Brevet FR2597571A1 — publié le 19871023

L'invention concerne un dispositif d'isolation thermique et ses applications. L'objet de l'invention se rattache au secteur technique des moyens d'isolation. On sait l'importance que revêt l'isolation thermique. Quel que soit le but recherché , tel que diminuer les pertes de calories lorsque des tuyauteries transportent de la vapeur ou de l'eau chaude, isoler les fours de traitement thermique pour abaisser la puissance installée, diminuer la consommation de charbon ou de fuel dans des immeubles d'habitation, se pose le problème de choisir le meilleur matériau calorifuge, en fonction de son prix, de son encombre'ment et aes difficultés de sa mise en oeuvre. Certains systèmes énergétiques sont compromis par les déperditions même de calories qu'ils subissent Par exemple, le pauvais rendement des centrales utilisant l'énergie thermique des mers, est susceptibles de compromettre le succès de cette source d'énergie.En effet, le rendement thermo-dynamique théorique est très limité lorsque la différence de température entre la source froide et la source chaude n'excède pas auel- ques dizaines de degrés Celsius , or, le plus souvent, ce sont aes longueurs très amport2ntes de tuyauteries qui vont chercher 'eau froide à une profondeur suffisante entraînant des déperditions de frigories, tout au lona du cheminement, ce aui empêche de s'approcher du rendement théorique déjà médiocre. Ces mêmes pertes de calories tout au long des tuyauteries font que Za aéothermie nest plus intéressante en-deoà d'une certaine température de la nappe captées Dans le cas des fours de traitement thermique, des bains de sels, leur puissance installée est généralement deux fois plus élevée que celle qui serait strictement nécessaire, malgré l'emploi de briques réfractaires qui, de plus, encombrent, alourdissent et augmentent le prix. Les problèmes étant ainsi posés, l'invention s'est fixée pour but, d'une manière simple, efficace, peu coûteuse et d'encombrement égal aux systèmes classiques actuellement mis en oeuvre dans l'industrie, la mise au point d'un dispositif d'isolation thermique qui tient compte des phénomènes physiques suivants : - un corps noir considéré comme parfait absorberait la totalité des rayonnements reçus et les transformerait in situ en chaleur.Actuellement, les corps noirs qui existent dans l'industrie sous forme de revêtements et peintures réflé- chissent environ 10 X des rayonnements reçus ; - un corps réfLéchissant idéal renverrait la totalité du rayonnement capté. Le corps réfléchissant existe industriellement sous forme de revêtements, de peintures ou de traitements de surface, qui renvoient très sensiblement 9O % du rayonnement reçu , - d'autre part, les calories peuvent être transportées d'un:: corps à un autre, soit par conduction s'il v a contact, soit par convection si l'on baigne dans un environnement conducteur, soit par rayonnement entre un émetteur et un récepteur. Selon une première caractéristique de l'invention, le nispositif compre end suceessivement en superi DCSili on, d'un milieu chaud \ers un milieu froid - une première paroi oont la face située du côté du milieu chaud est exécutéezans un maTériau réfléchissant tandis que l'autre face est exécutée dans un matériau conformé pour absorber la totalité des rayonnements recus et les transformer en chaleur ; - un espace contenant un gaz à basse pression ;; - une deuxième paroi dont la face située du côté de l'espace de séparation est exécutée dans un matériau réflé- chissant tandis que l'autre face , située du côté du milieu froid est exécutée dans un matériau conformé pour absorber la totalité des rayonnements reçus et les transformer en chaleur. des deux parois conditionnées selon l'invention assurant entre elles une lame à gaz à basse pressiar représen- ment la cellule de base de l'isolant selon l'invention. Il est évident que le nombre de parois peut être multiplié en respectant toujours bien évidemment le principe de la face réfléchissante tournée vers la source chaude et de la face noire tournée vers la source froide. Egalement, l'ensemble peut être fractionné par des cloisons transversales, mais alors il doit exister au moins une valve pour chacun des compartiments ainsi créés. Les avantages obtenus par le dispositif selon l'invention, sont les suivants : 1) les calories ne peuvent que très peu s'écouler l'une paroi à l'autre par conduction puisqu'il n'y a pas d'autre contact que les ponts conçus pour être les plus isolants Possibles. 