Brevet FR2465888A1 — publié le 19810327

Cette invention est relative à un dispositif pour récupérer la chaleur évacuée par le tuyau d'échappement d'un moteur, notamment d'un moteur de navire. On sait que de la chaleur est engendrée lors du fonctionnement des moteurs. En général, une grande partie de cette chaleur est évacuée avec les gaz et fumées d'échappement, sans être utilisée. Un but de la présente invention est d'apporter un dispositif qui recueille une partie au moins de la chaleur, qui, autrement, serait évacuée sans être utilisée. En conséquence, l'invention concerne un dispositif pour récupérer la chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir rempli de sable ou de tout autre matériau pouvant emmagasiner la chaleur, une pluralité de tubes s'étendant au travers du réservoir et noyés dans le sable, ces tubes étant, par une de leurs extrémités, connectés, ou adaptés pour pouvoir être connectés, d'une manière appropriée au tuyau d'échappement du moteur et étant, par leur autre extrémité, connectés, ou adaptés pour pouvoir être connectés, à une conduite pour évacuer les gaz d'échappement du moteur transportés au tra- vers des tubes, et des moyens pour transporter la chaleur du réservoir à un échangeur de chaleur ou à un autre système consommateur éloigné. Dans le dispositif selon la présente invention, une majeure partie de la chaleur, qui, autrement, est évacuée avec les gaz d'échappement et per- due dans l'atmosphère, est transférée au travers des tubes au sable ou au milieu de stockage de la chaleur approprié qui entoure les tubes. Lors du fonctionnement normal d'un moteur, par exemple d'un moteur de navire, le sable peut atteindre ainsi une température élevée, pouvant atteindre sensible- ment 500'C. La chaleur emmagasinée dans le sable peut en être extraite de différentes façons. Selon un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les tubes s'étendent entre deux plaques tubulaires; on prévoit des collecteurs entre la paroi du réservoir et les plaques tubulaires respectives, au travers desquels les gaz d'échappement du moteur sont respectivement amenés et évacués; et les moyens pour transporter la chaleur depuis le réservoir jusqu'à un échan- geur de chaleur ou un autre système utilisateur consistent en des conduits entre chacun des collecteurs et l'échangeur ou autre système utilisateur, de façon à former un circuit comprenant respectivement le collecteur pour les gaz d'échappement délivrés, une première conduite, l'échangeur de chaleur ou autre système utilisateur, une seconde conduite, le collecteur pour les gaz d'échappement devant être évacués, et les tubes entre les collecteurs, un ventilateur étant prévu dans l'une des conduites pour faire circuler les gaz au travers dudit circuit. Selon un autre mode de réalisation d'un dispositif selon cette inven- tion, les moyens pour transporter la chaleur du réservoir à un échangeur de chaleur ou à un autre système consommateur comprennent un ou plusieurs autres tubes noyés dans le sable, ou dans tout autre matériau emmagasinant la chaleur, ces autres tubes étant connectés, par leurs côtés opposés, res- pectivement sur une première et une seconde conduite reliant les tubes à l'échangeur thermique ou à tout autre système consommateur, de telle façon que les tubes, la première conduite, l'échangeur de chaleur et la seconde conduite constituent un circuit fermé, un ventilateur étant prévu dans ledit circuit fermé pour y faire circuler un moyen ou milieu caloporteur qui est maintenu dans ce circuit. Dans l'échangeur thermique ou dans tout autre système consomma- teur d'énergie calorifique faisant partie du dispositif1selon l'invention, ou qui est couplé à ce dispositif, la chaleur est, par exemple, transmise à l'eau d'un système de chauffage ou d'un système fournissant de l'eau chaude. Lorsqu'il est appliqué à bord de navires, le dispositif selon la pré- sente invention rend inutile une installation classique de chauffage central, ce qui permet de réaliser une économie substantielle d'énergie. Etant donné que