Brevet FR2602577A1 — publié le 19880212

PROCEDE ET APPAREIL DE CHAUFFAGE A LA VAPEUR La présente invention a pour objet un procédé de chauffage 3 tempera- ture définie d'une phase liquide s'écoulant vers au moins un point d'utilisation, au moyen d'une phase vaporisée circulant dans des moyens de chauffage indépendants immergés dans la phase liquide. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comportant un échangeur de chaleur pour chauffer une phase liquide 3 une température définie par échange avec une phase vaporisée circulant dans un élément de chauffage immergé dans la phase liquide.De tels dispositifs s'appliquent notamment a des appareils de production d'eau chaude à partir de vapeur d'eau et d'eau froide et qui comportent des moyens de sécurité contre la surchauffe ou la surpression. Il existe de nombreux cas oO, pour la production d'eau chaude, la source d'énergie calorifique la plus avantageuse est la vapeur: par exemple, dans le cas où de la vapeur dont on n'a pas d'utilisation par ailleurs se trouve disponible, ou encore dans les nombreux cas de locaux où l'usage de l'électricité ou des combustibles, notamment gazeux, sont interdits, essentiellement pour des raisons de sécurité. Il existe dans l'art antérieur aussi bien des échangeurs que des mélangeurs vapeur/eau froide. Aucun des systemes existants ne permet cependant de réunir les conditions mécaniques et thermiques les mettant & l'abri des défaillances en cas de coupure accidentelle de l'alimentation en eau, ou de blocage en position ouverte de l'alimentation en vapeur ou de tout autre incident résultant de l'instabilité des pressions et des tempe- ratures d'alimentation en eau et/ou en vapeur, ou de l'encrassement des appareils, conduites et vannes par la présence d'impuretés et autres dépôts ou déchets. Ces incidents se traduisent gfnéralement par des surchauffes et/ou des surpressions qui peuvent provoquer chez les utilisateurs des brûlures et diverses autres dégradations matérielles. Le besoin s'est donc exprimé de disposer d'un dispositif de chauffage de liquide a la vapeur présentant les sécurités nécessaires, qui soit de conception simple, robuste et économique et susceptible de travailler dans des conditions d'instabilité des pressions et des températures d'alimentation1 ce qui constitue le but principal de la présente invention. On a cherché également a mettre au point des appareillages b fonctionnement continu permettant a l'utilisateur de régler le débit de liquide chauffé sans avoir a se soucier de la régulation du débit de vapeur. A cet effet, le procédé selon la présente Invention est caractérisé en ce que la phase liquide et la phase vaporisée circulent tout d'abord dans une première zone a co-courant selon une direction générale descendante puis la phase liquide ainsi au moins en partie échauffée circule ensuite selon une direction gFnorale ascendante dans une deuxième zone distincte de ladite premiére zone et est retirée en tête de cette deuxième zone, en ce que les débits relatifs d'amenée des phases liquide et vaporisee sont contrlés et en ce que dès que la température de la phase liquide dans la zone de changement de direction de cette phase liquide atteint une température maximale définie, des moyens d'évacuation et de décharge de la phase liquide sont actionnés.La phase vaporisée quittant la première zone et au moins en partie condensée est avantageusement injectée en tete de la deuxieme zone précitée et la première zone entoure la deuxième zone. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention est caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est formé d'une enceinte divisée en deux zones par des moyens de partition verticaux fixés a la paroi supérieure de l'enceinte et ménageant en cuve de l'enceinte, un passage entre les deux zones, en ce que l'élément de chauffage est situé dans une des zones au sommet de laquelle débouchent les conduites d'arrivée des phases liquide et vaporisée, en ce que la phase liquide échauffée est évacuée en tête de l'autre zone, en ce que les débits relatifs des phases liquide et vaporisée sont contrôlés, le fond de l'enceinte étant obturé par un bouchon fusible apte A relier l'intérieur de