Brevet FR2479963A1 — publié le 19811009

Dispositif de sécurité et de régulation destiné à maîtriser la température des fluides et des rejets thermiques,lorsqu' un récupérateur du type échangeur de chaleur à fluide est adapté en sortie ou sur le circuit reliant un appareil générateur de tels rejets,aus dvents,et que cet échangeur restitue les calories captées à un ou des systèmes d'utilisation et/ou de recyclage : à fortiori dans les cas connus des brevets No-FRA 759 808. CH-A- 184 820. FRA 1419 836. FR & 1061 465 & AT-B-340 096. La présente invention concerne les appareils destinés à récupérer des calories perdues dans les rejets chauds de combustions, de réactions chimiques ou mécaniques,engendrés par des appareils ou complexes industriels et domestiques produisant de tels rejets; Dans des dispositifs connus de ee genre et principalement dans le cas de l'adaptation d'un récupérateur de chaleur(du type échangeur de chaleur)puisant ses calories à la sortie ou sur le parcours d'évacuation des rejets thermiques aux évents,d'un appare il du genre calorifère ou chaudière de chauffage central à bois,fuel ou charbon; de nombreuses carences affectent rapidement: a) la mise en marche de l'appareil générateur,sa puissance,son tirage,son encrassement,sa détérioration,ainsi que pour l'échan- geur,et créent pour toute l'installation de graves problèmes de sécurité et de régulation. rour simplifier notre exposé nous prendrons le cas unique d'un simple calorifère fonctionnant au bois/charbon,équipé à sa sortie d'un récupérateur du type échangeur à sevpentins,traversé par les gaz du calorifère;sachant que ce récupérateur restitue ses calo- ries à un système de chauffage et de chauffe-eau.Plusieurs pro blèmes vont alors surgir dès la mise en chauffe de l'installation. 1) Dès l'allumage du calorifère;par suite du contraste entre la température de l'eau ou du fluide de l'installation,traversant l'échangeur et ses serpentins,et celle des gaz du calorifère ,il va se produire immédiatement une importante condensation@aci- dulée et chargée de goudrons au sein de cet échangeur,qui s'écoulera sur le sol par les raccords des tuyaux et dans le calorifère si le récupérateur est installé verticalement.Dans un cas comme bas l'autre la détérioration des appareils sera rapide surtout si l'arrêt et la remise en marche du générateur sont fréquents. Cette condensation se produisant jusqutà ce que la température de retour du fluide au récupérateur approche les quarante degrés et ceci étant assez long surtout pour les installations importantes;il va sans dire que ce problème doit être solutionné car il risque de se reproduire en cours de fonctionnement si cette température suite au rechargement du calorifère ou de son arrêt est de nouveau atteinte. b)La surchauffe.la régulation 2- Une fois cette réaction mattrisée et l'installation parfaitement en chauffe,un autre avatar peut se produire:la surchauffe du récupérateur et de l'installation due à la saturation en calories du fluide échangeur circulant par pompe ou thermosiphon du récupérateur à l'utilisation(chauffage et chauffe-eau): les deux étant rechargés au maximum et le calorifère lancé à fond; mettre une soupape de sécurité sur la circulation du fluide,qui viderait alors une grosse partie de ce dernier ne ferait qu'augmenter la surchauffe et obligerait à remplir l'installation; ce qui est impossible en cas d'utilisation d'un fluide spécial.De plus de telles tares de sécurité sont souvent détraquées et sans précision.M8me dans le cas d'un raccordement de l'installation à l'eau de ville ce procédé n'est pas valable car le remplacement de l'eau bouillante par liteau froide va à l'encontre de ce que nous reherchons:"utiliser au maximum les ehrchauffes". Vautre cas plus grave encore,où cette surchauffe peut conduire àl'explosion rapide du récupérateur ou de l'installation:comme dans le cas précité l'installation ainsi que le