Brevet FR2542070A1 — publié le 19840907

La présente invention concerne une installation et un pro- cédé permettant d'améliorer les caractéristiques de fonctionnement d'une installation de chauffage du type à combustion submergée. Pour diverses applications,notamment de chauffage indus- triel, de chauffage de piscineset autres, on utilise parfois des installations comportant des brûleurs à combustion submergée. L'intérêt de telles installations est que l'on récupère, du fait du barbotage des gaz de combustion dans l'eau à chauffer, la plus grande partie de la chaleur latente de condensation des fumées, au moins si la température du bain n'est pas trop élevée. Dans de telles conditions on obtient couramment des rendements calqulés sur le pouvoir calorifique inférieur (PCI) supérieurs à 100 %, et fréquemment de l'ordre de 105 %. Cette technique présente également l'avantage que l'échan- geur de chaleurest de construction très simplifiée,étant constitué la plupart du temps d'une sorte de conduit prolongeant la chambre de combustion dans laquelle débouche le brûleur. Si l'on veut obtenir des températures de bain relativement élevées, et en particulier supérieures à 60 C, le rendement de la combustion submergée diminue Si l'on ne prend pas des précautions particulières,, le rendement tombe même à zéro pour une température de bain voisine de 90 C, température à partir de laquelle la cha- leur apportée par la combustion ne sert plus pratiquement qu'à é- vaporer l'eau du bain, vapeur d'eau qui s'échappe avec les fumées à la cheminée. Dans certaines installations, on a tenté cependant par divers moyens d'utiliser le principe de la combustion submergée pour obtenir des températures de bain supérieures à 60 C, et ce avec des rendements convenables Pour atteindre ce but on a pré- conisé de faire traverser par les fumées l'eau froide des retours ou de l'alimentation du bain, de façon à condenser et récupérer la chaleur de vaporisation de l'eau et des produits de la combustion. Les solutions connues sont compliquées demandant l'emploi de pom- pes de circulation qui sont chères et consomment de la puissance, et les résultats obtenus sont généralement peu satisfaisantssur le plan du rendement, surtout dès que la température du bain doit dépasser 70 ou 8 C O C. L'objet de l'invention est, dans une installation à com - bustion submergée, de résoudre les problèmes susmentionnés, en proposant une installation simple permettant d'obtenir de très 2 2542070 bons rendements de fonctionnement avec des températures de bain pouvant avoisiner 900 C. A cet effet, l'installation de chauffage du type à combus- tion submergée se caractérise selon l'invention en ce qu'on équipe l'installation sur la sortie des fumées au-dessus du bain à chauf- fer d'une tour de lavage comprenant en contre-courant avec les fumées une série de cascadesformant plusieurs rideaux d'eau sensi- blement continus disposés en série sur le trajet des fumées, les- dits rideaux étant alimentés par un débit d'eau froide à chauffer de l'installation, lesdites cascades comportant des parois de for- mation des rideaux d'eau pourvues en partie haute et en partie basse de moyens tels que des dents, des arêtes en saillie et des orifices assurant une formation continue sans déchirure des rideaux sur toute leur largeur Selon une autre caractéristique de l'invention, on prévoit un plateau, recouvrant la plus grande partie de la surface du bain, placé en dessous de la tour de lavage, ledit plateau comportant une surface sensiblement horizontale bordée d'une paroi dépassant en dessus et en dessous d'elle en ménageant au-dessus un volume de recueillement des eaux tombant de la tour de lavage et en dessous un volume de confinement des fumées s'élevant du bain En utilisant les moyens ci-dessus mentionnés, il devient possible d'atteindre des températures de bain voisines de 90 C, avec des rendements de combustion tout à fait satisfaisantqpourvu seulement que les retours d'eau froide dans la tour de lavage soient à une température conve- nable, suffisanméntbasse