EP0890803B1 - Chauffe-eau à contact direct à double chambre - Google Patents

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EP0890803B1
EP0890803B1 EP97401618A EP97401618A EP0890803B1 EP 0890803 B1 EP0890803 B1 EP 0890803B1 EP 97401618 A EP97401618 A EP 97401618A EP 97401618 A EP97401618 A EP 97401618A EP 0890803 B1 EP0890803 B1 EP 0890803B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
casing
burner
tank
lining
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97401618A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0890803A1 (fr
Inventor
Luc Mandeville
Michel Dallaire
Stephane Brunet
Pascal Bocherel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sofame Inc
Gaz Metro LP
Engie SA
Original Assignee
Sofame Inc
Gaz Metro LP
Gaz de France SA
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Filing date
Publication date
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Priority to FR9613417A priority patent/FR2749376B1/fr
Priority to DE69708076T priority patent/DE69708076T2/de
Priority to DK97401618T priority patent/DK0890803T3/da
Priority to EP97401618A priority patent/EP0890803B1/fr
Application filed by Sofame Inc, Gaz Metro LP, Gaz de France SA filed Critical Sofame Inc
Priority to CZ19972208A priority patent/CZ292754B6/cs
Priority to HU9701836A priority patent/HU219323B/hu
Priority to CA002229671A priority patent/CA2229671C/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/107—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using fluid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
    • F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
    • F28C3/06—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour

Definitions

  • the present invention relates to a direct contact water heater and more particularly a double section water heater comprising two hot springs; a first source of water at high temperature and a second source of hot water at a lower temperature.
  • a single or multiple burner or a single source of heat e.g. flue gases
  • US-A-5,293,861 describes such a burner arrangement, further comprising a second heat source, different from the burner associated with the water heater and mounted at the base of the housing, and constituted by a external source of hot gases recovered from external devices.
  • a second heat source different from the burner associated with the water heater and mounted at the base of the housing, and constituted by a external source of hot gases recovered from external devices.
  • One aspect of the invention is to provide a contact water heater direct with double sections of hot water tank, water in said tanks being heated by a single burner or burners multiple and / or external heat sources (including hot gases from other devices).
  • Another aspect of the present invention is to provide a water heater direct contact with double sections of water tank hot, the water in it being at different temperatures, characterized by what each of the sections is placed side by side to obtain accommodation compact water heater.
  • Another aspect of the present invention is to provide a water heater direct contact with double sections of hot water tank stacked vertically on top of each other for cooling efficient at flue gases rising through the sections before exit at the top of the accommodation.
  • Another aspect of the present invention is to provide a water heater direct contact with double sections of hot water tank and using a submerged burner housing, which is used as a source of unique heat to heat the water that infiltrates through the linings associated with each section of the water heater.
  • Another aspect of the present invention is to provide a water heater in direct contact with double sections of hot water tank, comprising a second source of hot gases from an external system, connected to the first or second section of the water heater.
  • Another aspect of the present invention is to provide a water heater direct contact with double sections of water tank hot water producing two sources of hot water at temperatures different, characterized in that the efficiency of the water heater increases clearly depending on the temperature of the intake water supplied to sections connected in a closed loop or an open loop provided with external heat exchange devices.
  • the present invention provides a direct contact water heater having the characteristics according to claim 1.
  • the water heater 10 includes a housing 11 comprising a first water spray nozzle 12 placed above a first lining 13 of heat exchange elements, not illustrated but obvious to those skilled in the art, maintained in an upper section or second B, identified by the reference number 14, of the housing Le lining 13 is retained in this section at a location predetermined by a support means 15, in particular an appropriate grid fixed all around of the inner surface of the circular wall 11 'of the housing.
  • An exhaust gas line 16 is located at the end of the upper part B of the housing to allow hot gases to escape cooled produced by a burner 17 located at the lower part A illustrated by the reference number 18, and constituting the high temperature portion of the water heater 10.
  • the burner 17 is connected to the wall 11 'of the housing 11 and is arranged to heat the water in a first water tank 19 of the lower part A of the housing 11.
  • the burner 17 produces a flame 17 'in a region 20 of the lower part 18, above of the first tank 19.
  • the burner 17, as illustrated, is a burner with natural gas capable of heating the water seeping into the lower part of the first tank 19, at temperatures sufficient for use in heating systems of large buildings, especially hotels, hospitals, etc.
  • a second lining 21 of heat exchange elements is placed above the first water tank 19 and is further maintained in this place by a support means 22.
  • the lower part 18, or at least the part containing the burner 17, can be constructed with a double wall such as illustrated in 23 to constitute a water cooling jacket around the burner compartment 10.
  • a water spray nozzle 24 is also fixed above the second lining 21 to spray the water towards the low on the second lining 21 so as to heat the water by contact with the heat exchange elements and with the ascending hot gases produced by the flame 17 '.
