Brevet FR2693789A1 — publié le 19940121

"Générateur de vapeur à cloisons poreuses" La présente invention concerne un générateur de vapeur comportant une alimentation en eau à évapo- rer, une sortie de vapeur et une source de chaleur.5 Il existe de nombreux types de générateurs de vapeur et les applications de tels générateurs sont multiples, comprenant la fourniture de vapeur indus- trielle, celle de vapeur servant à humidifier l'air utilisé dans les installations de climatisation, 10 etc L'une des difficultés communes à tous les générateurs de vapeur est qu'ils utilisent de l'eau d'origine plus ou moins naturelle, n'ayant pratique- ment pas subi de traitement et qui est, de ce fait,15 chargée en de nombreux sels provoquant des dépôts de calcaire, la formation de mousse et de boues, etc encrassant notamment les surfaces chauffantes, dété- riorant le fonctionnement du générateur en réduisant progressivement le rendement de l'échange thermique au20 niveau de la source de chaleur et nécessitant très ra- pidement le remplacement du générateur Des solutions ont envisagé le rinçage du générateur de vapeur, de temps à autre pour éliminer les boues, mousses et dé- pôts Toutefois, ces solutions ne sont que très peu25 satisfaisantes et présentent en outre l'inconvénient de nécessiter l'arrêt de la production de vapeur Un tel arrêt n'est pas envisageable que dans certaines installations, aussi, est-il souvent nécessaire de dé- doubler le générateur de vapeur pour permettre un fonctionnement continu malgré les arrêts de fonction- nement pour nettoyage ou rinçage ou autres interven- tions fréquemment nécessaires. La difficulté de la solution de ce problème réside dans la complexité de l'encrassement pouvant apparaître sur les surfaces chauffantes des évapora- teurs Les trois principaux types sont l'encrassement particulaire Il s'agit du dépôt des matières en suspen- sion (fines particules d'une fraction de pm à quelques dizaines de pm) transportées inévitablement dans les réseaux d'eau. Le dépôt des particules sur la paroi est du à plusieurs phénomènes parmi lesquels: l'action de l'agitation brownienne des molécules sur la particule (sensible pour les tailles de particule 1 pm) l'impactation sous l'effet de la force centrifuge (pour les systèmes en mouvement) la thermophorèse (les particules de taille comprise entre 0,1 et 5 pm tendent à diffuser vers les ré- gions les plus froides du système). l'entartrage Il s'agit de la production d'un solide cris- tallin à partir d'une solution liquide Deux condi- tions sont nécessaires à l'entartrage: la limite de solubilité du sel considéré doit être dépassée la vitesse de déposition doit être relativement rapide. la corrosion Les produits des réactions de corrosion qui se produisent sur la surface encrassent celle-ci. L'entartrage est principalement de la préci- pitation des sels de calcium et de la silice. Les principaux sels concernés sont le carbonate de calcium (Ca CO 3) qui précipite lors- que la température croît et forme soit des colloï- des, soit des dépôts La solubilité du Ca CO 3 est de mg/l à 15 OC et diminue avec la température. l'hydrogénocarbonate (usuellement bicarbonate) de calcium (Ca(HCO 3)2) qui se transforme en précipité de (Ca CO 3) lorsque la température s'élève En résu- mé, la réaction suivante se déplace vers la droite Ca(HCO) >Ca CO + CO + H O 32 Une solution toute théorique consisterait à utiliser de l'eau déminéralisée Cette solution n'est pas envisageable pour des raisons de coût et d'entre- tien. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et se propose de créer à cet effet un générateur de vapeur du type défini ci-dessus, permettant d'assurer un fonctionne- ment prolongé avec un rendement quasi constant, c'est- à-dire la même efficacité du générateur de vapeur après une durée d'utilisation prolongée, ne nécessi- tant pas de rinçage du générateur et évitant ainsi les problèmes de traitements des eaux liées à ce rinçage. A cet effet, l'invention concerne un généra- teur de vapeur correspondant au type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est formé d'un boîtier subdi- visé en deux chambres par une cloison poreuse, perméa- ble à l'eau, l'une des deux chambres recevant la source de cha- leur, l'autre chambre recevant l'eau d'alimentation. De manière surprenante, ce générateur de va- peur, même utilisé avec des eaux très dures, conte- nant beaucoup de carbonate de calcium et