Brevet FR2609162A1 — publié le 19880701

DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA SURCHAUFFE ET DE L'ENTARTRAGE POUR UN APPAREIL DE CHAUFFAGE D'UN FLUIDE ET APPAREIL EQUIPE D'UN TEL DISPOSITIF DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif de contrôle de la surchauffe et de L'entartrage pour un appareil de chauffage d'un fluide, servant essentiellement à l'atténuation de la surchauffe et de l'entartrage. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le cas o cet appareil de chauffage est un chauffe-eau domestique ou une chaudière à gaz. La figure I ci-jointe représente, vu en perspective, un chauffe-eau domestique d'un type actuellement utilisé appelé chauffe-eau "à chambre humide". Ce chauffe-eau, portant la référence générale 10, se compose essentiellement d'une cuve 12 métallique, par exemple en cuivre, disposée verticalement et ouverte à ses extrémités inférieure et supérieure, définissant ainsi une chambre de combustion. Un ensemble de brûleurs à gaz 14 se trouve sous la cuve et les gaz brûlés circulent de bas en haut à l'intérieur de celle-ci. L'eau froide arrive par une conduite d'amenée 16 et circule ensuite le long d'un serpentin 18 placé contre la paroi de la cuve 12, mais à l'extérieur de celle-ci. L'eau commence donc à se réchauffer en circulant dans le serpentin 18, puis arrive dans un tube échangeur 20 placé à la partie supérieure de la cuve, dans la zone par o sortent les gaz brûlés. L'eau qui a été préchauffée dans le serpentin 18 est chauffée à la température voulue dans l'échangeur 20. L'eau chaude repart ensuite vers les dispositifs utilisateurs par une conduite 22. Récemment est apparu un nouveau type de chauffe-eau tel que le chauffe-eau 11 illustré à la figure 2 et appelé chauffe- eau "à chambre sèche". On retrouve, comme dans le cas de la figure 1, une cuve métallique 12 placée verticalement et ouverte 2 2 609 1 62 à ses extrémités inférieure et supérieure, ainsi qu'un ensemble de brûleurs à gaz 14 à la partie inférieure de la cuve. On a toujours la conduite 16 d'amenée d'eau froide et la conduite 22 de départ d'eau chaude, mais il n'y a plus de serpentin placé contre la paroi de la cuve. Celle-ci est équipée d'une masse d'isolant 24 placée contre sa face interne et la conduite 16 débouche directement dans le tube échangeur 20 placé au sommet de la cuve à l'endroit o sortent les gaz brûlés. Par rapport au dispositif de la figure 1, le dispositif illustré à la figure 2 présente l'avantage d'avoir une conception d'appareil plus simple, et donc un coût de montage plus faible, et il permet de réaliser un gain de matière du fait qu'on supprime le serpentin 18. Cependant, dans l'un et l'autre cas, ces appareils présentent encore un inconvénient qui est la surchauffe de l'eau lors de la mise en route de l'appareil. On rappelle que c'est le débit d'eau dans l'échangeur 20, c'est-à-dire l'ouverture et la fermeture de la vanne d'arrêt (non représentée sur les figures 1 et 2), qui commande la mise en marche ou l'arrêt du chauffe-eau. Pendant le fonctionnement, l'eau contenue dans l'échangeur 2C est à une température moyenne supérieure de 25 C à la température de l'eau froide. Lorsqu'on ferme la vanne d'arrêt, l'eau qui reste à l'intérieur de l'échangeur emmagasine la chaleur rayonnée par les parois chaudes de la chambre de combustion et celle restituée par la masse chaude de l'échangeur. C'est pourquoi, après plusieurs dizaines de secondes d'arrêt, l'eau peut atteindre une température maximale proche de 100 C. On comprend donc que, si l'appareil est remis en marche peu de temps après l'arrêt précédent, la température de l'eau chaude en sortie atteint des valeurs très élevées et risque de dépasser les valeurs fixées par les normes en vigueur. Par exemple, en France, la norme NF D 35-322, applicable aux chauffe- eau, chauffe-bains, etc. stipule que, l'appareil étant réglé à son débit calorifique nominal et à un débit d'eau