Brevet FR2720485A1 — publié le 19951201

La présente invention concerne un dispositif de chauffage d'une masse de fluide contenue à l'intérieur d'un récipient, destiné notamment à être utilisé dans une chaudière de chauffage central. On connaît de tels dispositifs constitues par exemple d'un brûleur à gaz chauffant un ballon contenant de l'eau et dans lequel est agencé un serpentin formant échangeur de chaleur et constituant une partie de circuit de chauffage central. Un tel brûleur à gaz emet des fumées qui sont évacuées à l'atmosphère en étant chargées de différents polluants. Il en est de même pour les brûleurs d'hydrocarbures tels que le fioul domestique, ou les fiouls industriels plus lourds. On connaît egalement d'autres dispositifs constitues d'une résistance électrique immergée dans l'eau d'un ballon pour chauffer cette dernière. Ces derniers dispositifs ne sont pas polluants au niveau des sites d'utilisation mais ont un rendement énergétique relativement faible. Pour remédier à ces inconvénients, la présente invention a pour but de fournir un dispositif de chauffage d'une masse de fluide contenue dans un récipient, qui ne soit pas polluant, qui a un rendement énergétique élevé, qui soit simple et facile à construire et à mettre en oeuvre. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de chauffage d'une masse de fluide contenue dans un récipient, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise en circulation du fluide à travers des moyens mécaniques d'élévation de la température du fluide. Selon d'autres caracteristiques - les moyens mécaniques d'élévation de la température du fluide comportent des moyens mécaniques de mise sous pression d'un flux de fluide par aspiration à travers un orifice d'aspiration et refoulement sous pression, un dispositif de laminage du flux etant agencé entre l'orifice de refoulement des moyens mécaniques de mise sous pression et la sortie de fluide chaud, - les moyens de mise en circulation sont constitués d'un moteur électrique actionnant une pompe à engrenages constituant les moyens de mise sous pression du flux de fluide, - le dispositif de laminage est constitué d'un robinet à pointeau pouvant être réglé, - le dispositif de laminage comporte un tube ayant une première extrémité ouverte reliée à l'orifice de refoulement des moyens mécaniques de mise sous pression, l'autre extrémité du tube étant fermée, la paroi du tube s'etendant entre les deux extrémités étant munie de perforations et etant prolongée à partir de l'extrémité fermee par une tige pleine ayant une partie d'extrémité libre filetée, un empilage de rondelles étant agencé le long de la paroi perforée entre une butée fixée à proximité de l'extrémité ouverte du tube et un anneau de retenue repoussé par un ressort de compression agencé entre ce dernier et un écrou vissé sur la partie filetée de la tige pleine, - le diamètre intérieur des rondelles de l'empilage est légèrement plus grand que le diamètre extérieur de la paroi perforée du tube, - le ressort de compression exerce une force de compression sur les rondelles réglée par la position de l'écrou sur la partie filetée, - le fluide est un fluide adapté s'échauffant par laminage sous pression, - le fluide est une huile hydraulique. La présente invention concerne également une chaudière destinée au chauffage de l'eau d'un circuit de distribution d'eau chaude, une partie du circuit passant à travers un ballon de fluide chaud pour chauffer l'eau par échange thermique, caractérisée en ce que le fluide est chauffé par laminage sous pression à laide d'un dispositif de chauffage selon la présente invention. L'invention concerne également un procédé de chauffage d'une masse de fluide contenue dans un réci- pient, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à - remplir le récipient à laide d'un fluide s'échauffant par laminage sous pression, - adapter des moyens mécaniques d'élévation de la température de la masse de fluide par laminage sous pression