Brevet FR2789756A1 — publié le 20000818

La présente invention est relative au domaine de la génération et de la transmission de chaleur entre une source de production et une cellule d'utilisation et elle vise, plus particulièrement, les systèmes de chauffage qui font intervenir une source d'émission de chaleur et une pluralité de tubes en circuit fermé chargés d'emmagasiner les calories produites par la source et de les amener, acheminer et distribuer dans la cellule d'utilisation. A titre d'application préférée, l'invention vise les systèmes de ce type qui comportent une pluralité de tubes parallèles entourant une enceinte dans laquelle des calories doivent être cédées, une telle enceinte pouvant avoir différentes vocations d'échange entre elle-même et des produits qui y sont temporairement entreposés. A titre d'application plus spécifique encore, I'invention vise de tels systèmes qui sont mis en oeuvre pour chauffer des chambres de fours et plus particulièrement de fours de cuisson de produits panifiables. Les systèmes de transmission de calories du type décrit ci-dessus peuvent être considérés comme offrant des caractéristiques intéressantes en raison de leur conception. En effet, la pluralité de tubes chargés de prélever les calories émises par la source, sont conformées en circuit fermé et sont partiellement emplis d'un fluide à vocation caloriporteuse qui fait intervenir des variations de phases successives assurant le transfert des calories prélevées pour les restituer dans la cellule d'utilisation. En règle générale, les tubes sont établis dans des plans parallèles verticaux qui s'échelonnent de façon régulière ou non, pour entourer tout le volume utile d'au moins une chambre dans le but de transmettre à cette dernière et dans le volume qu'elle délimite une chaleur escomptée la plus homogène et la mieux répartie qu'il soit. Tous les tubes forment une sorte de boucle qui coopère avec une unité de chauffage constituant la source et comprenant généralement une chambre ou analogue à l'intérieur de laquelle des gaz chauds sont émis le plus souvent par l'intermédiaire d'un brûleur. La caractéristique d'une telle organisation de la source de génération de chaleur a pour incidence que la chaleur produite n'est pas uniforme sur toute la longueur de la source, de sorte qu'il en résulte un chauffage privilégié de certains tubes par rapport à d'autres. Il est généralement escompté qu'un remède à une telle hétérogénéité peut intervenir en prévoyant l'établissement d'un temps de préchauffage suffisant pour que par convection et radiation naturelles une répartition équilibrée de la température puisse se produire. Si dans la pratique une telle façon de procéder peut être envisagée, elle doit certainement être réservée aux domaines d'utilisation ou d'application dans lesquels des utilisations successives du four de chauffage ne doivent pas intervenir systématiquement. En effet, en pareil cas et malgré l'inertie que peut présenter le four dans son ensemble, l'hétérogénéité de répartition de la température renaît relativement rapidement de sorte que des difficultés d'application sont alors à considérer. Par ailleurs, il a été constaté que l'échange de chaleur entre les tubes et les gaz chauds produits par le brûleur, ne présente pas un bon rendement thermique. L'objet de l'invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant des perfectionnements aux générateurs de chaleur du type à tubes caloriporteurs. Ces perfectionnements sont essentiellement apportés à la source d'émission de telle façon que le fonctionnement de cette dernière permette une répartition la plus homogène possible de la chaleur prélevée par la pluralité de tubes afin que l'échange au sein de la ou des cellules d'utilisation puisse entretenir à l'intérieur de cette ou de ces dernières une température relativement homogène sans création de zones singulières à distorsion de température minimale et/ou maximale. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le générateur de chaleur selon l'invention comprend - une source d'émission de gaz chauds, - un circuit de chauffage en boucle fermée traversé au moins localement par les tubes et comportant: 0 deux branches interconnectées dites respectivement d'aller et de retour, 0 une section d'échappement, O et un moto-ventilateur de circulation, - et des moyens de communication entre la source d'émission et le circuit de chauffage en boucle fermée. L'invention a encore pour objet un four de cuisson comportant au moins un générateur de chaleur du type ci-dessus Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une perspective schématique d'un four équipé d'un générateur de chaleur du type à tubes. La fig. 2 est une coupe transversale prise, à plus grande échelle, sensiblement selon le plan I1-II de la fig. 1 La fig. 3 est une représentation schématique correspondant à une élévation de la structure conforme à l'invention selon une première forme de réalisation. La fig. 4 est une élévation schématique comparable à la fig. 3 mais illustrant une variante de réalisation. La fig. 5 est une perspective schématique montrant une autre forme d'exécution de l'objet de l'invention. Les fig. 6 et 7 sont des coupes transversales mettant en évidence des variantes de réalisation de certains des éléments constitutifs de l'objet de l'invention La fig. 8 est une vue en coupe élévation d'un autre exemple de réalisation d'un générateur de chaleur conforme à l'invention Les fig. 9 et 10 sont des coupes prises sensiblement selon les lignes respectivement IX-IX et X-X de la fig. 8. La fig. 11 est une vue en perspective de l'exemple de réalisation illustré auxfig.8à 10. La fig. 12 est une vue en élévation d'un exemple de réalisation d'un four mettant en oeuvre des échangeurs de chaleur, tels qu'illustrés aux fig. 8 à 11. La fig. 13 est une représentation schématique correspondant à une élévation de la structure conforme à l'invention selon une autre forme de réalisation. Les fig. 1 et 2 montrent un exemple d'application d'un générateur de chaleur à tubes, désigné dans son ensemble par la référence 1 et destiné à assurer l'élévation de température à l'intérieur d'une enceinte 2 constituant en quelque sorte un four, par exemple de cuisson de produits divers p et plus spécialement encore de produits panifiables. Une telle enceinte comporte généralement une porte 3 d'accès à la chambre de cuisson, une telle porte, généralement à effacement vers l'intérieur et rappel élastique, pouvant être disposée sur l'un des côtés, tel que 4 ou encore sur un côté tel que 5 comme cela est représenté en traits mixtes. L'enceinte 2 comprend, comme cela est connu, une chambre de cuisson 6 proprement dite dans laquelle les produits tels que p devant être montés en température sont entreposés. Cette chambre de cuisson 6 est délimitée au moins par une sole 7 faisant partie éventuellement d'un caisson fermé ou ouvert. La chambre de cuisson 6 est entourée à distance par une enveloppe 8 généralement calorifugée et qui ménage avec le caisson 7 un intervalle annulaire tel que 9 réservé au passage d'une pluralité de tubes 10 qui sont conformés chacun en boucle ou circuit fermé et sont en partie au moins emplis d'un fluide caloriporteur tel que par exemple de l'eau. La fig. 1 montre que les différents tubes 10 présentent une même conformation et sont disposés parallèlement dans des plans P verticaux espacés de manière à pouvoir couvrir toute la longueur ou la largeur du caisson 7. Bien entendu, il peut être prévu que les conformations des tubes 10 soient différentes entre les tubes. Au sens de l'invention, il est indifférent de considérer l'organisation de la pluralité de tubes 10 parallèlement au côté 4 conduisant en quelque sorte à une répartition de l'avant vers l'arrière de l'enceinte 2 par rapport à la porte 3 ou éventuellement une disposition tournée de 90 selon laquelle la répartition des tubes s'effectue alors latéralement. Les différents tubes 10 sont également conformés pour entourer chacun une unité de chauffage 11 qui comprend une source d'émission de gaz chaud pouvant être choisi de tout type convenable pour assurer la montée en température d'une chambre d'échange. A titre d'application préférée, la source d'émission de gaz chaud est constituée par un brûleur du type à gaz prélevant l'air primaire et secondaire nécessaire à la combustion du gaz