l'enceints S la décharge dès que la température du liquide chauffé dépasse la valeur prédéterminée correspondant au point de fusion du bouchon fusible qui présente les caractéristiques thermiques correspondant a la température maximale pr- citée. Le bouchon fusible peut avantageusement être disposé a l'intérieur d'un tube relié a la décharge pour l'obturer et le tube présente un collet extérieur coopérant, par l'intermédiaire d'un écrou de serrage, avec une portée annulaire d'étanchéité. Lorsque le procede selon l'invention, est appliqué & chauffer de l'eau, la phase liquide est formée d'eau et la phase vaporisée est formée de vapeur d'eau. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, la phase vaporisée est amenée sous une pression et une température supérieures respectivement, a la pression et à la température de la phase liquide. Selon encore un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les moyens de partition sont agencés de manibre P obliger le liquide chauffé qui s'est écoulé vers le fond de l'enceinte, a remonter 3 la partie supérieure de l'enceinte jusqu'a au moins un orifice de préleve- ment du liquide chauffé vers au moins un point d'utilisation.L'élément de chauffage est avantageusement constitué par un serpentin qui entoure les moyens de partition constitués par une virole cylindrique interne 3 l'enceinte et dont la partie inférieure est ouverte en cuve de l'enceinte, tandis que sa partie supérieure est reliée annulairement de façon continue et étanche a la partie supérieure de l'enceinte, la partie centrale de la cuve contenant un bouchon fusible disposé sur un tube en relation avec la décharge et la partie supérieure de l'enceinte étant reliée a au moins un orifice de prélèvement du liquide chauffé. Lorsque le dispositif selon l'invention est appliqué au chauffage par de la vapeur d'eau d'un débit d'eau délivre a au moins un point d'utilisation, il comporte un purgeur d'eau qui injecte, de préférence a la partie supérieure de l'enceinte à l'intérieur de la virole, l'eau condensée dans l'élément de chauffage. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le débit d'eau à chauffer est introduit dans l'enceinte, par l'intermédiaire d'un détendeur, à une pression inférieure a une pression maximale prédéterminée. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un moyen de réglage du débit de liquide à chauffer est couplé en parallèle à un moyen de reglage du débit de vapeur de chauffage dont le circuit comporte un robinet de coupure. D'autres buts, avantages et caracteristiques apparaitront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé oD la figure unique représente schématiquement et en coupe partielle un dispositif de production d'eau chaude selon l'invention, à partir d'eau froide et de vapeur d'eau sous pression. En se reportant a la figure, on voit qu'une conduite d'arrivée d'eau froide 1 et une conduite d'arrivée de vapeur d'eau 2 sont reliées par l'intermédiaire de valves couplables 3 et 4 et respectivement, d'un détendeur 5 et d'un robinet de coupure 6 à une enceinte de chauffage 7. L'enceinte 7 en forme de réservoir est constituée ici d'un corps cylindrique-8 soudé à un fond bombé 9 dont la partie inférieure se poursuit par un prolongement annulaire 10 qui porte un tube 11 fileté a sa partie extérieure pour recevoir un écrou 12. Le corps cylindrique 8 se termine a sa partie supérieure par un filetage sur lequel est monté un couvercle de fermeture 13 qui porte diverses tubulures et conduites. En deux zones périphériques opposées, le couvercle 13 porte respectivement, vers la droite de la figure un raccord 14 d'entrée d'eau froide a la partie supérieure de l'enceinte 7 et, vers la gauche de la figure, l'entrée 15 d'un serpentin de chauffage 16 relié au circuit de vapeur. Le couvercle 13 porte de facon centrée une virole cylindrique 171 soudée au couvercle 13 de facon étanche par sa périphérie supérieure et dont la partie inférieure descend dans l'enceinte jusqu'au voisinage du fond 9.La virole 17 est entourée extérieurement du serpentin de chauffage. 