calorifère sont à leur rendement maximum....survient alors une coupure d'électricité interdisant la remise en marche des pompes;c'est alors la catastrophe;le calorifère,lui,n'étant pas tributaire de ltélectricité continuant de surchauffer le récupérateur.D'autres incidents pouvant occasionner le même résultat : obstruction d'un tuyau par un dépot de rouille,de résidus de soudure,de chanvre,de Téflon etc... c)l'adaPtation correcte du récunérateur 3-Toujours dans l'emploi d'appareils récupérateurs connus de nos jours,il n'a pas été tenu compte de réglages permettant leur adaptation en fonction du tirage des cheminées,des variations des conditions atmosphériques et surtout des combustibles employés le bois de sapin,le boulet gras,les briquettes etc...qui libèrent trop de calories en peu de temps,ces dernières traversant très rapidement l'échangeur sans venir lécher suffisamment la surface des serpentins.Une fois encore nous risquons la surchauffe et ne profitons pas des précieuses calories rejetées aux évents en pure perte. d)Entretien et confort de l'installation 4-Enfin tous les récupérateurs actuels ne possèdent pas de contr8leurs de propreté interne ni de système permettant leur nettoyage rapide sur place ou dans un atelier.Côté confort la régularité de chauffe et le silence sont également à voir. Les modifications apportes à la nouvelle invention pour remédier à ces carences seront reprises dans l'ordre des paragraphes ci-dessus. #1-Nous allons permettre le lancement d'une installation contenant plus de trois cents litres de fluide sans que nous nous trouvions en présence d'une trace de condensation;noFs emp8- cherons même cette condensation de se produire en cas de fonctionnement de l'installation à allure trop basse. 2-Nous utiliserons au maximum les surchauffes du fluide tout en assurant une double sécurité à l'installation. 3-Nous apporterons un plage permettant l'utilisation correcte du récupérateur 4-Le confort de l'installation basé principalement sur la régulation de l'utilisation meme si le calorifère est à son point le plus bas,voire même arrdté;sur le silence et la facilité de démontage du récupérateur. Le dispositif selon l'intention permet donc un fonctionnement optimum de récupération, de régulation et surtout de sécurité. #1-Selon une première variante,un calorifère (24) réchauffe par le passage de ses gaz dans le circuit (20 à25) le reliant aux évents (25) les serpentins (4) d'un récupérateur à échange thermique par fluide (1)placé sur le dit circuit.Habituellement le fluide aidé par une pompe (N) ou par thermosiphon restitue directement ses calories à un deuxième échangeur (28) :le chauffe- eau et/ou à un système de chauffage (27).Suivant 11 invention le fluide n'est plus acheminé vers l'utilisation comme précité,mais circule en circuit bouclé,poussé par une pompe (N) vers une "Cuve de stockage" sous pression d'Àzote,fortement isolée (26) et équipée d'un système de préchauffage/réchauffage,du fluide (30) qui permet de faire partir le calorifère quand la température du fluide contenu dans la cuve atteint une quarantaine de degrés. Cette température au retour du récupérateur en (9) étant suffisante pour empêcher le choc thermique entre le fluide et les gaz chauds dans l'échangeur.I)e même,en cours de fonctionnement detout l'ensemble ce réchauffeur pourra,si la température du fluide s'abaisse trop,aider à sa maintenance au dessus des quarante degrés; surtout que cette cuve(équipée d'une purge (37),d'une tare de sécu rité (36) et d'un bouchon de remplissage (35)...a pour mission en plus de son rôle de stocker, celle de couper,par l'intermédiaire de son contraleur (J-FIG.4)la distribution des calories à l'utilisation en dessous de sa première plage (0-350) et éventuellement de mettre en marche le réchauffeur.Par contre dans sa plage supérieure à 950 elle met en action les deux pompes de distribution (L & ) immédiatement malgré