combustible de manière conventionnelle ne faisant pas partie directement de l'invention. Dans le but d'assurer l'application d'une chaleur uniforme aux différents tubes 10 constituant le faisceau d'échange par rapport au caisson 7, il est prévu, conformément à l'invention, de réaliser l'unité de chauffage 11 en la dotant de la source d'émission telle que le brûleur 12 qui est chargé de délivrer un débit x de gaz chauds de combustion à l'intérieur d'une chambre de combustion 13 dans laquelle sa bouche de sortie 14 s'ouvre. Les éléments constitutifs 12, 13 et 14 constituent la source d'émission de gaz chaud. Conformément à l'invention, il est aussi prévu de réaliser l'unité de chauffage 11 comme cela est illustré par la fig. 3 en lui faisant comporter un circuit de chauffage 15 en boucle fermée qui est traversé au moins localement par les tubes 10 et plus particulièrement la conformation O10a de chacun, correspondant à la fonction de prélèvement de calories alors que la conformation 10b en pseudo-boucle fermée correspond à la fonction de restitution autour du caisson 7. Le circuit de chauffage 15 comprend deux branches 16 et 17 dites respectivement d'aller et de retour et deux sections d'inter-connexion 18 et 19 qui relient les extrémités correspondantes des deux branches pour définir le circuit en boucle fermée. Les deux branches 16 et 17 sont de préférence parallèles et dans l'exemple de réalisation selon la fig. 3, elles possèdent une paroi commune 20. Selon cet exemple, les parties 10a des tubes 10 traversent la branche dite aller. Le circuit 15 est complété par un groupe moto-ventilateur 21 et par une section d'échappement 22. Le groupe moto-ventilateur 21 est choisi pour être à même d'entretenir à l'intérieur du circuit 15 un débit de circulation voisin ou au moins égal à 2x. Il est à noter que le groupe moto-ventilateur 21 peut être monté à n'importe quel endroit sur le circuit de chauffage 15. Le circuit de chauffage 15 est, par ailleurs, lié à la source d'émission de gaz chaud par des moyens de communication 23 entre la chambre de combustion 13 et le circuit de chauffage en boucle fermée 15. Dans l'exemple illustré à la fig. 3, les moyens de communication 23 sont des moyens d'intercommunication constitués par des tubes raccordant la branche aller 16 à la chambre de combustion 13. De tels moyens d'intercommunication sont avantageusement pourvus de registres de réglage 24 pouvant, le cas échéant, assurer la fermeture de la communication établie. Un registre de réglage 25 peut aussi équiper la section d'échappement 22. Dans la représentation selon la fig. 3, les moyens d'intercommunication 23 sont au nombre de deux, mais il doit être considéré qu'en pratique, de tels moyens peuvent être unique ou plus nombreux et être répartis, d'une part, sur une partie limitée ou sur toute la longueur utile de la chambre 13 et, d'autre part, sur une partie limitée quelconque du circuit en boucle fermée 15 ou sur la totalité de la longueur de ce dernier. Les moyens ci-dessus permettent d'entretenir un fonctionnement qui fait intervenir, à partir de la production de gaz chauds dans la chambre de combustion 13, un flux de gaz chauds empruntés par les moyens d'intercommunication 23 pour être délivrés dans le circuit de chauffage à boucle fermée 15, à l'intérieur duquel ils sont soumis à un déplacement dans le sens de la flèche f. en raison du fonctionnement du groupe moto-ventilateur 21. Les gaz chauds sont ainsi astreints à lécher les parties O10a des tubes pour leur céder dans des conditions optimales les calories qu'ils véhiculent, étant donné la présence du groupe moto-ventilateur qui améliore l'échange thermique entre les gaz chauds et les tubes en augmentant la vitesse de circulation des gaz chauds. En effet, les gaz chauds sont entraînés à des vitesses plus importantes par rapport à une solution ne comportant pas de groupe moto-ventilateur, de sorte qu'il peut être obtenu un meilleur échange thermique entre les gaz chauds et les tubes. De plus, compte tenu du gain obtenu sur le rendement de l'échange thermique, il peut être envisagé de réduire le nombre et/ou la longueur d'échange o10a des tubes offrant ainsi l'avantage