le sable possède une capacité calorifique élevée, même lorsque le mo- teur est arrêté et que la chaleur cesse d'être fournie, il s'écoule un temps relativement important avant que toute la chaleur emmagasinée dans le dis- positif selon l'invention soit dissipée. A bord d'un navire, il est donc pos- sible de continuer à faire fonctionner le système de chauffage central pendant un temps considérable après l'arrêt du moteur. Ceci est particulièrement important dans le cas de navires transportant des liquides inflammables, tels que du pétrole et similaire. Afin d'éviter les explosions, aucun "feu ouvert" ne doit exister à bord de tels navires pendant les opérations de chargement et de déchargement, ce qui signifie qu'outre le moteur, une installation de chauffage central fonctionnant, par exemple, avec un brûleur à combustible liquide, doit être également stoppée. La plupart du temps, ceci entrafne une gêne pour l'équipage, particulièrement lorsque les opérations de chargement et de déchargement prennent un temps considérable. Cet inconvénient dispa- raît lorsque le dispositif selon la présente invention est utilisé dans une ins- tallation de chauffage central. Les tubes du dispositif selon l'invention peuvent être constitués d'acier, c'est-à-dire du mOme matériau que le tuyau d'échappement du moteur. Selonr un mode d'exécution préféré du dispositif selon cette invention, ce dernier comprend une dérivation et des moyens pour amener les 0 a-: dchapprement du moteur à passer, en totalité ou en partie, à l'extérieur eu réservoir au travers de ladite dérivation. Ces moyens peuvent com- prendr:e des moyens pour mesurer la température des gaz d'échappement dé- liv:rs, et des moyens pour dévier les gaz provenant du réservoir vers la dérivation, lors d'une mesure d'une température inférieure à une valeur choisie a l'avance. Ces moyens peuvent également comprendre une valve rorntee dans le conduit allant vers le réservoir, en aval du point o est branchée lauite dérivation; cette valve est actionnée de façon à obstruer toute la conduite, et elle est équipée d'un poids disposé de telle fa- ccn par rapport à son point d'articulation que, lorsqu'une petite quantité de gaz est délirée, le poids maintienne la valve en position fermée, et que, lorsque des quantités plus importantes de gaz sont délivrées, la valve s'ouvre à l'encontre de l'action du poids. Lorsque le moteur tourne lentement, l'émission de chaleur est rela- tivement faible, et les gaz d'échappement présentent une température rela- tivement faible. LDrsque des gaz d'échappement présentant une telle tempé- rature faible traversent le dispositif dans lequel le sable est à une tempéra- ture relativement plus élevée, la chaleur n'est pas délivrée au sable, mais au contraire, elle est évacuée par les gaz d'échappement.Cet inconvénient est évité en faisant passer les gaz d'échappement non au travers des tubes, mais au travers d'une dérivation. Lorsque le mécanisme est con- trôlé en référence à la température, ce contrôle peut être effectué automa- tiquement à l'aide de circuits électroniques appropriés. Lorsqu'on utilise une valve, le fonctionnement est automatique, en fonction de la pression exercée par les gaz d'échappement. 2465888. La forme du réservoir du dispositif selon l'invention n'est pas critique. Toute forme est concevable, et, en pratique, elle sera déterminée par l'es- pace disponible. A bord d'un navire, le dispositif selon la présente invention peut s'appliquer non seulement en combinaison avec un moteur, mais tous autres moteurs, tels que les auxiliaires du bord, peuvent être raccordés sur le dispositif. D'une façon générale, le dispositif selon cette invention peut être relié à plus d'un moteur produisant des gaz d'échappement chauds. Afin d'obtenir un meilleur transfert de chaleur des tubes au milieu environnant, les tubes peuvent être pourvus d'ailettes extérieures. Il est même préférable de prévoir, transversalement aux tubes, un ou plusieurs paillets en acier, ou grilles métalliques, dans le milieu environnant. Si on le désire, les tubes du dispositif selon la présente invention peuvent présenter l'aspect d'une boucle. Un matériau de stockage de chaleur approprié est constitué par un sable ayant une granulométrie maximale de 0,8 mm. De préférence, on uti- lise un sable fin présentant une granulométrie de l'ordre de 1 60 microns. Compte tenu de la faible granulométrie du sable, on peut atteindre de très hautes températures sans risque de voir le sable se soulever. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence au dessin annexé, qui en illustre divers _exemples de réalisation non limitatifs. Sur les dessins: - la Figure 1 est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisa- tion d'un dispositif selon l'invention; - la Figure 2 illustre, en coupe, un second exemple de réalisation d'un Z5 dispositif selon l'invention; et, - la Figure 3 illustre la variante du dispositif dé l'invention muni d'une dérivation. L'exemple de réalisation du dispositif selon l'invention représenté à la Figure 1 comprend une enceinte fermée, ou réservoir 1, munie d'une con- duite d'alimentation 2 pourvue d'une collerette 3 à son extrémité, et d'une conduite d'évacuation 4 pourvue d'une collerette 5 à son extrémité. On dis- pose, à l'intérieur de l'enceinte 1, une paire de plaques tubulaires 6, 7, de telle façon que ces plaques tubulaires et la paroi du réservoir délimitent respectivement un collecteur 8 et un collecteur 9. Le collecteur 8 est posi- tionné, dans l'enceinte 1, directement en aval de la conduite d'alimentation 2, et le collecteur 9 est positionné à proximité immédiate de la conduite d'éva- cuation 4. Une pluralité de tubes ou tuyaux 10 s'étendent entre les plaques tubu- laires 6 et 7, ces tubes ayant leurs extrémités fixées dans des ouvertures appropriées des plaques tubulaires. Les tubes 10 forment une liaison entre le collecteur 8 et le collecteur 9. Les tubes 10, qui sont par exemple réalisés en acier, comme l'enceinte 1., sont pourvus d'ailettes 11. L' espace entourant les tubes 10 et leurs ailettes 11, dans l'enceinte 1, est rempli de sable 12 ou de tout autre moyen ou milieu approprié pouvant emmagasiner la chaleur. Dans la paroi du réservoir entre les plaques tubulaires 6 et 7, on prévoit une ouverture de dégazage ou un tronçon de tube de dégazage (non représenté) comportant une valve de fermeture appropriée. Une pluralité de tubes ou tuyaux 13 sont immergés dans le sable 12 entre les tubes 10 munis d'ailettes. Les tubes 13 sont également munis d'ailettes 14. Les tuyaux 13 sont couplés, à une extrémité, à une conduite 15 qui traverse la paroi de l'enceinte 1, et ils sont couplés, à leur extrémité opposée, à une conduite 16 qui traverse également la paroi de l'enceinte 1. Un ventilateur 17, entraîné par un moteur, est monté dans une conduite 15, à l'extérieur de l'enceinte 1. Le moteur 18 est, par exemple, un moteur électrique. Un milieu approprié, tel que l'air, par exemple, circule au travers des tubes 13 et conduites 15 et 16, sous l'effet du ventilateur 17. -Les conduits 15 et 16 constituent respec- tivement les conduits d'alimentation et d'évacuation de l'échangeur de chaleur 19. Dans cet échangeur, le milieu délivré et évacué respectivement par l'in- termédiaire des conduits 1 5 et 1 6 est en contact d'échange thermique avec un autre milieu approprié, par exemple de l'eau, qui traverse les conduits 20 et 21 allant vers l'échangeur et venant de cet échangeur, respectivement. Les conduits 20 et 21 peuvent, par exemple, faire partie du système de canalisa- tion d'une installation de chauffage central. On peut utiliser des tubes sans ailettes à la place des tubes à ailettes, dans le dispositif selon l'invention. Dans ce cas, le transfert de la chaleur des tubes au matériau stockant la chaleur peut être initié en prévoyant des grilles métalliques ou des paillets en acier disposés transversalement aux tubes ou tuyaux, et en contact avec ces derniers, ces grilles ou paillets étant espacés les uns des autres de façon appropriée. La totalité du réservoir ou de l'enceinte 1 peut être