Brevet FR2319099A1 — publié le 19770218

La présente invention concerne un appareil et un dispositif en vue de la récu pération de chaleur dans les installations thermiques Le dispositif de l'invention vise à permettre une économie d'énergie en obte nuant un rendement amélioré dans les dispositifs de combustion ; il comportera en outre des applications nombreuses et diverses chaque fois que l'on voudra récupérer les calories dun fluide chaud pour réchauffer un autre fluide La présente invention sera décrite au long du présent mémoire descriptif en fonction de son application plus particulière visant à échauffer l'air comburant alimentant le foyer dlune chaudière par échange thermique avec les gaz de combustion ou gaz brûlés qui sont rejetés à une température élevée bien que l'invention ne soit pas limitée à cette application celle-ci constitue une mise en oeuvre préférentielle de réalisation de l'invention qui servira de base à la description qui suit. La présente invention se situe d'une façon générale dans le cadre des préoccupations des responsables des entreprises comme des économies nationales des pays occidentaux d'économiser l'énergie en obtenant un meilleur rendement pour une quantité donnée de combustible utilisé Le dispositif de ltinvention vise , dans l'application particulière qui est ici prise en considération à réchauffer l'air alimentant le foyer d'une chaudière par échange thermique avec les gaz brûlés le mélange gazeux combustible et comburant injecté dans le foyer étant ainsi à une température plus élevée ce qui permet d'en améliorer le rendement ctest-à-dire le rapport entre les calories effectivement dépensées et les calories récupérées dans le fluide à réchauffer On contrait déjà des dispositifs rotatifs d'échange thermique visant à Iermeftre le réchauffement de lTair comburant dans une chaudière par échange avec les gaz brûlés; dans les dispositifs connus on fait circuler l'air entrant et les gaz sortant à contre courant dans deux chambres jumelle s la chambre est associée à un dispositif formé d'une pluralité de volets montés radialement sur un arbre de rotation ss arbre situé selon le plan de séparation des deux chambres et selon l'axe de circulation des fluides ; l'ensemble des volets mon- tés sur cet axe constitue un rotor et le mouvement rotatif de cet ensemble fait constamment passer les volets de la chambre parcourue par le fluide chaud vers la chambre parcourue par le fluide froid et inversement ; les volets forment eux-memes , lorsqu'ils arrivent en position diamétrale selon le plan de séparation des deux chambres un dispositif d'étanchéité empêchant la comrnunication d'une chambre à l'autre; de par leur rotation les volets sont ainsi déplacés constamment d'une chambre à l'autre ; ils sont donc réchauffés par passage dans la chambre parcourue par les gaz brûlés et les volets ainsi échauffés passent ensuite par rotation dans la chambre traversée par l'air entrant qui lèche les volets et peut ainsi être réchauffée au contact des volets On peut également disposer entre les volets des corps métalliques lacunaires formant grillage , treillis , nid d'abeille , métal déployé ou autre ce qui accroît les surfaces et la masse du corps métallique intermédiaire constituant vecteur des calories depuis les gaz brûlés vers l'air comburant Cependant ces dispositifs ne sont pas d'une efficacité et d'un rendement satis faisant. Outre leur construction assez complexe et leur prix de revient élevé les dispositifs à volets munis de corps métalliques lacunaires , traversant les fumées d'échappement de la chaudière sont vite encrassés par les dépôts de suie ou d'imbruiés à la surface des corps véhiculés d'une chambre à l'autre la couche de produit se déposant à la surface des corps vecteurs de calories forme une couche isolante qui limite rapidement l'efficacité de ce système; le nettoyage des masses lacunaires est complexe , coûteux et d'une efficacité limitée ; il est donc nécessaire de procéder fréquemment au remplacement des masses métalliques insérées pour constituer les corps rotatifs d'échange thermique ce qui handicape l'économie du système De plus ces dispositifs entrainent le rotor dans un mouvement de balayage transversal par rapport à l'axe de déplacement des fluides ; si ce mouvement est favorable à un léchage du fluide sur les surfaces d'échange, il provoque une perte de charge importante qui se traduit par exemple par une surconsommation de la soufflerie du brûleur de la chaudière En outre le principe même de fonctionnement de ces dispositifs d'échange n'est pas satisfaisant dans la mesure où chaque partie du rotor est amenée globalement et sur toute sa surface au contact du fluide chaud , puis du fluide froid, au moment où il dépasse le plan -équatorial correspondant au plan de séparation des deux chambres respectivement parcourues par les