Brevet FR2375567A1 — publié le 19780721

La présente invention concerne un dispositif échangeur de chaleur condenseur de vapeur réchauffeur de liquide, du type comportant un corps dans lequel sont ménagés un premier circuit de condensation de la vapeur et de sous-refroidissement des condensats ainsi qu'un deuxième circuit de circulation du liquide à chauffer, ces deux circuits étant couplés entre eux de manière à permettre un échange mutuel de chaleur. Pour faire face aux problèmes posés par les économies d'énergie les Pouvoirs Publics ont été amenés à promouvoir le chauffage individuel des locaux habités. Pour -atteindre cet objectif, l'énergie à utiliser peut être soit une énergie classique comme le gaz, le fuel, l'électricité ou tout autre combustible. D'autre part, il est également possible d'utiliser la chaleur amenée par un fluide primaire constitué par exemple par de la vapeur. Les moyens connus pour préparer de l'eau chaude destinée au chauffage de locaux habités, à partir d'un fluide primaire comme la vapeur ou l'eau chaude livrée par un réseau primaire, ne présentent pas toutes les garanties souhaitables de longévité, de sécurit de fonctionnement, de facilité d'entretien et en outre sont généralement encombrants. L'invention remédie à cet inconvénient et a notamment pour but de proposer un échangeur de chaleur utilisant de la vapeur basse pression comme fluide primaire, permettant une grande souplesse de régulation dans une large gamme de débits de chaleur. Ce but est atteint conformément à l'invention du fait qu' & l'extrémité aval du premier circuit est prévue une capacité tampon xemplie de condensats et associée à des moyens de surpression pour le maintien à une valeur supérieure à la pression atmosphériq:e de la pression au niveau le plus élevé de ladite capacité, en fonctionnement normal du dispositif échangeur. Ainsi, gracie à la présence de la capacité tampon maintenue en surpression, la partie de premier circuit où la vapeur se condense sera plus ou moins remplie de condensats selon la quantité de chaleur à transmettre : on obtient ainsi une surface d'échange variable. On peut ainsi augmenter ou réduire sans retard la surface d'échange en vue de régler l'efficacité de l'échangeur en augmentant ou en réduisant le débit de vapeur admis dans l'échangeur. I1 en résulte que cet échangeur peut entre régulé avec une grande souplesse, à partir d'un asservissement du débit dé vapeur admis, et cela pour une large gamme de débits de chaleur échangée. Avantageusement, le volume de la capacité tampon est au moins sensiblement égal à celui d'une partie du premier circuit, dite condenseur, dans laquelle se condense la vapeur, cette partie étant située en amont de la capacité tampon et d'une partie dite de sous-refroidissement des condensats, dudit premier circuit. Avantageusement, les moyens de surpression de la capacité tampon sont constitués par une colonne hydraulique qui communique avec ladite capacité tampon et dont l'extrémité supérieure est située au-dessus du niveau du point le plus élevé du condenseur. Avantageusement, le condenseur est situé au-dessus du niveau maximal de la capacité tampon. Avantageusement, le condenseur entoure un dispositif à membrane absorbant les variations de volume du liquide à chauffer. Avantageusement, la pression hydraulique maximale du niveau le plus élevé de la capacité tampon est maintenue à une valeur constante. Avantageusement, en amont du premier circuit sont prévus des moyens de commande du débit de vapeur1 ces moyens était asservis à des moyens de mesure de la température d'un milieu chauffé à partir des calories transférées par ledit échangeur de chaleur. Avantageusement, le condenseur s'étend verticalement depuis un niveau supérieur jusqu'à un niveau inférieur lui-mEme situé au-dessus du niveau maximal de condensats de la capacite tampon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue en élévation et en coupe verticale d'un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2 est une vue en élévation et en coupe verticale d'un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de l'invention. L'échangeur de chaleur représenté comprend.un corps 1 de forme extérieure cylindrique. A son extrémité inférieure, ce corps reçoit une conduite d'arrivée d'eau à réchauffer 2 d'axe horizontal et sur laquelle est interposée une pompe de circulation 3. A son extrémité supérieure, le corps 1 reçoit une conduite d'arrivée de vapeur 4 d'axe vertical et sur laquelle sont interposées-une vanne d'isolement 5 et une vanne automatique 6. Une conduite de départ d'eau chaude 7 est également prévue à l'extrémité supérieure du corps 1. --ta conduite d'arrivée de vapeur 4 débouche