  • a second water tank 25 is associated with the upper part B and consists of an intermediate wall 26 fixed so circumferential on the internal surface of the wall 11 '. It has a central pipe 27 and a cap 28 which is arranged spaced above of line 27 so as to allow hot gases to rise from the part A which rise through the second water tank 25 of part B to heat the water which circulates through the lining 13 and which is sprayed by the spray nozzle 12.
  • the cap 28 prevents water flowing by gravity through the upper packing 13, to enter the part hot lower part of the burner.
  • the gases which rise from the hot part A, illustrated by the arrows 29, are in the form of hot vapor which condenses by rising through the lining 13 and through the cooler water (less hot) sprayed from the upper nozzle 12.
  • this hot steam condenses and flows from below to the second tank 25. Consequently, the water present in the lower tank 19 is at a temperature much higher than that of the water in the upper tank 25 because the single source of heat is arranged in the lower part A of the housing and cools down as it rises through the lower lining 21 and the upper lining 13, same as through the water sprayed through the spray nozzles.
  • the water sprayed in the hot part particularly by the spray nozzle 24 may be at a temperature of around 60 ° C, while the water entering the upper part through the nozzle 12 can be at a temperature of around 6 ° C.
  • the gases that exit through the line 16 are cooled to a temperature below about 38 ° C (37.7 ° C in particular), thus ensuring very efficient operation.
  • the water present in the hot part 18 and in the first tank 19 can be used for applications industrial and, as illustrated, this hot water recirculates in a circuit closed 30 through a heat exchange device 31 by means of a pump 32 connected to the closed circuit 30.
  • a pump 32 connected to the closed circuit 30.
  • the water is cooled by heat exchange with the fluid which enters the heat exchange device 31 through an inlet 33.
  • This cooled hot water comes out of outlet 34 directly connected to the nozzle of water spray 24 where it is sprayed and heated to a temperature upper as it flows through the packing, the hot gases ascending and the flame 17 '.
  • the water entering the heat exchange device 31 can be at a temperature of about 74 ° C and heats up in the heat exchange device 31 thanks to the water from the hot water tank 19 for leaving said heat exchange device, at an outlet 35, at a temperature of about 85 ° C.
  • the water from the tank 25 also recirculates by means of a pump 32 'in a closed circuit 36 through a heat exchange device 37, and returns to the nozzle of spraying 12 through line 34 '.
  • This water is at a temperature lower and can be used as a heat source to heat water domesticated.
  • domestic water can be kept in a tank (not shown).
  • Hot water from the tank enters the exchanger heat 37 at an inlet 38 at a temperature of about 10 ° C and will come out at an outlet 39 at a temperature of about 60 ° C.
  • the hot water of the circuit closed 36 which leaves the heat exchange device 37 is sent to the spray nozzle 12 and is typically found at a temperature about 15.5 ° C. This cooled water is sufficient to cool the gases hot which rise through the lining 13, this allowing the water heater 10 double section to obtain an efficiency of about 95% using a single burner or multiple burners 17.
  • the fresh water supplied by the city illustrated in 25 'can also be supplied to the spray nozzle 12 by closing a 25 "valve and opening a valve 26 '. Hot water can then be sent to the pipe outlet 36 'by opening a 36 "valve, and be used for applications industrial or commercial.
  • the contact water heater 10 direct and to two sections of the present invention can also be connected to a secondary heat source 45.
  • a secondary heat source 45 In the present case of FIGS. 2a and 2b, it this is a kettle located in a remote location, so as to recover hot gases from the kettle which are normally at temperatures about 315.5 ° C, and reinsert them into double water heaters section.
  • an outlet 46 for recovering gas hot is provided in the wall 11 'of the housing 11 and communicates with a space 47 located above the water tank 25 and under the first lining 13.
  • the hot gases rising through this space 47 and produced by burner 17 are at a temperature of about 77 ° C and saturated in water vapor. Therefore, the secondary source of hot gases will cause so that the temperature of the water flowing through the packing 13 will rise and cause the temperature of the water in tank 25 to rise upper part B.
  • an outlet 46 'for recovering gases hot is provided in the wall 11 'of the housing 11 and communicates with a space 47 'located above the water tank 19 and under the lining 21.
  • Figure 3 is another version of the external system recovery of hot gases according to which the gas inlet 46 is illustrated here as being connected to the wall 11 'of the housing 11 but communicates with a space 20 above the first water tank 19 of the lower part A.
  • FIG 4 we illustrate another construction of the housing 111 of the water heater 10 in direct contact with the present invention.
  • the two parts 114 and 118 are arranged side by side so that the height of the housing 111 is reduced by considerably. This may be desirable depending on the location in which accommodation must be provided.
  • the lower part of the first part 114 constitutes the water tank 125 placed under a lining 113.
  • the spray nozzle 112 is placed above the packing 113 and under an exhaust pipe 116.