les ordres de la distribution automatique affichés sur les contraleurs (FIG.5)et ceci pour éviter la surchauffe de la cuve.Enfin pour parfaire la suppression totale des condensats,tout en aidant a garder un tirage correct un appareil de contrôle (3-FIG.6) influencé par la température de sortie des gaz dès qu'ils quittent le récupérateur,asservit la pompe de circulation (N) vers la cuve (26).Dans sa première pla ge(0-1800)comme cité précédemment,interdit la circulation du fluide et dans sa deuxième plage (280-3500)il donne ordre à la fermeture de la clef perforée (31) si la température de sortie des gaz excède 2800 ;de façon à friser la surchauffe au sein du récupérateur et de capter ainsi au maximum les calories.Nous voyons donc que la maintenance de la température des gaz à minimum 1800 donne un tirage parfait qui de surcrott facilite le séchage in- médiat du peu de condensats qui pourraient encore se produire à la surface des serpentins. 2-Selon une seconde variante,pour remédier aux carences évoquées dans le(2-Page2)nous allons utiliser au maximum la puissance des surchauffes tout en conservant une sécurité absolue. Supposons dans un premier temps,une installation fonctionnant normalement,comme indiqué sur les appareils de contrale des dessins (1/2 & 2/2). Le contrôleur de sécurité (H-FIG.3) enregistre la tespéra- ture la plus élevée possible du circuit:récupérateur-cuve de stoc kage ,par sa position (H) juste en sortie du récupérateur soit 800. Le contrôleur de régulation à double plage (I-FIG.2) placé un peu plus loin régule la température du fluide d'échangeur en fonction des impératifs affichés=80o. La distribution,ou utilisation (FI.5) asservit les pompes (L & )Chauffage/chauffe-eau.Nous ne nous attarderons pas sur les réglages de la distribution, tant ils peuvent être variés et ne présentent pas d'intérêt pour l'in vention .Nous prendrons seulement le cas de la figure où nous voyons,que dans la plage (0-50) toute distribution est coupée 1?ce qui est bien en accord avec les ordres affichés par la cuve (FIG.4);interdisant le fonctionnement de la distribution de(0à450) La plage (50-600) donnant priorité au chauffage et la plage(600 à 90o) au chauffe-eau(c'est lui actuellement qui se recharge avec le fluide circulant à (700). a)Surchauffe et maîtrise rapide: Supposons cette fois que la distribution (FIG.5) soit saturée l'aiguille se trouvant alors sur (900)....l'utilisation est stoppée par le dépassement de la plage (9Ooet +)par contre le ealori- fère(24)bien chargé de bois sec s'emballe aidé par des vents forts le circuit échangeur-cuve atteint 95o (FIG.2)La surchauffe est alors présente dans l'installation(sauf dans le chauffage,qui n'avait la possibilité de tourner que dans la courte plage de: (50 à600)FIG.5. Le contrôleur (I-FIG2) va alors dans sa plage: (95 à 1050) annuler les ordres du contrôleur de distribution (FIG. 5) et remettre en fonction les pompes (L & ) .Le chauffe-eau pourra alors reprendre quelques degrés et le chauffage plus de 350 ceci étant grandement suffisant pour que la surchauffe soit maî- trisée rapidement et surtout utilisée au maximum.Le calorifère aura également le temps de reprendre sa marche normale. b)Surchauffe avec manoe@vre de la boite de sécurité/régula- tion. (18) Cas exceptionnel;le fluide circulant de la cuve de stockage au récupérateur,malgré la régulation précitée,atteint cette fois au contr3leur (FIG.2):105o.Ce dernier va couper le courant de la commande (12)ce qui aura pour effet;par son rappel (10) de faire basculer l'obturateur (11) qui ouvrira ainsi le circuit de secours (20-22) reliant-le calorifère (24) aux évents (25) et fermera du contrecoup,l'entrée du récupérateur.Dès le retour à la normale l'opération inverse se produira.Elle peut parfois se répéter plusieurs fois sur quelques minutes pour parfaire la régulation. Nous avons atteint,mattrisé,et utilisé au asimum une forte