Brevet FR2615599A2 — publié le 19881125

FR 2615599 A2 19881125 FR 8707037 A 19870520 PERFECTIONNEMENT A UN PROCEDE ET A UN APPAREIL DE CHAUFFAGE A LA VAPEUR La présente invention a pour objet un perfectionnement au procédé de chauffage à température 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 selon la demande de brevet principal. L'invention concerne également un perfectionnement au dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et comportant un échangeur de chaleur pour chauffer une phase liquide à 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 à 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 où, 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, est interdit, essentiellement pour des raisons de sécurité. I1 existe dans l'art antérieur aussi bien des échangeurs que des mélangeurs vapeur/eau froide. Aucun des systèmes existants ne permet cependant de réunir les conditions mécaniques et thermiques les mettant à 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 températures 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 généralement 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 à 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'alimentation, ce qui constitue l'un des buts de la demande de brevet principal. On a cherché également à mettre au point des appareillages à fonctionnement continu permettant à l'utilisateur de régler le débit de liquide chauffé sans avoir à se soucier de la régulation du débit de vapeur. L'application pratique de la demande de brevet principal a montré qu'il était avantageux d'améliorer encore la sécurité de fonctionnement en cas d'arrivée brutale de vapeur vive au moment de la décharge des condensats dans l'eau à chauffer. A cet effet, le procédé de chauffage tel que défini précédemment et dans lequel la phase liquide et la phase vaporisée circulent tout d'abord dans une première zone 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 distincte de ladite première zone et est retirée en tête de cette deuxième zone, les débits relatifs d'amenée des phases liquide et vaporisée étant contrôlés et 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 étant actionnés, selon la demande de brevet principal, est caractérisée en ce que la phase vaporisée quittant la première zone et au moins en partie condensée est injectée dans la phase liquide en cours de chauffage hors de la deuxième zone précitée ou au voisinage de la partie de cette zone située en cuve de l'enceinte. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, dans lequel l'échangeur de chaleur est formé d'une enceinte divisée en deux zones par des moyens de partition verticaux fixés à la paroi supérieure de l'enceinte et ménageant en cuve de l'enceinte, un passage entre les deux zones, l'élément de chauffage étant situé dans une des zones au sommet de laquelle débouchent les conduites d'arrivée des phases liquide et vaporisée, la phase liquide échauffée étant évacuée en tête de l'autre zone, tandis que les débits relatifs des phases liquide et vaporisée sont contrôlés, le fond de l'enceinte étant obturé par un bouchon fusible apte à relier l'intérieur de l'enceinte à 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 à la température maximale précitée, selon la demande de brevet principal, est caractérisé en ce qu'un purgeur d'eau situé à l'extérieur de l'enceinte injecte la phase vaporisée quittant la première zone et au moins en partie condensée, par un tube d'injection débouchant dans la première zone, de préférence dans la partie supérieure de cette première zone. Selon un autre mode de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, un purgeur d'eau situé à l'extérieur de l'enceinte injecte la phase vaporisée quittant la première zone et au moins en partie condensée, par un tube d'injection situé à l'intérieur de la deuxième zone et débouchant à proximité de la partie inférieure de la deuxième zone située en cuve de l'enceinte. Ainsi, lorsque le dispositif selon l'invention est appliqué au chauffage par de la vapeur d'eau d'un débit d'eau délivré à au moins un point d'utilisation, le purgeur d'eau qui risque toujours de submerger de vapeur vive l?eau à chauffer provoque alors la fusion du bouchon fusible bien avant que l'eau surchauffée n'atteigne le point d'utilisation et la décharge intempestive de vapeur se produit toujours au niveau du bouchon fusible et jamais à l'un des points d'utilisation. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront 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 où - la figure 1 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. - les figures 2 et 3 représentent en coupe d'autres modes de réalisation de l'enceinte de chauffage du dispositif de production d'eau chaude. En se reportant à la figure 1, 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 à sa partie extérieure pour recevoir un écrou 12. L'enceinte 7 représentée à la figure 2 comporte les mêmes repères de référence que celle de la figure 1 pour les parties remplissant des fonctions identiques. Le corps cylindrique 8 se termine à 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 à 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 façon centrée une virole cylindrique 17, soudée au couvercle 13 de façon 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 hélicoidalement dans une première zone de chauffage 17a où le liquide à chauffer circule à co-courant de la vapeur qui parcourt le serpentin 16 qui se raccorde a partir de sa dernière spire la plus inférieure 16a à un tube métallique droit de sortie 18 logé à l'intérieur de la virole 17 et qui traverse de façon étanche le couvercle 13. Le tube 18 est raccordé à l'extérieur de l'enceinte 7 par des raccords filetés 18a et 18b à un purgeur d'eau 19 qui, selon le mode de réalisation de la figure 2, évacue les condensats et la vapeur vive qui les accompagne éventuellement à la partie supérieure de l'enceinte 7 par un tube 20b débouchant en 20c à l'extérieur de la virole 17 dans la zone annulaire de chauffage 17a où le liquide à chauffer circule à co-courant de la vapeur. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 et qui accélère encore plus la détection de la surchauffe par un excès de vapeur et de condensats, ces derniers sont déchargés à l'intérieur de la virole 17 par un tube 20a plongeant dans l'enceinte 7 jusqu'au voisinage du fond de la virole 17 et donc du fond 9 de cette enceinte. Dans les deux modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2, les condensats et la vapeur vive du serpentin de chauffage 16 sont injectés dans l'enceinte 7 en amont du bouchon fusible 26 par rapport à l'écoulement du liquide à chauffer amené au raccord 14. 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 à 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 à son extrémité immergée dans l'enceinte par un bouchon 26 en alliage fusible. Dans le cas où l'on réchauffe de l'eau à 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 à l'intérieur du tube 21 préalablement décapé.L'alliage de Wood présente un point de fusion qui se situe à environ 70 à 720C 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 à ces poignées et qui peuvent être couplés à 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, à l'intérieur de son raccordement annulaire à 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 à une pression de 6 bars) vient immédiatement remplir l'espace intérieur du serpentin 16 sur les parois duquel elle se condense.L'eau froide amenée au raccord 14 à une pression maximale déterminée par le détendeur 5 est obligée par la virole 17, qui délimite une colonne centrale 30 traversée par le tube de vapeur 18, de s'écouler d'abord vers le bas en se réchauffant 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 à l'intérieur de la colonne 30. La pastille fusible 26 se trouve ainsi placée dans une zone d'eau chaude soumise à des tourbillons intenses par suite d'un changement de direction, ce qui constitue une bonne condition d'échange thermique pour réagir rapidement à 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 à l'intérieur du serpentin 16 s'écoulent par gravité jusqu'à la spire inférieure 16a de ce serpentin où les écoulements 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 au fond de la virole 17 au voisinage immédiat de la pastille fusible 26, les condensats chauds accompagnés d'un jet de vapeur de propulsion de courte durée.La totalité de la chaleur contenue dans la vapeur est ainsi récupérée et la vapeur vive dont l'énergie n'a pas toujours été absorbée dans le serpentin 16 est déchargée en amont de la colonne 30 qui sert ainsi d'amortisseur à une surchauffe éventuelle de l'eau au voisinage de la pastille fusible. Cet effet d'amortisseur thermique évite que-la surchauffe de l'eau ne se propage jusqu'au raccord 27 avant que la pastille 26 ne fonde et ne décharge par le tube de purge 25 l'eau surchauffée. L'opérateur peut régler à 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 valves, 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 expérimentalement à partir des résultats obtenus au point d'utilisation 29 (par exemple pour obtenir de l'eau chaude à 500C en ce point) par un té de couplage 31 relié à la poignée commune 28 qu'il suffit à l'opérateur de tourner pour obtenir de l'eau chaude au point d'utilisation 29 sans avoir à se soucier du 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 à la station d'utilisation. Le dispositif de chauffage à 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 à l'ouverture, un jet de vapeur très chaude et à pression élevée (par exemple à 2000C et 6 bars) est dirigé par le tube 20 au bas de la colonne 30 et au voisinage immédiat du bouchon fusible 26. L'eau située à la base de la colonne 30 est portée très rapidement à la température de fusion de la pastille 26 qui fond et s'écoule à l'intérieur du tube 21 pour ouvrir le fond 9 de l'enceinte 7 sur la décharge. Cette mise à la décharge de l'enceinte 7 se produit avant que l'eau du haut de la colonne 30 et qui est à une température plus modérée ne se soit écoulée au point d'utilisation 29 pour être remplacée par de l'eau brûlante ou surchauffée (à pression supérieure à la pression atmosphérique).L'enceinte 7 se vide à 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 être 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 à 5 bars à 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 qui sert à amortir l'énergie mécanique de la vapeur vive surchauffée était formé à partir d'un tube de cuivre de diamètre extérieur 12 mm et d'environ 1 m de longueur. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux figures 1 et 2; elle est susceptible de nombreuses variantes. Ainsi, l'appareil représenté à la figure 3 présente la particularité de n'être pas démontable : la partie supérieure de l'appareil est directement soudée sur le corps 8 au lieu d'être vissé. De plus, le raccord d'entrée d'eau 14 est soudé latéralement sur le corps de l'appareil au lieu d'arriver verticalement sur le couvercle comme il est décrit aux figures 1 et 2. De même, le purgeur 19 est situé à la base de l'appareil; l'excès de vapeur et le condensat issus du purgeur sont remontés extérieurement par le tube 18 en tête de l'appareil et réinjectés dans la première zone de chauffage 17a perpendiculairement au corps 8 ou de préférence- tangentiellement à celui-ci. D'autres variantes découlant des connaissances générales de l'homme de l'art sont également possibles sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Perfectionnement au procédé de chauffage à température définie d'une phase liquide au moyen d'une phase vaporisée circulant dans des moyens de chauffage indépendants immergés dans la phase liquide, dans lequel la phase liquide et la phase vaporisée circulent tout d'abord dans une première zone 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 distincte de ladite première zone et est retirée en tête de cette deuxième zone, dans lequel les débits relatifs d'amenée des phases liquide et vaporisée sont contr- lés et, 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 selon une quelconque des revendications 1, 3, 4 et 5 de la demande principale, caractérisé en ce que la phase vaporisée quittant la première zone (17a) et au moins en partie condensée, est injectée dans la phase liquide en cours de chauffage hors de la deuxième zone (30) ou au voisinage de la partie de cette zone située en cuve de l'enceinte (7). 2.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un échangeur de chaleur pour chauffer une phase liquide à une température définie par échange avec une phase vaporisée circulant dans un élément de chauffage immergé dans la phase liquide, l'échangeur étant formé d'une enceinte divisée en deux zones par des moyens de partition verticaux fixés à la paroi supérieure de l'enceinte et ménageant en cuve de l'enceinte un passage entre les deux zones, l'élément de chauffage étant situé dans l'une des zones au sommet de laquelle débouchent les conduites d'arrivée des phases liquide et vaporisée, tandis que la phase liquide échauffée est évacuée en tête de l'autre zone, les débits relatifs des phases liquide et vaporisée étant contrôlés et le fond de l'enceinte étant obturé par un bouchon fusible apte à relier l'intérieur de l'enceinte à la décharge dès que la température du liquide chauffé dépasse la valeur prédéterminée correspondant au point de fusion du bouchon fusible selon l'une quelconque des revendications 6 à lI de la demande de brevet principal, caractérisé en ce qu'un purgeur d'eau (19) situé à l'extérieur de l'enceinte (7) injecte la phase vaporisée quittant la première zone (17a) et au moins en partie condensée, par un tube d'injection (20b) débouchant dans la première zone (17a). 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube d'injection (20) débouche dans la partie supérieure de la première zone (17a) 4.- Dispositi-f pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un échangeur de chaleur pour chauffer une phase liquide à une température définie par échange avec une phase vaporisée circulant dans un élément de chauffage immergé dans la phase liquide, l'échangeur étant formé d'une enceinte divisée en deux zones par des moyens de partition verticaux fixés à la paroi supérieure de l'enceinte et ménageant en cuve de l'enceinte, un passage entre les deux zones, l'élément de chauffage étant situé dans l'une des zones au sommet de laquelle débouchent les conduites d'arrivée des phases liquide et vaporisée, tandis que la phase liquide échauffée est évacuée en tête de l'autre zone, les débits relatifs des phases liquide et vaporisée étant contrôlés et le fond de l'enceinte étant obturé par un bouchon fusible, selon l'une quelconque des revendications 6 à 11 de la demande de brevet principal, caractérisé en ce qu'un purgeur d'eau (19) situé à l'extérieur de l'enceinte (7) injecte la phase vaporisée quittant la première zone (17a) et au moins en partie condensée, par un tube d'injection (20a) situé à l'intérieur de la deuxième zone (30) et débouchant à proximité de la partie inférieure de la deuxième zone (30) située en cuve de l'enceinte (7).