Brevet FR2554218A1 — publié le 19850503

L'invention est relative à une installation de production d'eau chaude ou autre liquide , en continu en utilisant un échangeur de chaleur immergé dans une cuve contenant un bain du liquide maintenu chaud. De telles installations sont particulièrement intéressantes lorsqu'on utilise en tant qu'échangeur de chaleur immergé, un échangeur dit "compact", car il est alors possible d'obtenir des rendements thermiques au moins égal à 90% sur PCI (pouvoir calorifique inférieur). Ces bonnes performances sont obtenues dans ce genre de matériel grâce à un très bon coefficient de convection des fumées. En effet celui-ci augmente en fonction des variations locales de vitesse des fumées et donc de leur énergie cinétique. Dans des échangeurs immergés de type compact, la vitesse des fumées est élevée, de l'ordre de 25m/s et on provoque des turbulences importantes pour faire croître le coefficient de convection. Le liquide à chauffer, en général de l'eau, a, par contre, une vitesse relativement faible, de l'ordre de quelques centimètres par seconde (habituellement de 5 à 10 cm/s). Le déplacement du liquide en "bain latent" est d'ailleurs dû à un effet de thermosiphon au sein de la cuve, effet relativement doux et convenant parfaitement au but recherché. Ceci découle de la conception même de ce genre d'appareils qui sont en général contituésd'une chambre de combustion traversée verticalement par des tubes parcourus par le liquide et d'un échangeur final à plaques où le liquide passe également de bas en haut. Par contre, si on utilise ce genre d'appareils pour le chauffage d'un liquide en continu, c'est-à-dire avec une entrée de liquide froid d'un côté et une sortie de liquide chaud de l'autre, la cuve est parcourue par un débit et le phénomène de thermosiphon se trouve pertubé. On doit en outre imposer un chemin forcé au liquide pour l'obliger à passer à travers les diverses parties de l'échangeur de façon à éviter des court-circuits d'eau froide qui pourraient s'intaurer plus au moins arbitrairement entre l'entrée froide et la sortie chaude.Cependant, lorsqu'on opère de cette façon, l'ins tallation ne fonctionne plus de façon satisfaisante lorsqu'il n'y a pas de débit ou un débit faible, c'est-à-dire lorsque la cuve travaille en bain latent, car on a perturbé par des chicanes ou autres moyens équivalents la circulation simple par thermosiphon dans la cuve, avec pour résultat des inhomogénéitésde température du bain. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes sus-mentionnés en permettant d'obtenir au moyen d'une installation du type général décrit à échangeur compact immergé, à la fois un chauffage efficace à la température déterminée voulue lorsque l'installation fonctionne en continu (en évitant tout court-circuit entre l'entrée froide et la sortie chaude de fluide), et une bonne homogénéisation de la température du bain en cas de débit nul ou faible de l'installation. A cet effet, une installation conforme à l'invention se caractérise en ce qu'elle comprend - une chambre formant "préchambre" recevant par au moins une entrée le fluide froid à chauffer, - une cuve comportant une chambre principale contenant le volume du bain de liquide maintenu chaud, - un échangeur de chaleur immergé dans ledit bain de liquide communiquant d'un côté avec ladite "préchambre" et de l'autre côté avec une partie dudit volume espacée de ladite préchambre, - et au moins une sortie du fluide chaud disposée en un endroit dudit volume espacé de ladite entrée sur le trajet de circulation du fluide entre cette entrée et cette sortie. Selon une structure préférée de l'invention, ladite préchambre est ménagée dans la partie inférieure de la cuve dont elle est séparée par une cloison sensiblement horizontale pourvue d'au moins une ouverture formée sensiblement en regard de la face d'entrée prévue en partie basse dudit échangeur de chaleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la préchambre précitée n' occupe qu'une partie de la longueur de la cuve se terminant d'un côté contre une paroi d'extrémité perpendiculaire à la direction longitudinale de la cuve et de l'autre côté contre une paroi de hauteur réduite sensiblement verticale située sensiblement au niveau d'une face d'extrémité de l'échangeur de chaleur. Avantageusement des orifices sont formés dans ladite paroi d'extrémité de hauteur réduite de la préchambre. Avec une telle construction, on évite tout "courtcircuit" efficace entre l'entrée froide et la sortie chaude du liquide qui éviterait un passage au contact de l'échangeur de chaleur, lors d'un régime de fonctionnement "en continu"de l'installation, tandis qu'inversement, on permet à l'installation de fonctionner correctement par effet de thermosiphon en cas de débit nul ou