  • a passage communicating 48 is provided between region 49 located above reservoir 125 and the end upper 50 of the second part 118 in the vicinity of the nozzle of water spray 124.
  • the water tank 119 in part 118 is located at the base of part 118 and under lining 121.
  • a burner housing 120 is introduced into the tank 119 and we immerse it at least partially in the latter. As illustrated in Figures 5 and 6, the burner 117 produces a flame 117 'inside the housing 120 for heating the water surrounding housing 120.
  • the burner housing 120 is provided with an outlet exhaust 54 located above the high water level present at the interior of the tank 119, allowing the discharge of hot gases to from the burner chamber 120, as illustrated by the arrows 55.
  • the output exhaust 54 is formed at one end of a vertical section 57 of duct of the housing 120, the exhaust orifice 54 being in the form a side opening located opposite the open region 58 above the water present in the tank 119. Because the gases discharged through the orifice exhaust 54 are very hot, it is necessary to cool the section vertical pipe 57 and deflecting the rising gases towards the droplets of water which escape by gravity from the lining 121. Consequently, one thus obtains a gas cooling structure.
  • the gas cooling structure is provided by the wall upper 59 of the vertical pipe defining an open basin 60 at its upper part and extending in 60 'around the walls to accumulate the water droplets 63 which flow downwards from the lining 121 to cool the top wall 59.
  • deflection plates 61 and 62 are placed so as to direct the escaping hot gases, as this is represented by the arrow 55, upwards towards the second lining, to cool these hot gases by heat exchange with the water droplets 63 which come from the lining 121.
  • the deflection plate 62 is arched and more narrower than the exhaust port 54 to deflect the gases upward and next to.
  • Another deflection plate 64 is provided on each side of the base of the plate 62 to ensure another deflection of the hot gases towards the up and to the sides.
  • These deflection plates 62 and 64 are fixed to the housing 120 of the burner, as illustrated in FIG. 6.
  • the deflection plate 62 is fixed along the upper edge of the outlet orifice 54 to send the hot gases against the deflection plate 62 in order to disperse the gases, as shown by arrow 55.
  • part A is the part producing high temperature water and using a gas burner to give the energy necessary for the production of water at high temperature.
  • the part B is used to recover the energy present in the gases which rise from part A and this produces hot water which is sufficient for constitute a source of hot water capable of heating the tap water supplied by the municipality in proportion to the energy available in the gases warm, and keep them inside the tank 25 of part B.
  • the energy available in part B is a function of the gas temperature of conduct.
  • FIG 7 shows the efficiency curve 70 of the double section water heater of the present invention compared with that of a direct contact water heater with single hot water tank 71.
  • the efficiency curve 72 of the hot part A of the double burner we have also shown the efficiency curve 72 of the hot part A of the double burner and we can note that the effectiveness of this part A considered independently falls quickly once the temperature of the inlet water, i.e. the water to the spray nozzle 24, is above 60 ° C.
  • the combination with part B allows the water heater to increase its efficiency above 90% with the parameters illustrated in table 1.
  • the water heater 10 when it is in "summer", does not require high temperature water from the lower part A to heat buildings.
  • the water in tank 19 can recirculate directly to the spray nozzle 24, through the circuit 30 'diversion, to produce saturated hot gases which will rise to through part B to give heat to the hot spring domesticated.
  • the same effect could be achieved by simply closing the fluid circulation on the secondary side of the heat exchanger 31 (entry 33 and exit 35).

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Description

La présente invention concerne un chauffe-eau à contact direct et plus particulièrement un chauffe-eau à double section comportant deux sources d'eau chaude ; une première source d'eau à température élevée et une seconde source d'eau chaude à une température inférieure. On chauffe l'eau présente dans le réservoir avec un brûleur simple ou multiple ou une source unique de chaleur (par exemple des gaz de combustion) et on la recircule dans une boucle fermée avec ou sans un dispositif d'échange de chaleur externe associé à cette dernière. On obtient ainsi une augmentation de l'efficacité, qui est fonction de la température de l'eau recirculée vers des dispositifs d'injection qui injectent de nouveau l'eau chaude refroidie dans les deux sections du chauffe-eau pour réchauffer et refroidir les gaz chauds ascendants produits par le brûleur et/ou pénétrant dans l'unité.
On connaít des chauffe-eau à contact direct comprenant :
  • un logement,
  • un premier circuit fermé de refroidissement comprenant un premier ajutage de pulvérisation d'eau, ledit ajutage étant disposé dans ledit logement pour pulvériser de l'eau à chauffer en direction descendante sur un premier garnissage d'éléments d'échange de chaleur retenu dans une région dudit logement par un moyen de support,
  • une conduite de gaz d'échappement en communication avec une partie supérieure dudit logement,
  • un premier réservoir d'eau présent à l'intérieur dudit logement,
  • un brûleur relié à une partie inférieure dudit logement et agencé pour chauffer de l'eau dans le premier réservoir d'eau,
  • un second garnissage d'éléments d'échange de chaleur maintenu espacé au-dessus dudit premier réservoir d'eau par un moyen additionnel de support.
