Brevet FR2763994A1 — publié le 19981204

DESCRIPTION "Résonateur d'échappement" La présente invention concerne un résonateur d'échappement, en particulier les résonateurs destinés à tous systèmes de production d'énergie à base de combustion, notamment aux moteurs à combustion interne, tels qu'utilisés par exemple dans les navires ou les centrales de production électrique. On connaît des résonateurs dits "à tube d'accord" dans lesquels un corps du résonateur définit deux chambres successives séparées par une cloison traversée par un tube sensiblement axial. De tels résonateurs exploitent la réflexion des ondes en particulier contre la cloison centrale pour générer des ondes acoustiques en opposition de phase qui viennent annuler les ondes gênantes. La présence de deux chambres successives reliées par le tube d'accord permet d'annuler non pas une seule fréquence déterminée mais toute une bande de fréquences et notamment les basses fréquences. En pratique, le résonateur est d'autant plus efficace qu'il est calculé pour les fréquences les plus basses possible. Toutefois, plus le résonateur est capable d'atténuer des fréquences basses et plus sa taille est importante. Des considérations économiques conduisent en pratique à limiter la taille du résonateur et par conséquent à renoncer à certaines propriétés acoustiques souhaitables du résonateur. I1 est par ailleurs connu de placer une chaudière dans le trajet des gaz d'échappement d'un générateur d'énergie à base de combustion. I1 s'agit en général d'une chaudière à tubes dans lesquelles circule de l'eau que les gaz d'échappement réchauffent et éventuellement transforment au moins partiellement en vapeur. On récupère ainsi une partie e l'énergie thermique des gaz d'échappement. Une telle chaudière est placée en amont ou en aval du dispositif d'atténuation sonore. Les tubes s'étendent transversalement relativement à l'axe du trajet des gaz. La présence de cette chaudière constitue un point de faiblesse dans le conduit des gaz d'échappement qui est en général la base d'une cheminée de grande hauteur. Un tel point de faiblesse est très gênant car la base de la cheminée subit des efforts importants en compression et, par exemple en cas de vent, en flexion. Le but de la présente invention est de proposer un résonateur d'échappement qui présente des caractéristiques acoustiques améliorées et qui, éventuellement, résolve les problèmes posés par les moyens actuels de récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement. Suivant l'invention, le résonateur d'échappement comprenant, entre une entrée et une sortie pour des gaz d'échappement, deux chambres en série dans chacune desquelles est aménagée une cavité de réflexion fermée à une extrémité par une paroi de réflexion, et un conduit reliant les deux chambres entre elles, est caractérisé par des moyens de refroidissement montés dans le conduit. Grâce aux moyens de refroidissement selon l'invention, les gaz d'échappement sont refroidis entre la première et la deuxième chambre. La deuxième chambre a ainsi des caractéristiques d'atténuation qui sont décalées vers les basses fréquences. On réalise ainsi, pour une taille donnée, un résonateur dont la bande des fréquences atténuées commence à une valeur de fréquence plus basse. De préférence, les moyens de refroidissement comprennent un échangeur thermique pour réchauffer un fluide avec de la chaleur prélevée dans es gaz d'échappement. I1 est en particulier envisagé que l'échangeur soit une chaudière réchauffant de l'eau avec éventuellement vaporisation partielle ou totale de cette eau. L'échangeur ou chaudière est de préférence du type "tubulaire", c'est à dire comprenant un faisceau de tubes parallèles dans lesquels circule le fluide à réchauffer. Selon une particularité de l'invention, de tels tubes sont disposés longitudinalement dans le conduit, de façon à se trouver orientés parallèlement au trajet des gaz par lesquels ils sont léchés. Selon les applications, la baisse de température subie par les gaz dans le conduit peut aller de quelques dizaines de OC jusqu'à un refroidissement presque complet des gaz d'échappement. Plus la baisse de température est importante, et plus le gain acoustique est élevé, mais plus l'échangeur peut devenir coûteux et encombrant. Le choix de la baisse de température dépend aussi du besoin en énergie à récupérer dans les gaz. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs. Aux dessins annexés - la figure 1 est une vue en perspective, avec arrachement, d'un résonateur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe axiale du résonateur de la figure 1; et - les figures 3 et 4 sont des vues analogues à la figure 2 mais relatives à deux variantes de réalisation. Dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2, le résonateur comprend un corps 1 de forme générale cylindrique disposé, dans l'exemple, selon un axe vertical. Le volume intérieur du corps i est subdivisé en une chambre amont 2 et une chambre aval 3 par une cloison 4 disposée perpendiculairement à l'axe du corps 1 et à peu près au milieu de sa longueur axiale. La cloison 4 présente une ouverture centrale dans laquelle est fixé un tube d'accord 6. La paroi intérieure du tube 6 forme un conduit par lequel la chambre amont 2 communique avec la chambre aval 3. Le tube 6 a une longueur axiale inférieure à celle du corps 1 et la cloison 4 se trouve sensiblement au milieu de la longueur du tube 6. Dans le cas où les gaz d'échappement arrivent par deux tubulures séparées provenant du générateur d'énergie à base de combustion, ces deux tubulures sont raccordées à la chambre amont 2 par deux entrées 7 formées à travers la paroi latérale du corps 1 à une certaine distance de la cloison 4. De là, les gaz contournent le bord inférieur du tube 6 pour pénétrer dans le conduit défini par la paroi intérieure du tube 6 de manière à passer dans la chambre aval 3. Les gaz sortant du tube 6 passent ensuite dans la chambre aval 3 et de là dans une sortie 12. Dans l'exemple représenté, la sortie 12 est formée à travers un fond supérieur 13 du corps 1. Le fond 13 est disposé à distance du bord supérieur 14 du tube 6. De manière connue en soi, la face extérieure du tube 6, la face intérieure du corps 1 et la cloison 4 forment, dans chaque chambre 2 ou 3, une cavité de réflexion respective 16, 17. A la figure 2, des flèches en pointillés illustrent les ondes sonores qui font un aller-retour dans cette chambre 16 ou 17 grâce à une réflexion contre la face de la cloison 4 qui est adjacente à la chambre considérée. Si la longueur du tube 6, encore appelé "tube d'accord", est égale à la moitié de a longueur d'onde de la plus basse fréquence qu'on veut atténuer, alors la longueur du tube 6 dans chaque chambre 2 ou 3 est égale au quart de cette longueur d'onde. Ainsi, le trajet d'aller-retour dans chaque cavité de réflexion 16 ou 17 correspond à une demi-longueur d'onde. Il en résulte que l'onde réfléchie est en opposition de phase avec les ondes arrivant par les entrées 7 dans le cas de la chambre amont 2 et avec les ondes arrivant par le tube 6 dans le cas de la chambre aval 3, d'où le phénomène d'atténuation. Suivant l'invention, des moyens de refroidissement des gaz d'échappement 18 sont installés dans le conduit défini par la face intérieure du tube 6. Dans l'exemple représenté, les moyens de refroidissement des gaz d'échappement consistent en une chaudière tubulaire, qui n'est représentée que schématiquement aux figures 1 et 2. La chaudière comprend un grand nombre de tubes parallèles 20 dont une extrémité est raccordée à une embase 19 fixée contre la face extérieure du fond inférieur 9 du corps 1. A leurs autres extrémités, les tubes 20 sont raccordés deux à deux par un coude à 1800 désigné par la référence 21. L'embase 19 comporte un raccord d'arrivée d'eau froide 22 et un raccord de départ d'eau chaude 23. L'embase 19 renferme des cavités qui font communiquer les tubes 20 entre eux et avec les raccords 22 et 23 de manière que l'eau arrivant par le raccord 22 passe successivement par plusieurs groupes de tubes 20, les tubes fonctionnant hydrauliquement en parallèle dans chaque groupe. Dans chaque paire de tubes reliés par un coude 21, l'eau entre par une extrémité de tube associée à l'embase 19, passe par le coude 21 et revient dans l'embase 19 par l'autre tube associé au même coude 21. De telles chaudières sont connues en elles-mêmes. A partir de l'embase 19, les tubes 20 traversent une ouverture centrale appropriée 11 formée dans le fond 9, et s'étendent axialement à travers la base de la chambre amont 2 puis à travers le tube 6, par exemple jusqu'au bord 14 du tube 6 qui est opposé au fond 9 recevant l'embase 19. Un moyen d'étanchéité aux gaz (non représenté) est prévu entre l'embase 19 et le fond 9 autour de l'ouverture 11. Dans les applications connues de telles chaudières tubulaires, les tubes s'étendent transversalement relativement à la direction d'écoulement des gaz chauds. Au contraire, selon l'invention, la direction d'écoulement des gaz est, de manière prépondérante, parallèle à la direction longitudinale des tubes. Grâce au refroidissement subi par les gaz d'échappement dans le tube 6, la longueur selon laquelle le tube 6 fait saillie dans la chambre aval 3 correspond à une fréquence acoustique plus basse. Par conséquent, l'invention permet d'étendre vers le bas la bande des fréquences atténuées par le résonateur. En outre, comme la chaudière 18 est fixée au corps du résonateur d'une manière mécaniquement très satisfaisante, il n'en résulte aucun