faible de fluide traversant l'installation. En outre on conserve toutes les qualités d'efficacité et de compacité de l'installation et ce pour tous les régimes de fonctionnement de l'appareil. L'inTTent.ion apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre de façon schématique en coupe verticale une installation conçue selon l'invention, - la figure 2 montre en perspective avec arrachements partiels l'installation de la figure 1. En se reportant aux dessins on aperçoit une installation conforme à l'invention comprenant essentiellement une cuve repérée dans son ensemble en 1 destinée à contenir un bain 2 de liquide à chauffer, par exemple de l'eau, dont on a figuré en 3 à la figure 1 le niveau supérieur. Le fluide entre froid dans l'installation par un orifice d'entrée 4 et sort chaud par un orifice 5. Le chauffage se fait au moyen d'un échangeur de chaleur immergé de type "compact" comprenant essentiellement un brûleur 6 par exemple à combustible liquide ou gazeux, une chambre de combustion 7 traversée par des tubes verticaux d'échange de chaleur 8, la chambre de combustion 7 se termi nant par un échangeur 9 habituellement du type à plaques verticales collectant les fumées qui sortent par le conduit 10 hors de l'installation. L'échangeur de chaleur repéré dans son ensemble 11 est totalement immergé à l'intérieur du bain 2 en étant suspendu par des moyens (non représentés), par exemple sensiblement au centre de la cuve 1; celle-ci est éventuellement pourvue d'un couvercle 12 pour limiter les échanges thermiques avec l'extérieur ou pour permettre éventuellement la production d'eau chaude à température supérieure à 100 -C si la cuve est pressurisée. Tous les organes qui ont été décritsjusqu'ici sont de conception et de disposition relativement classiques. En l'absence de tout autre moyen, une telle installation fonctionne très bien pour chauffer le bain latent 2, tant qu'il n'y a pas de circulation notable c'est-à-dire de soutirage ou débit important du bain. En l'absence de soutirage le bain est chauffé de façon efficace comme mentionné plus haut grâce à une circulation naturelle en thermosiphon de l'eau empruntant les tubes 8 et les espaces 13 verticaux formés entre les plaques d'échange 9. En outre du fait de sa position centrale à l'intérieur de la cuve l'échangeur de chaleur abandonne sur ses parois extérieures dans de bonnes conditions d'échange thermique la chaleur communiquée à ces parois. Par contre s'il y a un débit relativement important d'eau dans le bain, l'eau froideen pénétrant dans l'installation par entrée 4 a tendanceàcourt-circuiter l'échangeur de chaleur 11 en le contournant pour gagner plus au moins directement l'orifice de sortie 5, ce qui n'est évidemment pas souhaitable. Conformément à l'invention on prévoit sur le circuit d'écoulement du fluide à chauffer (flèches E) une chambre préalable formant "préchambre 14" recevant par l'entrée 4 le fluide froid à chauffer. Cette préchambre communique directement par une ouverture 15 avec le côté entrée de l'échangeur de chaleur 11.Dans l'exemple illustré la préchambre 14 est formée entre les parois latérales 16,17 de la cuve, la paroi d'extrémité longitudinale 18 de la cuvecôtéentrée du fluide froid, une paroi 19 de hauteur réduite sensiblement verticale située sensiblement au niveau de la face d'extrémité 20 de l'échangeur de chaleur, la paroi de fond 21 de la cuve et une paroi horizontale 22 déterminant la hauteur hl réduite de la préchambre 14, cette paroi 22 comportant l'orifice 15 permettant l'entrée du fluide froid dans et autour de l'échangeur de chaleur 11. En outre à la base du compartiment 14 formant préchambre et dans son fond sont prévus des déflecteurs 23 déviant le trajet du fluide entrant dans la préchambre 14 pour le guider vers la face d'entrée de l'échangeur comme indiqué par les flèches E (figure 1). D'autre part, en arrière de l'échangeur 11est pré- vueune paroi de séparation 24 sensiblement verticale s'élevant à faible distance en dessous du niveau supérieur 3 du bain, cette cloison étant faiblement éloignée de la paroi 25 de la cuve sur laquelle s'effectue la sortie d'eau chaude 5. De cette manière est ménagé dans la cuve un compartiment arrière 26 relativement séparé du restant de la cuve. Des orifices 27 sont en outre formés en divers endroits dans la paroi de hauteur réduite 19 de la préchambre 14, et de la même façon, mais non en regard de ces orifices 27 sont prévus des orifices 28 dans la paroi 24 vers la partie basse de cette paroi, mais de préférence à une hauteur supérieureà celle où sont formés les orifices 27 de la paroi 19. Le fonctionnement de l'installation va être maintenant décrit. Lorsqu'il y a débit de fluide à travers l'installation, celui-ci circule comme indiqué par les flèches E, en traversant