dans le corps 1 dans une chambre de détente 8 d'où la vapeur passe dans un espace tubulaire d'axe vertical 9, ménagé entre deux parois métalliques tubulaires 10 et 11. A l'espace tubulaire 9 fait suite un espace annulaire plat 12 ménagé entre une paroi de fond circulaire 13 de la paroi tubulaire intérieure 11 et une paroi de fond annulaire 14 de la paroi tubulaire extérieure 10. -L'espace annulaire 12 communique avec un deuxième espace tubulaire d'axe vertical 15 ménagé entre des parois métalliques tubulaires 16 et 17 de diamètre 2 à 4 fois plus faible que celui des parois 10 et Il. L'espace tubulaire 15 déboucle dans une capacité 18 ménagée à l'extrémité inférieure du corps 1 et dont le volume est avantageusement égal à celui des espaces 8 et 9 réunis.A l'extrémité supérieure de la capacité 18, qui est destiné à recevoir les condensats de la vapeur entrant par la conduite 4, débouche une colonne hydraulique de maintien de pression 19 d'axe vertical présentant un évent 20 à son extrémité supérieure et un raccord 21 pour une conduite de départ des condensats, non représentée, ce raccord 21 étant situé à un niveau qui est supérieur au niveau maximal de la chambre 8 et qui est légèrement inférieur à celui de l'évent 20. La conduite d'arrivée d'eau à réchauffer 2 débouche, dans le corps 1, dans un espace tubulaire d'axe vertical 22 ménagé entre la paroi 17 et une paroi 23 entourant la paroi 17 ; l'espace 22 débouche à son extrémité supérieure dans un espace annulaire plat 24 ménagé entre la paroi 14 et une paroi annulaire 25 délimitant de façon étanche la capacité 18 t à l'espace 24 fait suite un deuxième espace tubulaire 26 de diamètre 2 à 4 fois plus grand que celui de l'espace 22 : cet espace annulaire 26 est ménagé entre la paroi 10 et une paroi 27 servant de paroi extérieure à la partie supérieure du corps 1. L'espace tubulaire 26 débouche à son extrémité supérieure dans un espace 28 situé à l'extrémité supérieure du corps 1, et dans lequel débouche la conduite de départ d'eau chaude 7. Dans l'espace 28 est disposée une sonde de température 29 faisant partie d'un thermostat 30 commandant la vanne de régulation 6. Ainsi, l'eau à réchauffer arrivant par la conduite 2, parcourt un circuit constitué successivement par les espaces 22,24, 26 et 28 avant de quitter le corps 1 par la conduite 7. La vapeur venant par la conduite 4 parcourt un circuit constitué successivement par les espaces 8,9,12 et 15 t dans ce circuit, la vapeur en se condensant cède ses calories à l'eau circulant dans son circuit propre 22,24,26, de sorte que cette vapeur est complètement condensée avant d'atteindre l'espace 12. Les condensats se refroidissent le long du circuit 15 puis atteignent la capacité 18 qu'ils quittent ensuite par la colonne 19 et le raccord 21, afin de rejoindre un compteur de débit d'eau condensée (non représenté. Afin d'augmenter le taux d'échange de chaleur entre les deux circuits décrits ci-dessus, un boudin métallique hélicoïdal 31,32 est prévu, respectivement, dans les espaces 26 et 15 et réalise un conduit hélicoidal dans lequel circulent, à vitesse relativement élevée, l'eau (cas de l'espace 26) ou les condensats (cas de l'espace 15). La partie de circuit 8,9,12 située au-dessus de la paroi 25 constitue un condenseur dans lequel la vapeur se condense. La capacité 18 est maintenue normalement, par la colonne 19, à une pression hydraulique constante dont la valeur est, au niveau maximal de cette capacité, supérieure à la pression atmosphérique. Cette capacité 18 constitue donc une capacité t a m p o n qui est située en dessous du niveau des espaces 8,9 et 12, et qui a pour fonctions essentielles de permettre que la condensation de la vapeur dans les espaces 8 et 9 se fasse à une pression supérieure à la pression atmosphérique et que la limite entre une premier partie dite condenseur du circuit 8,9,12,15, c'est dire une partie où se trouve essentiellement de la vapeur, et une deuxième partie de ce circuit, dite de sous-refroidissement des. condensats, ces dire une-partie où se trouvent essentiellement des condensats, que cette limite puisse se situer à des niveaux différents s'échelonnant depuis le niveau de l'espace 12 jusqu'au niveau maximal de la chambre 8. Ainsi, les compartiments condenseurs 9 et 8 peuvent être remplis, jusqu'S un certain niveau, de condensats à partir de la capacité tampon 18, ce qui permet de diminuer ou d'augmenter le taux d'échange de chaleur de l'échangeur selon l'importance du débit de chaleur demandé. I1 en résulte qu'une régulation de ce débit de chaleur peut être obtenue avec une grande souplesse et dans une large gamme de débits. La hauteur "h" de la colonne d'eau 19 est choisie