par exemple voisine de 40 'C ou inférieure. La conduite de l'installation peut se faire de façon conti- nue ou discontinue selon l'usage. En usage continu, conformément à un perfectionnement de l'invention, on procède au contrôle du débit de sortie d'eau du bain et l'on commande le chauffage du bain jusqu'à la température maximale souhaitée, par exemple de 880 C lorsnue ledit débit est supérieur à un débit minimum déterminé, tandis que lorsque ce dé- bit est inférieur à ce débit minimum déterminé on ne chauffe le bain que jusqu'à une température minimale déterminée choisie, par exemple de 700 C, de façon à satisfaire instantanément aux besoins de la demande. L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus claire- ment à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 montre en couperschématiquement une installa- tion à combustion submergée pour le chauffage de l'eau à des températures supérieures à 600 C conque selon l'art antérieur, La figure 2 montre en vue en coupe schématique à plus grande échelle une partie de l'installation illustrée à la figure 1 modifiée selon des perfectionnements conformes à l'invention, La figure 3 montre en vueperspective à plus grande échelle comment sont formées les parois d'une cuvette de rétention d'eau pour la formation des cascades dans la tour comme illustré à la figure 2, La figure 4 montre en vueper spective de façon schématique et avec arrachements un plateau destiné à coopérer dans le bain avec la tour de lavage, La figure 5 montre schématiquement une vue en coupe faite sensiblement selon le plan V-V de la figure 4, La figure 6 montre de façon schématique comme la figure 1 une installation modifiée selon l'invention avec différents organes de commande et de contrôle de cette installation. En se reportant tout d'abord à la figure 1 on a illustré une installation repérée dans son ensemble 1 comportant une cuve 2 contenant un bain 3 d'eau à chauffer au moyen d'un brûleur 4 à combustion submergée débouchant dans la cuve dansune chambre de combustion 5 se continuant par un échangeur 6 Les produits de la combustion du gaz combustible habituellement utilisé sont essentiel- lement du gaz carbonique et de la vapeur d'eau La plus grande par- tie de la vapeur d'eau se condense dans l'eau du bain (si le bain n'est pas trop chaud) auquel est cédée la chaleur latente de vaporisation des fumées, tandis que les incondensables sont évacués à la cheminée 7. Comme mentionné ci-dessus une telle installation fonction- ne avec un très bon rendement si la température du bain est infé- rieureà 60 C environ Par contre, au-dessus de cette température le rendement diminue très vite du fait que la chaleur apportée par la combustion du brûleur sert à vaporiser une quantité d'eau de plus en plus grande,laquelle est envoyée en pure perte à la chemi- née 7 Le rendement tombe à zéro vers 900 C. Conformément à l'artantérieur lorsqu'on veut avec une installation à-combustion submergée obtenir une température du 4 2542070 bain 3 supérieure à 60 'C et avec un rendement de fonctionnement acceptable, on prévoit avant la cheminée 7 une tour de lavage 8 dans laquelle est vaporisée comme indiqué en 9 l'eau froide amenée par une canalisation 10 des retours de l'installation ou de com- pléments A l'amenée des retours froids 10 correspond 1 ' évacua- tion de l'eau chaude en 11 La tour de lavage 8 permet grace à la pulvérisation d'eau froide en 9 allant à contre-courant des fumées chaudes s'élevant du bain de condenser en partie la vapeur d'eau tendant à s'échapper de l'installation, et de retrouver des rende- ments de fonctionnement corrects L'installation n'est relative- ment efficace que dans la mesure o la pulvérisation 9 se fait sous forte pression de multiples jets très fins, ce qui nécessite l'utilisation d'une pompe 12 relativement puissante et l'emploi de grilles de pulvérisation au niveau Mde l'injection en 9 Ces grilles ont tendance à se colmater-, par suite notamment des dépôts de calcaire; - Le rendement global de l'installation n'est pas très bon et diminueencore