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Dispositif de transmission de chaleur.
On connait des dispositifs de transmission de chaleur comportant un générateur de vapeur dans une partie du circuit tubulaire et un condenseur de vapeur dans une autre partie du système chauffant, le condensat étant renvoyé du conden- seur au générateur de vapeur afin d'y être vaporisé de nou- veau. Pour régler le retour de ce condensat, on a proposé d'installer des vannes à commande manuelle ou automatique dans le conduit de condensation. Toutefois, ces vannes com- pliquent l'installation et l'empêchent de fonctionner de ma- nière absolument sure. La présente invention a pour objet un
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dispositif de transmission de chaleur permettant, sans employer aucun élément mécanique mobile, de régler automa- tiquement la quantité de chaleur transmise de manière que celle-ci corresponde aux besoins.
Suivant une forme de réa- lisation de l'invention, on transmet la chaleur à l'eau con- tenue dans un récipient d'eau chaude, de manière que la vi- tesse de cette transmission augmente automatiquement à mesure que l'eau est consommée et décroisse lorsque la consommation d'eau est interrompue, afin, plus particulièrement, de main- tenir l'eau du récipient à une température constante, légè- rement inférieure au point d'ébullition.
Pour transmettre la chaleur, on utilise un généra- teur de vapeur disposé, par exemple, à l'intérieur d'un poêle à accumulation de chaleur. A l'aide d'un circuit tubulaire fermé on relie le générateur de chaleur à un condenseur dis- posé à l'intérieur d'un récipient rempli d'eau, constituant le réservoir d'eau chaude. L'eau contenue dans ce réservoir est donc chauffée indirectement par la condensation de la vapeur provenant du générateur, et le condensat retourne dans le générateur par son propre poids. Le système est re- lié à un récipient d'expansion, afin de permettre au liquide de se dilater en proportion de la partie du système occupée par la vapeur. A cette fin, on relie le récipient d'expansion au circuit fermé en un endroit de celui-ci qui, par suite de certaines mesures spéciales, est constamment rempli d'eau.
Les Figs. 1, 2, 3 et 4 du dessin annexé représen- tent schématiquement différents modes de réalisation de l'invention.
Sur la fig. 1, 10 désigne un réservoir à eau chaude, pour usage domestique ou autre, dont on retire l'eau par la conduite 11, et qu'on alimente en eau par le tuyau 12. De
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préférence, le réservoir 10 est revétu d'une couche de sub- stance calorifuge 13, afin de prévenir des pertes excessives de chaleur.
Le réservoir 10 contient, de préférence à sa partie inférieure, un serpentin 14 du sommet duquel le tuyau 15 s'étend vers le bas et traverse le fond du réservoir par un bourrage convenable 16, et de l'extrémité inférieure duquel le tuyau 17 s'étend à l'extrémité du réservoir en passant par ce même bourrage. Un tuyau 18 débouchant au sommet du tuyau 15 s'étend à l'extérieur du réservoir, où il est muni d'un robinet 19.
Les tuyaux 15, 17 débouchent à leur extrémité infé- rieure dans les extrémités supérieure et inférieure, respec- tivement, d'un serpentin 20 disposé autour de l'enveloppe 21 de la chambre de combustion d'un poêle du type à accumulation de chaleur,indiquéde manière générale en 22. Ce poêle com- prend un élément accumulateur de chaleur 23 de forme cylin- drique, dont la partie inférieure en forme de fourreau s'étend dans une chambre de combustion annulaire 25, contenue dans l'enveloppe 21.
Des couvercles amovibles 26,27 permet- tent de charger dans la colonne 28, à l'intérieur du cylin- dre creux 24, un combustible solide, tel, par exemple, que du coke ou de l'anthracite, qui brûle sur la grille 29.-L'air de combustion pénètre par une ouverture convenable sous la grille 29, et les gaz de combustion sont évacués vers la cheminée 31 par le carneau annulaire 30.
Ainsi qu'il ressort clairement des dessins, les ser- pentins 14,20 et les tuyaux 15, 17 forment un circuit fermé indiqué de manière générale par 32. Le serpentin 20 consti- tue le générateur de vapeur, et le serpentin 14 est le con-
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denseur dans lequel se condense la vapeur dégagée dans ce générateur. Le coude 33 à la partie inférieure du tuyau 17 présente un branchement qui doit être constamment rempli d'eau. Le coude 33 est situé en-dessous de la partie la plus basse du serpentin 20. Le branchement est prolongé par le tuyau 34 qui débouche dans la partie la plus basse du cir- cuit fermé 32, l'extrémité inférieure de ce tuyau présentant, de préférence, la forme d'un coude 35 dirigé vers le bas, et son extrémité supérieure débouchant dans le récipient 36, près du fond de celui-ci.
