Brevet FR2632389A1 — publié le 19891208

Perfectionnements aux aPoareils de chauffage à combustion submeraée. L'invention est relative aux apparèils de chauffage destinés à chauffer des liquides par "combustion submergée", c'est-à-dire comprenant un brûleur et des moyens pour envoyer directement les produits gazeux de la combustion effectuée par ce brûleur dans un bain de liquide- à chauffer : les produits gazeux chauds cèdent alors leurs calories au liquide en barbotant dans celuici sous la forme de bulles Dans les appareils connus du genre indiqué, les gaz chauds provenant de la combustion sont refoulés vers le bas dans une cheminée verticale de diffusion dont la base est immergée dans le bain liquide, puis ils sont dispersés dans ce bain à travers des orifices évidés dans au moins une rampe de distribution ou dispersion horizontale raccordée à ladite base de cheminée. Dans ces appareils, la cheminée et la rampe sont solidaires de la cuve qui contient le bain liquide de sorte que leurs niveaux demeurent fixes même lorsque le niveau de la surface libre du bain varie : de telles variations peuvent être importantes, en raison notamment des puisages du liquide à chauffer hors de la cuve, des admissions de ce liquide dans la cuve, de l'immersion d'objets dans ce liquide ou même de l'évaporation dudit liquide. Or le niveau de la surface libre du bain influe sur plusieurs paramètres. En premier lieu les gaz chauds de la combustion doivent être soumis à une certaine surpression pour pouvoir pénétrer dans le bain et la valeur de cette surpression est d'autant plus élevée que le niveau considéré est lui-même plus élevé. I1 faut donc - ou bien donner en permanence à ladite surpression une valeur suffisante pour assurer le fonctionnement de l'appareil même pour l'état de remplissage maximum de la cuve, ce qui correspond à une dépense d'énergie inutile, - ou bien programmer les variations de cette surpression en fonction des variations du niveau du liquide, ce qui est relativement délicat et coûteux. En second lieu il existe pour le niveau considéré une valeur correspondant à un rendement optimum de l'appareil. Par exemple, pour certains appareils,un tel rendement optimum, correspondant juste à une égalisation de température entre les gaz chauds et le liquide a chauffer à l'endroit où les gaz sortent du liquide,est observé lorsque les orifices de distribution des bulles gazeuses dans ce liquide se trouvent à 20 cm environ audessous de la surface libre du bain, une valeur de cette hauteur inférieure à 20 cm étant insuffisante pour assurer l'égalisation des températures et au contraire une valeur notablement supérieure à 20 cm étant excédentaire. Un troisième paramètre sur lequel influe le niveau considéré de la surface libre du bain liquide est la température de la cheminée de diffusion. En effet lors du fonctionnement de l'appareil, la portion de paroi, de cette cheminée, qui se trouve au-dessus de la surface libre du bain, est peu refroidie et ce refroidissement est d'autant moins efficace que le niveau de ladite surface libre est plus bas. Ici encore des mesures doivent être prises pour assurer en toutes circonstances un refroidissement suffisant de la paroi de la cheminée, mesures telles que la constitution de ladite paroi par trois enveloppes concentriques entre lesquelles circule l'air comburant admis au brûleur : de telles mesures se révèlent inutiles aux instants où le niveau de la surface libre du bain est élevé. L'invention a pour but, surtout, de remédier à ces inconvénients en permettant de fier une fois pour toutes à sa valeur optimum la distance verticale entre les trous- de distribution des gaz chauds dans le bain du liquide à chauffer et la surface libre de ce bain A cet effet, les appareils de chauffage du genre en question selon l'invention comprennent encore une cheminée verticale dont la portion supérieure est qui pée d'un brûleur orienté vers le bas et dont la base est immergée dans le bain liquide à chauffer et communique avec des orifices de dispersion des produits gazeux de combustion dans le bain liquide, et ils sont essentiellement caractérisés en ce que l'ensemble constitué par le bruleur, la cheminée et les éléments évidés par les orifices de dispersion est solidarisé avec un flotteur de manière à flotter sur le bain liquide et à pouvoir se déplacer verticalement dans la cuve en même temps que la surface libre dudit bain. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - des moyens sont prévus pour régler la distance verti cale entre les orifices de dispersion et le flotteur, - les moyens de réglage selon l'alinéa précédent sont constitués par des organes dont la longueur verticale est réglable par vissage, organes reliant la cheminée au flotteur, - le centre de gravité de l'ensemble flottant est-situé sur l'axe de la-cheminée, - les éléments de dispersion des bulles sont constitués par au moins une couronne de trous évidés dans la che minée, coaxialement à celle-ci, - le flotteur est disposé autour de la cheminée avec formation d'un intervalle annulaire entre ce flotteur et cette cheminée et des passages sont prévus pour renvoyer vers le bain le liquide chauffé par les bul les de gaz chauds qui remonte dans ledit intervalle le long de la cheminée, - le flotteur est composé de plusieurs éléments dis tincts écartés les uns des autres autour de l'axe de la cheminée, - le flotteur est solidarisé avec une cloison annulaire verticale définissant avec la cheminée un passage annulaire d'axe vertical, - une tubulure souple est prévue pour raccorder l'entrée du brûleur à une source d'un mélange gaz combustible air comburant préalablement formé et disponible sous une légère surpression. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode de réalisation de l'invention en se référant au dessin ciannexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, montre schématiquement en coupe verticale une portion d'une installation de chauffage de liquide par combustion submergée établie selon l'invention. La figure 2 montre en plan la portion flottante de cette installation. L'installation de chauffage considérée comprend une cuve 1 contenant un liquide L à chauffer et un appareil de chauffage 2. L'ensemble forme par exemple une chaudière industrielle destinée au chauffage de liquides et permettant par exemple de chauffer à environ 55'C un volume d'eau de l'ordre de 2000 litres. L'appareil de chauffage 2 comprend, quant à lui - une cheminée cylindrique verticale 4 ouverte vers le bas et dont la base, immergée dans le bain de liquide L, est perforée par au moins une couronne de trous ra diaux de dispersion 5, - un brûleur 6 monté dans l'extrémité supérieure de la cheminée 4 et orienté de façon à engendrer des flammes 7 dirigées vers le bas, - un flotteur 8 entourant la cheminée à une certaine distance D de celle-ci et fixé sur cette dernière à l'aide d'une armature 9, - des moyens 10 pour rendre possibles et guider les dé placements verticaux de l'équipage flottant formé par l'ensemble des éléments 4 à 9 ci-dessusr - et des moyens 11 tels qu'une tubulure étanche et sou ple pour relier de façon étanche l'entrée du brûleur 6 à une source d'un mélange comburant combustible sous pression, source symbolisée par la flèche 12. Il est en effet possible d'utiliser pour le brûleur 6 un appareil simple alimenté par un prémélange pressurisé du fait qu'il n'est plus nécessaire ici d'admettre séparément l'air comburant à travers des chemises de refroidissement entourant la cheminée. Le flotteur 8 peut etre constitué par un élément annulaire continu, ainsi qu'illustré, ou par une suite d'éléments séparés répartis périphériquement autour de la chemise, ces éléments pouvant avoir la forme de ballons remplis d'air. Le flotteur 8 définit avec la cheminée 4 un passage annulaire 13 coaxial à la cheminée à l'intérieur duquel s'élève le volume de liquide L correspondant, directement chauffé et entrainé par les bulles de gaz G qui s'échappent hors de la cheminée à travers les trous 5. Ce courant de liquide chauffé chargé de bulles gazeuses peut s'élever à un niveau supérieur à celui N de la surface libre du liquide L dans la cuver comme visible sur la figure 1. Il sert à refroidir la paroi de la cheminée 4. Le passage annulaire 13 est formé directement entre la cheminée et le flotteur si ce dernier est formé par un anneau continu. Si le flotteur est discontinu, le passage en question peut être formé entre la cheminée et un manchon cylindrique 14 servant lui-même à assembler entre eux les différents composants du flotteur. Un tel manchon 14 peut être prévu également dans le cas du flotteur continu si l'on désire agrandir la dimension verticale du passage 13. Dans chaque cas, on prévoit des passages pour le retour vers le bain liquide des masses de liquide chauffé entraînées vers le haut dans le passage 13 par les produits gazeux de combustion. Ces retours peuvent être effectués par simple ruissellement au-dessus du flotteur 8, comme illustré, Si celui-ci est continu. Pour rendre lesdits retours possibles, l'armature 9 qui relie le flotteur à la cheminée est constituée par des éléments n'offrant qu'une résistance limitée à la circulation radiale du liquide. Ces éléments sont par exemple, comme illustré, des tiges coudées 15, notamment au nombre de quatre écartées angulairement de 90' les unes des autres autour de l'axe de la cheminée, les extrémités de ces tiges étant des tronçons verticaux filetés 151,152 qui coopèrent avec des écrous et rondelles 16 complémentaires - chaque tronçon inférieur 15t est fixé sur le flotteur 8, qu'il traverse verticalement, - et chaque tronçon supérieur 152 est fixé sur un pla teau circulaire 17 qui coiffe la cheminée 4. Ce plateau 17 établit la liaison entre cette cheminée et le brûleur 6, qui la traverse axialement et sa périphérie constitue un déflecteur pour rabattre vers le bain L le flux calorifique ascendant qui longe la cheminée. Le recours aux ensembles de tiges filetées 15 et d'écrous 16 permet de régler très facilement par vissage la hauteur du flotteur 8-par rapport à la cheminée 4 et par