surchauffe. c)Surchauffe accidentelle de danger. Elle peut provenir comme nous l'avons indiqué au(≈2 page 2) d'une coupure d'électricité,de 11 obturation d'un tuyau ou tout simplement du mauvais fonctionnement du contrôleur FIG.2 etc... Cette surchauffe doit contrairement aux précédentes être mat- trisée immédiatement:Le contrôleur (SIG.3)ayant atteint (1150); va également faire ouvrir le circuit de secours et fermer l'en- trée du récupérateur comme précédemment,mais en plus il va couper le disjoncteur de l'installation générale ou un relais électromécanique à deux contacts.Ce dernier étant relaché,actionnant alors sur un circuit (6-12 ou 24v)une sonnerie d'alarme à répétition.De toute façon il faudra que la personne prenne connaissance de la panneipuisqutil lui faudra réenclencher le relais ou le disjoncteur.Nous avons avec le cas précédent une double sécurité basée sur l'asservissement des aaz par la température du fluide Enfin pour en terminer avec la régulation : en plus de la clef perforée (31) dont nous avons expliqué la raisond'8tre à la ligne (24) de la page (4)nous décrirons au paragraphe suivant le roule important de l'éclateur thermique(ce dispositif ayant plutôt un but d'adaptation du récupérateur en fonction de la qualité des évents et du combustible employé).Il affecte cependant la régulation au même titre que la clef perforée puiqu'il réduit la vitesse de passage des gaz au sein de l'échangeur pour mieux fixer les calories. #3-Adaptation du récupérateur:"l'Eclateur thermique". Vu les différences de qualité de tirage des cheminées et les combustibles employés,une transformation importante était à apporter au récupérateur.Nous l'avons équipé dans sa partie centrale ou celle offrant le plus de passage aux gaz d'une masse métallique (5)guidée par des petites pièces métalliques (2) soudées,qui maintiennent ainsi l'écartement nécessaire entre la masse et le ser pentin.Cette masse est soudée sur une tige (17) graduée et démontable en plusieurs brins (8),elle coulisse dans un coussinet métallique à vis de blocage (13)et se termine par une poignée isolantepX elle oblige la déviation des gaz vers les serpentins pour qu'ils puissent mieux lécher leur surface.Dans le cas de trop fort tirage dA,soit aux conditions atmosphériques,soit à la qualité des évents,ou à 11 emploi de combustibles dégageant trop vite leurs calories:le réglage de la masse en position très haute oblige au ralentissement des gaz dans changeur pour obtenir non seulement une surchauffe du premier degré "bé@éfique" mais en plus d'éviter le gaspillage des calories qui seraient conduites en pure perte aux évents .Placée plues bas,et surtout dans le cas d'emploi de fuel comme combustible,ou de mauvais tirage:elle em- pêche le rebours des fumées dans l'échangeur et le calorifère. #4-Entretien et confort de l'installation. Enfin pour terminer et solutionner les problèmes rencontrés au paragraphe quatre,le récupérateur sera équipé d'un hublot en mica,Pyrex ou autres (6)permettant le contrôle interne de la pro preté du récupérateur.Sur les installations de très forte puissanve ce contrôleur sera plus précis (genre infrarouge,photo électrique ou autres).Le nettoyage sur place sera facilité par le démontage du caisson en deux ou plusieurs parties reliées par des attaches rapides,les unes aux autres,et dont l'étanchéité sera assurée par des bandes de jonction en forme de U (7-Page1/2). Le nettoyage intérieur du serpentin sera facilité par le démon ge du fond (18) prévu potr cette opération@pour démonter l'écla- teur thermique et empêcher les résidus de venir gner la man@euvre de l'obturateur (11).Pour une révision annuelle durécupérateur et pour faciliter sa déconnection de l'installation et pour parfaire le silence de l'ensemble ce dernier sera pourvu de durites armées à son entrée et à sa sortie (9 & 1) le reliant à des vannes de fermeture (A & )par des écrous à collet battu (16)ceci