correspondant à une élévation de température de 50 C, l'élévation de température 3 260 9 1 6 2 au début de chaque puisage ne doit pas excéder de plus de 20 C cette valeur de régime. Avec les appareils actuels, et notamment les chauffeeau à chambre sèche tels que celui qui est illustré à la figure 2, cette valeur est souvent dépassée et peut atteindre à quelques degrés près la température d'ébullition de l'eau, ce qui n'est bien entendu pas admissible. La présente invention a pour but de remédier à ces irnconvénients en proposant un dispositif de contrôle de la surchauffe et de l'entartrage pour un appareil de chauffage d'ur fluide tel qu'un chauffe-eau, un chauffe-bain, une chaudière à gaz, etc. Un tel appareil comporte, de manière connue: - une conduite d'arrivée de fluide froid, - une conduite de départ de fluide chaud, - un échangeur communiquant d'une part avec ladite conduite d'arrivée de fluide froid et d'autre part avec ladite conduite de départ de fluide chaud, le fluide circulant, lorsque l'appareil fonctionne, de la conduite d'arrivée vers la conduite de départ à travers l'échangeur, et - des moyens pour chauffer le fluide se trouvant dans l'échangeur. Selon la principale caractéristique du dispositif de contrôle de la surchauffe et de l'entartrage objet de l'invention, celui-ci comporte une enceinte de volume variable communiquant avec la conduite d'arrivée de fluide froid, cette enceinte étant limitée au moins partiellement par un élément déplaçable ayant une première face soumise à la pression régnant dans la conduite d'arrivée de fluide froid, et une deuxième face soumise à une pression de référence, ledit élément étant déplaçable sous l'effet de la différence de pression entre ses deux faces. L'élément déplaçable peut être constitué soit par une membrane déformable, soit par un piston mobile à l'intérieur d'un boîtier. Dans le premier cas, on peut réaliser une partie de La conduite d'arrivée de fluide froid en un matériau souple, ce 4 2609162 matériau constituant lui-même la membrane déformable: dans ce cas, la partie considérée de la conduite d'arrivée de fluide froid constitue l'enceinte de volume variable. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la deuxième face de l'élément déplaçable est soumise à la pression régnant dans la conduite de départ de fluide chaud. Dans un autre mode de réalisation, concernant le cas o la conduite de départ de fluide chaud est en communication directe avec l'atmosphère, la deuxième face de l'élément déplaçable est soumise à la pression atmosphérique. Dans les cas autres que celui o une partie de la conduite d'arrivée de fluide froid est réalisée en matériau souple, des moyens sont nécessaires pour déplacer l'élément déplaçable de manière à repousser le liquide contenu dans ladite enceinte de volume variable dans l'échangeur de manière à éviter la surchauffe du liquide et l'entartrage de l'échangeur. De préférence, on utilisera un ressort comme cela sera décrit ci- dessous. Enfin, l'invention a également pour objet un appareil de chauffage d'un fluide équipé d'un dispositif de contrôle de la surchauffe et de l'entartrage tel que mentionné ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure I est une vue schématique en perspective d'un premier type de chauffe-eau selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue semblable à la figure 1 illustrant un deuxième type de chauffe-eau de l'art antérieur, - les figures 3a et 3b sont des schémas simplifiés illustrant le fonctionnement d'un dispositif selon L'invention, dans le cas o l'élément déplaçable est une membrane déformable, et o la deuxième face de celle-ci est soumise à la pression régnant dans la conduite de départ de fluide chaud, - la figure 4 est une vue schématique semblable à la 2 609162 figure 3a dans le cas o La deuxième face de La membrane déformable est soumise à la pression atmosphérique, - la figure 5 est une vue schématique illustrant