Brevet FR2714958A1 — publié le 19950713

GENERATEUR DE VAPEUR STERILE La présente invention a pour objet un générateur de vapeur stérile ou vapeur blanche pouvant être utilisé en particulier, mais non exclusivement, pour l'obtention d'eau ultra pure Avec des chaudières traditionnelles, I'obtention de vapeur stérile est considérée comme impossible. La vapeur d'eau générée en faisant bouillir de l'eau contient des sels minéraux et des pyrogènes constitués par des bactéries mortes. Or dans certaines applications, il est nécessaire d'obtenir de la vapeur stérile qui ne contienne aucun réactif. II est donc connu, pour obtenir de la vapeur stérile de faire bouillir de l'eau déminéralisée ou de l'eau ayant été traitée par un osmoseur inverse ou par un adoucisseur d'eau. Mais une telle eau est extrêmement agressive. Aussi, pour protéger les parois de la chaudière, généralement en tôle d'acier noir, lorsque l'eau a été déminéralisée, il est nécessaire d'ajouter des adjuvants tels que de la soude caustique et du phosphate trisodique qui constituent des réactifs. De plus, il se produit dans les circuits des condensats avec dégagement d'un excès d'oxygène qui attaque les conduits. Pour pallier cet inconvénient, il est connu de réaliser un chauffage indirect. C'est à dire que dans un circuit primaire on fait circuler un fluide calorifique tel que de l'huile ou de la vapeur saturée ou surchauffée, le circuit primaire étant au contact, par un échangeur, avec le circuit secondaire dans lequel est introduite de l'eau déminéralisée. La présente invention a pour objet de pallier cet inconvénient. Selon l'invention, le générateur de vapeur stérile comprenant une cuve comprenant à une entrée d'eau et une sortie de vapeur et des moyens de vaporisation de l'eau, est caractérisé en ce que, la cuve étant en acier inoxydable, le circuit d'entrée de l'eau comprend des moyens de déminéralisation, I'élément chauffant étant un thermoplongeur amovible. L'amovibilité du thermoplongeur permet de passer relativement aisément d'une source d'énergie à une autre et, par exemple de passer de l'énergie électrique à une énergie thermique telle que le gaz ou le fioul. Elle permet également le passage d'un thermoplongeur électrique d'une capacité de chauffe à une autre, en fonction des besoins. Le chauffage, contrairement à la technique connue, est direct c'est à dire qu'il ne fait pas appel à un liquide tel que de l'huile ou de la vapeur circulant dans un circuit primaire. II en résulte une économie d'énergie notable puisque le rendement énergétique varie de 99% dans le cas d'un chauffage électrique à 94% dans le cas d'un chauffage au gaz ou au fioul contre 89% dans la technique connue. Par ailleurs, I'entretien de la chaudière peut se faire très aisément en extrayant le thermoplongeur pour procéder aux inspections périodiques réglementaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins qui représentent: - La Figure 1, un générateur selon l'invention; - La Figure 2, une premier type de thermoplongeur à énergie électrique à grande capacité; - La Figure 3 un second type de thermoplongeur à capacité limitée; - La Figure 4, un thermoplongeur à condensation; - La Figure 5 le schéma d'une installation permettant, à partie d'un générateur de vapeur stérile selon l'invention l'obtention d'eau ultra pure. Sur la figure 1, on voit que le générateur comprend une cuve horizontale 1, en acier inoxydable, intégrée dans une enveloppe isolante représentée en traits mixtes, reposant sur un support 2 à patins de sorte que le générateur puisse être livré en une seule pièce , prêt à être raccordé a l'eau et à une source d'énergie thermique lorsqu'il s'agit d'une petite unité. II comprend, comme connu en soi, une bâche d'alimentation 3 ou réserve d'eau reliée à une source à travers un étage de traitement à osmose inverse, déminéralisation, décarbonatation, adoucisseur, etc. La bâche 3 est connectée au corps de la chaudière 1 par deux pompes 4,4a montées en parallèle dans un souci de sécurité. La pompe 4 est commandée par un détecteur de niveau d'eau intégré à la chaudière et assure le maintien d'un niveau constant, malgré l'éjection de la vapeur qui se produit par la canalisation 5 disposée à la partie