16 enroulé hélicoTdalement dans une première zone de chauffage 17a où le liquide a chauffer circule a co-courant de la vapeur qui parcourt le serpentin 16 qui se raccorde 9 partir de sa dernière spire la plus inférieure 16a a un tube métallique droit de sortie 18 logé a l'intérieur de la virole 17 et qui traverse de façon étanche le couvercle 13. Le tube 18 est raccordé a l'extérieur de l'enceinte 7 par des raccords filetés 18a et 18b un purgeur d'eau 19 qui évacue les condensats de vapeur a l'intérieur de la virole 17 par un tube 20 plongeant dans l'enceinte 7 en direction du fond 9 de cette enceinte. Conformément a l'invention, un tube de purge 21 qui présente un collet extérieur 22, de préférence un collet battu d'extrémité dans le cas où le tube 21 est un tube de cuivre, se monte S l'intérieur du tube 11, par serrage, avec interposition de joints annulaires adéquats, de l'écrou 12 pour placer le collet 22 sur une portée annulaire 23 du tube 11 et, le cas échéant, le collet 22 sur le collet 24 d'un tube de purge 25. Le tube 21 ouvert à ses deux extrémités est fermé a son extrémité immergée dans l'enceinte par un bouchon 26 en alliage fusible. Dans le cas oO l'on réchauffe de l'eau a l'intérieur de l'enceinte 7, on peut utiliser pour le bouchon 26 une pastille d'alliage de Wood d'environ 4 mm d'épaisseur et fondue directement a l'intérieur du tube 21 préalablement décapé.L'alliage de Wood présente un point de fusion qui se situe à environ 70 A 72"C et permet d'obtenir en toute sécurité une eau chaude dont la température évolue entre 40 et 600C. Les valves 3 et 4 de réglage, respectivement du débit d'eau et de vapeur, présentent des poignées respectives 3a et 4a de réglage manuel du débit et des embouts de sortie 3b et 4b opposés a ces poignées et qui peuvent être couplés a une poignée de manoeuvre commune 28 permettant à un opérateur de faire varier simultanément et en parallèle le débit d'eau froide entrant et le débit de vapeur. Le couvercle 13 est traversé, a l'intérieur de son raccordement annulaire a la virole 17, par un raccord 27 de départ d'eau chaude relié à au moins un poste 29 de distribution d'eau chaude. Le fonctionnement du dispositif de chauffage d'eau représenté sur la figure obéit aux règles de la thermodynamique et des échanges de chaleur. Lorsqu'un opérateur désire obtenir de l'eau chaude au poste d'utilisation 29, il tourne le levier 28 pour ouvrir simultanément et en parallèle le robinet d'eau 3 et le robinet de vapeur 4. Le robinet de coupure de vapeur 6 étant ouvert, la vapeur d'eau sous pression (dans le cas pratique du chauffage de l'eau, on se propose par exemple d'utiliser de la vapeur surchauffée a une pression de 6 bars) vient immédiatement remplir l'espace intérieur du serpentin 16 dont elle porte les parois, sur lesquelles elle se condense, a une température voisine de la sienne.L'eau froide amenée au raccord 14 à une pression maximale déterminée par le détendeur 5 est obligee par la virole 17, qui delimite une colonne centrale 30 traversée par le tube de vapeur 18, de s'écouler d'abord vers le bas en se réchauf- fant sur la surface extérieure du serpentin 16, en direction du bouchon fusible 26, au niveau duquel elle change de direction en repartant vers le haut p l'intérieur de la colonne 30. La pastille fusible 26 se trouve ainsi placée dans une zone d'eau chaude soumise a des tourbillons intenses par suite d'un changement de direction, ce qui constitue une bonne condition d'échange thermique pour réagir rapidement a une surchauffe de l'eau. A la partie supérieure de la colonne 30, l'eau chaude s'entonne dans l'orifice d'entrée du raccord 27 relié au poste de distribution d'eau chaude 29 constitué par exemple d'une station de lavage. Les condensats formés a l'intérieur du serpentin 16 s'écoulent par gravite jusqu'a la spire inférieure 16a de ce serpentin où les ecoulements pulsés de vapeur l'entraînent par le tube vertical de sortie 18 et les raccords 18a et 18b au purgeur 19 qui s'ouvre périodiquement en chassant dans la colonne 30, en direction du bas c'est-a-dire de la pastille fusible 26, les condensats chauds accumules et accompagnes d'un jet de vapeur de propulsion de courte durée.La totalite de la chaleur contenue dans la vapeur est ainsi récupérée et la colonne 30 qui s'écoule à faible vitesse vers le haut en direction du