de celle-ci, - actionner les moyens mécaniques d'élévation de la température, à laide de moyens de mise en circulation du fluide à travers les moyens mécaniques. L'étape du procédé de chauffage consistant à actionner les moyens mecaniques d'élévation de température est commandée de manière sélective par intermittence. On va maintenant décrire la présente invention, à titre d'exemple uniquement, en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de chauffage selon la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du dispositif de laminage représenté sur la figure 1, - la figure 3 est une vue partiellement en coupe d'un second mode de réalisation du dispositif de laminage de la figure 1, au repos, - la figure 3A est une vue analogue à la figure 3 d'une partie du dispositif de laminage à l'état actif, - la figure 4 est une vue partiellement en coupe représentant un dispositif de chauffage selon la présente invention agencé sur un réservoir de fluide afin de réaliser des essais de chauffage de ce dernier, - les figures 5 et 6 sont des graphiques représentant l'évolution de la température d'une masse de 20 litres d'eau chauffée à laide d'un brûleur à gaz et d'une résistance électrique de 2100 w, respectivement, - la figure 7 est un graphique représentant l'évolution de la température d'une masse de 20 litres d'huile hydraulique chauffée par une résistance électrique de 2100 W, - les figures 8 et 9 sont des graphiques représentant l'évolution de la température dans une masse de 20 litres d'huile hydraulique chauffée par le dispositif d'essai représenté sur la figure 4, et - la figure 10 est une courbe du refroidissement de la masse de 20 litres d'huile hydraulique chauffée à l'aide du dispositif d'essai représenté sur la figure 4. Sur la figure 1 on a représenté de manière schématique un dispositif de chauffage 2 selon la présente invention, comportant un moteur électrique 4 commandant des moyens mécaniques d'élévation de la température d'un fluide circulant à travers ceux-ci. Les moyens mécaniques d'élévation de température comportent une pompe mécanique à engrenages 6 ayant un orifice d'aspiration de fluide 8 et un orifice de refoulement 10 de fluide sous pression, et un dispositif de laminage 12 agencé entre l'orifice de refoulement 10 de la pompe 6 et une sortie 14 de fluide chaud. Sur la figure 2, on a représente un premier mode de réalisation du dispositif de laminage 12 consti tué d'un robinet à pointeau habituel comportant un tube 16 ayant ses extrémités intérieures 18 et 20 filetées pour être raccordées à une tuyauterie. Dans ce tube 16 est agencé un pointeau conique 22 vissé à l'intérieur d'un écrou fixe 24 de manière à pouvoir régler le laminage du flux de fluide traversant le tube 16. Sur la figure 3, on a représenté un autre mode de réalisation de dispositif de laminage constituant un mode préféré de réalisation de ce dernier. Le dispositif de laminage 30 représenté sur la figure 3 comporte un tube 32 ayant une première extrémité ouverte 34 destinée à être raccordée à la sortie 36 de fluide sous pression d'une pompe 38 correspondant à la pompe 6 de la figure 1. L'autre extrémité du tube 32 est fermee par un prolongement 40 du tube 32 formant tige cylindrique pleine ayant son extrémité libre 42 éloignée du tube 32 munie d'un filetage. Des trous traversants 44 sont agencés dans la paroi du tube 32 pour mettre en communication l'intérieur du tube avec l'extérieur de celui-ci. Ces trous 44 sont répartis sur la longueur du tube et circonférentiellement, le diamètre d'un trou étant nettement inférieur au diamètre intérieur du tube. En d'autres termes, le tube 34 est muni de perforations permettant de transformer l'écoulement axial d'un fluide en écoulement radial. Le nombre et la répartition de ces trous 44, ainsi que leurs diamètres doivent être conçus de manière à ce qu'ils permettent un écoulement vers l'extérieur du tube à un niveau de pression et de débit correspondant aux caractéristiques de la