le dispositif de l'invention dans le cas o une partie de la conduire d'arrivée de fluide froid est constituée en un matériau souple, et - la figure 6 est une vue semblable à la figure 5, illustrant le cas o l'éLément déplaçable est un piston rmcile à l'intérieur d'un boîtier. Si l'on se reporte aux figures 3a et 3b, on retrouve la conduite 16 d'arrivée d'eau froide, l'échangeur 20 et la conduite 22 de départ d'eau chaude équipée d'une vanne 26. Pour plus de clarté, la chambre de combustion et les brûleurs n'ont pas été représentés sur les figures 3a et 3b. Le dispositif de contrôle de la surchauffe et de l'entartrage selon l'invention comporte un boîtier 28 à l'intérieur duquel se trouve une membrane déformable 30 fixée de manière étanche aux parois de ce boîtier. Cette membrane sépare le boYtier en un premier compartiment 32 communiquant avec La conduite 16 par un tube 34, et un deuxième compartiment 36 communiquant avec La conduite de départ d'eau chaude 22 par une conduite 38. Cette dernière débouche dans la conduite 22 en amont de la vanne 26 par rapport au sens d'écoulement de l'eau pendant le fonctionnement de l'appareil. Le dispositif illustré aux figures 3a et 3b fonctionne de la manière suivante: La figure 3a correspond au cas o la vanne 26 est ouverte et o l'eau circule de la conduite 16 à la conduite 22 à travers l'échangeur 20. Du fait que l'eau est en mouvement, il y a une perte de pression entre le point o le tube 34 débouche dans la conduite 16 et le point o Le tube 38 débouche dans la conduite 22. La pression est donc plus forte dans la conduite 16 que dans la conduite 22. Il s'ensuit que la pression est plus forte dans le compartiment 32 du boYtier 28 que dans le compartiment 36 et, par conséquent, la membrane 30 est déplacée 6 2 6 0 9 16 vers la droite en regardant la figure 3a. La figure 3b correspond au cas o la vanne 26 est fermée. Comme L'eau n'est plus en mouvement, la pression est la même dans les conduites 16 et 22, ainsi que dans l'échangeur 20. Il en résulte que les pressions de part et d'autre de la membrane sont égales. Comme on a prévu, dans le compartiment 36, un ressort 40 monté de manière à pousser la membrane 30 vers la gauche en regardant les figures 3a et 3b, c'est-à-dire à l'encontre de la pression régnant dans le compartiment 32, lorsque la vanne 26 est fermée, le ressort 40 se détend et pousse la membrane 30 vers la gauche en regardant les figures. Ainsi, l'eau contenue dans le compartiment 32, qui est de l'eau froide, est poussée dans l'échangeur 20 et l'eau chaude contenue dans ce dernier est chassée à travers la conduite 22 et le tube 38 jusque dans le compartiment 36. Ce dernier a vu son volume augmenter par la déformation de la membrane 30 et peut donc accueillir cette masse d'eau. Ainsi, lors de l'arrêt de l'appareili on remplace l'eau chaude contenue dans le tube échangeur 20 par de l'eau froide. Donc, même si Les parois de la chambre de combustion sont encore chaudes, l'élévation de température du fluide contenu dans l'échangeur 20 est limitée et, lors de la prochaine mise en route de l'appareil de chauffage, on ne risque pas d'avoir une élévation de température excessive. Dans le mode de réalisation préféré, les dimensions du boîtier 28, ainsi que la forme et les caractéristiques de déformation de la membrane 30 et la force du ressort 40, sont déterminées de sorte que le volume d'eau contenu dans le compartiment 32 dans la situation de la figure 3a soit sensiblement égal au volume d'eau contenu dans l'échangeur 20. La figure 4 est une vue semblable à la figure 3a mais, dans cette variante, la conduite 22 de départ d'eau chaude n'est pas équipée d'une vanne telle que la vanne 26:elle est en communication directe avec l'atmosphère. Dans ce cas, c'est la conduite 16 qui est équipée d'une vanne 42 en amont du point o débouche le tube 34. Le boîtier 28 de la figure 4 est semblable à 7 -2609162 celui de la figure 