entourée par un garnissage isolant 22, par exemple en laine de verre. Le réservoir est rac- cordé sur un tuyau d'échappement 23 d'un moteur, non représenté. Le tuyau d'échappement 23 est muni d'une chambre d'expansion 24, ayant par exemple la forme de soufflets, et il comporte une bride 25 à son extrémité. La con- duite 23 est fixée, par sa bride 25, sur la collerette 3, à l'extrémité de la conduite d'alimentation 2 de l'enceinte 1, par l'intermédiaire de vis ou écrous appropriés 26. Afin de réduire à un minimum la résistance aux gaz d'échap- pement du dispositif selon l'invention, le diamètre de la conduite d'alimenta- tion 2 doit être égal ou supérieur au diamètre de la conduite 23. Par ailleurs, l'aire totale de la section droite des tubes 10 doit être supérieure à l'aire de la section droite de la conduite 23. Par conséquent, lorsque le diamètre in- terne de la conduite 23 est égal à 15 cm, et que les tubes présentent un dia- 1 5 mètre interne de 5 cm, plus de neuf tubes peuvent être montés dans le dispo- sitif selon l'invention. La conduite di évacuation 4 est fixée, par sa bride 5, à la collerette 27, à l'extrémité de la conduite d'évacuation 28, qui comprend également une chambre d'expansion 29. La bride 5 et la collerette 27 sont fixées l'une à l'autre par tous moyens appropriés, tels que, notamment, vis et écrous 30. La conduite 28 sert à évacuer les gaz d'échappement qui ont abandonné leur chaleur dans le dispositif selon l'invention. Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté sur la Figure 1, les gaz d'échappement, qui sont délivrés par l'intermédiaire de la conduite 23, et qui passent du collecteur 8, au travers des tubes 10, vers le collecteur 9, pour être ensuite évacués au travers de la conduite 28, communiquent leur chaleur aux tubes 10 et aux ailettes 11, ce qui réalise le transfert de cette chaleur au sable 12. Lors du fonctionnement normal d'un moteur, tel que, par exemple, un moteur de navire, le sable peut atteindre une température élevée, de plus de 500'C. Le milieu qui circule dans le circuit constitué par les conduits 13, 15 et 16, par exemple de l'air, est chauffé par le sable 12 par l'intermédiaire des ailettes 14 sur les tubes 13, et il transfère la chaleur recueillie à l'eau amenée et évacuée respectivement par les conduits 20 et 21 de l'échangeur thermique 19. L'eau peut être, par exemple, celle d'une installation de chauffage central. Une telle installation peut être munie de moyens de commande et de contrôle classiques, tels que thermostats et si- milaires, qui assurent que le milieu caloporteur est pompé vers l'échangeur thermique 19, par le ventilateur 17, uniquement lorsque l'exige l'installation S de chauffage central. L'échangeur thermique 19 peut être également raccordé directement ou indirectement à une installation d'alimentation en eau chaude. La Figure 2 illustre une variante de l'invention. Sur cette Figure, on a désigné par les mêmes références les composants similaires à ceux de l'exemple de réalisation décrit ci-dessus; en référence à la Figure 1. Cette !0 ':ariante diffère du premier mode d'exécution en ce qu'elle ne comporte pas es tu..-S 1 3 et les conduits 15 et i16.On prévoit à leur place une conduite 31 s'etc:dant vets l'tchan.geur thermique 19, et qui est directement reliée au collecteur 8. Par ailleurs, le dispositif comprend une conduite 32 disposée entre l'échangeur thermique 19 et le collecteur 9. Le ventilateur 17 est dis- posé dans la conduite 31. Lors du fonctionnement, lorsque l'échangeur 19 lerman-de de la c';leur, les gaz d'échappement servant de milieu caloporteur circulent dans la conduite 31, l'échangeur 19 et la conduite 32. Lorsque le raoteur est en fonctionnement et que des gaz d'échappement sont délivrés dans les conduits 23 et 2, vers le collecteur 8, une partie au moins de ces gaz tra- verse l'échangeur 19. Si aucune partie des gaz d'échappement ne traverse les coriduits 23 et 2, le gaz est aspiré dans le collecteur 8 au travers des tubes 10, et il est mis en circulation. Dans ce cas, l'échangeur