pompe 38. Une butée 46 de forme annulaire est fixée sur la surface extérieure du tube 32 à proximité de l'extré- mite ouverte 34 de ce dernier. La butée 46 peut être fixee par exemple par l'intermédiaire d'un cordon de soudure indiqué par la référence numérique 48. Un empilage 50 de rondelles 52 est agencé le long de la partie perforée du tube 32, en étant en appui contre la butée 46. A cet effet, un anneau de retenue 54 est agencé à l'autre extrémité de l'empilage 50, en pouvant coulisser le long du tube 32 et de la partie 40 de tige prolongeant le tube 32, un ressort de compression 56 etant agencé entre cet anneau de retenue 54 et un écrou 58 vissé sur la partie filetee 42. Les rondelles 52 ont un diamètre intérieur lé- gèrement plus grand que le diamètre extérieur du tube 32 en délimitant ainsi un espace annulaire étroit 60 entre la partie perforée du tube 32 et l'empilage 50 entourant celle-ci. Par vissage ou dévissage de l'écrou 58 les rondelles 52 de l'empilage 50 sont plus ou moins serrées les une contre les autres par l'intermédiaire du ressort de compression 56, de l'anneau de retenue 54 et de la butée 46. Sur la figure 3A on a représenté partiellement le dispositif de laminage 30 de la figure 3 dans l'état où il se trouve lorsque du fluide sous pression est envoyé par la pompe 38 dans le tube 32. Le fluide sous pression s'écoule à l'intérieur du tube 32 et à travers les trous 44 comme indiqué par la flèche C sur la figure 3A, et remplit l'espace annulaire 60. Le fluide situé dans l'espace 60 agit sur l'anneau de retenue 54 pour comprimer le ressort 56, la pression de tarage de ce dernier étant nettement plus faible que la pression du fluide. Le ressort 56 étant comprimé, les rondelles 52 peuvent s'écarter les unes des autres sous l'effet de la pression exercée par le fluide en créant des passages annulaires étroits entre elles dans lesquels le fluide sous pression s'écoule et sort radialement comme indiqué par la flèche F sur la figure 3A. On notera que sur la figure l'espace existant, dans un tel état, entre deux rondelles 52 a été agrandi pour une meilleure représentation. La mise sous pression du fluide à travers la pompe 38 ou la pompe 6 de la figure 1 échauffe d'une part le fluide et le passage à travers le dispositif de laminage 12 ou 30 accroît l'augmentation de température du fluide par laminage de celui-ci. Naturellement, tous les fluides ne réagissent pas de la même façon au laminage, et des essais ont montre que le dispositif de chauffage utilisera de préférence un fluide adapté c'est à dire s'échauffant par laminage sous pression. Des essais qui vont être décrits ci-après, ont montre qu'un fluide particulièrement adapté au dispositif de chauffage selon la presente invention est une huile, et plus particulièrement une huile du type hydraulique. Des premiers essais réalisés avec le dispositif selon la présente invention pour chauffer un volume de 20 litres d'eau ont montré que l'eau n'était pas un fluide adapté. On a cependant, à titre de comparaison, chauffé un volume de 20 litres d'eau situé dans un réservoir ouvert adapté 70 représente sur la figure 4. On a mesuré la température de la partie supérieure du volume d'eau à l'aide d'une première sonde 72 et la température de la partie inférieure du volume d'eau à l'aide d'une seconde sonde 74 (voir figure 4). Les deux sondes 72 et 74 ont été reliées à un dispositif d'enregistrement périodique des températures disponible dans le commerce. Dans un premier essai, on a simplement agencé sous le réservoir 70 un brûleur à gaz de 2500 W. Les résultats sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous pour un temps de chauffage de 16 min. avec relevé des températures chaque minute, ainsi que sur le graphique de la figure 5, sous forme de courbes des températures en fonction du temps. TABLEAU 1 Ces Sonde 1 Sonde 2 en mn partie partie superieure inférieure 00 25,3 24,6 01 25,5 25,7 02 27,0 26,9 03 ss 28,1 28,4 04 29,5 29,7 05 30,7 30,7 06 31,9 32,4 