fluides froids et les fluides chauds I1 n'y a donc pas dans ce système de circulation à contre courant qui permettrait une recharge maximum en calories du corps intermédiaire puis son épuisement maximum avec l'obtention d'un bilan thermique optimum La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et permet de réaliser un dispositif et un appareil d'échange thermique entre deux fluides circulant à contre courant qui évite les inconvénients des dispositifs antérieurement connus en assurant des conditions de fonctionnement sûrs et un rendement avantageux A cet effet l'invention concerne un dispositif d'échange thermique entre deux fluides circulant à contre courant et du type comportant un corps solide intermédiaire vecteur de calories et déplacé successivement d'une position immergée au sein du fluide chaud dans laquelle il est réchauffé et une position immergée au sein du fluide froid dans laquelle le corps intermédiaire cède ses calories au fluide à réchauffer caractérisé en ce que le corps d'échange intermédiaire suit un parcours sans fin en circuit fermé et tel que ce corps intermédiaire soit amené au contact suçcessif de chacun des fluides en se déplaçant au sein de chacun des fluides à contre courant De préférence le corps intermédiaire est constitué d'un élément métallique entrainé en rotation et successivement au contact de chacun des fluides la circulation de chacun des fluides étant telle qu'elle s'effectue dans une direction tangentielle à la rotation de l'élément métallique d'échange et en sens inverse de cette rotation De préférence l'élément métallique d'échange est constitué par au moins un disque métallique associé à des éléments latéraux d'étanchéité, une moitié du disque étant constamment immergée dans une chambre parcourue par le fluide chaud l'autre moitié du disque étant constamment plongée dans une chambre jumelle parcourue par le fluide froid , le disque étant positionné selon un plan parallèle à la circulation des deux fluides traversant les chambres jumelles à contre courant l'un de l'autre la rotation du disque dépla çant successivement chaque secteur idéal du disque de la chambre froide vers la chambre chaude et inversement, le disque rencontrant dans chaque chambre le fluide circulant dans une direction tangentielle à la rotation du disque et en sens inverse De préférence l'appareil comporte une batterie de disques montés sur un arbre commun chaque disque étant séparé du disque voisin par un élément d'étanchéité fixe constitué d'éléments parallèles et formant ensemble un peigne les éléments étant disposés selon le diamètre du disque et séparant la chambre froide de la chambre chaude Par exemple les éléments d'étanchéité formant ensemble un peigne sont constitués d'éléments moulés longiformes s'étendant tout au long d'un diamètre du disque et débordant légèrement par rapport à ce diamètre, ces éléments moulés étant prévus en leur centre avec une ouverture pour le passage de l'axe support des disques, les éléments étant bloqués à leur extrémité et se prolongeant de part et d'autre par un élément de paroi séparant les deux chambres jumelles respectivement froide et chaude Selon une autre caractéristique les disques disposés en batterie sont montés sur un arbre unique et ils sont séparés les uns des autres par des anneaux d'entretoisement, les disques étant bloqués entre eux et rendus solidaires de l'arbre l'épaisseur des anneaux d'entretoisement correspondant à l'intervalle entre deux disques voisins et à l'épaisseur des peignes d'étanchéité , les anneaux d'entretoisement venant prendre place dans l'ouverture circulaire disposée au centre de chaque élément d'étanchéité, cette ouverture étant prévue avec un diamètre correspondant au diamètre extérieur de l'aigu d'entre toise avec un faible jeu permettant la.rotttion de l'anneau d'entretoise solide daire de l'arbre et des disques, tandis que les élérnents d'étanchéité sont fixes et bloqués sur Ie boitier çonstituant les deut chambres jumelles respectivement chaude et -froide Selon d'autres caractéristiques les disques sont prévus avec des fentes curviformes débouchant sur leurs boras et divisant la surface du disque en sieurs secteurs, dont les rayons cur-vifores sont décalés vers l'arrière dans le sens de rotation du disque . .