l'échangeur de chaleur i1 sensiblement à contrecourant général avec les fumées F. Le fluide froid guidé dans la préchambre 14 emprunte de préférence la largeouverture de sortie 15 vers et autour de l'échangeur, cet effet étant encore augmenté grâce à la présente des chicanes 23. Par contre un courant de court-circuit qui emprunterait les orifices décalés de faible section 27 et 28 formés dans les parois 19 et 24 évitant ainsi la traversée de l'échangeur 11 est fortement défavorisé par de grandes pertes de charges, un tel courant de court-circuit apparaissant ainsi comme négligable. Lorsqu'il n'y a pas de soutirage de fluide dans l'installation, ou lorsque le soutirage est très faible, il apparaît que l'effet de thermosiphon est possible et pratiquement très peu freiné dans le bain, du fait du positionnement de la grande ouverture 15 ménagée dans la préchambre 14 à l'entrée de l'échangeur de chaleur 11. Les effets de thermosiphon ne mettant cependant en oeuvre que des débits réduits de circulation, les retours peuvent se faire doucement à travers les orifices 28 de la paroi 24 et les orifices 27 de la paroi 19 permettant l'homogénéisation des températures dans tous les compartiments de la cuve, c'est -à-dire en définitive une bonne homogénéité de température dans toute la cuve. On notera en outre que la prévision de la cloison 24 ayant une bordure supérieure située à faible hauteur en dessous du niveau supérieur 3 du bain favorise lors d'un fonctionnement en continu de l'installation un brassage du fluide dans le compartiment 26 et par conséquent là encore une bonne homogénéité de la température du fluide soutiré. Il y a lieu de noter que la hauteur h1 de la préchambre 14 est limitée par rapport à celle de la cuve et qu'on maintiendra la hauteur h2 de la génératrice supérieure du conduit de sortie 5 sensiblement au niveau du bord supérieur de la cloison 24 un peu en dessous du niveau 3 du bain pour éviter des entraînements d'air dans ce conduit. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'eau chaude ou autre liquide en continu, utilisant un échangeur de chaleur immergé dans une cuve contenant un bain du liquide maintenu chaud, caractérisée en ce qu'elle comprend - une chambre formant "préchambre" (14) recevant par au moins une entrée (4) le fluide froid à chauffer, - une cuve (1) comportant une chambre principale contenant le volume du bain (2) de liquide maintenu chaud, - un échangeur de chaleur (11) immergé dans ledit bain de liquide (2) communiquant d'un côté avec ladite préchambre (1A) et de l'autre côté avec une partie dudit volume espace'ode ladite préchambre, - et au moins une sortie (5) du fluide chaud disposée en un endroit dudit volume espacé de ladite entrée (4) sur le trajet de circulation du liquide entre cette entrée et cette sortie. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite préchambre (14) est ménagée dans la partie inférieure de la cuve (1) dont elle est séparée par une cloison (22) sensiblement horizontale pourvue d'au moins une ouverture (15) formée sensiblement en regard de la face d'entrée prévue en partie basse dudit échangeur dE chaleur (11) 3. Installation selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite ouverture (15) a des dimensions légèrement supérieures à ladite face d'entrée de l'échangeur (11). 4. Installation selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisée en ce que ladite préchambre (14) n'occupe qu'une partie de la longueur de la cuve (1) se terminant d'un côté contre une parci d'extrémité (18) perpendiculaire à la direction longitudinale de la cuve (1) et de l'autre côté contre une paroi de hauteur réduite (19) sensiblement verticale située sensiblement au niveau d'une face d'extrémité (20) de l'échangeur de chaleur ( 5. Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce que des orifices (27) sont formés dans ladite paroi (19) d'extrémité de hauteur réduite de la préchambre (14). 6. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une paroi de séparation (24) sensiblement verticale s'élevant à faible distance en dessous du niveau supérieur (3) du bain (2) est prévue dans la cuve (1) derrière l'échangeur de chaleur (11) au voisinage de la paroi (25) de la cuve dans laquelle sont ménagées la ou les sorties du liquide chaud précité. 7. Installation selon la revendication 6 caractérisée en ce que ladite paroi de séparation (24) comporte vers sa partie basse des orifices (28) décalés par rapport à ceux (27) formés dans ladite paroi (19) de hauteur réduite de ladite préchambre (14). 8. Installation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que dans ladite préchambre (14) sont prévus des déflecteurs (23) déviant le trajet du fluide entrant dans la préchambre 114) pour le guider vers la face d'entrée de l'échangeur.