de réduire le coût et l'encombrement du four. Dans l'exemple illustré à la fig. 3, les gaz chauds entraînés par le groupe moto-ventilateur 21 et venant de céder une partie de leurs calories sont recirculés par la section d'interconnexion 18 en direction de la branche retour 17 pour être recyclés dans la branche 16 o ils viennent se mélanger avec les gaz chauds délivrés par les intercommunications 23. Selon les conditions de recirculation et le réglage du registre 25, une partie des gaz recirculés s'échappe par la section 22. La circulation des gaz par le moto-ventilateur 21 permet de réaliser une homogénéisation de la température entre les différentes parties de prélèvement tubulaire 10a, quelle que soit la position occupée par rapport à la chambre de combustion 13 En jouant sur le nombre et la position des intercommunications 23, sur le réglage des registres 24 et sur celui du registre 25, il peut être réalisé une fonction d'échange de chaleur homogène et réaliser une montée en température, voire un maintien en température du caisson 7 dans des conditions de répartition supprimant l'existence des zones considérées comme froides ou trop chaudes qui sont généralement constatées dans le caisson 7 avec les moyens d'échange de l'art antérieur. Si dans l'exemple selon la fig. 3, la chambre 13 est séparée du circuit 15, il peut être envisagé d'adopter une construction comme illustrée par la fig. 4 dans laquelle la chambre 13 et le circuit 15 possèdent au moins une paroi commune telle que 25. Dans un tel cas, les moyens d'intercommunication 23 sont alors simplement constitués par des trous pratiqués dans la paroi commune 25 et susceptibles d'être pourvus de moyens de réglage de leur section de passage, tels que des plaques à registre 24. Dans un tel cas, il est généralement admis de mettre en oeuvre des moyens de réglage propres à chaque registre 24 pour offrir une plus grande possibilité de réglage homogène et de répartition de la température imposé aux différentes parties tubulaires de prélèvement O10a. Dans un tel exemple, il est aussi avantageux, au sens de l'invention, de ménager entre une partie du circuit de chauffage en boucle fermée 15 et la chambre de combustion 13, un orifice 27 de recyclage des gaz chauds à l'intérieur de la chambre de combustion 13. Un tel orifice 27, réalisé par exemple au niveau de la section d'interconnexion 19, est avantageusement muni d'un registre de réglage 28 et s'ouvre de préférence mais non exclusivement, sensiblement à l'aplomb ou au droit de la bouche de sortie 14 du brûleur 12. Cette disposition présente l'avantage de permettre, lorsque cela est souhaité, l'admission dans la chambre 13 d'une masse de gaz de combustion pouvant être considérée comme partiellement refroidis par rapport à ceux admis dans la branche aller 14. En effet, il s'agit de gaz ayant déjà en partie cédé des calories au tube 10a et connaissant, en conséquence, une température réduite. Ces gaz, relativement refroidis, sont injectés dans la chambre 13 entre la paroi commune 25 et la bouche de sortie 14 et contribuent ainsi à deux fonctions spécifiques présentant indépendamment et/ou simultanément un intérêt certain. La première fonction est celle de refroidir la zone de la paroi commune 25 qui est située à l'aplomb de la bouche de sortie 14 et qui, pour cette raison, est soumise à une température plus élevée localement par la flamme de combustion. La seconde fonction est celle d'apporter dans la chambre de combustion et sensiblement en amont de la flamme de combustion, des gaz de recirculation de température plus faible qui ont pour action d'abaisser la température de cette flamme de combustion et de contribuer ainsi à réduire l'émission de gaz toxiques tels les oxydes d'azote. La fig. 5 montre une variante de réalisation dans laquelle le circuit 15 n'est plus composé de deux branches 16 et 17 superposées, mais comporte au contraire des branches 16a et 17a séparées et organisées dans un même plan horizontal. Une telle structure peut présenter un intérêt d'aménagement pour favoriser l'implantation et notamment la coopération avec les parties 10a de prélèvement des tubes constituant le faisceau d'échange. Selon