07 33,2 33,5 08 34,4 35,1 09 35,4 36,3 10 36,5 38,0 11 37,9 38,7 12 39,3 40,3 13 40,5 40,8 14 41,4 42,0 15 42,9 43,1 16 44,0 44,3 Sur la figure 5 la courbe indiquée 1 représente la température détectée par la sonde 72 au niveau de la partie supérieure de l'eau et la courbe indiquée 2 représente la température détectée par la sonde 74 au niveau de la partie inférieure de l'eau. On constate que la température est à peu près homogène dans la totalité du volume et qu'après 15 min. la température était monté de 250C environ à 430C, l'accroissement étant régulier. Un tel essai montre que, comme connu, un brûleur à gaz est adapté pour chauffer de l'eau, cependant, un tel dispositif étant polluant a été écarté par la suite. Dans un deuxième essai, on a remplacé le brûleur à gaz par une résistance électrique de 2100 W plongée dans l'eau. Les résultats sont reportés dans le tableau 2 ci-dessous et sur le graphique de la figure 6. 7zRLEAU 2 Temps Sonde 1 Sonde 2 en mn partie partie supérieure inférieure 00 22,2 21,2 01 22,4 21,3 02 25,1 21,3 03 29,0 21,2 04 30,2 21,1 05 31,6 21,0 06 33,2 20,8 07 34,2 20,8 08 35,3 20,8 09 36,2 20,8 10 37,1 20,7 11 38,1 20,7 12 39,1 20,7 13 0 40,0 20,7 14 40,9 20,7 15 41,8 20,8 16 42,6 20,9 Sur ce graphique de la figure 6 ainsi que sur tous les autres graphiques on a indiqué par 1 la courbe fournie par la sonde 72 et par 2 la courbe fournie par la sonde 74. On constate qu'après 15 minutes seule la partie supérieure a été portée à une température d'environ 42"C alors que du fait de l'absence d'agitation la partie inférieure est restée à 21"C. Compte tenu de la différence de puissance de chauffe utilisée dans les deux essais et que le chauffage par le fond du récipient 70 (essai avec brûleur à gaz) provoque des courants d'agitation rendant la température homogène, on peut considérer que grossièrement ces deux dispositifs sont équivalents. En conséquence, on a utilisé par la suite seulement la résistance électrique pour comparaison avec le dispositif selon la présente invention, du fait que celui-ci n'est pas polluant. Comme indiqué précédemment, l'eau n'est pas un fluide adapté pour le dispositif selon la présente invention. Ayant constaté par contre que les circuits hydrauliques chauffaient, les présents inventeurs ont alors fait des essais comparatifs avec 20 litres d'huile hydraulique. Ces essais, comme décrit par la suite, ont abouti à des résultats surprenants qui ont montré qu'une huile hydraulique est un fluide particulièrement adapté pour être utilisé avec le dispositif selon la présente invention. L'huile hydraulique utilisée était une huile de classe ISO HV ayant un indice de viscosité d'environ 160, et un point éclair de 210 C. Une telle huile disponible dans le commerce est particulièrement adaptée aux circuits de commande des engins de travaux publics et de carrière et répond à la norme ISO 46. En conséquence, dans un troisième essai on a utilisé 20 litres d'huile à 20"C environ et la résistance chauffante de 2100 W du deuxième essai. Les résultats sont reportés dans le tableau 3 ci-dessous et sur le graphique de la figure 7. TABLEAU 3 Tends Sonde 1 Sonde 2 en mn partie partie supérieure inférieure 00 19,7 17,8 05 53,0 18,0 10 70,3 18,8 15 85,4 19,6 20 84,8 21,4 25 94,7 23,1 30 111,8 26,4 35 122,7 30,6 On constate encore un manque d'homogénéité de la température. Cependant après 15 minutes la température de la partie supérieure était de 85,4"C à comparer aux 420C obtenus avec de l'eau. L'essai a été poursuivi jusqu'à 35 min. et la température de la partie supérieure était de 122,7"C et la température de la partie inférieure était de 30,6"C. On a ensuite effectué un quatrième essai de chauffage de 20 litres de la même huile hydraulique à environ 200C, en remplaçant la résistance chauffante par un dispositif selon l'invention. Le moteur du dispositif était un moteur électrique de 2200 W et la pompe achetée dans le commerce était une pompe ECO.T modèle 2800 ayant une cylindrée de 8 