Le brevet US-A-5 293 861 décrit un tel arrangement de brûleur, comprenant en outre une deuxième source de chaleur, différente du brûleur associé au chauffe-eau et monté à la base du logement, et constituée par une source externe de gaz chauds récupérés à partir de dispositifs externes. Cependant, on s'est rendu compte que l'efficacité du chauffe-eau à contact direct de ce type diminuait de façon drastique une fois que la température de l'eau d'admission, que l'on relâche habituellement à travers un ajutage de pulvérisation au sommet du logement, dépasse 60°C. Ceci limite donc l'utilisation des chauffe-eau à contact direct destinés à donner une source d'eau très chaude de façon efficace.
Un aspect de l'invention est de proposer un chauffe-eau à contact direct comportant des sections doubles de réservoir d'eau chaude, l'eau dans lesdits réservoirs étant chauffée par un brûleur unique ou des brûleurs multiples et/ou des sources externes de chaleur (notamment des gaz chauds de combustion provenant d'autres dispositifs).
Un autre aspect de la présente invention est de prévoir un chauffe-eau à contact direct comportant des sections doubles de réservoir d'eau chaude, l'eau qui s'y trouve étant à différentes températures, caractérisée en ce que chacune des sections est placée côte à côte pour obtenir un logement compact de chauffe-eau.
Un autre aspect de la présente invention est de prévoir un chauffe-eau à contact direct possédant des sections doubles de réservoir d'eau chaude empilées à la verticale les unes sur les autres et assurant un refroidissement efficace aux gaz de combustion qui montent à travers les sections avant de sortir au sommet du logement.
Un autre aspect de la présente invention est de prévoir un chauffe-eau à contact direct possédant des sections doubles de réservoir d'eau chaude et utilisant un logement de brûleur immergé, qui est utilisé comme source de chaleur unique pour chauffer l'eau qui s'infiltre à travers les garnissages associés avec chacune des sections du chauffe-eau.
Un autre aspect de la présente invention est de prévoir un chauffe-eau à contact direct avec des sections doubles de réservoir d'eau chaude, comportant une seconde source de gaz chauds à partir d'un système externe, reliée à la première ou seconde section du chauffe-eau.
Un autre aspect de la présente invention est de prévoir un chauffe-eau à contact direct comportant des sections doubles de réservoir d'eau chaude produisant deux sources d'eau chaude à des températures différentes, caractérisée en ce que l'efficacité du chauffe-eau augmente nettement en fonction de la température de l'eau d'admission fournie aux sections reliées dans une boucle fermée ou une boucle ouverte munie de dispositifs externes d'échange de chaleur.
Selon les aspects mentionnés ci-dessus, dans son sens large, la présente invention prévoit un chauffe-eau à contact direct présentant les caractéristiques suivant la revendication 1.
Une réalisation préférée de la présente invention sera maintenant décrite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
  • la figure 1 est un schéma simplifié illustrant un chauffe-eau à contact direct avec des sections doubles de chauffage d'eau et des réservoirs d'eau doubles chacun comportant des circuits en boucle fermée de recirculation associés respectivement avec un échangeur de chaleur, chaque section de chauffe-eau étant placée l'une sur l'autre dans un logement vertical allongé de forme cylindrique ;
  • les figures 2A et 2B sont des schémas illustrant une source externe de chaleur reliée aux première et seconde sections du chauffe-eau à double section ; la figure 3 est une autre vue schématique montrant les gaz chauds provenant d'une source externe reliée à la première section du chauffe-eau à double section ;
  • la figure 4 est un schéma illustrant une autre version de la chambre du chauffe-eau dans laquelle les sections sont situées côte à côte pour obtenir un chauffe-eau à hauteur réduite ;
  • la figure 5 est un schéma illustrant une chambre de combustion immergée, associée avec le réservoir d'eau de la première section du chauffe-eau à double section ;
  • la figure 6 est une vue simplifiée, comme la figure 5, illustrant une extrémité de la chambre de combustion ; et
  • la figure 7 est un graphique illustrant le rendement du chauffe-eau à double section de la présente invention en comparaison avec un chauffe-eau à contact direct avec réservoir d'eau chaude unique.
    • En se référant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1, on voit généralement en 10 le chauffe-eau à contact direct et à double section de la présente invention. Le chauffe-eau 10 comprend un logement 11 comportant un premier ajutage de pulvérisation d'eau 12 placé au-dessus d'un premier garnissage 13 d'éléments d'échange de chaleur, non illustré mais évident pour l'homme de l'art, maintenu dans une section supérieure ou seconde B, identifiée par le numéro de référence 14, du logement Le garnissage 13 est retenu dans cette section en un endroit prédéterminé par un moyen de support 15, notamment un grillage approprié fixé tout autour de la surface intérieure de la paroi circulaire 11' du logement.