thermique 1 9 est alimenté en énergie calorifique provenant du sable 12 autour des tubes , cette chaleur ayant été stockée auparavant après avoir été amenée par les gaz d'échappement. La Figure 3 illustre encore un autre exemple de réalisation d'un dis- positif selon l'invention, qui comprend des moyens pour fermer la partie de stockage de la chaleur du dispositif aux gaz d'échappement provenant du mo- teur auquel ce dispositif est raccordé, dans le/as o ces gaz d'échappement ne contiennent pas suffisamment de calories. Ici encore, on a désigné par les mêmes références les composants identiques à ceux du mode d'exécution représenté à la Figure 1. La différence entre le dispositif représenté sur la Figure 1 et celui illustré par la Figure 3 est qu'une dérivation 33 est reliée entre la conduite d'alimentation 2 de l'enceinte 1 et la conduite d'évacuation 4 de cette même enceinte. Lors du fonctionnement normal, lorsque la quantité de gaz chauds délivrés est suffisante, ces gaz traversent de façon prédominante l'enceinte 1, et ils ne circulent pas au travers de la dériva- tion- 33, étant donné que la résistance à l'écoulement, dans l'enceinte 1, est inférieure à celli-de la conduite 33. Dans la conduite 2, en un emplacement plus proche de l'enceinte 1 que le point o se raccorde la conduite 33, on prévoit une valve 34. Cette valve 34, qui peut être actionnée et commandée par un mécanisme schématisé par le bloc 35, est fermée lorsque la tempé- rature des gLz d'échappement délivrés est trop faible; les gaz d'échappement sont alors déviés par la conduite 33. Le mécanisme de commande 35 peut être de tout type connu, tel que, notamment, un servo-rrécanisme,commandé en fonction d'une ter.perature mesurée par un détecteur de température placé dans la conduite Z, en amont de la valve 34. En variante, cette valve 34 peut être munie d'un poids, de façon que la valve soit manoeuvrée à la fermeture par le poids, pour une faible pression prédéterminée des gaz d'échappement. Dans ce cas, le mé- canisme de commande 35 peut être supprimé, le résultat recherché étant alors atteint. Si le moteur délivrant les gaz d'échappement tourne à plein régime, une grande quantité de gaz à haute température est délivrée, ce qui maintient la valve dans sa position de pleine ouverture. Lorsque le moteur tourne à vitesse réduite, peu de gaz à une température relativement faible est délivré, et la valve est maintenue par le poids en position de fermeture, les gaz délivrés ne permettant pas son ouverture. Sur les dessins, le réservoir 1 a été représenté sous la forme d'une enceinte cylindrique. La forme de cette enceinte, ainsi que sa position (hori- zontale ou verticale), ne sont pas d'une importance essentielle. Lorsque le dispositif est utilisé à bord d'un navire, par exemple, on peut utiliser tout espace approprié pour installer le dispositif, et la forme de ce dernier peut être adaptée à l'espace disponible. L'invention n'est pas limitée à un dispositif raccordé à un seul moteur on peut en effet envisager de coupler une pluralité de moteurs (moteurs auxi- liaires et autres) du dispositif selon l'invention. L'exemple suivant, qui n'a, bien entendu, aucun caractère limitatif, illustre l'invention. 9 2465888 Dans une enceinte remplie d'environ 2 m3 de sable fin ayant une granulométrie maximale de 0,8 mm, on a posé, selon une boucle, vingt tubes ayant une longueur totale de 5 m par tube. Chaque tube possède un diamètre interne de 22 mm. Lorsque le dispositif est connecté à la sortie des gaz d'échappement d'un moteur de navire présentant une température de 1500C, on a constaté, après un certain temps de fonctionnement, que les gaz d'échappement, à l'autre extrémité du dispositif, présentaient une tem- pérature de 80C. Ceci prouve que pratiquement toute la chaleur apportée par les gaz d'échappement est absorbée dans le dispositif selon l'invention. Au lieu d'utiliser du sable seul comme matériau stockant la chaleur, dans le dispositif selon l'invention, on peut également utiliser, par exemple, du sable mélangé avec de la poudre d'aluminium ou des grains fins, ou des copeaux d'aluminium. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 2465888 REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour récupérer la chaleur évacuée par le tuyau d'échap- pement d'un moteur, notamment d'un moteur de navire, caractérisé en ce qu'il comprend: un réservoir (1) rempli d'un matériau pouvant stocker la chaleur, tel que du sable (12); une pluralité de tubes (10) s'étendant dans ledit réservoir et noyés dans le sable, ces tubes étant raccordés, par tout moyen approprié, à une extrémité du tuyau d'échappement (23) du moteur, et, à son autre extrémité, à une conduite (28) pour évacuer les gaz d'échap- pement du moteur ayant traversé lesdits tubes, et des moyens pour trans- porter la chaleur depuis le réservoir (1) jusqu'à un système éloigné consom- mant l'énergie calorifique récupérée, notamment un échangeur de chaleur (19). 2 - Dispositif pour récupérer la chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes s'étendent entre deux plaques tubulaires (6, 7) et en ce qu'il comporte deux collecteurs (8, 9) positionnés entre la paroi du réservoir et les plaques tubulaires respectives, au travers desquels les gaz d'échappement du moteur sont respectivement délivrés et évacués. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour transporter la chaleur depuis le réservoir jusqu'à un échangeur de chaleur (1 9) ou à un autre système consommant de l'énergie comprennent des conduites (15,16 - 31,32) entre chacun des collecteurs (8, 9) et l'échan- geur de chaleur (19) ou le système consommant de l'énergie, ce qui forme un circuit qui comprend, respectivement: le collecteur (8) pour les gaz d'échappement délivrés, une première conduite (15 - 31), l'échangeur de chaleur ou équivalent (19), une seconde conduite (16 - 32), le collecteur (9) pour les gaz d'échappement à évacuer, et les tubes (10) entre les collecteurs, un ventilateur (17) étant prévu dans l'une des conduites pour forcer les gaz à passer au travers dudit circuit. 4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour transporter la chaleur depuis le réservoir (1) jus- qu'au système consommant la chaleur, tel que l'échangeur de chaleur (19), comprennent un ou plusieurs autres tubes (13) noyés dans le sable (12) ou autre milieu stockant la chaleur, ces autres tubes étant connectés, par leurs côtés opposés, respectivement à la première (15) et à la seconde (16) con- duite reliant les tubes à l'échangeur, de façon que les tubes, la première 1! conduite, l'échangeur de chaleur et la seconde conduite forment un circuit fermé, un ventilateur (17) étant prévu dans ledit circuit fermé pour assurer la circulation dans ce circuit d'un milieu caloporteur qui y est maintenu. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'ii est utilisé à bord d'un navire, et en ce que l'échangeur de chaleur fait partie de l'installation de chauffage du nayire. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il c-omprend une conduite de dérivation (33) et des moyens (34-35) pour amener une partie au moins des gaz d'échappement du moteur à éviter le réservoir au travers de ladite conduite (33). 7 - Disositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits :-y-s penrmes d:d Cvréset c!es moyens pour dévier ces gaz du réservoir vers la d.rivation, lorsque la température mesurée tombe en-dessous d'une i 5 valeur déteraninEe. - Dispostifl selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une valve (34) montée dans la conduite (Z) menant au rserv.oir, en aval du point de branchement de la dérivation (33), cette valve pouvant être actionnée de façon à obturer totalement toute la con- Z0 duite (2), et en ce que ladite valve (34) est équipée d'un poids qui est disposé, par rapport à son axe d'articulation, de façon à maintenir la valve en posi- tion de fermeture lorsqu'une petite quantité de gaz est délivrée, la valve s'ouvrant totalement, à l'encontre de l'action du poids, lorsque de grandes quantités de gaz sont délivrées, sous l'effet de la pression de ces gaz.