affaiblissement de la structure porteuse, en particulier dans les cas où le corps 1 constitue simultanément la base de la cheminée. La présence de la chaudière, montée comme cela vient d'être décrit, n'introduit pas de contraintes d'origine thermique dans le résonateur. Dans des résonateurs de l'état de la technique, on a parfois installé dans le tube d'accord tel que 6 un corps acoustiquement absorbant ayant pour but d'absorber des fréquences plus élevées que celles qui sont atténuées par la réflexion acoustique décrite plus haut. Selon I'invention, il est prévu de placer un corps acoustiquement absorbant 24 dans la sortie i2 de la chambre aval 3 du résonateur. L'homme de métier sait choisir un corps absorbant ayant les propriétés souhaitées d'absorption et de résistance aux températures et aux agents chimiques qui sont présents. L'exemple de la figure 3 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui des figures 1 et 2. Dans cet exemple, la sortie 32 de la chambre aval 3 est désormais placée latéralement et non plus axialement. Un telle sortie latérale peut être appropriée dans certains cas, par exemple si les gaz d'échappement doivent traverser des moyens d'épuration en aval du résonateur mais en amont de la cheminée. Il est avantageux de placer les moyens d'épuration en aval du résonateur plutôt qu'en amont pour éviter de perturber les basses fréquences avec lesquelles le résonateur est accordé. Dans un tel cas, le fond supérieur 13 du corps 1 n'est plus encombré par la sortie 12 des figures 1 et 2. Il est par conséquent possible d'installer la chaudière 18 par le haut, c'est à dire avec l'embase 19 fixée contre le fond supérieur 13 et les tubes 20 partant de l'embase 19, passant à travers une ouverture appropriée du fond 13 et allant par exemple jusqu'au bord inférieur 8 du tube 6. Dans un tel cas, le fond inférieur 9, adjacent à la chambre amont 2, est une paroi fermée. Le mode de réalisation de la figure 4, qui ne sera décrit que pour ses différences avec les précédents, utilise un corps 1 à sortie latérale 32 comme il a été décrit pour l'exemple de la figure 3. Dans ce mode de réalisation, on utilise deux chaudières 18, 38 coaxiales, l'une 18 montée à travers le fond inférieur 9 adjacent à la chambre amont 2, l'autre 38 monté à travers le fond supérieur 13 adjacent à la chambre aval 3. Chacune des deux chaudières s'étend sensiblement jusque dans le plan de la cloison 4. Les deux chaudières peuvent être raccordées en parallèle l'une avec l'autre, ou encore en série l'une avec l'autre, ou encore peuvent réchauffer des circuits d'eau différents. Si les deux chaudières sont en série l'une avec l'autre, la chaudière 38, qui est balayée par du gaz d'échappement ayant déjà subi un premier refroidissement par la chaudière 18, est montée en amont de la chaudière 18, relativement au sens de circulation de l'eau. Dans tous les exemples qui viennent d'être décrits, l'eau traversant la ou les chaudières peut servir à des applications de chauffage, de réchauffage ou encore à produire de la vapeur alimentant une turbine. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Les moyens de refroidissement peuvent être d'un type différent des chaudières tubulaires représentées et décrites. Dans les exemples représentés, la longueur des chaudières tubulaires pourrait être modifiée. REVENDICATIONS 1- Résonateur d'échappement comprenant, entre une entrée (7) et une sortie (12, 32) pour des gaz d'échappement, deux chambres (2, 3) en série dans chacune desquelles est aménagée une cavité de réflexion (16, 17) fermée à une extrémité par une paroi de réflexion (4), et un conduit (6) reliant les deux chambres entre elles, caractérisé par des moyens de refroidissement des gaz (18, 38), montés dans le conduit (6). 2- Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps tubulaire (1) dans lequel les deux chambres (2, 3) sont séparées par une cloison (4) dont chaque face forme paroi de réflexion pour la cavité de réflexion (16, 17) de l'une respective des chambres; et - un tube d'accord (6) monté à travers la cloison (4) et dont la paroi intérieure définit ledit conduit. 3- Résonateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement (18, 38) comprennent au moins un échangeur thermique conçu pour réchauffer un fluide avec de la chaleur prélevée dans les gaz d'échappement. 4- Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur est une chaudière (18, 38). 5- Résonateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent, pour la circulation dudit fluide, des tubes (20) disposés longitudinalement dans le conduit. 6- Résonateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens He refroidissement (20) sont emmanchés dans le conduit !6) a travers au moins une paroi d'extrémité '9, 13) du corps i:).