    Une conduite 16 de gaz d'échappement est situé à l'extrémité de la partie supérieure B du logement afin de laisser échapper les gaz chauds refroidis produits par un brûleur 17 situé à la partie inférieure A illustrée par le chiffre de référence 18, et constituant la portion haute température du chauffe-eau 10. Tel qu'illustré dans les dessins, le brûleur 17 est relié à la paroi 11' du logement 11 et est agencé pour chauffer l'eau dans un premier réservoir d'eau 19 de la partie inférieure A du logement 11. Le brûleur 17 produit une flamme 17' dans une région 20 de la partie inférieure 18, au-dessus du premier réservoir 19. Le brûleur 17, tel qu'illustré, est un brûleur à gaz naturel apte à chauffer l'eau s'infiltrant dans la partie inférieure du premier réservoir 19, à des températures suffisantes pour une utilisation dans des systèmes de chauffage de grands édifices, notamment les hôtels, les hôpitaux, etc. Un second garnissage 21 d'éléments d'échange de chaleur est placé au-dessus du premier réservoir d'eau 19 et est de plus maintenu en cet endroit par un moyen de support 22. La partie inférieure 18, ou au moins la partie renfermant le brûleur 17, peut être construite à double paroi telle qu'illustrée en 23 pour constituer une jaquette de refroidissement d'eau autour du compartiment du brûleur 10. Un ajutage de pulvérisation d'eau 24 est aussi fixé au-dessus du second garnissage 21 pour pulvériser l'eau vers le bas sur le second garnissage 21 de façon à chauffer l'eau par contact avec les éléments d'échange de chaleur et avec les gaz chauds ascendants produits par la flamme 17'.
    Un second réservoir d'eau 25 est associé avec la partie supérieure B et est constituée d'une paroi intermédiaire 26 fixée de façon circonférentielle sur la surface interne de la paroi 11'. Il est muni d'une conduite centrale 27 et d'un capuchon 28 lequel est disposé espacé au-dessus de la conduite 27 de façon à permettre l'ascension de gaz chauds depuis la partie A qui s'élèvent à travers le second réservoir d'eau 25 de la partie B pour chauffer l'eau qui circule à travers le garnissage 13 et qui est pulvérisée par l'ajutage de pulvérisation 12. Le capuchon 28 empêche l'eau qui circule par gravité à travers le garnissage supérieur 13, d'entrer dans la partie inférieure chaude du brûleur. Les gaz qui s'élèvent de la partie chaude A, illustrés par les flèches 29, sont sous forme de vapeur chaude qui se condense en s'élevant à travers le garnissage 13 et a travers l'eau plus froide (moins chaude) pulvérisée a partir de l'ajutage supérieur 12. De plus, cette vapeur chaude se condense et circule par le bas jusque dans le second réservoir 25. Par conséquent, l'eau présente dans le réservoir inférieur 19 est à une température bien supérieure à celle de l'eau qui se trouve dans le réservoir supérieur 25 parce que la source unique de chaleur est disposée dans la partie inférieure A du logement et se refroidit à mesure qu'elle s'élève à travers le garnissage inférieur 21 et le garnissage supérieur 13, de même qu'à travers l'eau pulvérisée par les ajutages de pulvérisation. Typiquement, l'eau pulvérisée dans la partie chaude particulièrement par l'ajutage de pulvérisation 24 peut se situer à une température d'environ 60°C, tandis que l'eau qui pénètre dans la partie supérieure à travers l'ajutage 12 peut se situer à une température d'environ 6°C. Les gaz qui sortent par la conduite 16 sont refroidis jusqu'à une température inférieure à environ 38°C (37,7°C en particulier), assurant ainsi un fonctionnement très efficace.
    Tel que décrit ci-dessus, l'eau présente dans la partie chaude 18 et dans le premier réservoir 19 peut être utilisée pour des applications industrielles et, telle qu'illustrée, cette eau chaude recircule dans un circuit fermé 30 à travers un dispositif d'échange de chaleur 31 au moyen d'une pompe 32 reliée au circuit fermé 30. A une sortie 34 du dispositif d'échange de chaleur 31, l'eau s'est refroidie par échange de chaleur avec le fluide qui pénètre dans le dispositif d'échange de chaleur 31 par une entrée 33. Cette eau chaude refroidie sort par la sortie 34 directement relié à l'ajutage de pulvérisation d'eau 24 où elle est pulvérisée et chauffée à une température supérieure pendant qu'elle circule à travers le garnissage, les gaz chauds ascendants et la flamme 17'. Tel qu'illustré, l'eau qui pénètre dans le dispositif d'échange de chaleur 31 peut être à une température d'environ 74°C et s'échauffe dans le dispositif 31 d'échange de chaleur grâce à l'eau du réservoir 19 d'eau chaude pour sortir dudit dispositif d'échange de chaleur, à une sortie 35, à une température d'environ 85°C.