cm3, une pression maximale en service continu de 230 bars et une vitesse maximale de 3000 tr/min. et une puissance absorbée à 1000 tr/min. et 100 bars de 1,47 kW. Le dispositif a été adapté comme représenté sur la figure 4 au-dessus du même réservoir 70 équipé des sondes 72 et 74 que celui des essais précédents. La pompe 6 a été immergée dans l'huile ainsi que le dispositif de laminage 12 de sorte que l'orifice d'aspiration 8 et l'orifice 14 de sortie de fluide chaud soit situé dans la masse 76 d'huile hydraulique. Par mesure de sécurité, une sonde de température 80 a été agencée dans la partie intermédiaire de la masse 76 et reliée à un thermostat 78 destiné à couper le moteur 4 si la température atteignait environ 1000C. On a de plus agencé un compteur horaire 82 sur le moteur 4. Les résultats de ce quatrième essai sont reportés dans le tableau 4 ci-dessous et sur le graphique de la figure 8. TABLEAU 4 Temps Sonde 1 Sonde 2 en mn partie partie supérieure inférieure 00 19,7 20,5 01 25,3 26,3 02 32,3 33,3 03 38,9 39,7 04 45,3 45,9 05 51,1 51,7 06 56,4 57,6 07 62,1 62,9 08 67,1 67,8 09 71,6 72,4 10 76,2 76,8 11 80,6 81,3 12 84,8 85,4 13 88,9 89,6 14 92,9 93,6 15 96,7 97,3 16 100,1 ! 100,6 On constate que la température est homogène dans la masse 76 et qu'après 15 min. celle-ci était de 97"C environ à comparer aux 85,4"C, de la partie supérieure seulement, obtenus lors du troisième essai. En conséquence, on constate que le chauffage est plus rapide avec le dispositif selon la présente invention qu'avec une résistance chauffante, à puissance électrique comparable. Après 16 min., la température obtenue était de 1000C environ et le thermostat 78 a coupé le moteur, interrompant l'essai. On constate par ailleurs que l'augmentation de température est pratiquement proportionnelle au temps de chauffage. Après avoir laissé refroidir la masse 76 d'huile hydraulique, on a réglé le thermostat 78 pour qu'il coupe le moteur 4 à une température d'environ 1300C, et on a effectué un cinquième essai en partant d'une température moyenne de 230C. Les résultats sont reportés dans le tableau 5 ci-dessous et sur le graphique de la figure 9. TABLEAU 5 Temps Sonde 1 Sonde 2 en mn partie partie superieure inférieure 00 24,5 21,9 05 58,6 58,5 10 85,4 85,2 15 104,4 104,5 20 120,9 121,2 Après 20 min. la température de la masse était de 121"C environ et ce cinquième essai ayant confirmé le quatrième essai, le moteur fut stoppé et on a enregistré la courbe de refroidissement à l'aide des sondes 72 et 74, comme reporté sur le tableau 6 ci-dessous et le graphique de la figure 10. TABLEAU 6 Temps Sonde 1 Sonde 2 en mn partie partie supérieure inferieure 00 122,4 119,8 15 116,8 105,7 30 109,9 97,9 45 103,0 91,6 60 96,6 86,0 75 90,7 81,1 90 85,2 76,4 105 80,4 72,1 120 75,8 68,2 135 71,7 64,5 150 67,9 61,1 165 64,3 58,1 180 61,2 55,4 195 58,2 52,8 210 55,6 50,3 225 53,1 48,1 240 50,8 46,1 255 48,6 44,0 270 46,3 42,1 285 44,5 40,4 300 42,7 38,8 315 ~ 41,1 37,4 330 39,6 36,0 345 38,2 34,7 360 36,6 33,5 375 35,3 32,4 390 34,0 31,3 405 33,1 30,4 420 32,1 29,4 435 31,1 28,5 450 30,2 27,8 465 29,4 27,1 480 28,4 26,4 On a constaté, malgré l'absence d'isolation thermique, qu'après trois heures dans une pièce à la température de 17"C environ que la température moyenne de la masse 76 était encore de 58"C, ce qui assure que l'association d'un fluide s'échauffant par laminage sous pression et du dispositif selon la présente invention pour réaliser une chaudière de chauffage central, ou de distribution d'eau chaude ou une chaudière dite mixte, est très intéressante. Une telle chaudière (non représentée) selon la présente invention comporte au moins un circuit d'eau de chauffage ou de distribution ayant un serpentin formant échangeur de chaleur situé dans un ballon rempli de fluide chauffant par laminage sous pression, tel que de l'huile hydraulique, un dispositif de chauffage selon la présente invention étant au moins partiellement immergé dans le ballon, de sorte que