la représentation de la fig. 5, la branche aller 16a est réunie à la source d'émission par des moyens d'intercommunication au nombre de deux portant la référence 23. Il doit cependant être considéré comme possible d'adopter une construction dans laquelle la chambre de combustion 13 jouxte tout ou partie du circuit de chauffage en boucle fermée 15. Si dans les exemples précédents, les parties de prélèvement tubulaires 10a traversent préférentiellement la chambre aller 16, il doit être compris, au sens de l'invention, que ces parties tubulaires pourraient, le cas échéant, ne traverser que la branche 17, voire 17a. La fig. 6 montre une variante dans laquelle les parties l0a de prélèvement tubulaire traversent simultanément les branches 16 et 17. La fig. 7 montre une autre variante de réalisation dans laquelle la structure en caisson entourant les parties l0a des différents tubes est définie par deux enveloppes concentriques 30 et 31 séparées par une cloison interne 32, de manière à délimiter ensemble la branche 16 et la branche 17. Dans un tel cas, l'enveloppe centrale 31 peut aussi contribuer à délimiter la chambre de combustion 13, de manière à aboutir à une disposition constructive du type concentrique offrant des capacités d'échange améliorées pour un encombrement réduit. Les fig. 8 à 11 illustrent une forme préférée de réalisation d'un générateur de chaleur permettant de réduire l'encombrement vertical d'un four équipé d'un tel générateur de chaleur et offrant une possibilité de superposition des générateurs de chaleur. Tel que cela ressort clairement des dessins, l'unité de chauffage 11 est disposée latéralement par rapport à la chambre de cuisson 6. Il doit être compris que l'unité de chauffage 11 est montée pour être située sensiblement dans un prolongement latéral de la chambre de cuisson 6. Ainsi, de préférence, l'unité de chauffage 11 présente une hauteur sensiblement égale à la hauteur de la chambre de cuisson 6. Selon une telle disposition, il peut être prévu de monter de manière superposée, une série de générateurs de chaleur 1, de sorte que les chambres de cuisson 6 se trouvent disposées directement les unes audessus des autres, sans être séparées par une unité de chauffage 11, comme cela ressort clairement de la fig. 12. Bien entendu, il peut être attribué à chaque unité de chauffage 11, une ou plusieurs chambres de cuisson 6, comme cela apparaît à la fig. 12. Ainsi, dans le cas de la réalisation d'une unité de chauffage 11 pour laquelle sont affectées plusieurs chambres de cuisson 6, les tubes 10 présentent des raccordements et des conformations adaptés pour entourer lesdites chambres de cuisson. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 8, chaque tube 10 possède sa conformation o10a de prélèvement qui se trouve constituée par un tronçon de tube rectiligne placé sous la sole 7 et traversant le circuit de chauffage en boucle fermée 15 Dans l'exemple illustré, les tubes 10 traversent, de part en part, la branche aller 16 du circuit de chauffage en boucle fermée 15. Cette branche aller 16 est délimitée entre un caisson externe 40 s'étendant sensiblement selon toute la profondeur de la chambre de cuisson 6, et un caisson interne 41 monté concentriquement à l'intérieur du caisson externe 40. Ce caisson interne 41 délimite intérieurement, la chambre de combustion 13 et, par une paroi de séparation 43, la branche retour 17. Cette branche de retour 17 communique à l'une de ses extrémités, avec la branche aller 16 par l'intermédiaire d'un passage d'interconnexion ménagé entre l'extrémité libre ouverte du caisson interne 41 et la face frontale 40, du caisson externe 40. La branche de retour 17 communique à l'autre de ses extrémités, avec la sortie du ventilateur qui se trouve raccordée à la branche aller 16 par un passage d'interconnexion ménagé entre l'extrémité fermée du caisson interne 41 et la face arrière 402 du caisson externe 40. De la même façon que dans les exemples précédents, un tel circuit de chauffage en boucle fermée 15 communique avec la chambre de combustion 13 par des moyens d'interconnexion 23, tels que des trous pratiqués dans la paroi inférieure du caisson interne 41. De