    Dans la partie supérieure plus froide 14 du logement 11, l'eau du réservoir 25 recircule aussi au moyen d'une pompe 32' dans un circuit fermé 36 à travers un dispositif d'échange de chaleur 37, et retourne à l'ajutage de pulvérisation 12 par la canalisation 34'. Cette eau est à une température inférieure et peut être utilisée comme source de chaleur pour chauffer l'eau domestique. Typiquement, l'eau domestique peut être gardée dans un réservoir (non illustré). L'eau chaude du réservoir pénètre dans l'échangeur de chaleur 37 à une entrée 38 à une température d'environ 10°C et va sortir à une sortie 39 à une température d'environ 60°C. L'eau chaude du circuit fermé 36 qui sort du dispositif d'échange de chaleur 37 est envoyée à l'ajutage de pulvérisation 12 et se retrouve typiquement à une température d'environ 15,5°C. Cette eau refroidie est suffisante pour refroidir les gaz chauds qui s'élèvent à travers le garnissage 13, ceci permettant au chauffe-eau 10 à double section d'obtenir une efficacité d'environ 95 % en utilisant un brûleur simple ou des brûleurs multiples 17.
    L'eau fraíche fournie par la ville illustrée en 25' peut aussi être alimentée à l'ajutage de pulvérisation 12 en fermant une valve 25" et en ouvrant une valve 26'. L'eau chaude peut ensuite être envoyée à la conduite de sortie 36' en ouvrant une valve 36", et être utilisée pour des applications industrielles ou commerciales.
    Tel qu'illustré en figures 2a, 2b et 3, le chauffe-eau 10 à contact direct et à deux sections de la présente invention peut aussi être relié à une source de chaleur secondaire 45. Dans le cas présent des figures 2a et 2b, il s'agit d'une bouilloire située dans un endroit éloigné, de façon à récupérer les gaz chauds de la bouilloire qui sont normalement à des températures d'environ 315,5°C, et les introduire de nouveau dans chauffe-eau à double section.
    Tel qu'illustré en figure 2a, une sortie 46 de récupération de gaz chauds est prévue dans la paroi 11' du logement 11 et communique avec un espace 47 situé au-dessus du réservoir d'eau 25 et sous le premier garnissage 13. Typiquement, les gaz chauds ascendants à travers cet espace 47 et produits par le brûleur 17 sont à une température d'environ 77°C et saturés en vapeur d'eau. Par conséquent, la source secondaire de gaz chauds fera en sorte que la température de l'eau qui circule à travers le garnissage 13 s'élèvera et fera augmenter la température de l'eau dans le réservoir 25 à la partie supérieure B.
    Tel qu'illustré en figure 2b, une sortie 46' de récupération des gaz chauds est prévue dans la paroi 11' du logement 11 et communique avec un espace 47' situé au-dessus du réservoir d'eau 19 et sous le garnissage 21.
    La figure 3 est une autre version du système externe de récupération de gaz chauds selon lequel l'entrée de gaz 46 est ici illustrée comme étant reliée à la paroi 11' du logement 11 mais communique avec un espace 20 au-dessus du premier réservoir d'eau 19 de la partie inférieure A.
    En se référant maintenant à la figure 4, on illustre une autre construction du logement 111 du chauffe-eau 10 à contact direct de la présente invention. Telles qu'illustrées, les deux parties 114 et 118, sont disposées côte à côte de sorte que la hauteur du logement 111 est réduite de façon considérable. Ceci peut être désirable dépendant de l'endroit dans lequel le logement doit être prévu. Telle qu'illustrée, la partie inférieure de la première partie 114 constitue le réservoir d'eau 125 placé sous un garnissage 113. L'ajutage de pulvérisation 112 est placé au-dessus du garnissage 113 et sous une conduite d'échappement 116. Un passage communiquant 48 est prévu entre la région 49 située au-dessus du réservoir 125 et l'extrémité supérieure 50 de la deuxième partie 118 au voisinage de l'ajutage de pulvérisation d'eau 124. Le réservoir d'eau 119 de la partie 118 se situe à la base de la partie 118 et sous le garnissage 121. Afin d'économiser l'espace disponible, on introduit un logement à brûleur 120 dans le réservoir 119 et on l'immerge au moins en partie dans ce dernier. Tel qu'illustré dans les figures 5 et 6, le brûleur 117 produit une flamme 117' à l'intérieur du logement 120 pour chauffer l'eau entourant le logement 120.
    Tel qu'illustré, le logement 120 du brûleur est muni d'une sortie d'échappement 54 située au-dessus du haut niveau de l'eau présente à l'intérieur du réservoir 119, permettant le déversement de gaz chauds à partir de la chambre de brûleur 120, tel qu'illustré par les flèches 55.