évitant la vidange de l'installation. Nous décrirons maintenant,rapidement,le fonstionne@ent et la structure d'une installation spécifiquement domestique régu- lée et maintenue en sécurité par le nouveau dispositif.Un calori- fère (24) est branché en(20)au système de sécurité (19) qui a pour rdle,en cas de surohauffe,de coupure d'électricité ou de danger,de ne plus alimenter le récupérateur (1),relâchant pour cela sa commande (12).Sa trappe (11) entraînée par le contrepoids (10) allant alors fermer l'entrée du récupérateur et laissant du coup passer directement les rejets du calorifère vers les évents par le circuit de secours (20-22).Un combistat de sécurité (FIG-3) influencé @ar la température du fluide en (E) immédiatement après la vanne de sortie supérieure du récupérateur (1)assu- re la manoeuvre du système de sécurité (19) en cas de grosse surchauffe ou d'incident quelconque,déclanche une sonnerie à répétition(sur courant de bas voltage,indépendant du réseau électrique) et interdit l'opération inverse par coupure du courant, alimentant l'ensemble de l'instsllation.Un autre combistat double plage toujours influencé par la température du fluide rFIG.2)placé un peu plus loin en (I)asservit également le système de sécurité(19) comme décrit précédemment en cas de surchauffe de moindre importance dans sa plage supérieure à 1050 et permet le fonstionnement inverse dès que 11 équilibre est revenu. Dans sa première plage (95-1050) :SIG.2;ilse contente de pase ser outre,les ordres des appareils régulateurs de la disiribution (FIG.5)mettant en marche tout le système d'utilisation (L & M) fage (1/2)Ceci ayant pour but de faire retomber la surchauffe tout en l'utilisant au maximum sans faire intervenir la sécurité qui laisse passer directement les calories aux évents. Pour conserver une température suffisante des gaz permettant leur évacuation correcte,un contrôleur thermique placé dans leur passage,immédiatement à la sortie du récupérateur (1) en (3)fig.6 interdit la circulation du fluide de ce récupérateur à la cuve de stockage (26) en arrêtant le circulateur (N).I > ans sa plage supérieure (280o.Fig.6)il ferme une clef perforée (31) placée dans le conduit (23)pour réduire l'allure du générateur (24) et pour éviter le passage trop rapide des calories aux évents(25). Le fluide échangeur n1 est. plus conduit à un système d' utili- sation ou de recyclage,mais toujours vers une cuve de stockage(26 isolée fortement,maintenue sous pression d'azote,possédant une tare de séeurité,un orifice de remplissage et une purge. Cette cuve assurant ensuite sous le contrôle de l'appareil (j-FlG.4 Page2/2)1a distribution à l'utilisation,la maintenance de la température du fluide ainsi que le préchauffage de ce dernier pour la mise en- route de l'installation sans créer de condensats. Toujours dans le but de récupérer au maximum les calories et pour parfaire l'adaptation du récupérateur aux problèmes qui suivent: qualités des combustibles,qualités des cheminées et conditions atmosphériques eto...Ce récupérateur est équipé d'un "éclateur thermique":masse métallique réglable de haut en bas et vice versa (5)ayant pour fonction d'obliger les gaz à venir lécher les serpentins (4)et à moduler le tirage. Le contrôle de propreté du récupérateur est assuré par un appareil ou un hublot (6)Sa facilité de nettoyage est assurée par le fond démontable (18) de la boite de sécurité (19)ainsi que par l'ouverture du caisson en plusieurs part@es (7). le silence et la déconnection du récupérateur de l'installa- tion est facilités par les durites armées (9 & 21). Le dispositif selon l'invention a été décrit uniquement dans son adaptation à un appareil domestique mais il va sans dire qu'il demeure extràmement valable et même indispensable à l'industrie lorsqu'un récupérateur est installé sur un appareil n'ayant pas une combustion qui peut être stoppée immédiatement en cas de danger(principalement