2) Les calories ne peuvent gue t-es peu l'une paroi à l'autre par convection puisque la lame de gaz qui les sépare est maintenue à une pression suffisamment basse pour que le mouvement y soit réduit, ainsi que l'échange de calories entre le gaz et les parois. 3) Les calories ne peuvent gue très peu s'écouler d'une paroi à l'autre par rayonnement puisque c'est une parsi absorbante qui rayonne et une paroi ravonnante qui absorbe. L'invention est exposée, ci-après, plus en détail à laide des exemples d'application mettant en oeuvre le dispositif d'isolation thermique - la figure 1 est une vue partielle en coupe, à très grande échelle, montrant le dispositif d'isolation thermique, - la figure 2 montre l'application du dispositif-à un tuyau caloporteur, - la figure 3 montre l'application du dispositif à unfour de traitement thermique, - la figure 4 montre l'application du dispositif à une toiture de batiment, - la figure 5 montre l'application du dispositif aux chemises d'un moteur thermique à explosion, - les figures 6 et 7 montrent l'application du dispositif à des fours de traitement thermique à bain de sels Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention-, on le décrit maintenant d'une manière non limitative en se r-férant aux exemples de réalisation des figures des dessins. Le dispositif d'isolation thermique, dans sa conception de base, est illustré figure 1. Il comprend successivement en superposition, du milieu chaud (A), vers le milieu froid (B), une première paroi (1) et une seconde paroi (3) séparées par un espace (2) La face (la) de la première paroi (l) du côté du milieu. (A), est exécutée dans un matériau ayant un très bon pouvoir de réflexion. La face (lob) de cette paroi (l) est exécutée dans un matériau conformé pour absorber la totalité des rayonnements reçus et les trans-rmer en chaleur, La face (lb) de cette paroi (1) est exécutée cans un matériau conformé pour absorber a totalité des rayonnements reçus et les transformer en chaleur. La face (3a) de la deuxième paroi (3), située du côté ce l'espace de séparation {J est exécutée dans un matériau réfléchissant. La face (3bs située au côté du milieu froid (B) est exécutée dans un matériau conformé pour absorber la totalité des rayonnements reçus et les transformer en chaleur. L'espace de séparation (2) entre les deux parois (1) et (3) est rempli d'un gaz à basse pression. Cet espace (2)est susceptible d'être relié à une pompe à vide (P) pour rabaisser si nécessaire sa pression en-deçà de la valeur souhaitable. Par exemple, la paroi (1) ou (3) qui est la plus accessible, comporte une vanne pour y brancher un tuyau relié à la pompe à vide. Pour certaines applications, l'ensemble du dispositif tel que décrit, peut être fractionné par des cloisons transversales. Dans ce cas, chacun des compartiments en résultant est relié à une pompe à vide. Pour augmenter la résistance mécanique de l'espace de séparation (2), des raidisseurs peuvent relier l'une et.l'autre des parois (1) et (3). Ces raidisseurs sont conçus pour que les contacts scient les plus réduits possible et faits de matériau, très isolants tels que le plastique ou élastomère pour les températures modestes et céramique pour les températures très élevées. On décrit maintenant quelques exemples d'appl.