suffisamment grande, par rapport aux fluctuations du niveau supérieur des condensats dans le condenseur 8,9 de manière que la-pression de condensation soit toujours équilibrée en fonctionnement normal, par la perte de charges des condensats à travers un limiteur de débit réglable 33, prévu.sur la colonne 19, augmentée de la charge hydraulique que cette colonne l9 induit. Le volume de la capacité tampon 18 est de préférence légèrement supérieur aux volumes additionnés des espaces 8,9 et 12 (condenseur). La capacité tampon 18 a également pour r81e d'empocher la pénétration d'air dans le condenseur 8,9 lorsque l'échangeur fonctionne à faible régime ou lorsqu'vil est à l'arret. Avantageusement, un dispositif de compensation des variations de volume de l'eau à chauffer, est placé dans l'espace intérieur à la paroi 11, espace délimité vers le bas par la paroi 13. Ce dispositif de compensation comporte une vessie fermée, à parois déformables 34, remplie d'air et disposée dans une chambre 35 délimitée par les parois 11 et 13, et, vers le haut, par une paroi 36. La chambre 35 est remplie d'eau et communique en permanence avec l'espace 28 par un conduit 37. Le dispositif échangeur qui vient d'etre décrit peut être utilisé pour chauffer, par exemple de 700 à 900 C, l'eau d'une installation de chauffage individuel d'appartement ou d'immeuble. Dans ce cas, l'ensemble constitué par la capacité 18 et la colonne 19, peut également servir de garde hydraulique et dispenser de l'utilisation d'un purgeur. I1 est A noter que le dispositif échangeur conforme a l'invention permet une mesure facile et individuelle de la quan tité de chaleur consommée : cette quantité peut etre mesurée par le compteur de débit d'eau placé sur la conduite de départ des condensats branchée sur le raccord 21. Par ailleurs, le fonctionnement de ce dispositif bchan- geur est silencieux grtce notamment a la présence de la chambre de détente 8 et å la disposition verticale de l'espace de condensation 8,9,12. La figure 2 montre une variante de réalisation de l'échangeur selon l'invention. Selon cette variante, les boudins 31 et 32 sont supprimés et sont remplacés, respectivement, par des ondulations 27a et lla des parois 27 et-ll en tale. De plus, le circuit d'eau comprend un espace hélicoidal-de-diamètre constant 26a ménagé entre les parois 27 et 10 et s'éténdant pratiquement sur toute la hauteur du corps t de l'échangeur depuis l'endroit où débouche la conduite 2 jusqu'au sommet du corps 1. Cet espace 26a fait suite à un deuxième espace hélicoïdal 50 coaxial et de diamètre inférieur à celui du premier espace 26a, l'espace 50 étant ménagé entre la paroi 11 et une paroi tubulaire ondulée 51 dont le bord inférieur 51a est libre. A son extrémité inférieure, l'espace 50 débouche dans la chambre 35 qui est délimitée par la paroi 51 et par une paroi extrime supérieure 52 du corps 1, paroi sur laquelle est soudé en 51 b le bord supérieur de la paroi 51. La conduite de départ d'eau chaude 7 débouche dans le corps 1 à l'extrémité supérieure de la chambre 35. Le circuit de condensation et de sous-refroidissement comprend un espace tubulaire de diamètre constant 9a ménagé entre les parois 10 et 11, cet espace s'étendant pratiquement sur toute la hauteur du corps 1 depuis l'endroit où débouche la conduite 4 dErrivee de vapeur jusqu'au fond de la capacité 18. L'espace 9a simplement tubulaire à hauteur de la chambre 35, devient hêlicoidale - gracie aux ondulations lla - à son extrémité inférieure entourant la capacité 18 dans laquelle il débouche par des ouvertures 53. Une simple paroi 54 sépare la capacité 18 de la chambre 35, La colonne 19 - non représentée - débouche dans la capacité 18 par une extrémité en forme de trop-plein 55. La variante selon la figure 2 présente, par rapport à celle de la figure 1, l'avantage d'entre d'une plus grande simplicité de réalisation. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'entre décrits uniquement a titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, la sonde 29 et le thermostat 30 peuvent agir différemment et la vanne d'admission 6 peut Entre placée sous l'influence d'un thermostat d'ambiance prévu dans un local chauffé au moyen de l'eau chaude fournie par le dispositif échangeur. REVENDICATIONS 1) Procédé de réglage, dans un échangeur de chaleur condenseur de vapeur réchauffeur de liquide comprenant un condenseur recevant de la vapeur et couplé thermiquement avec un circuit secondaire dans lequel se trouve le liquide à chauffer, de la surface d'échange à travers laquelle la vapeur en condensation se trouvant dans le condenseur cède sa chaleur latente de condensa tion au liquide se trouvant dans le circuit secondaire, caractérisé en ce qu'on constitue une réserve de condensats à partir des condensats provenant de la condensationtde la vapeur dans le condenseur, en ce qu'on diminue cette surface d'échange en introduisant dans le condenseur des condensats préleves dans ladite réserve, et en ce qu'on augmente cette surface d'échange en retirant des condensats dudit condenseur. 