si le débit d'utilisation d'eau chaude est faible et qu'en conséquence les retours froids sont à faible débit ou à température pas assez basse. On se reportera maintenant à la figure 2 représentant une tour de lavage modifiée conformément à l'invention. La tour de lavage 8 disposée au-dessus du volume 13 supé- rieur de la cuve 2 non occupée par le bain à chauffer 3 comporte essentiellement selon l'invention une série de cascades formant plusieursrideaux d'eau R 1,R 2, R 3, R 4 sensiblement continus disposés en série sur le trajet des fumées matérialisées par les flèches. Chaque rideau se forme à partir d'une cuvette Cl, C 2, C 3, C 4 de rétention d'eau formée essentiellement d'une paroi inclinée 14 de fond se terminant, du côté surâlevé de la paroi contre la paroi de la tour de lavage 8, et de l'autre côté, en laissant une section de passage S réduite pour les fumées par une paroi 15 sensiblement verticale. Comme il apparaît plus clairement à la figure 3, la paroi 15 sur laquelle se forme le rideau de la cascade, comprend à sa partie supérieureun rebord 16 denté, lequel assure une bonne répar- tition de l'écoulement de l'eau le long de toute la paroi 15, même si le bord 16 n'est pas parfaitement horizontal Sans une telle mesure, le rideau risquerait de ne se former que d'un côté. D'autre part, la paroi 15 descend très notablement en-des- sous de la plaque de fond-14, de façon à présenter un rebord inférieur 17 qui fait saillie en-dessous de la paroi 14; cette mesure est nécessaire de façon à empêcher que le rideau d'eau quidoitseforme r sur l'arête 17 ne remonte par capillarité en-des- sous de la surface de fond 14 de la cuvette, créant des déchiru- res dans le rideau En outre, des orifices 18 sont avantageusement prévus au voisinage de l'arête inférieure 17 de la paroi 15, de façon à assurer une bonne répartition de la cascade tout le long de l'arête 17, les orifices 18 travaillant un peu de façon analo- gue à la denture du rebord 16. Par l'utilisation de ces divers moyens conjuguéqon est assuré d'obtenir des rideaux Rl, R 2 parfaitement continus, sans déchirure et à travers lesquels les fumées devront donc se frayer un passage, l'installàUion assurant un bon contact eau-fumée, donc une condensation efficace de la vapeur d'eau contenue dans les fumées. La cuvette supérieure Cl est alimentée par un conduit 19 de retour d'eau froide perforé qui fait fonction du diffuseur 9 de la figure 1 mais n'en présente pas les inconvénients On profite cependant de cette alimentation pour former une sorte de dernier rideau R 5 avant la sortie des fumées à la cheminée 7, et l'on guide les fumées à l'entrée de la cheminée par des déflecteurs 20 formant également ailettes de condensation. Les cuvettes sont disposées les unes au-dessus des autres en quinconce de façon à venir déborder d'environ la moitié de leur longoeur au-dessus de la cuvette inférieure Avantageusement chaque rideau R est reçu avant de tomber dans la cuvette inférieure sur une coupelle 21 formant gouttièresituée peu au-dessus du ni- veau supérieur de la cuvette inférieure Les gouttières 21 forment ainsi des éclaboussures et brisent le rideau dans sa partie basse augmentant encore l'échange par contact entre l'eau et les fumées. D'autre part, sous chaque cuvette C sont formées des ailet- tes de condensation 22 qui font saillie sous la surface 14 du fond- des cuvettes favorisant les échanges et le refroidissement des fumées qui sont à température supérieure à celle de la cuvette formant déflecteur sous laquelle elles sont guidées Les ailettes 22 s'arrêtent avant la surface de la paroi avant 15, de façon à éviter les possibilités de remontée du rideau d'eau sous la cuvet- te, comme mentionné plus haut. Etant donné qu'à la sortie du bain les fumées sont chaudes on calorifuge avantageusement la tour de lavage, au moins dans sa partie basse, comme illustré en 23 En outre, lorsque la tour de lavage ne pénètre pas sur une grande hauteur dans la cuve 2, en particulier lorsque la hauteur de l'installation doit être limitée, on prévoit