-ca- tions nullement limitatifs du dispositif d'isolation thermique selon l'înventior. Dans la suite de la description, pour l'une quelconque des applications visées, les repères (la-lb) et (3a3b) relatifs aux différentes faces des parois, sont conservés. La figure 2 montre un tuyau caloporteur (T) qui, par exemple, doit amener de l'eau chaude proeant d'un forage géothermique à un ensemble d'abiratia. Ce tuyau comprend une âme intérieure (5) alun diamètre déterminé sous forme d'un tube en acier. Le tube est peint en blanc sur sa face intérieure (la) et goudronné sur sa face extérieure (lob). A l'extérieur et d'une manière concentrique au tuyau (5), se trouve un deuxième tuyau (6) en matière plastique dont la face interne (3a) est peinte en blanc et la face externe (3b) peinte en noir. Ce tuyau en plastique (6) comporte une valve étanche (7) à-laquelle peut s'adapter l'embout d'une pompe à vide à palettes capable de ménager un vide de quelques 10 2 torr. Entre le tuyau intérieur en acier (5) et le tuyau externe en plastique (6), l'espace annulaire créé (2) est soumis à un vide de 10 1 torr. Le calcul montre que l'action conjointe de corps noir, de corps réfléchissant et de l'absence de convection due au vide de la lame intercalaire, permet d'obtenir une isolation thermique égale à 70 cm d'un isolant classique en polyéthylène expansé, pour un encombrement en volume de 50 fois moindre. La figure 3 montre l'application du dispositif à un four de traitement thermique comportant un creuset en acier doux, à titre indicatif de 900 mm de diamètre et 1 200 de profondeur. Il contient des sels de cyanuration en fusion à 800 degrés Celsius chauffés par des bougies plongeantes. Selon l'état antérieure de la technique, autour du creuset l'isolé tion thermique est assurée par 40 cm de briques réfractaires et une enveloppe en acier de 12 mm d'épaisseur. Malgré cela, les déperditions de température correspondent à une fraction de la puissance installée supérieure à 20 KW/heure. Selon l'invention, le creuset (8) est entouré par une enceinte annulaire (8) dont les deux parois (1) et (3) sont en acier de 5 mm d'épaisseur et délimitent un espace annulaire (2). La face dite "blanche" (faces (la) et (3a)) est obtenue par une peinture aluminium ez une cuisson et la race dite "noire" (faces (lb) et (3b;-; par rie pr.osphatavion au mancancse suivie dune peinture. L'espace nnulaire (9) a 55 mm d'épaisseur et il x; règne un vide d'air e 5.10- L Torr. Les mesures montrent qu'avec la nouvelle disposition du four de traitement thermique selon l'invention, les déperditions latérales de calories ne correspondent plus qu'à une puissance perdue de SKW/h au lieu de 20. La figure 4 montre le dispositif appliqué pour l'isolation d'une toiture de bâtiment. On sait que la toiture classique d'une maison d'habitation peut se faire par la pose de tuiles sur voliges. La circulation d'air est freinée et une première isolation thermique est obtenue en clouant un faux plafond de voliges sous les chevrons ; l'ensemble est parachevé par la mise en place d'une épaisse couche de laine de verre. Le dispositif selon l'invention amène à revoir cette conception et permet d'allèger considérablement la toiture tout en obtenant une isolation thermique sans commune mesure avec les systèmes classiques. Le toit est couvert non plus par des tuiles posées sur voliges, mais par des panneaux (lo) selon l'invention, auto-portants, simplement posés sur des fers marchants espacés de plusieurs mètres. Selon l'exemple non restrictif, chaque panneau a 3 mètres de long et 70 cm de large. Il est conditionné sur les quatre bords pour s'emboîter avec les panneaux adjacents à la façon des tuiles, afin d'obtenir l'étanchéité. La face supérieure (3) du panneau (lo) est plane. Elle est en plastique inaltérable. La face inférieure (l) du panneau est en aluminium gaufré, les gaufrages étant de dimensionnement déterminée pour donner au panneau une rigidité suffisante pour dorer la neige sur une certaine longueur de porte-à-faux. La face intérieure (lb) de la cle gaufrée (1) est peinte en noir, les bords dudit panneau embouti (1) en aluminium et de la paroi supérieure (3 > En plastique sont étrc;tement collés en laissant -s,ster l'espace libre (2) entre ladite