible, soit d'accroitre la température du fluide chauffé envoyé à la zone chaude sans modifier la source de chauffage du fluide chauffant, soit de diminuer l'allure ou les caractéristiques de consommation de cette source tout en obtenant la même température du fluide chauffé, soit, de préférence de bénéficier à la fois des deux avantages. Dans la pratique, les éléments d'emmagasinage de l'énergie thermique consistent en des masses de matériaux réfractaires qui sont disposés dans l'enceinte de transfert thermique, sur le trajet du fluide chauffant, au-delà du conduit par lequel le fluide chauffé traverse cette enceinte, de telle sorte que le fluide chauffant transfère son énergie thermique, dans un premier stade au fluide chauffé, de la manière usuelle, puis dans un second stade auxdits éléments réfractaires qui l'emmagasinent en fonction de leur capacité thermique, qui dépend de la nature du matériau et de la quantité utilisée. Bien entendu, il est prévu des moyens pour la récupération progressive de cette énergie thermique emmagasinée, à la fois au cours du fonctionnement de l'installation, et ultérieurement, ces moyens consistant en un conduit secondaire du fluide chauffé, (le conduit usuel étant considéré comme conduit primaire), monté en dérivation du conduit primaire, et traversant les masses d'élé ments réfractaires, de manière que le fluide chauffé passant par ce conduit secondaire récupère l'énergie thermique accumulée dans ces éléments, et soit réuni à l'entrée de la zone chaude à la sortie du conduit primaire. L'énergie de la source de chauffage du fluide chauffant est ainsi récupérée presque intégralement dans l'enceinte précitée, ce qui assure le degré maximum de cette récupération. On a pu constater expérimentalement que cette récupération accroît le rendement thermique de toute une série d'installations, de l'ordre de 25 à 35 %, et même plus, ce que l'on peut assimiler à une économie d'énergie du même ordre. Il faut, en passant, noter que cet aménagement peut être apporté, non seulement à des installations nouvelles, mais encore à toute installation déjà existante, au prix de modifications relativement minimes. On peut à cet égard assimiler un tel aménagement à un dispositif économiseur d'énergie, dont l'utilité apparaît considérable. Enfin, on notera également que cet aménagement ne se substitue pas aux dispositifs déjà prévus aux mêmes effets, évoqués au début, mais s'y adjoint, puisqu'il se situe à l'intérieur de l'enceinte de transfert thermique, tandis que les anciens dispositifs sont en général situés à l'extérieur. A titre d'exemple illustrant l'invention, mais n'ayant aucun caractère limitatif, on va décrire maintenant l'application de l'invention à une chaudière de chauffage central dans laquelle un conduit d'eau est chauffé par les gaz de combustion d'un brûleur au fuel. Dans une telle chaudière, un brûleur de type connu envoie dans une chambre de combustion un jet de brouillard de fuel en combustion dans de l'air, cet air chargé de gaz chauds traversant ladite chambre de bas en haut pour être ensuite évacués par une cheminée. Sur son passage, ce mélange chaud, qui constitue ici le fluide chauffant, balaye un conduit transversal d'une longueur appropriée,,qui provient d'un réservoir d'eau froide situé à l'ex- térieur de la chaudière, et qui, à la sortie de la chaudière, distribue l'eau chaude aux points d'utilisation. Le réservoir constitue la zone froide, l'eau constitue le fluide chauffé, et les points d'utilisation constituent la zone chaude. Ce type de chaudière est tout à fait usuel, et il est clair que le simple balayage du conduit par les gaz chauds n'assure qu' un faible transfert thermique, ce qui implique une consommation importante de fuel pour atteindre et maintenir la température souhaitée de l'eau. Au surplus, dès l'interruption du fonctionnement du brûleur, l'eau cesse d'être chauffée dans le conduit et la zone dite chaude se refroidit rapidement. Selon l'invention, on pratique sur ce conduit une dérivation en forme de conduits secondaires métalliques équipés d'ailettes également métalliques, de longueur appropriée, et autour des-. quels sont moulées des masses de matériau réfractaire, déjà connu en soi pour sa capacité thermique considérable, cette dérivation étant disposée dans la portion supérieure de la chambre, jusqu'ici