3a. Cependant, la conduite 38 est supprimée et le compartiment 36 est en communication directe avec l'atmosphère, par exemple par l'intermédiaire d'un piquage 43. La figure 4 correspond au cas o l'appareil est en fonctionnement, c'est-à-dire que la vanne 42 est ouverte et l'eau circule de la conduite 16 à la conduite 22. Du fait des pertes de charge, la pression de l'eau dans la conduite 16, et donc dans le compartiment 32, est supérieure à la pression de l'eau à l'orifice de sortie 23 de la conduite 22, qui est égale à la pression atmosphérique. La membrane 30 est donc poussée vers la droite lorsqu'on regarde la figure. Lorsque la vanne 42 est fermée, la pression est la même dans la conduite 16 en aval de la vanne 42, ainsi que dans l'échangeur 20 et la conduite 22 et elle est égale à la pression atmosphérique. Le ressort 40 pousse donc l5 a membrane 30 vers la gauche en regardant la figure 4, ce qui a pour effet de chasser l'eau froide contenue dans le compartiment 32 dans l'échangeur 20, tandis que l'eau chaude contenue dans ce dernier est chassée à l'extérieur. Sur la figure 5, on a représenté schématiquement en 2C traits mixtes et en perspective un chauffe-eau semblable à celui de la figure 2 avec la cuve 12 et les brûleurs 14 alimentés par un tuyau 15. On retrouve également la conduite 16 d'arrivée d'eau froide, l'échangeur 20 à la partie supérieure de la cuve 12 et la conduite 22 de départ d'eau chaude équipée de la vanne 26. Dans cette variante, une partie 44 de la conduite 16 est réalisée er un matériau souple et constitue une membrane déformable qui peut se déformer sous l'effet des différences de pression entre sa première face ou face interne, qui est en contact avec l'eau froide, et sa deuxième face ou face externe. Le boitier 28 entoure la partie 44 de la conduite 16 et il est fixé de manière étanche à cette dernière. C'est donc l'intérieur de la partie 44 qui constitue le premier compartiment 32 et le volume situé entre la membrane 44 et le bottier 28 qui constitue le deuxième compartiment 36. Ce dernier est en communication avec la conduite 22 de départ d'eau chaude par un tube 38: celui-ci débouche dans 8 26 09162 la conduite 22 en un point situé en amont de la vanne 26 et qui peut se trouver, par exemple, près de la sortie de l'échangeur 20 à la partie supérieure de la cuve 12. Le fonctionnement du dispositif illustré à la figure 5 est pratiquement le même que le fonctionnement des dispositifs illustrés aux figures 3a, 3b et 4. Lorsque la vanne 26 est ouverte et que l'eau circule de la conduite 16 à la conduite 22 à travers l'échangeur 20, il y a une perte de pression entre la partie 44 de la conduite 16 et la conduite 22. La pression de l'eau est donc plus forte dans la partie 44 de la conduite 16 que dans la conduite 22. La membrane 44 se gonfle donc et occupe la position 44a représentée en traits pleins sur la figure 5. Lorsqu'on ferme la vanne 26, l'eau ne circule plus et la pression est la même dans la conduite 16, l'échangeur,20 et la conduite 22. La membrane 44 revient donc à sa position normale 44b, représentée schématiquement en traits interrompus sur le dessin. Ceci a pour effet de chasser dans l'échangeur 20 l'eau froide contenue dans le compartiment 32 et la partie de la conduite 16 située entre ce dernier et l'échangeur, tandis que l'eau chaude qui était contenue dans l'échangeur est chassée le long de la conduite 38 jusque dans le compartiment 36. Dans ce cas également, on peut adopter une disposition semblable à celle de la figure 4, le tube 38 et la vanne 26 étant supprimés et le compartiment 36 étant mis en communication directe avec l'atmosphère. La figure 6 est une vue semblable à la figure 5, mais, dans cette variante, l'élément déplaçable est constitué par un piston 46 mobile à l'intérieur du bottier 28. Comme sur la figure 5, on a représenté en traits mixtes la cuve 12, les brûleurs 14 et le tuyau d'arrivée de gaz 15. On retrouve