paroi (1) et (3). La feuille d'aluminium nervurée (1) comporte une valve à laquelle peut s'ajuster l'embout d'une pompe à vide primaire en communi- cation avec l'espace libre (2). Tous les ans, à l'entrée de l'hiver, le vide est revérifié à l'intérieur de chaque panneau et l'isolation thermique ainsi obtenue équivaut à celle de 25 cm de laine de verre. La figure 5 montre une application du dispositif au'moteur thermique à explosion. On sait les efforts considérables de recherche visant aujourd'hui à adiabatiser les moteurs pour signifier que le cycle imparfait du moteur se rapproche du cycle théorique déduit du premier principe de Carnot et comportant deux isothermes et deux adiabatiques. On dit que l'on est dans une transformation adiabatique Si les échanges de chaleur entre le système et l'extérieur tendent vers le zéro. D'où les efforts actuels pour construire les moteurs modernes en céramique, améliorer ainsi leur isolation thermique et diminuer de façon drastique les calories emportées par l'eau de refroidissement. Or, deux pièces à elles seules représentent la très grande partie de ces calories qui se dissipent dans le radiateur : ce sont les chemises et la culasse. La présente invention permet par une isolation thermique très simple des chemises, de faire un grand pas peu coûteux vers l'adiabatisation des moteurs. Dans ces chemises (C), dites "adiabatiques", selon l'invention, on trouverait de l'intérieur du cylindre (Il) vers extérieur, successivement - une couche de céramique (lia) déposée par exemple au canon à plasma - l'ossature de la chemise en acier réfractaire (12), c'est-à-dire capable de conserver ses caractérstiques mécaniques au-delà de 700 degrés C ; - le dispositif d'isolation thermique selon -l'invention, c'est-à-dire la paroi (l) avec les couches blanches (la) et noire (lb), l'espace vide (2)et la paroi extérieure (3) avec les faces (3a) et (3b) qui n'aurait plus besoin, dans la plupart des cas, d'être refroidie à l'eau. Un autre exemple d'application du dispositif se trouve dans l'isolation des creusets contenant les bains de sels des fours de traitement thermique. A l'heure actuelle, dans les fours de traitement thermique à bains de sels, le bain contenu dans un creuset est, dans l'immense majorité des cas, chauffé par conduction. Lorsque le chauffage est extérieur au creuset, placé dans ce que l'on appelle généralement la chambre, les inconvénients suivants apparaissent - une température extérieure du creuset supérieure à celle requise pour le bain, ce qui a pour effet d'accélérer l'oxydation, d'abréger la vie du creuset et de requérir des alliages coûteux - imposer un système de régulation de température complexe où interfèrent la température de la chambre, la température du bain et les courants de convexion de celui-ci. Lorsque le chauffage se fait directement dans le bain, par bougies plongeantes ou électrodes' par exemple, le volume de celui-ci se trouve encombré, avec une réduction concomitante .;e sa capacité à recevoir des charges de pièces à traiter. La présente invention remédie à ces inconvénients en apportant les calories nécessaires au maintien de la température du bain en dehors de celul-ci sur un circuit dérivé. A la figure 6, on voit le creuset (13) contenant le bain de sels qui recevra les coiges de -paèces à traiter. Ce creuset est isolé par une double parDi (li-(33 axec espace libre (2), selon l'invention empêchant ies déperditions de calories. Du creuset (13) partent une bride (14) et une bride (15ì avec entre ìes deux, une aérl:atlon (16) parcourue par le sel dans le sens de ja flèche ; les sels en fusion à plus basse tempéra- ture sortent du creuset (13) par la bride (14) et les sels en fusion à haute température obtenue après réchauffage rentrent par la bride (15) à la partie supérieure, Cette dérivation (16) passe à l'intérieur d'un élément chauffant qui apporte' les calories par tout moyen connu, tels que four à micro-ondes par exemple. Les avantages d'un tel système sont très importants 1) la face