    Comme on le voit mieux sur les figures 5 et 6, la sortie d'échappement 54 est constituée à une extrémité d'une section verticale 57 de conduite du logement 120, l'orifice d'échappement 54 étant ayant la forme d'une ouverture latérale située en face de la région ouverte 58 au-dessus de l'eau présente dans le réservoir 119. Parce que les gaz déversés par l'orifice d'échappement 54 sont très chauds, il est nécessaire de refroidir la section verticale 57 de conduite et de dévier les gaz montant vers les gouttelettes d'eau qui s'échappent par gravité du garnissage 121. En conséquence, on obtient ainsi une structure de refroidissement de gaz.
    La structure de refroidissement de gaz est assurée par la paroi supérieure 59 de la conduite verticale définissant un bassin ouvert 60 à sa partie supérieure et se prolongeant en 60' autour des parois pour accumuler les gouttelettes d'eau 63 qui circulent vers le bas à partir du garnissage 121 afin de refroidir la paroi supérieure 59. De plus, des plaques de déviation 61 et 62 sont placées de façon à diriger les gaz chauds qui s'échappent, comme cela est représenté par la flèche 55, vers le haut en direction du second garnissage, pour refroidir ces gaz chauds par échange de chaleur avec les gouttelettes d'eau 63 qui sont proviennent du garnissage 121.
    Telle qu'illustrée, la plaque de déviation 62 est arquée et plus étroite que l'orifice d'échappement 54 pour faire dévier les gaz vers le haut et de côté. Une autre plaque de déviation 64 est prévue de chaque côté de la base de la plaque 62 pour assurer une autre déviation des gaz chauds vers le haut et vers les côtés. Ces plaques de déviation 62 et 64 sont fixées au logement 120 du brûleur, tel qu'illustré en figure 6. La plaque de déviation 62 est fixée le long de l'arête supérieure de l'orifice de sortie 54 pour envoyer les gaz chauds contre la plaque de déviation 62 afin de disperser les gaz, comme cela est représenté par la flèche 55.
    On a construit le chauffe-eau à contact direct double 10 de la présente invention et on a évalué son efficacité thermique comme cela est représenté dans le tableau suivant qui donne des mesures obtenues à partir des parties A et B du chauffe-eau. Typiquement, la partie A est la partie produisant de l'eau à température élevée et utilise un brûleur à gaz pour donner l'énergie nécessaire à la production de l'eau à haute température. La partie B est utilisée pour récupérer l'énergie présente dans les gaz qui s'élèvent de la partie A et ceci produit de l'eau chaude qui est suffisante pour constituer une source d'eau chaude pouvant chauffer l'eau du robinet fournie par la municipalité en proportion avec l'énergie disponible dans les gaz chauds, et les maintenir à l'intérieur du réservoir 25 de la partie B. L'énergie disponible dans la partie B est fonction de la température des gaz de conduite.
    Le tableau 1 qui suit donne les résultats obtenus à partir d'un essai effectué sur un prototype de chauffe-eau construit selon la présente invention.
    Efficacité Thermique - Chauffe-eau à contact direct double
    Partie A
    Température de l'eau à l'ajutage (°C) 63,3 70,0 78,8 79,8
    Température des gaz de brûleur (°C) 67,2 72,8 80,9 81,6
    Eau déversée(ajutage) (gpm) 260 260 253 256
    Puissance (kW) 850 850 850 850
    Efficacité (%) 75 63 47 43
    Partie B
    Température de l'eau à l'ajutage (°C) 1,2 1,2 1,1 1,3
    Température des gaz de brûleur (°C) 11,2 14,8 24 35,2
    Eau déversée (ajutage) 25,5 29,5 32,5 29,5
    Efficacité (%) 99 96 100 93
    Efficacité totale (%) 99 99 99 96
    Note: le facteur d'air est 1,3.
    En se référant maintenant à la figure 7, on donne une comparaison des résultats obtenus avec le chauffe-eau à double section de la présente invention par rapport aux courbes théoriques obtenues pour un chauffe-eau à contact direct de l'art antérieur ayant un réservoir d'eau unique. La figure 7 montre la courbe d'efficacité 70 du chauffe-eau à double section de la présente invention comparée avec celle d'un chauffe-eau à contact direct avec réservoir d'eau chaude unique 71. Sur cette courbe on a aussi montré la courbe d'efficacité 72 de la partie chaude A du brûleur double et l'on pourra noter que l'efficacité de cette partie A considérée indépendamment tombe rapidement une fois que la température de l'eau d'entrée, c'est-à-dire l'eau à l'ajutage de pulvérisation 24, est au-dessus de 60°C. Cependant, la combinaison avec la partie B permet au chauffe-eau d'augmenter son efficacité au-dessus de 90 % avec les paramètres illustrés dans le tableau 1.