également la conduite 16 d'arrivée d'eau froide, le tube échangeur 20 et la conduite 22 de départ d'eau chaude équipée d'une vanne 26. On retrouve encore le bottier 28, mais la membrane déformable est remplacée par un piston 46 mobile à l'intérieur de ce boîtier. On 9 2 609 16 2 retrouve le premier compartiment 32 communiquant avec la conduite 16 par un tube 34 et le deuxième compartiment 36 communiquant avec La conduite 22 par un tube 38 qui débouche dans cette dernière en un point situé en amont de la vanne 26. On voit encore le ressort 40, placé dans le compartiment 36 et disposé de manière à pousser le piston vers la droite en regardant la figure 6. Cette figure correspond au cas o la vanne 26 est ouverte et donc o l'eau circule de la conduite 16 à la conduite 22 à travers l'échangeur 20. Dans ce cas, la pression dans la conduite 16, et donc dans le compartiment 32, est supérieure à la pression régnant dans la conduite 22 et donc dans le compartiment 36. Sous l'effet de cette différence de pression, te ressort 40 étant convenablement taré, le piston 46 se déplace vers la gauche en regardant la figure 6. Lorsque la vanne 26 est fermée, la pression est la même dans la conduite 16, l'échangeur 20 et la conduite 22 et, par conséquent, elle est la même dans les compartiments 32 et 36. Sous l'action du ressort 40, le piston 46 se déplace vers la droite en regardant la figure et l'eau froide est chassée dans le tube 34 et la conduite 16: ceci a pour effet de chasser l'eau chaude contenue dans l'échangeur 20 dans le tube 38 et, de là, dans le compartiment 36. On a encore représenté sur la figure 6 un diaphragme 48 placé sur le tube 34, ce diaphragme étant destiné à contreLer l'écoulement de l'eau froide. A titre d'essai, on a réalisé un dispositif conforme celui de la figure 6 monté sur un chauffe-eau de puissance nominale 8,7 kW. Le diaphragme 48, placé sur le tube 34 entre la conduite 16 et le boîtier 28, avait un diamètre de 4 mm. Le boîtier 28 était un boîtier cylindrique de longueur 150 mm et de diamètre 25 mm, le piston ayant une longueur de 15 mm. Le ressort utilisé avait une raideur de 15 newtons par mètre (N/m). La surchauffe mesurée sur l'appareil non équipé du dispositif d'atténuation selon l'invention était de 31,50C alors qu'avec le dispositif de l'invention, la surchauffe maximale n'était que de 2609 162 C. On voit donc que le dispositif objet de l'invention présente des avantages particulièrement intéressants dont le principal est de diminuer l'élévation de température observée lors de la mise en route de l'appareil de chauffage. D'autre part, comme la température de l'eau contenue dans l'échangeur est plus faible, ceci entraîne une réduction du dépôt de tartre dans l'échangeur, et donc une fiabilité et une durée de vie accrues de l'appareil. Enfin, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais qu'on peut envisager des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. C'est ainsi que tout appareil de chauffage d'un fluide (chauffe-eau, chauffe-bain, chaudière à gaz, etc.) peut être équipé d'un dispositif de contrôle de la surchauffe et de l'entartrage conformément à l'invention. De plus, on peut utiliser ou non un diaphragme tel que le diaphragme 48 de la figure 6 monté sur le tube 34. Ce même tube 34 peut déboucher dans la conduite 16 à n'importe quel endroit de celle-ci en amont de l'échangeur 20, à condition cependant, dans les cas semblables à celui de la figure 4 o la conduite 22 communique directement avec l'atmosphère, qu'il débouche en aval de la vanne 42. Quant au tube 38, il peut déboucher dans la conduite 22 en tout point en aval de l'échangeur 20, à condition cependant que ce point se trouve en amont de la vanne 26 dans le cas o la conduite de départ d'eau chaude est équipée d'une telle vanne. On rappelle en outre que, dans la plupart des cas, la conduite 16 d'arrivée d'eau froide est équipée d'un dispositif déprimogène (non représenté