celles,non tributaires de l'électricité) ex: incinérateurs,chaudières ou génératrices à charbon etc... REVENDICATIONS Dispositif de sécurité et d'adaptation des récupérateurs de calories perdues dans les rejets thermiques de combustions,de réactions chimiques ou mécaniques,d'appareils industriels ou domestiques,engendrant de tels rejets;et tout particulièrement dans le cas d'emploi d'un échangeur (1) puisant ses calories en sortie ou sur le parcours d'un générateur (24) aux évents (25) les restituant ensuite par l'intermédiaire d'un fluide (ou autre agent) à un ou des systèmes d'utilisation (27 & 8) et/ou de recyclage. 1) Caractérisé en ce que lteehangeur (1) possède un système de réglage précis (5) permettant son adaptation à chaque type d'appareil producteur de rejets thermiques en fonction des critères suivants:choIx,qualité des combustibles utilisés,fonctionnement correct des évents;qutil est toujours installé sur une boite de sécurité à fonctionnement instantané (i9);voire sur un conduit le reliant à cette dernière. 2) Dispositif selon la revendication 1: Caractérisé en ce que l'état et le comportement (pression,vitesse,volume etc...) d'entrée (et du meme coup de sor tie) des gaz traversant le récupérateur (1) sont asservis par une masse résistante à la chaleur (5) de forme conique ou autre,dont la section maximale est toujours calculée pour ne pas jouer le rôle d' une clef "réduction du débit des gaz par obturation partielle d'un conduit"; cette masse se déplaçant (de haut en bas et vice versa) sur une tige graduée (17) (ou autre système) dans la partie centrale du récupérateur (ou celle offrant le plus librepassage aux gaz) ponr faciliter son repérage et positionnement au sein de l'appareil. 3) Dispositif selon la revendication 1: Caractérisé en ce que le récupérateur est toujours relié ou placé directement (dans la position la plus favorable) sur une boîte de sécurité (19) au travers de laquelle s'écoulent les rejets,avant d'atteindre les évents (25),par l'intermédiaire du dit récupérateur et du conduit (23). 4) Dispositif selon la revendication 1: Caractérisé en ce que la boite de sécurité (19) est elle-même toujours intercalée entre un conduit (22) reliant directement l'appareil producteur de rejets aux évents. 5)Dispositif selon la revendication 4: Caractérisé en ce que le dit conduit (22) 'est ja- mais connexe au récupérateur ni mme suffisamment proche de ce dernier pour pouvoir l'influencer thermiquement. 6)Dispositif selon la revendication 5: Caractérisé en ce que la régulation des gaz par le conduit de secours (22) est assurée. 7)Dispositif selon la revendication 1: Caractérisé en ce que:une commande électromagnétique (12)ou (Toute commande à déclanchement immédiat) maintient,en fonctionnement normal du récupérateur et de l'Sustallation,le conduit de secours (22) fermé,par son action sur l'obturateur (11) de la boite de sécurité (19). 8)Dispositif selon la revendication 7: caractérisé en ce que l'obturateur ( de forme appropriée,possède un rappel (10):(Dynamique,par gravité etc...) l'obligeant,en cas de relachement de la commande décrite:revendication (7) à ouvrir instantanément le conduit de secours (22) interdisant du même coup (par le rappel instantané de l'obturateut) toute communication entre la boite de sécurité et le récupérateur. 9)Dispositif selon la revendication 1: Caractérisé en ce que:si une commande d'asservissement est reliée à l'obturateur;cette dite commande sera toujours immédiatement débrayable si le fonctionnement de sécurité décrit aux revendications (7 & ) doit se déclancher. 10)Dispositif selon la revendication 7: Caractérisé en ce que le bon fonctionnement de l'ob- turateur (11) par sa commande (12) est assuré par l'excavation pratiquée à sa base par le couvercle (18) de la boite de sécurité empochant ainsi les déchets de combustion de s'amonceler dans 12 aire de déplacement du dit obturateur.