supérieure du corps de chauffe. De préférence, et comme cela apparaît dans la partie arrachée de la figure 1, un séparateur de vapeur 6 est disposé au-dessous de la tubulure de sortie 5. Le séparateur 6 est, pratiquement une tôle repliée qui constitue une chicane de séparation entre la vapeur et les gouttelettes d'eau qui y sont mélangées en raison de la saturation. Comme ce séparateur disposé dans la partie supérieure du corps de chauffe constitue une paroi relativement froide, les gouttelettes se déposent et se condensent sur le séparateur. Grâce à cette mesure, le coefficient de siccité qui est de 5% dans les chaudières traditionnelles est abaissé à 0,5%. Différentes vannes automatiques, tubulures, niveaux sont communes aux chaudières traditionnelles et ne seront ni décrites, ni référencées. Le corps de chauffe 1 s'étend en direction horizontale et présente, à son extrémité ouverte un orifice 10 permettant le passage du thermoplongeur entouré par une bride 11 d'assemblage. Sur cette bride vient s'assembler l'élément chauffant 12 qui se prolonge, à l'intérieur de la chaudière 1 par des tubulures 13 dont une seule apparaît dans l'arraché de la figure 1. Sur la figure 2, est représenté un thermoplongeur 12 à l'intérieur de la chaudière. II est fixé sur la bride 11 et maintenu à l'intérieur de la chaudière par des glissières 15 qui facilitent son insertion et son extraction, le poids d'un tel thermoplongeur étant , par exemple de 200 kilos. II se présente sous la forme d'une cartouche dans laquelle sont disposés des tubes parallèles 19 centrés qui, dans l'exemple représenté sur la figure 2a (qui est une coupe transversale par un plan vertical de la figure 2) sont au nombre de sept. Ces tubes sont constitués en nitrure de bore et peuvent dissiper une énergie de 80 à 100 Watts/cm2. Pour dissiper une telle énergie, on prévoit un flux forcé d'eau. A cette effet, deux pompes parallèles 14,14a prélèvent l'eau dans la chaudière par une prise 16 et la dirigent dans un tube 17 qui débouche dans une chambre 18 prévue à la partie arrière de la cartouche 19. L'eau circule ainsi à grande vitesse ( par exemple 5 mètre par seconde) entre les tubes parallèles 19 et se réchauffe pour être ensuite réinjectée dans le corps de la chaudière par la canalisation 20, au-dessous du niveau de l'eau 21. La figure 3 représente un autre élément de chauffe dont la capacité thermique est d'environ 4 Watts/cm2 composé de tubes incluant des résistances électriques. II se fixe, comme précédemment sur la bride 11 du corps de la chaudière. L'élévation de la température de l'eau provient du contact de celle ci avec la paroi des tubes 19 qui, dans cet exemple sont constitués de titane. Contrairement au cas précédent, l'eau circule autour des tubes par convection naturelle. La figure 4 représente un autre élément chauffant à énergie combustible et à condensation, tel que du gaz ou du fioul modulant. Le thermoplongeur comporte un brûleur 23 à ouvreau refroidi par la circulation de l'eau de la chaudière, une arrivée d'air pulsé par une turbine et une chambre de combustion 24 incluses dans une cartouche 25 qui comme précédemment se fixe sur la bride 11. A la seconde extrémité de la chambre de combustion 24, des tubulures 26 collectent les gaz brûlés et les dirigent vers un condenseur 27. Dans la technique antérieure, les chaudières comportaient un foyer de dimensions réduites entouré par un ensemble de petites tubulures pour créer la perte de charge nécessaire. Dans ces conditions, la température de la vapeur atteignait 220"C. Conformément à l'invention, le foyer, dans ce mode de réalisation est sur dimensionné ce qui permet d'obtenir de la vapeur à 110"C sous une pression de 1,5 bar. Cette température relativement faible permet d'avoir une combustion à bas NOX, c'est à dire que le gaz produit contient peu d'oxyde d'azote gaz nuisible pour l'environnement. Grâce aux dispositions de l'invention, le taux d'oxyde d'azote est inférieur à 350 grammes/m3 de gaz et pratiquement aux alentours de 100 mg/m3. Les gaz de combustion sont récupérés dans une boîte à fumée (non représentée). Le générateur selon l'invention peut être utilisé pour produire de l'eau ultrapure comme représenté sur la figure 