externe du creuset n'est pas chauffée et elle ne peut être au plus qu'à la température du bain de sels; 2) comme il n'y a pas de chambre extérieure au creuset à une température supérieure à celle requise pour le bain de sels, les déperditions calorifiques à l'extérieur sont moindres; 3) il n'y a pas d'éléments chauffants à une température supérieure à celle requise pour le bain de sels 4) le volume du creuset est tout entier disponible pour y disposer les pièces à traiter ; 5) la régulation devient simple et précise car on y dispose, d'une part, de deux mesures, à savoir la température de sortie en (14) et d'entrée (15) et, d'autre part, de deux quantités réglables, à savoir le débit de la dérivation et la puissance de chauffe. Ceci permet des combinaisons extrêment utiles qui n'existent pas dans les systèmes classiques. Par exemple, on peut concevoir que pour une puissance donnée, compensant exactement les pertes calorifiques, on puisse obtenir une différence de température entre le haut et le bas du bain aussi faible que désiré en augmentant le débit de la dérivation. Ce débit peut être, soit naturel par convexion - et en ce cas, le débit de la dérivation pourra être régulé par un diaphragme ou tout autre moyen connu permettant d'introduire une perte de charge - soit forcé par la pompe - et à ce moment-là le débit de la dérivation sera régulé par la vitesse ou tout autre mode connu. Dans ce dernier cas, on dispose d'un moyen d'action supplémentaire: l'inversion occasionnelle ou périodique du courant de circulation. De plus, on sait que certains bains de sels nécessitent pour leur bonne marche une insufflation de gaz à la partie inférieure. Dans les systèmes classiques, cette insufflation de gaz provoque, par l'apport froid qu'elle représente, un fort gradient vertical de température à l'intérieur du bain, alors que dans le dispositif selon l'invention on peut, par le biais d'inversion de flux, remédier à cet inconvénient. Bien entendu, on peut multiplier les points de prélèvements, les points de réinjection, les dérivations et les appoints de chauffage c'est-à-dire qu'au prix de certaines complications on peut concevoir des bains de sels d'une régularité, d'une homogénéité et d'une température absolument inconnues jusqu ' ici. 6) Le mode de chauffage d'un four de traitement thermique à bains de sels selon l'invention apporte une autre amélioration également décisive dans l'architecture du four : pour la première fois, en effet,-elle permet de chauffer et de réguler la température de plusieurs bains avec un sel équipement central. Bien entendu, entre dans le cadre de l'invention toute disposition cc-nnue permettant de réaliser ces caractéristiques. On peut par exemple concevoir que le creuset (13) et les moyens âe chauffage et de régulation sont deux ensembles séparés, comme illustré figure 7 ou les brides (14) et (15) sont suppri mees. Le prélèvement et la réinjection du sel se font par le biais de tuyaux plongeurs espectivement (17) et (18). De plus, ce dispositif d d:iscaon De-m.et lagencernent de systèmes thermiques complexes qu'il étai auparavant impossible dimaginer. Par exemple, si un système compsrlai deux chau- dières réunies par un ensemble de tuyaux, l'isolation thermique s'effectuait avec des briques réfractaires et exigeait l'en'-e- loppement global de tout le système. Selon la conception du dispositif à la base de l'invention, il est possible d'isoler séparément chacune des chaudières et chacun des tuyaux avec une deuxième paroi métallique et soudée. L'invention ne se limite aucunement à celui de ses' modes d'ap- plication non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant plus spécialement été indiquées ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS - 1 - Dispositif d'isolation thermique, caractérisé en ce qu'il comprend successivement en superposition, d'un milieu chaud (A) vers un milieu froid (B) - une première paroi (1) dont la face (la) située du côté du milieu chaud (A) est exécutée dans un matériau