poste d'utilisation 29, voit sa température homogénéisée et légère- ment augmentée par les injections périodiques de vapeur et de condensats en provenance du purgeur 19. L'opérateur peut régler 3 volonté le débit et la température de sortie d'eau chaude au poste d'utilisation 29. Il lui suffit pour cela de régler l'ouverture des robinets 3 et 4 formant valves1 en agissant sur leurs poignées 3a et 3b en fonction du débit et de la température observés au poste 29.Pour des raisons de facilité de réglage et de mise en service, les embouts 3b, 4b des poignées 3a et 4a sont couplés entre eux en une position de couplage relatif déterminée experimentalement à partir des résultats obtenus au point d'utilisation 29 (par exemple pour obtenir de l'eau chaude 3 50"C en ce point) par un té de couplage 31 relié a la poignée commune 28 qu'il suffit a l'opérateur de tourner pour obtenir de l'eau chaude au point d'utilisation 29 sans avoir a se soucier du débit de débit de vapeur. En fermant la valve 6 de coupure de vapeur, l'utilisateur peut faire délivrer de l'eau froide, notamment avant la fin de l'utilisation pour réaliser la purge de l'eau chaude encore contenue dans l'enceinte 7 et les conduits d'alimentation la reliant a la station d'utilisation. Le dispositif de chauffage a la vapeur selon l'invention et qui vient d'être décrit élimine deux sortes d'incidents des appareils connus de ce type. Dans le cas où le purgeur 19 reste bloqué a l'ouverture, un jet de vapeur très chaude et à pression élevée (par exemple a 200"C et 6 bars) est dirigé par le tube 20 vers le bas de la colonne 30 en direction du bouchon fusible 26. L'eau située a la base de la colonne 30 est portée tres rapidement a la température de fusion de la pastille 26 qui fond, et s'écoule a l'intérieur du tube 21 pour ouvrir le fond 9 de l'enceinte 7 sur la décharge. Cette mise a la décharge de l'enceinte 7 se produit avant que l'eau du haut de la colonne 30 et qui est i une température plus modérée ne se soit écoulée au point d'utilisation 29 pour étre remplacée par de l'eau brûlante ou surchauffée L'enceinte-7 se vide a la décharge par le tube 21 qui décharge ensuite le jet de vapeur en provenant du purgeur 19, l'écoulement au poste d'utilisation 29 étant arrêté, au moins en partie, par la chute de la pression régnant dans l'enceinte 7. De la même façon, si une obturation accidentelle (par exemple par des boues, de la rouille, du tartre, des graviers) vient interrompre totalement ou partiellement le débit d'eau froide, l'élévation de la température de l'eau dans l'enceinte 7 provoque la fusion de la pastille 26 du bouchon fusible et l'écoulement de l'eau contenu dans l'enceinte ainsi que des produits d'obturation qui auraient pu s'y accumuler. On doit noter que l'enceinte 7 peut avantageusement présenter un volume faible et etre ainsi peu encombrante et peu onéreuse. Ainsi, pour un débit d'eau chaude compris entre 500 et 800 l/h, sous une pression de 3 a 5 bars a l'intérieur de l'enceinte 7, on a pu se contenter d'une enceinte 7 en forme de réservoir et qui présentait une capacité de seulement 1,2 litre. Le serpentin 16 était formé a partir d'un tube de cuivre de diambtre extérieur 12 mm et de 1 m de longueur. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentes et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles a l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de chauffage a température définie d'une phase liquide au moyen d'une phase vaporisée circulant dans des moyens de chauffage indépendants immerges dans la phase liquide, caractérisé en ce que la phase liquide et la phase vaporisée circulent tout d'abord dans une première zone (17a) à co-courant selon une direction générale descendante, puis la phase liquide ainsi au moins en partie échauffée circule ensuite selon une direction générale ascendante dans une deuxième zone (30) distincte de ladite premiére zone et est retirée en tète de cette deuxième zone, en ce que les débits relatifs d'amenée des phases liquide et vaporisée sont contrôlés et en ce que, dès que la température de la phase liquide dans la zone de changement de direction de cette phase liquide atteint une temperature maximale définie, des moyens (21,26)d'évacuation et de décharge de la phase liquide sont actionnés. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase vaporisée quittant la premiere zone (17a) et au moins en partie condensée, est injectée en tète de la deuxième zone (30) précitée. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première zone (17a) entoure la deuxieme zone (30). 4.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que la phase liquide est formée d'eau et en ce que la phase vaporisée est formée de vapeur d'eau. 5.- Procédé selon une quelconque des revendications l a 4, caractérisé en ce que la phase vaporisée est amenée-sous une pression et une température supérieures respectivement, é la pression et a la température de la phase liquide. 6.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 a 5, comportant un échangeur de chaleur pour chauffer une phase liquide 3 une température définie par échange avec une phase vaporisée circulant dans un élément de chauffage immergé dans la phase liquide, caractérisé en ce que ledit échangeur est formé d'une enceinte (7) divisée en deux zones (17a,30) par des moyens de partition verticaux (17) fixés a la paroi supérieure (13) de l'enceinte et ménageant en cuve (9) de l'enceinte, un passage entre les deux zones, en ce que l'élément de chauffage (16) est situé dans l'une (17a) des zones au sommet de laquelle débouchent les conduites d'arrivée (14,15) des phases liquide et vaporisée, en ce que la phase liquide échauffée est évacuée en tète de l'autre zone (30), en ce que les débits relatifs des phases liquide et vaporisée sont contrôlées, et en ce que le fond (9) de l'enceinte est obturé par un bouchon fusible (26) apte a relier l'intérieur de l'enceinte (7) à la décharge dès que la température du liquide chauffé dépasse la valeur prédéterminée correspondant au point de fusion du bouchon fusible. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bouchon fusible (26) présente les caractéristiques thermiques correspondant a la température maximale précite. 8.- Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le bouchon fusible (26) obture l'intérieur d'un tube (21) relié a la décharge et qui présente un collet extérieur (22) coopérant, par l'intermédiaire d'un écrou de serrage (12), avec une portée annulaire d'étanchéité (23). 9.- Dispositif selon l'une des revendications 6 a 8, caractérisé en ce que les moyens de partition (17! sont agences de manière t obliger le liquide chauffé qui s'est écoulé vers le fond (9) de l'enceinte (7), a remonter t la partie supérieure de l'enceinte jusqu'a au moins un orifice de prélèvement (27) du liquide chauffé vers au moins un point d'utilisation (29). 10.- Dispositif selon l'une des revendications 6 a 9, caractérisé en ce qu'un moyen de réglage (3) du débit de liquide a chauffer est couplé en parallele a un moyen de réglage (4) du débit de vapeur de chauffage dont le circuit comporte un robinet de coupure (6). 11.- Dispositif selon l'une des revendications 6 a 10, caractérisé en ce que l'élément de chauffage est constitué par un serpentin (16) qui entoure les moyens de partition constitués par une virole cylindrique (17) interne A l'enceinte (7), et dont la partie inférieure est ouverte en cuve (9) de l'enceinte (7) tandis que sa partie supérieure est reliée annulairement de façon continue et étanche a la partie supérieure (13) de l'enceinte avec laquelle elle délimite une colonne centrale (30), la partie centrale de la cuve contenant un bouchon fusible (26) dispose sur un tube (21) relié a la décharge et la partie supérieure de l'enceinte étant reliée a au moins un orifice de prélèvement (27) du liquide chauffé. 12.- Dispositif selon la revendication 11, appliqué au chauffage par de la vapeur d'eau d'un débit d'eau délivré a au moins un point d'utilisation, caractérisé en ce qu'il comporte un purgeur d'eau (19) qui injecte dans la partie supérieure de l'enceinte 3 l'intérieur de la virole (17), l'eau condensée dans l'élément de chauffage (16). 13.- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le débit d'eau ! chauffer est introduit dans l'enceinte (7), par l'intermédiaire d'un détendeur (5), a une pression inférieure n une pression maximale prédéterminée.