même, il peut être prévu de réaliser un orifice 27 de recyclage des gaz chauds entre l'extrémité ouverte du caisson interne 41 et la face frontale 40, du caisson externe 40. Dans les exemples décrits ci-dessus, la communication entre le circuit de chauffage et la chambre de combustion 13 s'effectue par l'intermédiaire de moyens d'intercommunication. Toutefois, il peut être prévu que la source d'émission de gaz chauds 12, 14 émette ces gaz chauds directement dans une partie du circuit de chauffage en boucle fermée 15. Tel qu'illustré à la fig. 13, la chambre de combustion 13 se trouve constituée par une partie du circuit de chauffage en boucle fermée 15. Dans l'exemple illustré, la chambre de combustion 13 est formée par la branche de retour 17 du circuit de chauffage 15. L'invention n'est pas limitée aux exemple décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Générateur de chaleur à tubes, du type comprenant une pluralité de tubes (10) en circuit fermé, emplis au moins en partie d'un fluide caloriporteur et conformés pour entourer au moins une chambre (6) dans laquelle des calories doivent être cédées et pour coopérer avec une unité de chauffage (11) de leur fluide caloriporteur, caractérisé en ce que l'unité de chauffage comprend: - une source (12, 14) d'émission de gaz chauds, - un circuit de chauffage (15) en boucle fermée traversé au moins localement par les tubes (10a) et comportant: 0 deux branches (16, 17) interconnectées dites respectivement d'aller et de retour, 0 une section d'échappement (22), 0 et un moto-ventilateur (21) de circulation, - et des moyens (23, 24) de communication entre la source d'émission et le circuit de chauffage en boucle fermée. 2 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de chauffage (11) comprend une source (12, 14) émettant les gaz chauds directement dans une partie du circuit de chauffage en boucle fermée (15). 3 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de chauffage (11) comprend une source (12, 14) d'émission de gaz chauds dans une chambre de combustion (13) reliée au circuit de chauffage en boucle fermée (15), par l'intermédiaire de moyens du type d'intercommunication (23, 24). 4 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de chauffage (11) est disposée latéralement par rapport à la chambre de cuisson (6). 5 - Générateur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité de chauffage (11) présente une hauteur sensiblement égale à la hauteur de la chambre de cuisson (6). 6 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (10) traversent la branche aller (16) et/ou la branche retour. 7 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'émission délivre un débit x de gaz chauds et en ce que le moto-ventilateur est à même d'entretenir un débit de circulation au moins égal à 2x. 8 - Générateur de chaleur selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que la source d'émission (13) possède une paroi (25) qui est au moins localement commune avec au moins une partie du circuit de chauffage et en ce que les moyens d'intercommunication (23) sont prévus dans cette paroi commune. 9 - Générateur de chaleur selon la revendication 1 ou 8, caractérisé et ce que les moyens d'intercommunication (23) sont dotés de registres de réglage (24). 10 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de chauffage (15) communique avec la source d'émission (13) par un orifice de recyclage (27) s'ouvrant sensiblement au droit de la bouche (14) d'émission des gaz chauds. 11 - Générateur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'orifice de recyclage est pourvu d'un registre de réglage (28). 12 - Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'échappement (22) est pourvue d'un registre de réglage (25). 13-Four de cuisson, notamment pour produits panifiables, comportant au moins un générateur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12. 14 - Four de cuisson selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte une série de générateurs de chaleur (1) montés de manière superposée, de sorte que les chambres de cuisson (6) des générateurs de chaleur se trouvent directement disposées les unes au-dessus des autres.