d'hydrocar- bonate de calcium, présente un excellent fonctionne- ment On ne constate pratiquement aucun dépôt de tartre à la surface de la source de chaleur immergée dans l'eau à évaporer De plus, la vapeur dégagée ne contient que très peu de particules solides ou ris- quant de se solidifier. Des phénomènes physico-chimiques extrêmement complexes qui se produisent permettent d'emprisonner les sels sous forme de dépôts, dans la cloison po- reuse et contre celle-ci En effet, il se produit un phénomène de convexion limitée entre l'eau froide d'alimentation introduite dans la chambre d'alimen- tation et l'eau chauffée à ébullition dans la cham- bre de vaporisation L'échange thermique se fait, comme indiqué, par convexion mais également par con- duction toutefois sans circulation ou agitation ex- cessives Il en résulte que l'eau d'alimentation qui passe nécessairement de la chambre d'alimentation vers la chambre d'ébullition contenant la source de chaleur, s'appauvrit de ses sels minéraux soit dans la chambre d'alimentation, soit à la traversée de la paroi poreuse Les résultats constatés sont excel- lents Après une durée de fonctionnement prolongée, de l'ordre de 2 000 heures, on ne constate pratique- ment pas de dépôt de tartre sur la source de chaleur ou de morceaux de tartre tombés au fond de la cham- bre de vaporisation, sous la source de chaleur Au contraire, les sels se sont déposés sous forme de boues dans l'autre chambre ou dans la cloison et, dans la cloison, les composés de calcium ne sont pratiquement pas présents sous forme de boue ou de mousse mais sous forme de tartre solide. Suivant une autre caractéristique intéres- sante de l'invention, la cloison est en une matière céramique ou encore en fibres et notamment en un ma- telas de matière synthétique non tissée Il convient de remarquer que le dépôt des sels est favorisé par l'effet de germes de dépôt constitués par la cloison poreuse, en particulier d'une cloison à fibres De plus, ces fibres ne risquent pas d'être entraînées dans l'eau et dans la vapeur, ce qui donne une va- peur extrêmement pure, très avantageuse pour humidi- fier de l'air servant au conditionnement. De manière particulièrement avantageuse, le boîtier est un cylindre avec un tube central dans lequel est engagée la source de chaleur, et deux cloisons définissant avec le boîtier deux chambres d'alimentation et entre elles la chambre recevant la source de chaleur, l'alimentation subdivisée étant branchée sur les deux chambres. Cette forme de réalisation du générateur de vapeur est très simple et peu encombrante; elle est facile à réaliser puisqu'il s'agit d'un tube muni -à chaque extrémité d'une cloison dont l'une comporte la tubulure de sortie de vapeur et l'autre l'alimen- tation en eau A l'intérieur du tube, de préférence suivant l'axe, il est prévu un tube débouchant aux deux extrémités, de sorte que le volume intérieur du boîtier ainsi défini est un volume torique Dans ce tube, on glisse la source de chaleur qui est de pré- férence une résistance électrique. Suivant une variante de réalisation, la ré- sistance électrique est montée fixe et le boîtier contenant les cloisons est monté comme équipage mo- bile en translation pour permettre son remplacement. Ce remplacement est effectué après une durée d'uti- lisation prolongée, lorsque la ou les cloisons sont chargées de sels sous forme de boues ou de dépôts solides Cela évite toute intervention fastidieuse et salissante au niveau de l'installation elle- même puisqu'il suffit de remplacer ce cylindre par un au- tre cylindre Une autre solution consisterait à changer les cloisons poreuses Ce changement peut se faire soit in situ, soit en atelier après enlèvement du boîtier en remplacement de celui-ci par un boî- tier ou un boîtier reconditionné, c'est-à-dire qui aura par exemple reçu des cloisons neuves. Suivant une autre caractéristique avantageu- se, la sortie de vapeur est séparée de l'intérieur du boîtier par une cloison poreuse Cette cloison complète la purification de la vapeur et assure le dépôt des derniers sels cristallisables ou déposa- bles entraînés par la vapeur En sortie, on obtient ainsi une vapeur extrêmement pure. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins an- nexés auxquels: la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un générateur de vapeur selon l'inven- tion. la figure 2 est une vue en coupe schémati- que du générateur de vapeur de la figure 1. la figure 3 est une vue en coupe d'un gé- nérateur de vapeur correspondant à un mode de réali- sation préférentiel de l'invention. la figure 4 est une vue en perspective du générateur de vapeur représenté à la figure 3. la figure 5 est une vue en coupe d'une va- riante de générateur de vapeur selon les figures 3 et 4. Selon les figures 1 et 2, l'invention con- cerne un générateur de vapeur composé d'un boîtier 1 subdivisé en deux chambres 2, 3 par une cloison po- reuse 4, perméable à l'eau La chambre 2 est la chambre d'alimentation qui reçoit l'eau par l'ali- mentation 5; la chambre 3 constitue la chambre d'é- vaporation et contient à cet effet la source de cha- leur 6 Ces deux chambres 2, 3 permettent l'échange de l'eau, c'est-à- dire le passage de l'eau de la chambre d'alimentation 2 vers la chambre d'évapora- tion 3 à travers la paroi poreuse 4 L'échange peut également se faire en sens inverse. Bien que selon la figure 3, la cloison po- reuse 4 sépare complètement la chambre 2 de la cham- bre 3, il n'en est pas nécessairement ainsi et la cloison 4 peut ne pas arriver jusqu'à la paroi supé- rieure du boîtier 1 L'extraction de vapeur se fait par le conduit 7. La source de chaleur 6 est de préférence, mais non nécessairement, une résistance électrique noyée dans un cylindre que l'on glisse par exemple dans la chambre 3 et en particulier dans une chemise placée dans la chambre 3 - La paroi poreuse 4 est une paroi poreuse perméable à l'eau Il peut s'agir d'une paroi en ma- tière céramique poreuse ou encore une paroi en fi- bres, par exemple un matelas de fibres non tissées et en particulier de fibres synthétiques. Les figures 3 et 4 montrent schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention Ain- si, le boîtier 31 est constitué par un cylindre de section circulaire contenant deux cloisons 34 A et 34 B définissant deux chambres d'alimentation 32 A, 32 B entre chaque fois la cloison 34 A, 34 B et la pa- roi périphérique 31 Entre les cloisons 34 A, 34 B se trouve la chambre de vaporisation 33 La source de chaleur 36 est placée dans l'axe à l'intérieur d'un manchon cylindrique 38 La sortie de vapeur 37 se trouve dans la partie supérieure et les arrivées d'eau d'alimentation 35 A, 35 B débouchent dans chacu- ne des chambres 32 A, 32 B Il est à remarquer que le niveau d'eau à l'intérieur du générateur de vapeur est réglé pour que le tube 38 qui reçoit la source de chaleur 36 soit complètement immergé. La figure 4 montre en particulier la tête 136 de la résistance 36 et le collecteur 135 relié aux deux alimentations d'eau 35 A, 35 B. La sortie de vapeur se fait par la sortie 37 reliée à la tubulure de sortie de vapeur 137 Pour faciliter la réalisation, l'alimentation en eau se fait d'un côté par un couvercle 200 emmanché sur une extrémité du corps tubulaire 201 formant le réser- voir et la sortie de vapeur se fait par un couvercle 202 coiffant l'autre extrémité du tube 201 Les cou- vercles 200, 202, comportent de préférence des moyens de fixation 203 A203 B (figure 3) maintenant les cloisons 34 A, 34 B. Il est à remarquer que dans le mode de ré- alisation des figures 3 et 4, les cloisons 34 A, 34 B n'atteignent pas la partie supérieure du réservoir si bien que la vapeur peut passer dans la sortie de vapeur 37, soit en provenance de la chambre d'évapo- ration 32 (principale partie de la vapeur), soit en provenance des deux chambres d'alimentation 32 A, 32 B. Le mode de réalisation de la figure 5 se distingue uniquement de celui des figures 3 et 4 en ce que dans la partie supérieure de la chambre d'é- vaporation 32 il est prévu une cloison 34 C qui re- joint les cloisons latérales 34 A, 34 B La vapeur dé- gagée dans cette chambre de vapeur 32 est obligée de traverser cette cloison formant filtre qui retient une fraction complémentaire d'éléments solides ou susceptibles de se déposer et qui sont entraînés par la vapeur. Le mode de réalisation et sa variante dé- crits ci-dessus sont d'une mise en oeuvre particu- lièrement simple Le générateur constitue une car- touche qui s'embroche sur la résistance qui reste fixée au bâti du générateur de vapeur, le boîtier et son tube formant le logement de la source de chaleur pouvant s'extraire ou se mettre en place par simple mouvement de translation Comme déjà indiqué ci- dessus, le boîtier chargé de sels minéraux et de dé- pôts peut être changé au bout d'une période qui est à définir de manière expérimentale et