Le récipient 36 peut avantageuse- ment être situé au-dessus du plus haut niveau du circuit 32 et communiquer librement avec l'atmosphère par un évent con- venable 37. De préférence, on dispose le récipient 36 sur le réservoir 10, comme c'est représenté. Il est désirable éga- lement que le conduit 34 comporte un étranglement, tel que celui indiqué par 38.
Dans le circuit 32, on prévoit un étranglement de plus petite section 39, qu'on dispose avantageusement dans le coude 33, entre le serpentin 20 et le coude du conduit 34.
En supposant que le réservoir 10 soit rempli d'eau à chauffer, le dispositif fonctionne comme suit:
On remplit le circuit 32 d'eau par le récipient 36 et le conduit 34, en ayant soin d'ouvrir le robinet 19, afin de permettre à l'eau de monter dans le circuit fermé de son point le plus bas, et de chasser,l'air emprisonné dans sa partie la plus élevée, par le tuyau 18. De préférence, on remplit le circuit jusqu'à ce que le récipient 36 soit par- tiellement plein également, et que l'eau atteigne le niveau indiqué en 40.
Si on brûle alors du combustible dans le poële 22, la chaleur se'transmet au serpentin 20 par conduction et
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rayonnement des parties adjacentes, constituant la chambre de combustion du foyer, et il se forme dans ce serpentin de la vapeur qui s'élève dans le serpentin 14 par le tuyau 15, et refoule l'eau de ces deux éléments. L'eau ainsi refoulée par la vapeur engendrée dans le serpentin 20 s'écoule par le con- duit 34 dans le récipient 36 qui constitue donc un vase d'expansion.
Grâce à la section horizontale relativement gran- de du récipient 36, l'eau que refoule dans ce dernier l'ex- pansion dans le circuit 32 ne modifie pas sensiblement le niveau 40 de son contenu, les variations de la pression sta- tique à laquelle le liquide contenu dans le système est sou- mis sont donc négligeables, et on peut considérer que ce dernier travaille sous une pression sensiblement constante.
La vapeur qui se dirige vers le serpentin 14 se con- dense et cède sa chaleur à l'eau du réservoir 10, et le con- densat est ramené du serpentin 14 vers l'extrémité inférieure du serpentin 20, en passant par la conduite de retour 17. La circulation de la vapeur dans le système est maintenue en raison de la différence de poids des colonnes d'eau dans les tuyaux 17 et 15, respectivement.
La surface chauffée du serpentin 20 qui détermine l'évaporation de l'eau dans le circuit fermé, et la surface du serpentin 14 nécessaire pour la condensation doivent être calculées suivant les lois connues de la transmission de cha- leur, de façon que la vitesse de transmission de chaleur à l'eau du réservoir 10 et par conséquent la vitesse à laquelle l'eau froide contenue dans celui-ci peut être portée à la température voulue soient en rapport avec les conditions de fonctionnement imposées à une installation donnée. Pendant réchauffement de l'eau froide contenue dans le réservoir 10, la totalité de la vapeur produite dans le serpentin 20 doit
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être condensée dans le serpentin 14, de sorte que le tuyau 17 soit rempli sur toute sa hauteur d'une colonne d'eau, ce qui assure la transmission de chaleur à la vitesse maxi- mum.
A mesure que la température de l'eau dans le réservoir 10 augmente, la transmission de chaleur à travers les parois du serpentin 14 se ralentit, ce qui réduit également la vi- tesse de condensation. Si le taux de formation de vapeur dans le serpentin 20 devient plus élevé que le taux de condensa- tion dans le serpentin 14, une certaine quantité de vapeur traversera celui-ci sans être condensée, ce qui entraine une diminution de la hauteur de la colonne d'eau dans la conduite de retour 17. Ceci détermine une diminution de la pression statique provoquant la circulation et par conséquent aussi une diminution de la vitesse de circulation. La vitesse de formation de vapeur s'en trouve également réduite.