un élargissement de la section de raccordement en incli- nant la paroi de raccordement comme indiqué en 24. On se reportera maintenant aux figures 4 et 5 dans lesquel- les sont illustrés d'autresmoyenstravaillant en conjugaison avec la tour de lavage pour améliorer le rendement de l'installation. A la figure 4 on retrouve en vue extérieure la tour de lavage 8 avec la cheminée 7 et l'entrée des retours d'eau froide alimentant le conduit 19 On a arraché et éclaté: le dessus 25 de la cuve, de façon à laisser voir en-dessous un plateau 26 dont la construction et l'usage vont être décrits ci-après On aperçoit également dans la cuve 2 le brûleur 4 avec la chambre de combustion 5 et l'échan- geur 6 d'o s'échappentàl'intérieur du bain les fumées. Le plateau 26 recouvre la plus grande partie de la surface du bain, en présentant seulement une échancrure 27 pour le passage du brûleur 4 et en laissant tout autour de lui un passage annulaire 28 (figure 5) entre la paroi de la cuve et lui. Le plateau 26 comprend une surface sensiblement horizontale 29 bordée d'une paroi 30 dépassant en-dessus et en-dessous de la surface 29, en ménageant au-dessus un volume 31 de recueillement des eaux tombant de la tour de lavage 8 et en-dessous un volume 32 de confinement des fumées s'élevant du bain comme illustré par les bulles 33 à la figure 5. En fonctionnement normal de l'installation, c'est-à-dire lorsque le brûleur est alimenté, le plateau 26 est en partie immer- gé dans le bain 3, de sorte qu'il existe une certaine contre-pres- sion que doiventvaincre les fumées s'accumulant dans le volume de confinement 32 pour passer par dessous l'arête inférieure 33 du volume 32 pour s'échapper vers la tour de lavage La surface 29 du plateau comporte à sa partie inférieure des ailettes 34 d'échange formant saillie favorisant la condensation des fumées sous l'effet de l'eau plus froide tombant de la tour de lavage 8 contenue dans le volume 31 du plateau De préférence, on assure la régulation du système, comme il sera décrit ci-après de façon à obtenir une dif- férence de niveau h entre la surface libre du bain 3 et le niveau 35 du bain dans l'espace de confinement 32, de l'ordre de 15 à centimètresc'està-dire une surpression de l'ordre de 15 à millibars Un tel travail en-'supression" par rapport à la pres- sion atmosphérique est intéressant, en ce qu'il améliore les ren- dements d'échange et de condensation. Avec une installation du type décrit ci-dessus, des essais on montré qu'il était possible d'obtenir un rendement de 103 % sur PCI avec une température des retours d'eau voisine: de 350 C et une température de sortie d'eau de 880 C Bien entendu le rendement augmente si les retours d'eau froide se font à température plus basse que 350 C, ce qui peut être le cas pour de nombreuses utili- sations, en particulier lorsqu'il n'y a pas de recyclage de l'eau ou recyclage partiel. La conduite de l'installation décrite ci-dessus ne pose aucun problème s'il s'agit d'usage ponctuel discontinu,par exem- ple un chauffage de bain industriel à une température déterminée. Par contre s'il s'agit d'usage plus ou moins continu,au cours duquel on désire avoir à chaque instant une température mini- male du bain et à certain moment seulement des températures supé- rieures et/ou des débits d'eau chaudes importants, on peut procé- der de la façon décrite ci-après pour obtenir une conduite de l'installation dans les meilleures conditions. On se reportera maintenant à la figure 6 dans laquelle on a décrit schématiquement comment peut être avantageusement condui- te la réaction de combustion submergée. A la figure 6 on aperçoit les différents éléments princi- paux de l'installation qui ont été repérés par les mêmes chiffres de référence que dans les figures précédentes Le brûleur 4 de l'installation est alimenté en gaz par une conduite 36 et en air par une conduite 37 On supposera tout d'abord que l'installation est destinée à fournir normalement un certain débit d'eau chaude sortant en 11 à une température déterminée, comprise par exemple entre 