qui peut être de l'ordre de 2 000 heures suivant la dureté de l'eau utilisée La cartouche ainsi enlevée peut être soit nettoyée ou reconditionnée par le remplacement des cloisons, soit être mise au rebut. Comme déjà évoqué, les cloisons poreuses peuvent être des cloisons en matière céramique per- méable à l'eau -ou encore des nappes de fibres non tissées ou matelas de fibres non tissées Le corps poreux formé de céramique ou de fibres a un effet favorable sur le dépôt des sels par effet de germes de cristallisation. Les essais effectués dans le cadre de l'in- vention ont montré que malgré l'apport continu de minéraux dissous, la dureté totale de l'eau contenue dans l'évaporateur (en amont et en aval du filtre) est plus faible que dans l'eau du réseau On assiste donc à une décarbonatation thermique presque totale de l'eau d'alimentation. Par effet thermique, l'hydrogénocarbonate de calcium précipite en carbonate de calcium Lequel se dépose dans et sur le corps poreux On constate que dans les évaporateurs à fibres céramique le dépôt de surface est privilégié par rapport au dépôt volumi- que Par contre, dans les évaporateurs à filtre syn- thétique, le dépôt de surface est très faible par rapport au dépôt volumique Ceci est dû à la densité apparente du filtre en fibre céramique qui est plus grande que la densité apparente des médias synthéti- ques Le filtre constitue un excellent support pour la formation et le dépôt du tartre. Suivant les générateurs ayant servi aux es- sais, le dépôt reste accroché au tube dans lequel se glisse la résistance et dans ce cas cet accroisse- ment du dépôt de calcaire qui permet de mesurer la durée de vie du générateur de vapeur. Dans le cas d'une résistance utilisée direc- tement, les dépôts de tartre sont détachés de temps à autre par les phénomènes de dilatation opposés. Ces dépôts tombent au fond du réservoir. Après 2000 heures de fonctionnement, on con- state que dans les évaporateurs équipés de filtres, les dépôts minéraux sont plus denses que dans les évaporateurs sans filtre dans lesquels la plupart des dépôts se retrouvent sous forme de boues Plu- sieurs phénomènes sont à prendre en compte: Il semblerait que la présence du filtre li- C mite la convection alors qu'au contraire la convec- j -J il tion provoque le regroupement des particules en sus- pension en une boue volumineuse. De plus, on stocke d'avantage de minéraux dans un générateur de vapeur équipé de filtre que dans un générateur sans filtre Dans le cas d'un fonctionnement sans vidange de l'humidificateur, le volume de stockage est le paramètre essentiel qui agit sur la durée de vie du système de vaporisation. Enfin, il convient de remarquer que la sour- ce de chaleur constituée par une résistance électri- que est la source de chaleur la plus souple à in- staller et à régler Toutefois, dans certaines con- ditions, cette source de chaleur peut également être remplacée par un serpentin traversé par un fluide caloporteur Les résultats de l'invention sont les mêmes. R E V E N D I C A T I O N S ) Générateur de vapeur comprenant une ali- mentation en eau à évaporer, une sortie de vapeur et une source de chaleur, générateur de vapeur caractéri- sé en ce qu'il est formé d'un boîtier subdivisé en deux chambres ( 2, 3) par une cloison poreuse ( 4), per- méable à l'eau, l'une ( 3) des deux chambres recevant la source de chaleur ( 6), l'autre chambre ( 2) recevant l'eau d'alimentation ( 5). 2) Générateur de vapeur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la cloison ( 4) est en une matière céramique ou en fibres, notamment un mate- las de fibres synthétiques non tissées. ) Générateur de vapeur selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le boîtier est un cylindre ( 31) avec un tube cen- tral ( 38) dans lequel est engagée la source de chaleur ( 36), et deux cloisons ( 34 A, 34 B) définissant avec le boîtier ( 31) deux chambres d'alimentation ( 32 A, 32 B) et entre elles la chambre ( 33) recevant la source de chaleur ( 36), l'alimentation subdivisée ( 35 A, 35 B) étant branchée sur les deux chambres ( 32 A, 32 B). 40) Générateur de vapeur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la sortie de vapeur ( 37) est séparée de la ou des chambres d'émission de vapeur par une cloison poreuse ( 34 C). ') Générateur de vapeur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un ensemble inter- changeable ( 31, 38) qui reçoit la source de chaleur ( 36).