Il est évident que les variations de la quantité d'eau dans le cir- cuit fermé 32 provoquent des variations correspondantes de la quantité d'eau dans la cuve 36 et une circulation d'eau dans les deux sens dans le tuyau 34.
Si l'on suppose que le condenseur et le générateur sont remplies de vapeur, il est important d'empêcher une arri- vée illimitée d'une colonne homogène d'eau dans le serpentin générateur, car, dans le cas, contraire, une quantité consi- dérable d'eau arriverait dans le générateur et y serait brusquement évaporée, ce qui produirait l'effet d'une explo- sion avec oscillations vigoureuses et coups de bélier dans le système. Afin de réduire ces oscillation on dispose dans le tuyau 34 le petit étranglement 38 servant de butoir et, dans le même but, un autre petit étranglement 39 dans le tuyau 17.
Il est clair que dans le cas d'expansion du liquide dans le circuit fermé ce sera de l'eau et non de la vapeur
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qui pénétrera de ce circuit dans la conduite d'expansion 34, car celle-ci est branchée sur le coude 33 au point le plus bas du circuit 32.
Le dispositif suivant l'invention permet donc de porter l'eau dans le réservoir 10 à une température limitée à une valeur appropriée qui est ensuite maintenue sensible- ment constante. Dans un chauffe-eau pour usage domestique cette température est inférieure à celle de la vapeur con- densée, et à condition de ne pas retirer de l'eau du réser- voir 10 pendant un temps prolongé, la quantité de chaleur transmise à l'eau dans ce réservoir doit correspondre aux pertes par rayonnement si l'on veut empêcher la température de l'eau de dépasser la valeur voulue déterminée.
Suivant l'invention, ce réglage automatique de la température dans le réservoir est donc obtenu, comme exposé ci-dessus, en modifiant la vitesse de circulation dans le système fermé 32 en rapport avec le vitesse de condensation de la vapeur dans le serpentin 14.
La Fig. 2 représente une autre forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. On a constaté qu'il est utile de raccorder le tuyau d'expansion 34 au tuyau 17 près du réservoir 10. Cette disposition facilite, entre autres, le départ de l'air qui aurait pu pénétrer dans le système.
Afin de réduire le risque de pénétration de vapeur dans le tuyau d'expansion, le condenseur est construit de façon par- ticulière. La vapeur produite dans le serpentin 20 est con- duite vers le haut par le tuyau 15'; ce tuyau débouche à son extrémité supérieure au sommet d'un condenseur formé par un cylindre fermé 40a. Une cloison 41 subdivise le cylindre 40a en un compartiment supérieur 42 et un compartiment inférieur 43. La cloison 41 est percée d'une petite ouverture 44 fai-
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sant communiquer les deux compartiments. Le remplissage du circuit 32 peut être effectué au moyen d'un tuyau 18' dé- bouchant au sommet du compartiment 42. La circulation dans ce tuyau 18' est réglée au moyen d'un robinet 19' extérieur au réservoir 10.
L'eau froide est introduite dans le réservoir 10 par la conduite d'alimentation 12', et l'eau chaude est sou- tirée par le tuyau 11'.
Le vase d'expansion 36' communique avec la conduite de retour 17' par le tuyau 34' mais, comme le montre le dessin, ce tuyau 34' est branché sur le circuit fermé 32 en un point plus élevé que dans le dispositif suivant la Fig. 1, et l'étranglement 39' est disposé dans le tuyau 17' en-dessous de la jonction des tuyaux 17' et 34'. L'étranglement 39' em- pêche une arrivée trop rapide d'eau dans le générateur, que l'eau vienne du tuyau d'expansion ou de la partie inférieure du condenseur.
La cloison 41 et l'ouverture 44 sont destinées à empêcher la pénétration de vapeur dans le tuyau d'expansion 34'. Ce but est atteint par l'action retardatrice de l'ou- verture 44. On sait qu'un étranglement ne laisse passer qu'une quantité de vapeur dont le poids est en chiffres ronds, 0,03 du poids de l'eau qui traverserait le même étranglement sous la même différence de pression, en supposant que la va- peur se trouve à la température de 100 C et sous la pression sensiblement atmosphérique.
La vapeur produite dans le générateur 20 monte dans le tuyau 15' et refoule une certaine quantité d'eau dans le compartiment 42 du condenseur 40. Si l'eau dans le réservoir 10 est relativement froide, la condensation est peu importante.