inutilisée, au-dessus du conduit principal, et on peut faire circuler l'eau du réservoir dans cette dérivation au même titre que dans le conduit principal, grâce à des vannes montées aux extrémités. A la mise en route de l'installation, lesdites vannes sont fermées, et les gaz chauds cheminant de bas en haut transfèrent leur chaleur d'une part à l'eau circulant dans le conduit principal, à la manière habituelle, et d'autre part aux éléments réfractaires, ainsi qu'aux ailettes de la dérivation. Dès que ces élé-ments ont emmagasinés une quantité de chaleur suffisante on ouvre les vannes de la dérivation, et l'eau qui y circule récupère lentement la chaleur emmagasinée dans le réfractaire, et l'additionne à celle déjà transférée à l'eau provenant du conduit principal. Dès lors, le fonctionnement de l'installation s'établit comme suit - ou bien on maintient le même type de brûleur et/ou le même débit de fuel, et il est possible d'atteindre une température et/ou un débit plus élevé de l'eau de distribution, - ou bien, on se contente de la même température et/ou du même débit de cette eau, mais on peut alors, soit utiliser un plus petit brûleur, soit en réduire le débit, soit les deux, - ou bien on conjugue l'ensemble de ces avantages et de ces économies. Au surplus, même une fois le brûleur arrêté, la masse réfractaire restitue progressivement la chaleur qu'elle a accumulée, et l'eau du circuit secondaire demeure chaude pendant un certain temps. On peut ainsi envisager des cycles de fonctionnement avec arrêts du brûleur assurant une température constante. 'Les nombreuses mesures effectuées sur une chaudière équipée du circuit secondaire ainsi décrit ont conduit à la conclusion que, dans la totalité des cas, et quelles que soient les éléments variables maintenus constants, l'économie d'énergie résultant de cet aménagement demeure au total de l'ordre de 25 à 35 %. Compte tenu de la crise énergétique sévissant actuellement dans le monde, il apparait donc que l'invention représente un progrès d'une extrême importance. REVENDICATIONS 1- Installation de chauffage de fluides, du type comportant, une source de chaleur désignée ici par "fluide chauffant", et une source de fluide en circulation entre une zone froide et une zone chaude, désignée ici par "fluide chauffé, un conduit amenant le fluide chauffé provenant de la zone froide à traverser une enceinte contenant le fluide chauffant, pour y emmagasiner une portion de l'énergie thermique de ce fluide chauffant et à la transférer à la zone chaude, caractérisé en ce que la proportion maximale de l'énergie thermique du fluide chauffant est prélevée avant que ce dernier ne quitte l'enceinte de transfert, par emmagasinage de cette énergie au moyen d'élément appropriés, disposés dans ladite enceinte, cette énergie emmagasinée étant restituée au fluide chauffé, soit dans l'enceinte même, soit immédiatement quand le fluide chauffé quitte l'enceinte pour être envoyé dans la zone chaude. 2- Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'emmagasinage de l'énergie thermique consistent en des masses de matériaux réfractaires qui sont disposées dans 1 'encein- te de transfert thermique, sur le trajet du fluide chauffant, audelà du conduit par lequel le fluide chauffé traverse cette enceinte, de telle sorte que le fluide chauffant transfère son énergie thermique, dans un premier stade auxdits éléments réfractaires qui l'emmagasinent en fonction de leur capacité, qui dépend de la nature du matériau et de la quantité utilisée, des moyens étant prévus pour la récupération progressive de cette énergie thermique emmagasinée, à la fois au cours du fonctionnement de l'installation, et ultérieurement, ces moyens consistant en un conduit secondaire de fluide chauffé, (le conduit usuel étant considéré comme conduit primaire), monté en dérivation du conduit primaire, et traversant les masses d'éléments réfractaires, de manière que le fluide chauffé passant par ce conduit secondaire récupère l'énergie thermique accumulée dans les éléments, et soit réuni à l'entrée de la zone chaude à la sortie du conduit primaire. 3- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le fluide chauffant est de l'air chargé des gaz de combustion d'un brûleur à fuel, le fluide chauffé est de 1' eau, et l'installation est une chaudière de chauffage central.