2) Procédé de réglage selon la revendication 1, carac péris en ce qu'on introduit des condensats dans le condenseur par aspiration en diminuant la pression régnant dans la zone de condensation de ce dernier et en mettant en communication l'intérieur de ce dernier avec les condensats mis en réserve. 3) Procédé de réglage selon la revendication 2, carac térisé en ce qu'on diminue la pression de la zone de condensation du condenseur en diminuant le débit de vapeur admis dans le condenseur. 4) Dispositif échangeur de chaleur condenseur de vapeur réchauffeur de liquide pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, du type dans lequel un liquide circulant dans un circuit secondaire est chauffé essentiellement par la chaleur latente de condensation d'une vapeur admise dans un circuit primaire couplé thermiquement avec ledit circuit secondaire, ce circuit primaire comprenant un condenseur non horizontal muni à son extrémité supérieure d'une entrée de vapeur reliée à une conduite d'arrivée de vapeur et, à son autre extrémité, d'une sortie des condensats reliée à une conduite d'évacuation des condensats, de sorte qu'une zone dite de condensation,de hauteur et donc de volume variables,contenant de la vapeur en condensation,s'établit dans au moins l'extrémité supérieure dudit condenseur, caractérisé en ce qu'une vanne est prévue en amont de ladite entrée pour régler le débit de vapeur admis dans le condenseur, et en ce que le circuit primaire comprend une capacité de retenue placée en aval du condenseur relativement au trajet des condensats, reliée à une source de pression de référence telle que l'atmosphère, et communiquant en permanence avec l'extré- mité inférieure du condenseurt de sorte qu'une diminution de la pression régnant dans ladite zone de condensation du condenseur entrain l'introduction par aspiration dans ledit condenseur d'une certaine quantité de condensats prélevés dans ladite réserve. 5) Dispositif selon la revendication 48 caractérisé en ce que le volume de la capacité de retenue est au moins égal à celui du condenseur. 6) Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le condenseur est délimite par une enceinte ouverte à son extrémité opposée à l'entrée de vapeur, cette enceinte débouchant par cette extrémité ouverte dans la capacité de retenue. 7) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la capacité de retenue présente à son extrémité supérieure une sortie de trop-plein reliée a la conduite d'évacuation des condensats, cette sortie définissant un niveau maximal de condensats dans ladite capacité de retenue. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit niveau maximal est situé à un niveau au moins égal à celui de l'entrée du condenseur. 9) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la vanne de commande du débit de vapeur est commandée en fonction de la température du liquide se trouvant à l'extrémité aval du circuit secondaire ou en fonction de la température d'un local chauffé à l'aide dudit liquide sortant dudit échangeur. 10) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la capacité de retenue comprend une colonne hydraulique dont l'extrémité inférieure est reliée à la sortie du condenseur et dont l'extrémité supérieure est reliée à la conduite d'évacuation des condensats. 11) Dispositif selon les revendications 6 et 10, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure de la colonne hydraulique débouche à l'extrémité supérieure d'une capacité intermédiaire faisant partie de la capacité de retenue et à l'extrémité inférieure de laquelle débouche l'extrémité ouverte de 1 'enceinte du condenseur. 12) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que l'entrée dans le condenseur se fait dans une chambre d'expansion formant l'extrémité supérieure dudit condenseur. 13) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que le condenseur entoure une capacité reliée au circuit secondaire et dans laquelle est disposée une chambre déformable remplie de gaz constituant un dispositif de compensation des variations de volume du liquide se trouvant dans ledit circuit secondaire. 14)Application du dispositif selon l'une des revendications 4 à 13 au chauffage dthabitåtion ou de local individuel, caractérisée en ce qu'un compteur de débit de consensat est prévu en aval de la sortie du condenseur.