La hauteur du niveau d'eau dans le compartiment 42 s'établit
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en fonction de la température de l'eau dans le réservoir 10, de façon que la vitesse de condensation dans la partie supé- rieure du compartiment, au-dessus du niveau d'eau, soit suf- fisante pour condenser la vapeur provenant du générateur 20.
A mesure que la température de l'eau dans le réservoir 10 augmente, la vitesse de condensation diminue. L'équilibre entre la production de vapeur et la condensation se maintient par suite de l'abaissement du niveau du liquide dans le com- partiment 42. Pour une certaine température de l'eau dans le réservoir 10 le niveau d'eau dans le compartiment 42 atteint la cloison 41, et si la température de l'eau dans le réser- voir 10 continue à monter, le niveau d'eau dans le condenseur tendra à descendre en-dessous de la cloison 41. Dans ce cas la partie supérieure du compartiment 43 renfermera également de la vapeur qui arrive par l'ouverture 44. Alors l'action retardatrice de l'ouverture 44 se manifeste et la vitesse de circulation dans le circuit 32 diminue,ce qui réduit la quan- tité de vapeur allant du générateur vers le condenseur.
De cette façon la transmission de chaleur est automatiquement ralentie.
La capacité de condensation du compartiment infé- rieur 43 du condenseur 40a doit être suffisante pour pouvoir condenser la totalité de la vapeur entrant par l'ouverture 44, de façon qu'il n'y ait pas de vapeur qui puisse pénétrer dans le tuyau 34'.
La Fig. 3 représente schématiquement un autre dis- positif dans lequel le tuyau d'expansion 34 est raccordé au tuyau de retour 17 au voisinage immédiat du condenseur 14.
Pour éviter la pénétration de vapeur dans le vase 36, unse- cond condenseur 14a est disposé à la partie inférieure du tuyau 34. Si la vapeur pénétrait dans le tuyau 34, elle serait
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condensée dans le condenseur 14a, en cédant sa chaleur à l'eau dans le réservoir 10.
Un autre avantage de ce dispositif consiste en ce que l'air qui pourrait pénétrer dans le système, par exemple par dissolution dans l'eau, serait accumulé dans J.e conden- seur 14 ou il se mélangerait à la vapeur et réduirait la vitesse de condensation. Si la température dans le réservoir 10 est élevée, la vapeur ne peut être entièrement condensée dans le condenseur 14, ce qui permet à la vapeur mélangée à de l'air de pénétrer dans les tuyaux 17 et 34. De ce fait la vapeur et l'air montent vers le condenseur 14a où la va- peur est condensée. L'air continue à monter dans le tuyau 34 et quitte le système dans la cuve 36. De cette façon l'air est constamment évacué automatiquement du système, ce qui assure une transmission continue de chaleur.
Sur la Fig. 3, 20 désigne le générateur raccordé à la conduite de retour 17 et à la conduite à vapeur 15.
Le tuyau d'expansion 34 comporte un étranglement 38,et un autre étranglement 39 est disposé dans la partie la plus basse de la conduite d'eau de condensation 17. Ces étranglements poursuivent le même but que ceux décrits avec référence aux Figs. 1 et 2.
La Fig. 4 montre, à échelle plus grande, une partie d'un appareil de type commercial. Dans le dispositif suivant cette Fig. 4, le condenseur 14a est encore du type à.serpen- tin comme dans le cas de la Fig. 1, et il est disposé au fond d'un réservoir 10a muni d'un tuyau de distribution 11a et d'un tuyau d'alimentation 12a.
Le serpentin 14a se compose d'une partie supérieure 14b et d'une partie inférieure 14c, et la partie du tuyau d'amenée de vapeur 15a située à l'intérieur du réservoir est
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utilement isolée au moyen d'un manchon 45 entourant le tube 15a à une certaine distance, afin de laisser entre les tu- bes un espace isolant 46. Cette disposition a pour effet de réduire la condensation de vapeur aux endroits du système où le condensat pourrait retourner par le tuyau d'amenée 15a.
Les deux parties 14b et 14c du condenseur sont réunies au moyen d'un étranglement 47 qui se compose, au lieu d'une seule ouverture, d'un certain nombre d'ouvertures disposées en série et maintenues, dans la forme de réalisa- tion représentée, dans la position voulue à l'intérieur du manchon 16a au moyen d'un bouchon 48 et d'un ressort 49.