conséquent la distance verticale H entre la surface libre N du bain liquide 2 et le niveau moyen des trous de dispersion 5. Une fois cette distance H réglée, elle demeure constante pendant out le fonctionnement de l'installation, et en particulier quelles que soient les variations de niveau N dues notamment au puisage du liquide ou à son admission dans la cuve. Cette constance constitue le principal avantage de l'invention. Elle présente en effet les conséquences suivantes - la pression hydrostatique qui doit être surmontée par les produits gazeux de la combustion pour pénétrer dans le liquide L peut entre réglée à l'avance a une valeur optimum, tout au moins pour le régime de croi sière atteint par l'installation de chauffage après chaque période de démarrage, ce qui permet de régler une fois pour toutes à la source 12 la surpression imposée au prémélange comburant-combustible destiné à alimenter le brûleur 6, - il en est de même pour le rendement thermique de l'ap pareil, qui est lié à la hauteur du barbotage des gaz G dans le liquide L, - il en est de même également pour la hauteur de la por tion1 de la paroi latérale de la cheminée 4, qui est léchée extérieurement par le liquide L entrainé par les bulles gazeuses G lorsque l'installation fonction ne : cette dernière hauteur doit être telle que le refroidissement de ladite paroi soit correctement assuré par le contact liquide lui-même, ce qui permet de constituer cette paroi d'une manière beaucoup plus simple que dans les réalisations connues, par exemple par une double cloison sans circulation de fluide intermédiaire alors qu'il était proposé dans les constructions antérieures de constituer ladite paroi par une cloison double ou triple avec circulation interne de l'air comburant alimentant le brûleur. On règle la hauteur H ci-dessus, notamment par vissage des écrous 16, de façon à obtenir des valeurs optima pour l'ensemble des paramètres ci-dessus P.+n- tionnés. Plus précisément ce réglage résulte d'un compromis car, par exemple, on aurait intérêt à réduire la hauteur H pour réduire la surpression du prémélange d'alimentation du brûleur --et donc la puissance de ventilation nécessaire-- alors qu'on aurait intérêt à augmenter au contraire ladite hauteur H pour améliorer le refroidissement de la cheminée par contact liquide. Un poids de lestage peut etre ajouté à la base de la cheminée pour abaisser le centre de gravité de l'équipage flottant et améliorer sa stabilité. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adoptés on dispose finalement d'un appareil de chauffage dont la constitution, le fonctionnement et les avantages résultent suffisamment de ce qui précède. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Appareil pour chauffer un liquide par "combustion submergée", comprenant une cheminée verticale (4) dont la portion supérieure est équipée d'un brûleur (6) orienté vers le bas et dont la base est immergée dans le bain liquide à chauffer (L) et communique avec des orifices de dispersion (5) des produits gazeux de combustion (G) dans le bain liquide, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par le brûleur (6), acheminée (4) et les éléments évidés par les orifices de dispersion (5) est solidarisé avec un flotteur (8) de manière à flotter sur le bain et à pouvoir se déplacer verticalement dans la cuve en même temps que la surface libre dudit bain. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour régler la distance verticale entre les orifices de dispersion (5) et le flotteur (8). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réglage sont constitués par des organes (15) dont la longueur verticale est réglable par vissage, organes reliant la cheminée (4) au flotteur (8). 4. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le centre de gravité de l'ensemble flottant est situé sur l'axe de la cheminée (4). 5. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que les éléments de dispersion des bulles sont constitués par au moins une couronne de trous (5) évidés dans la cheminée (4), coaxialement à celle-ci. 6. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le flotteur (8) est disposé autour de la cheminée (4) avec formation d'un intervalle annulaire (13) entre ce flotteur et cette cheminée et en ce que des passages sont prévus pour renvoyer vers le bain le liquide chauffé par les bulles de gaz chauds qui remonte dans ledit intervalle le long de la cheminée. 7. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le flotteur (8) est composé de plusieurs éléments distincts écartés les uns des autres autour de l'axe de la cheminée. 8. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le flotteur (8) est solidarisé avec une cloison annulaire verticale (14) définissant avec la cheminée un passage annulaire d'axe vertical. 9. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'une tubulure souple (11) est prévue pour raccorder l'entrée du brûleur (6) à une source (12) d'un mélange gaz combustibleair comburant préalablement formé et disponible sous une légère surpression.