5. A cet effet, la sortie 5 de la chaudière est connectée à une réserve 28 de vapeur. La réserve 28 correspond par une canalisation 29 avec un diffuseur 30 se trouvant à la partie inférieure d'une colonne de distillation 31. La partie inférieure de la colonne 31 est remplie d'eau déminéralisée 32, à niveau constant, provenant d'une source 33. L'ensemble de la colonne est à la pression de la vapeur, soit sensiblement 0,5 bar, c'est à dire en dépression par rapport à l'atmosphère. Dans ces conditions, la vapeur barbote dans l'eau 32 et vaporise celle-ci. La vapeur saturée d'eau, dont un trajet est figuré en pointillés sur la figure 5, s'élève à travers les orifices des plateaux 33 sur lesquels elle dépose le reliquat des sels minéraux et de pyrogènes. Pour accroître cet effet, un thermoplongeur électrique 34 est disposé à la partie supérieur de la colonne et surchauffe la vapeur à environ 165"C. La vapeur s'échappe par une canalisation 35 et elle pénètre dans un condenseur 36 où elle est refroidie. La sortie du condenseur 36 est reliée à l'entrée d'un second condenseur 37 qui effectue la séparation entre l'eau et la partie résiduelle de vapeur qui peut retourner au générateur. L'eau ultra-pure est recueillie dans le récipient 38. Une vanne à trois voies 39 peut renvoyer l'eau dans la colonne au moyen d'une pompe 40 ou vers l'utilisation par mesure de conductivité. Le distillat stérile apyrogène ne contient pas d'éléments d'un diamètre supérieur à deux dix millième de micron. Sa salinité résiduelle varie de 0,01% à quelques % suivant la valence des ions. Les éléments de masse molaire supérieure à 110 sont éliminés dans une proportion de 90% ou plus. Pour les éléments à masses molaires égales ou supérieures à 250, I'élimination atteint 98 à 99%. Bien que la description qui précède ait été donnée avec des éléments chauffants constitués par des thermoplongeurs à chauffage direct, il est bien entendu possible de la mettre en oeuvre avec un thermoplongeur à chauffage indirect de mêmes dimensions que les thermoplongeurs décrits. La présente invention trouve de nombreuses applications dans les industries pharmaceutiques, électroniques, agro-alimentaires et dans les hôpitaux. II va de soi que de nombreuses variantes peuvent être apportées, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1" Générateur de vapeur stérile comprenant une cuve comprenant à une entrée d'eau et une sortie de vapeur (5) et des moyens de vaporisation de l'eau, caractérisé en ce que, la cuve (1) étant en acier inoxydable, le circuit d'entrée de l'eau (3) comprend des moyens de déminéralisation, I'élément chauffant est un thermoplongeur amovible (12). 2" Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les thermoplongeurs (12) sont montés, à l'intérieur de la cuve (1) par des glissières (15), et verrouillés sur la cuve (1) par une bride (11). 3 Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le thermoplongeur (12) comporte des éléments chauffants électriques (13) parallèles, à faible capacité, montés dans la cuve (1). 4" Générateur de vapeur selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce que le thermoplongeur (12) comporte des éléments électriques parallèles (19) entre lesquels circule un flux d'eau forcé, prélevée à l'intérieur de la cuve (1) par des pompes (14,14a) et réinjectée dans la cuve (1) au-dessous du niveau (21) de l'eau. 5 Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le thermoplongeur (12) comprend, à l'intérieur d'une cartouche cylindrique (25) un brûleur (23) à ouvreau refroidi, une grande chambre de combustion (24) et un condenseur (27). 6" Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un séparateur (6) est, disposé à la partie supérieure de la cuve (1) au-dessous de l'ouverture de sortie (5). 7" Dispositif de préparation d'eau ultra pure incluant un générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la vapeur est acheminée de la sortie (5) du générateur dans la partie inférieure d'une colonne (31) de distillation à plateaux (33), contenant de l'eau déminéralisée à sa partie inférieure, la vapeur étant surchauffée par un thermoplongeur (34) et dirigée vers un premier condenseur (36) puis vers un second condenseur -séparateur (37).