70 et 880 C. Dans de telles conditions de fonctionnement, on pilote avantageusement l'installation de la façon suivante. On contrôle au moyen d'un appareil de mesure 38 le débit de sortie d'eau du bain Lorsque ce débit est supérieur à un dé- bit minimum déterminé, on commande le chauffage du bain jusqu'à la température maximale, laquelle est relevée par toute sonde convenablement placée Bien entendu au débit de sortie d'eau chaude, soutiré en 11 correspond un débit sensiblement équi- valent d'eau froide amené en 10 Ce débit est contrôlé par une électrovanne 39 dont la commande électrique 40 est reliée comme indiqué en 41 à une sonde 42 de niveau qui arrête l'alimentation d'eau froide lorsque le niveau du bain tend à devenir trop élevé dans la cuve, c'est-à-dire à submerger le plateau 26 En effet le bon fonctionnement du brûleur nécessite des conditions de pression déterminées relativement précises en dehors desquelles une bonne combustion ne pourrait être obtenue Une autre sonde (non repré- sentée), commande de façon semblable l'alimentation en eau froide par le conduit 10 lorsque le niveau du bain descend en-dessous d'un niveau pré-déterminé, par exemple tel que le niveau 43 en-des- sous duquel la surpression h optimale dans la chambre de confine- ment 32 ne serait plus obtenue (figure 5) Lorsque la température maximale du bain est atteinte, le thermostat de mesure (non repré- senté) coupe l'alimentation du brûleur Le niveau du bain descend du fait de l'annulation de la surpression dans la chambre de con- finement 32, par exemple sensiblement au niveau repéré 44 à la fi- gure 6 Aucune alimentation d'eau froide n'est admise tant que le niveau dans la chambre ne descend pas en-dessous d'un niveau cri- tique déterminé mesuré par exemple par une sonde 45 qui commande l'alimentation en eau froide et interdit dans de telles conditions l'allumage du brûleur 4, tant que le niveau du bain n'a pas remon- té. En outre, de façon à maintenir la température du bain à une température minimale souhaitéepar exemple de 70 çC, le chauffage du bain est arrêté à cette température si le débit de prélèvement mesuré par l'appareil de mesure 38 est inférieur à un débit mini- mal prédéterminé - Il existe bien sûr d'autresprocédésde conduite de l'instal- lation Ainsi selon une variante l'eau froide de recyclage ou d'appoint est amenée en 10 dans la tour de lavage, chaque fois que- le niveau du bain tend à descendre en-dessous d'un niveau minimun déterminé, tel par exemple que mesuré par la sonde 45 Simultané- ment on commande le chauffage du bain jusqu'à une température mini- male déterminée choisie, par exemple de 700 C, et on arrête l'ame- née d'eau froide lorsque le bain s'est élevé jusqu'à un seuil ma- ximum déterminé, par exemple mesuré par la sonde 42 Le chauffage à température plus élevé du bain n'est commandé que lorsque le niveau du bain redescend en-dessous du seuil 42, ce qui signifie que l'on a prélevé en 11 de l'eau chaude dans le bain Un syphon formant trop-plein 46 évite de dépasser le niveau du seuil 42 en l'absence de prélèvement d'eau chaude dans le bain et sous l'effet de condensationsse produisant dans la tour de lavage et dans le volume 13 au-dessus du bain. On notera que les différents moyens de l'invention permettent une conduite aisée de l'installation avec d'excellents rendements, grâce en particulier au contact efficace entre les fumées chargées de vapeurssaturanteset les retours d'eau froids et grâce d'autre part au fonctionnement en légère surpression de la combustion améliorant le rendement En outre les pertes de charge tant sur le circuit des fumées que sur le circuit de recyclage de l'eau sont réduites à des valeurs tout à fait acceptables et correspondantaux pressionsnormalesd'alimentation en gazen air et en eau, aucune pon 1 peousuwpresseur n'étant nécessaires. REVENDICATIONS 1 Installation de chauffage du type à combustion submer- gée caractérisée en ce qu'en vue d'obtenir avec de bons rendements des températures de chauffage nettement supérieures à 600 C, et par exemple