réfléchissant tandis que l'autre face (lb) est exécutée dans un matériau conformé pour absorber la totalité des rayonnements reçus et les transformer en chaleur - un espace (2) contenant un gaz à basse pression - une deuxième paroi (3) dont la face (3a) située du côté de l'espace de séparation (2) est exécutée dans un maté- riau réfléchissant tandis que l'autre face 3b) @ située du côté du milieu froid (B;; est exécutée dans un ratériau conformé pour absorber la totalité des rayonnements reus et les transformer en chaleur. - 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace (2) rempli de gaz à basse pression est relié à une pornpe à vide. - 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est fractionné par des cloisons transversales (4), chacun des compartiments en résultant étant reliés à une pompe à vide. - 4 - Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que les parois (1) et (3) sont reliées par des raidisseurs conformés pour que les contacts soient les plus réduits possibles, lesdits raidisseurs étant exécutés en matériau isolant. - 5 - Dispositif selon la revendication 1 et son application à un tuyau caloporteur, caractérisé en ce que le tuyau comprend une me intérieure (5! sous forme d'un tube d'acier peint en blanc sur sa face intérieure (la) et goudronné sur sa face extérieure (lb), d'une manière concentrique, à l'âme (5) est monté un tuyau plastique (6) dont la face interne (3a) est peinte en blanc et la face externe (3b) est peinte en noir, ledit tuyau (6) délimitant, en combinaison avec l'âme (5), un espace annulaire (7) relié à une pompe à vide. - 6 - Dispositif selon la revendication 1 et son application à un four de traitement thermique, comportant un creuset en acier doux, caractérisé en ce que le creuset est entouré par une enceinte annulaire (8) dont les deux parois (1) et (3) délimitent l'espace annulaire (9), les faces (la) et (3a) de chacune des parois (1) et (3) étant obtenues par une peinture aluminium et une cuisson tandis que les faces (lb) et (3b) sont obtenues par une phosphatation au manganèse, suivie d'une peinture. - 7 - Dispositif selon la revendication 1 et son application à une toiture de bâtiment, caractérisé en ce que la toiture est obtenue à partir de panneaux rectangulaires (10) agencés pour être emboîtes avec les panneaux adjacents, la paroi supérieure de de chacun des panneaux (lo) est plane et exécutée en matière plastique inaltérable, la paroi inférieure (1) étant en aluminium gaufré dont la face interne (lb) est peinte en noir, es bords de chacun des panneaux étant assemblés en laissant subsister l'espace libre (2) entre les faces (1b) et (3a: des parois (1) et (3), ledit espace étant relié à une pompe à vide. - 8 - Dispositif selon la revendication i et son application aux cylindres de moteurs thermiques à explosion caractérisé en ce que chaque cylindre (11) comprend successivement, de l'intérieur vers l'extérieur, une couche de céramique (lai, l'cssature de la chemise en acier réfractaire (i2j, la a: o '1) avec les couches blanche (la) et noire ilb', l'espace vide (2) et la paroi extérieure (3) avec es faces (3a! et (3b). - 9 - Dispositif selon la revendication 1 et son application aux creusets contenant des bains de sels pour les fours de traitement thermique, caractérisé en ce que le creuset (13) est isolé avec la double paroi (1)-(3) et l'espace libre (2), dudit creuset (13) partent une bride (14) et une bride (15) avec entre les deux une dérivation (16), les sels en fusion à plus basse température sortent du creuset (13) par la bride (14) et les sels en fusion à plus haute température obtenue après réchauffage rentrent par la bride (15) à la partie supérieure, ladite dérivation (16) passant à l'intérieur d'un élément chauffant. - 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le creuset (13) est isolé avec la double paroi (1)-(3) et l'espace libre (2), le prélèvement et la réinjection du sel dans ledit creuset s'effectuant au moyen de tuyaux plongeurs respectivement (17) et (18).