sur les dessins), servant à contrôler l'alimentation en gaz combustible. Le tube 34 peut déboucher dans la conduite 16 aussi bien en amont qu'en aval de ce dispositif déprimogène. Dans les exemples qui ont été décrits ci-dessus, l'enceinte de volume variable est constituée par le premier 2 609162 compartiment d'un bottier équipé soit d'une membrane déformable, soit d'un piston mobile. Dans l'un et l'autre cas, le deuxième compartiment peut être mis en communication soit avec la conduite de départ de fluide chaud, soit avec l'atmosphère. On pourrait éventuellement, sans sortir du cadre de l'invention, supprimer le deuxième compartiment du boîtier et limiter celui-ci au premier compartiment dans le cas o la deuxième face de la membrane ou du piston est soumise à la pression atmosphérique. 12 Lu 6 REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de la surchauffe et de l'entartrage pour un appareil de chauffage d'un fluide comprenant: - une conduite (16) d'arrivée de fluide froid, - une conduite (22) de départ de fluide chaud, - un échangeur (20) communiquant d'une part avec ladite conduite (16) d'arrivée de fluide froid et d'autre part avec ladite conduite (22) de départ de fluide chaud, le fluide circulant, lorsque l'appareil fonctionne, de la conduite d'arrivée (16) vers la conduite de départ (22) à travers l'échangeur (20), et - des moyens (14) pour chauffer le fluide se trouvant dans l'échangeur (20), caractérisé en ce que ce dispositif comporte une enceinte (32) de volume variable communiquant avec la conduite (16) d'arrivée de fluide froid, cette enceinte (32) étant limitée au moins partiellement par un élément déplaçable (30) ayant une première face soumise à la pression régnant dans la conduite (16) d'arrivée de fluide froid et une deuxième face soumise à une pression de référence, ledit élément (30) étant déplaçable sous l'effet de la différence de pression entre ses deux faces. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément déplaçable est une membrane déformable (30). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie (44) de la conduite (16) d'arrivée de fluide froid est réalisée en un matériau souple et constitue ainsi la membrane déformable, ladite partie (44) de la conduite d'arrivée constituant l'enceinte (32) de volume variable. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément déplaçable est un piston (46) mobile à l'intérieur d'un bottier (28). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la deuxième face de l'élément déplaçable est soumise à la pression régnant dans la conduite 13 20 (22) de départ de fluide chaud. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la conduite de départ de fluide chaud (22) étant en communication directe avec l'atmosphère, la deuxième face de l'élément déplaçable (30) est soumise à la pression atmosphérique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour déplacer L'élément déplaçable (30) de manière à diminuer le volume de ladite enceinte de volume variable (32). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comprennent un ressort (40) ayant une première extrémité fixée à l'élément déplaçable (30) et une deuxième extrémité fixée à un élément lui-même fixe par rapport au reste de l'appareil. 9. Appareil de chauffage d'un fluide comprenant: - une conduite (16) d'arrivée de fluide froid, - une conduite (22) de départ de fluide chaud, - un échangeur (20) communiquant d'une part avec ladite conduite (16) d'arrivée de fluide froid et d'autre part avec ladite conduite (22) de départ de fluide chaud, le fluide circulant, lorsque l'appareil fonctionne, de la conduite d'arrivée (16) vers la conduite de départ (22) à travers l'échangeur (20), et - des moyens (14) pour chauffer le fluide se trouvant dans l'échangeur (20), caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de contrâle de la surchauffe et de l'entartrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.