l'orifice d'aspiration 8 et l'orifice 14 de sortie de fluide chaud soient situés à l'intérieur du ballon. La chaudière peut comporter de manière habituelle des moyens de commande, de sécurité, d'isolation thermique, et autres. On a ainsi realisé un dispositif de chauffage et une chaudière selon la présente invention, qui ne sont pas polluants, qui sont faciles à construire et à mettre en oeuvre, ayant une capacité surprenante de montée en température et un refroidissement lent, tout en ne consommant qu'une faible quantité d'énergie. REVENDICATIONS 1. Dispositif (2) de chauffage d'une masse de fluide contenue dans un récipient, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (4) de mise en circulation du fluide à travers des moyens mécaniques (6, 12; 30) d'élévation de la température du fluide. 2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mécaniques (6, 12) d'élévation de la température du fluide comportent des moyens mécaniques (6) de mise sous pression d'un flux de fluide par aspiration à travers un orifice d'aspiration (8) et refoulement sous pression, un dispositif de laminage (12; 30) du flux étant agencé entre l'orifice de refoulement (10) des moyens mécaniques de mise sous pression et la sortie (14) de fluide chaud. 3. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mise en circulation sont constitués d'un moteur électrique (4) actionnant une pompe à engrenages constituant les moyens (6) de mise sous pression du flux de fluide. 4. Dispositif de chauffage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de laminage (12) est constitué d'un robinet à pointeau pouvant être réglé. 5. Dispositif de chauffage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de laminage (30) comporte un tube (32) ayant une première extrémité (34) ouverte reliée à l'orifice de refoulement des moyens mécaniques de mise sous pression, l'autre extrémité du tube étant fermée, la paroi du tube s'étendant entre les deux extrémités étant munie de perforations (44) et étant prolongée à partir de l'extrémité fermée par une tige pleine (40) ayant une partie d'extrémité libre filetée (42), un empilage (50) de rondelles (52) étant agencé le long de la paroi perforée entre une butée (46) fixée à proximité de l'extrémité ouverte (34) du tube et un anneau de retenue (54) repoussé par un ressort de compression (56) agence entre ce dernier et un écrou (58) vissé sur la partie filetée (42) de la tige pleine (40). 6. Dispositif de chauffage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre intérieur des rondelles (52) de l'empilage (50) est légèrement plus grand que le diamètre extérieur de la paroi perforée du tube (32). 7. Dispositif de chauffage selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le ressort de compression (56) exerce une force de compression sur les rondelles (52) réglée par la position de l'écrou (58) sur la partie filetée (42). 8. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide est un fluide adapté s'echauffant par laminage sous pression. 9. Dispositif de chauffage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide est une huile hydraulique. 10. Chaudière destinée au chauffage de liquide circulant dans une partie de circuit située dans un ballon contenant un fluide chaud, caractérisée en ce que le fluide chaud est un fluide chauffant par laminage sous pression, et en ce qu'elle comporte un dispositif (2) de chauffage du fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Procédé de chauffage d'une masse de fluide contenue dans un récipient, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à - remplir le recipient à l'aide d'un fluide s'échauffant par laminage sous pression, - adapter des moyens mécaniques (6, 12; 30) d'élévation de la température de la masse de fluide par laminage sous pression de celle-ci, - actionner les moyens mécaniques (6, 12; 30) d'élévation de la température, à l'aide de moyens (4) de mise en circulation du fluide à travers les moyens mécaniques (6, 12; 30).