- L'invention concerne de façoii gus-prQfcfte unv psitif d'échange thermique pour la récupération de calories dans une chaudière et coraportant les t moyens d'échange thermique décrits ci-dessus, une chambre étant parcourue:: par les gaz de combustion quittant- la chaudière -la chambre froide étant parcourue par l'air comburant alimentant le foyer des la chaudière Le dispositif de l'inventioa permet ainsi de récupérer une grande partie des calories des gaz brûlés qui entrent dans le dispositif à une température de l'ordre de 230 et le quittent à une température de l'ordre de 1700 tandis que l'air comburant est porté de la- température ambiante , disons de l'ordre de 100 , à une température de tordre de 70". On permet ainsi d'augmenter le rendement de la chaudière d'au moins 2 à 3 points,ce qui permet de porter le rendement de chaudière fabriquée par la demanderesse de l'ordre de 877o à une valeur atteignant 907o Le dispositif selon l'invention est particulièrement efficace pour de nombreuses raisons qui évitent les inconvénients décrits ci-dessus au détriment des appareils précédemment connus En premier lieu l'appareil utilise une circulation du corps étanche intermédiaire véhiculant les calories du fluide chaud vers le fluide froid circulant en contre courant au sein de chaque fluide , ainsi un secteur du disque quittant la chambre froide pénètre la chambre chaude du côté opposé à l'entrée du fluide chaud , ctest-à-dire des gaz brûlés le secteur du disque est alors à sa température la plus basse et il rencontre les gaz chauds mais à une température déjà baissée ; il suit que , conformément aux principes de 11 échange à contre courant le fluide chauffant ayant déjà cédé une partie de ses calories rencontre en fin de parcours un support d'échange "neuf" à sa température la plus basse ce qui permet d'épuiser au maximum les calories du fluide chauffant ; les secteurs du disque stavançant dans la chambre chaude rencontrend, au fur et à mesure qu'ils s'échauffent des gaz toujours plus chauds ce qui permet la poursuite des échanges maximum tout au long du passage du disque dans la chambre chaude ; le phénomène inverse se produit dans la chambre froide dans laquelle le secteur idéal considéré du disque pénètre en étant arrivé à sa température maximum et il rencontre alors l'air comburant déjà échauffé ; en fin de parcours dans la chambre froide le disque refroidi partiellement rencontre l'air le plus froid ce qui permet le maximum d'échanges . Selon un autre avantage de l'invention les disques traversent le fluide étant situés dans un plan parallèle en sorte que les pertes de charges dues au mouvement du disque au sein du fluide sont pratiquement nulles Surtout chaque disque étant situé entre deux éléments d'étanchéité disposés diamétralement selon le plan de séparation des deux chambres, les surfaces de chacune des faces du disque sont constamment balayées et nettoyées par ces éléments d'étanchéité ce qui assure un autonettoyage et un entretien constant de la surface des disques ; ces derniers ne risquent donc pas de voir s'accumuler des dépôts de suie ou de corps organiques incomplètement brûlés qui formeraient une couche d'isolation diminuant considérablemcnt le rené~ ment de l'appareil; ce dernier n'a donc pas besoin d'être nettoyé et il est constamment maintenu en état parfait de fonctionnement étant auto-entretenu et autonettoyé par le frottement constant du disque sur les éléments d'étant chéité D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit et qui est donnée en rapport avec une forme de réalisation préférentielle présentée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés. La figure 1 donne une vue d'un schéma de fonctionnement d'un appareil selon l'invention La figure 2 donne une vue en perspective du détail de réalisation des élérr.ents d'étanchéité selon le schéma de la figure 1 . La figure 3 montre une vue en perspective du disque mis en oeuvre dans l'appareil selon l'invention La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale de l'ensemble des disques montés sur leur arbre de rotation et associés aux éléments intermédiaires d'étanchéité En considérant l'ensemble des figures on voit que l'appareil selon l'invention est mis en place sur un circuit double parcouru par deux fluides avancant à contre courant (figure 1) on voit ainsi dans l'exemple de la figure 1 un premier fluide montant dans la cheminée 1 ; il s'agit par exemple des gaz brû lés sortant d'un dispositif thermique tel qu'une chaudière ; symétriquement à la cheminée d'évacuation 1 se trouve disposé le conduit 2 pour l'acheminement de l'air destiné à alimenter le foyer de cette chaudière Les deux conduites symétriques 1 et 2 suivent un parcours parallèle et voisin qui les conduit , dans leur position voisine dans la capacité d'dchange 3 cette dernière est faite en réalité de la juxtaposition d'une chambre 4 dans laquelle débouche la partie supérieure 2 de l'arrivée d'air frais et d'où s'échappe la partie inférieure 2' de la conduite d'acheminement de cet air réchauffé vers le foyer La chambre voisine 5 est parcourue par les gaz chauds arrivant par la partie inférieure de la cheminée 1 et - la chambre se prolonge au delà vers la partie supérieure de la cheminée 1'. Les deux chambres 3 et 4 sont séparées par un jeu de peignes formés de la succession des éléments intercalaires d'étanchéité 6, 6', 7, 7T qui sont disposés selon le plan de