A la partie supérieure du condenseur, l'air est évacué par le tuyau 18a dans lequel la circulation d'air peut être limitée au moyen d'un robinet extérieur comme le montre la Fig. 1, ou au moyen d'un bouchon amovible 50. Un autre tuyau 18b assure utilement l'évacuation d'air de la partie inférieure 14c du condenseur. Ce tuyau peut également être obturé au moyen d'un robinet extérieur ou d'un bouchon amo- vible 51.
Entre l'extrémité de la partie 14c du condenseur par laquelle s'écoule le condensat, et la conduite de re- tour 17a est également disposé un étranglement 52 qui est amovible et est maintenu en place au moyen du bouchon 53 et du ressort 54.
Le tuyau d'expansion 34a venant de la cuve 36a est raccordé au circuit fermé au-dessus de l'étranglement 52.
Le tuyau d'amenée 15a et le tuyau de retour 17a sont raccor- dés à un générateur qui présente utilement la forme indiquée sur la Fig. 1. La partie restante du circuit fermé 32 est schématiquement représentée en 55.
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D'une façon générale, le fonctionnement de ce dis- positif est le même qùe celui du dernier dispositif précé- demment décrit. L'étranglement 47 oppose la résistance né- céssaire à la circulation de vapeur en un point quelconque entre les extrémités du condenseur, de sorte que, si la vi- tesse de condensation est faible, la vapeur traversant l'é- tran glement est condensée dans la partie inférieure 14c du condenseur. L'étranglement 52 oppose la résistance nécessaire pour empêcher l'arrivée trop rapide d'eau dans le générateur, ce qui évite les coups de bélier qui seraient causés dans le dispositif par une production locale trop rapide de va- peur dans le générateur.
La pratique a montré que si l'appareil est réalisé de façon satisfaisante, la différence de pression ou de ni- veau du liquide, qui maintient la circulation dans le système, peut être atteinte au moyen d'une colonne de liquide d'envi- ron 0,08 m. de hauteur (en supposant que le liquide en cir- culation soit de l'eau), l'étranglement du circuit fermé étant dimensionné de façon à ne laisser passer, à la pression exis- tante, qu'un poids de vapeur négligeable par rapport au poids du liquide qui peut traverser cet étranglement. Si l'on donne à l'étranglement la forme d'une petite ouverture percée dans un disque, une ouverture de 0,06 mm. assure un fonctionnement satisfaisant, car cette ouverture ne laisse passer que 3% du poids du fluide qui la traverserait à l'état liquide.
Mais au lieu d'une seule ouverture de très petite diamètre on peut utiliser, comme le montre la Fig. 4, une série de six ouver- tures de 1,2 mm. qui produisent le même effet retardateur.
Suivant les conditions, le tuyau d'expansion peut communiquer ou non avec l'atmosphère, et il est évident que la conduite d'expansion ne doit pas consister nécessairement
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en un tuyau et un vase indépendant, mais peut être formée par un tuyau seul, à condition que celui-ci ait une capacité suffisante pour permettre l'expansion nécessaire.
Si le fluide transmetteur de chaleur est de l'eau, le liquide dans la conduite d'expansion est utilement recou- vert d'une couche d'un liquide moins dense, par exemple d'huile, ce qui permet d'éviter l'évaporation de l'eau et empêche l'absorption d'air par celle-ci.
Lorsque la température à laquelle on désire porter la substance considérée dépasse celle de l'ébullition du fluide transmetteur de chaleur à la pression atmosphérique, le point d'ébullition du fluide peut être augmenté en met- tant le fluide sous pression, et à cet effet on raccorde la conduite d'expansion qui, dans ce cas, est isolée de l'at- mosphère, à une source de pression. Une variation de la pres- sion à laquelle est exposé le fluide transmetteur de chaleur peut également être obtenue en modifiant la hauteur de la colonne liquide dans la conduite d'expansion.
Il ressort de la description ci-dessus, que l'in- vention permet de réaliser un réglage automatique de la vi- tesse de transmission de chaleur à un milieu à chauffer, en fonction de la température de ce milieu, et sans recourir à aucun mécanisme régulateur, de sorte que le dispositif of- fre le grand avantage de permettre la suppression des ther- mostats et autres appareils sujets aux dérangements.
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