allant jusque vers 900 C, on équipe l'installation( 1) sur la sortie des fumées au-dessus du bain( 3)à chauffer d'une tour de lavage( 8)comprenant en contre-courant avec les fumées une série de cascades formant plusieurs rideaux d'eau R sensiblement continus disposés en série sur le trajet des -fumées, lesdits rideaux étant alimentés par un débit d'eau froide ( 10) à chauffer de l'installa- tion, lesdites cascades comportant des parois ( 15) de formation des rideaux d'eau R pourvues en partie haute et en partie basse de moyens tels que des dents ( 16), des arêtes en saillie ( 17) et des orifices ( 18) assurant une formation continue sans déchirures des rideaux sur toute leur largeur. 2 Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que chaque cascade est alimentée par une cuvette C formée essen- tiellement d'une paroi inclinée ( 14) de fond se terminant du côté surélevé de la paroi contre la paroi de la tour de lavage ( 8) et de l'autre côté en laissant une section de passage S réduite pour les fumées par une paroi ( 15) précitée sensiblement verticale- pourvue en partie haute de dents ou découpes ( 16) assurant la for- mation du rideau d'eau sur toute la largeur de débordement de la cascade et dont la partie basse fait saillie ( 17) en-dessous de la paroi inférieure contiguë ( 14) de la cuvette. 3 Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que chaque cuvette C est disposée enquirconce par rapport à la cuvette inférieure de façon à ménager un trajet sinueux plus long pour les fumées, chaque cuvette supérieure débordant d'environ la moitié de sa longueur au-dessus de la cuvette inférieure. 4 Installation selon la revendication 3 caractérisée en ce que chaque rideau d'eau R est reçu au-dessus du niveau de la cuvette inférieure C dans une gouttière de déversement ( 21). Installation selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que des ailettes de condensation ( 22) font saillie sous la surface de fond ( 14) des cuvettes C. 6 Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la tour de lavage ( 8) comprend à sa base une section de raccordement élargie ( 24) avec le volume ( 13) du bain. 7 Installation selon l Hune des revendications précéden- tes caractérisée en ce qu'il est prévu unplateau ( 26) recouvrant la plus grande partie de la surface du bain ( 3) placé en-dessus de la tour de lavage ( 8), ledit plateau comportant une surface sensiblement horizontale ( 29) bordée d'une paroi ( 30) dépassant en-dessus et en- dessous d'elle en ménageant au-dessus un volume ( 31) de recueillement des eaux tombant de la tour de lavage et en-dessus un volume ( 32) de confinement des fumées s'élevant du bain. 8 Procédé de conduite d'une installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on contrôle ( 38) le débit de sortie d'eau ( 11) du bain et l'on comman- de le chauffage du bain jusqu'à la température maximale souhaitée (par exemple de 88 WC) lorsque ledit débit est supérieur à un débit minimum déterminé tandis que lorsque ce débit est inférieur à-ce débit minimum déterminé, on ne chauffe le bain que jusqu'à une tem- pérature minimale déterminée choisie ( par exemple de 70 'C). 9 Procédé de conduite d'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'on amène de l'eau froide de recyclage ou d'appoint dans le bain en la faisant pénétrer ( 10) en haut de la tour de lavage ( 8) chaque fois que leniveau du bain descend en-dessous d'un seuil minimum détermi- né ( 45), simultanément on commande le chauffage du bain jusqu'à une température minimale déterminée choisie (par exemple de 70 'C), on arrête l'amenée d'eau froide lorsque le bain s'est élevé jusqu'à un seuil maximum déterminé ( 42) et on ne commande un chauffage à température plus élevée du bain que lorsque le niveau du bain re- descend en-dessous du seuil maximum déterminé précité. Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9 caractérisé en ce qu'en fonctionnement de l'installation on contrôle le niveau ( 43) du bain de façon que le plateau ( 26) soit immergé en partie sur une hauteur déterminée.