séparation des deux chambres 4 et 5 et qui s'opposent au passage du fluide d'une chambre à l'autre ; les éléments d'étanchéité 6, 7... sont prolongés à leur partie supérieure par la paroi de séparation 8 à laquelle correspond symétriquement en position inférieure la paroi 9 On voit à la figure 2 une vue de détail des peignes formés par la succession des éléments intercalaires 6, 6', 7, 7' ; ces derniers sont bloqués à leur partie supérieure par une gouttière inversée 10 tandis qu'une gouttière symétrique ll est solidaire de la paroi inférieure 9 ; ces deux gouttières immobilisent en position fixe le jeu des peignes formés par les éléments intercalaires 6, 6' et 7, 7' . Ces éléments comportent en leur centre une ouverture 12, 12' permettant le passage de l'arbre 13 sur lequel sont montés les disques rotatifs 14, 14', 15 et 15' Les disques sont formés-d'une t81e dont la figure 3 donne une vue de détail. On notera à cet égard que l'épaisseur des disques est assez faible et les éléments intercalaires 6, 6', 7, 7' viennent au contact des faces des risques de façon à assurer l'étanchéité d'une chambre à l'autre ; l'espace qui sépare les éléments intercalaires d'étanchéité 6 et 6', 6' et 7 > 7 et 7' etc.. cor- respondant seulement à l'épaisseur d'un disque ; dn voit à cet égard que la distance qui a été représentée entre les éléments intercalaires sur les figures 1 et 2 a été agrandie pour les commodités et l'intelligence du dessin L'ensemble des disques 14, 14', 15 et 15' est monté sur l'arbre 13 et les disques sont maintenus espacés d'une distance convenabie par les anneaux d'entretoisement 16, 16', 17, 17' (figure 4) ; ces anneaux d'entretoisement ont une épaisseur qui correspond à celle des éléments intercalaires 6, 6' et 7, 7' ; ils viennent se loger au centre de l'ouverture 12, 12' située sur chaque élément intercalaire ; dans ces conditions les disques successifs sont bloqués sur leur axe de rotation 13 selon un espacement correspondant exactement au positionnement rigoureux des disques entre les différentes dents du peigne d'étanchéité formé par les éléments intercalaires 6, 6', 7,7' La rotation des disques selon leur arbre d'entrainement 13 est obtenue par tout dispositif approprié par exemple par un motoréducteur ; on peut égaliement compte tenu des faibles vitesses de rotation utiliser un bras de vérin animé Cl'un mouvement de va et vient et entravant l'arbre 13 par un dispositif à rochet. La rotation des disques 14, 14' et 15, 15' se fait selon la flèche f et on voit dans ces conditions qu'au sein de chaque chambre respectivement 4 et 5 les disques tournent en sens contraire de l'acheminement des fluides Le dispositif ainsi réalisé joue le rôle d'échange thermique ainsi qu'on l'a exposé ci-dessus lors du passage dans la chambre 5 une moitié du disque subit un échauffement 2 les filets de fluide chaud léchant les deux faces dudisque par suite de sa rotation le disque pénètre lentement dans la chambre voisine 4 où sa masse chaude est léchée par l'air froid acheminé de haut en bas dans la chambre 4 provenant du conduit supérieur 2 et s'échappant par le conduit inférieur 2', par exemple sous l'action de la soufflerie du ventilateur du brailleur alimentant la chaudière ; lors du passage sur les disques dans la chambre 4 l'air va donc se réchauffer en empruntant ses calories aux disques rotatifs Un avantage de l'invention est d'amener ainsi les corps d'échange thermique au -contact des fluides en circulant à contre courant ; dans ces conditions la partie du disque pénétrant dans la chambre chaude 5 , provenant alors de la chambre froide 4 est à sa température sensiblement la plus basse et il rencoritre alors les gaz chauds ayant déjà perdu une partie de leurs calories par passage sur la partie plus avancée des disques ; la partie la plus froide du disque amenée au contact des gaz déjà refroidis permet donc d'épuiser au maximum les calories restant dans les gaz chauds avant leur échappement dans l'atmosphère ; le disque s'avançant dans la chambre chaude se réchauffe mais il rencontre alors un gaz encore plus chaud ce qui permet donc toujours d'améliorer les échanges le phénomène inverse se produit dans la chambre froide le disque pénètre alors qu'il est à sa température la plus éleyée et il rencontre de l'air déjà chauffé par passage sur les parties supérieures du disque ; mais comme les parties entrantes du disque sont à leur température maximum elles peuvent encore céder des calories à un gaz déjà réchauffé ; inversement avant de quitter la chambre froide le disque déjà refroidi rencontre l'air à sa température la plus froide et peut donc grace à ce gradiant thermique céder ses dernières calories à l'air à réchauffer Un autre avantage remarquable de l'invention est de provoquer le nettoyage constant des disques puisque ces derniers sont prisonniers entre les éléments intercalaires formant le peigne de séparation des deux chambres ; le frottement constant des faces latérales des disques contre ces éléments d'étanchéité empêche le dépôt de matières carbonées qui risqueraient de former une cou èhe isolante et de diminuer voire de supprimer le rendement du système Selon une autre caractéristique chaque disque comporte des fentes (figure 3) de forme curviforme et ces fentes 17, 17' divisent la surface du disque en s'opposant ainsi à une conduction de la chaleur d'une partie du disque à la partie voisine ce qui , en cas d'immobilisation du disque , une moitié étant immobilisée dans une chambre chaude et l'autre moitié restant dans la chambre froide provoquerait un flambage en bloquant l'ensemble de l'instal- lation la forme arquée ou curviforme des fentes 17, 17' permet la rotation du disque sans blocage d'une arête du disque sur les éléments d'étanchéité intermédiaire s REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'échange thermique entre deux fluides circulant à contre ccurant et du type comportant un corps solide intermédiaire vecteur de calories et déplacé successivement d'une position immergée au sein du fluide chaud dans laquelle il est réchauffé à une position immergée au sein du fluide froid dans laquelle le corps intermédiaire cède ses calories au fluide à réchauffer, caractérisé en ce que le corps d'échange intermédiaire suit un parcours sans fin en circuit fermé et tel que ce corps intermédiaire soit amené au contact successif de chacun des fluides en se déplaçant au sein de chacun des fluides à contre courant de ces derniers 2 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le corps intermédiaire est constitué d'un élément métallique entrainé en rotation et successivement au contact de chacun des fluides la circulation de chacun des fluides étant telle qu'elle s'effectue dans une direction tangentielle à la rotation de l'élément métallique d'échange et en sens inverse de cette rotation 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément métallique d'échange est constitué par au moins un disque métallique associé à des éléments latéraux d'étanchéité , une moitié du disque étant constamment immergée dans une chambre parcourue par le fluide chaud , l'autre moitié du disque étant constamment plongée dans une chambre jumelle parcourue par le fluide froid , le disque étant positionné selon un plan parallèle à la circulation des deux fluides traversant les chambres jumelles à contre cou rant l'un de l'autre , la rotation du disque déplaçant successivement chaque secteur idéal du disque de la chambre froide vers la chambre chaude et inver sement le disque rencontrant dans chaque chambre le fluide circulant dans une direction tangentielle à la rotation du disque et en sens inverse. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie de disques montés sur un arbre commun chaque disque étant séparé du disque voisin par un élément d'étanchéité fixe constitué d'éléments parallèles et formant ensemble un peigne , les éléments étant disposés selon le diamètre du disque et séparant la chambre froide de la chambre chaude 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité formant ensemble un peigne sont constitués d'éléments moulés ou découpés longiformes s'étendant tout au long d'un diamètre du disque et débordant légèrement par rapport à ce diamètre, ces éléments moulés ou découpés étant prévus en leur centre avec une ouverture pour le passage de l'axe support des disques les éléments étant bloqués à leur extrémité et se prolongeant de part et d'autre par un élément de paroi séparant les deux chambres jumelles respectivement froide et chaude. 6 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les disques disposés en batterie sont montés sur un arbre unique et ils sont séparés les. entre uns des autres par des anneaux d'entretoisement, > les disques étant bloqués entre eux et rendus solidaires de l'arbre, l'épaisseur des anneaux d'entretoi- sement correspondant à l'intervalle entre deux disques voisins et à l'épais-;; seur des peignes d'étanchéité, les anneaux d'entretoisement venant prendre place dans l'ouverture circulaire disposée au centre de chaque élément a d'étanchéité, cette ouverture étant prévue avec un diamètre correspondant au diamètre extérieur de l'anneau d'entretoise avec un faible et jeu permettant la rotation de l'anneau d'étanchéité solidaire de l'arbre et des disques tandis que les éléments d'étanchéité sont fixes et bloqués sur le boîtier constituant les deux chambres jumelles respectivement chaude et froide. 7 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les disques sont prévus avec des fentes curviformes débouchant sur leurs bords et divisant t la surface du disque en plusieurs secteurs dont les rayons curviformes sont décalés vers l'arrière dans le sens de rotation du disque