    On notera de plus que le chauffe-eau 10, lorsqu'il est en mode "été", ne requiert pas d'eau à haute température depuis la partie basse A pour chauffer les édifices. En conséquence, l'eau du réservoir 19 peut recirculer directement vers l'ajutage de pulvérisation 24, à travers le circuit de détournement 30', pour produire des gaz chauds saturés qui s'élèveront à travers la partie B pour donner de la chaleur à la source d'eau chaude domestique. Le même effet pourrait être obtenu en fermant simplement la circulation de fluide sur le côté secondaire de l'échangeur de chaleur 31 (entrée 33 et sortie 35).

    Claims (15)

    1. Chauffe-eau à contact direct (10) comprenant:
      un logement (11),
      un premier circuit fermé de refroidissement (36) comprenant un premier ajutage (12) de pulvérisation d'eau, ledit ajutage (12) étant disposé dans ledit logement (11) pour pulvériser de l'eau à chauffer en direction descendante sur un premier garnissage (13) d'éléments d'échange de chaleur retenu dans une région dudit logement (11) par un moyen de support (15),
      une conduite (16) de gaz d'échappement en communication avec une partie supérieure dudit logement (11),
      un premier réservoir d'eau (19) présent à l'intérieur dudit logement (11),
      un brûleur (17) relié à une partie inférieure dudit logement et agencé pour chauffer de l'eau dans le premier réservoir d'eau (19),
      un second garnissage (21) d'éléments d'échange de chaleur maintenu espacé au-dessus dudit premier réservoir (19) d'eau par un moyen additionnel de support (22),
      un second circuit fermé de refroidissement (30) comprenant un second ajutage (24) de pulvérisation d'eau, ledit ajutage (24) étant disposé dans ledit logement (11) au-dessus dudit second garnissage (21) pour pulvériser de l'eau en direction descendante sur ledit second garnissage (21),
      un second réservoir d'eau chaude (25) prévu dans ledit logement (11) dans une région située au-dessous dudit premier garnissage (13),
      un moyen de passage (27) permettant le passage des gaz chauds à partir dudit second garnissage (21) vers une région située au-dessus dudit second réservoir (25),
      un premier et un deuxième moyens de pompage (32', 32) associés respectivement avec le second (25) et le premier (19) réservoirs d'eau pour faire circuler l'eau chaude à partir de ces derniers respectivement au travers du premier circuit (36) et du second circuit (30) de refroidissement vers respectivement un premier (37) et un second (31) dispositifs externes d'échange de chaleur, chaque circuit de refroidissement (36, 30) et chaque dispositif externe d'échange de chaleur (37, 31) étant indépendant l'un de l'autre.
    2. Chauffe-eau selon la revendication 1, dans lequel lesdits premier et deuxième moyens de pompage (32, 32') sont des pompes à eau reliées entre leur propre réservoir d'eau (19, 25) et une extrémité des premier et second dispositifs externes d'échange de chaleur (31, 37) respectivement, une autre extrémité (34) des dispositifs externes d'échanges de chaleur (31, 37) étant reliée à leur propre premier (12) ou second (24) ajutage de pulvérisation d'eau de façon à ce que l'eau desdits réservoirs (19, 25) soit pompée à travers lesdits dispositifs externes d'échange de chaleur (31, 37) où la température s'abaisse et est ensuite pulvérisée sur leur propre garnissage (21, 13) où elle est réchauffée alors qu'elle circule vers le bas par gravité vers leur propre réservoir (19, 25).
    3. Chauffe-eau selon la revendication 2, dans lequel ladite eau dudit premier réservoir d'eau (19) est à une température supérieure à ladite eau dudit second réservoir (25), lesdits gaz chauds passant à travers ledit moyen de passage (27) assurant une source de gaz chauds pour chauffer lesdits éléments d'échange de chaleur dans ledit premier garnissage (13) et l'eau qui circule à travers ce dernier, ladite source de gaz chauds étant refroidie par ledit premier garnissage (13) et la première pulvérisation d'eau avant que cette dernière ne sorte par ladite conduite (16) de gaz d'échappement.
    4. Chauffe-eau selon la revendication 3, dans lequel on a aussi prévu une entrée (46) de gaz chauds de récupération dans une paroi dudit logement (11) en communication avec une région (47) entre ledit second réservoir d'eau (25) et ledit premier garnissage (13), permettant l'entrée d'un courant de chaleur secondaire dans ledit logement récupéré à partir d'un ou plusieurs dispositifs externes de chaleur (45).
    5. Chauffe-eau selon la revendication 3, dans lequel on a aussi prévu une entrée (46') de gaz chauds de récupération dans une paroi dudit logement en communication avec une région (47') sous le second garnissage (21) permettant l'entrée d'un courant de gaz secondaires chauds dans ladite chambre récupérés à partir d'un ou plusieurs dispositifs externes (45).
    6. Chauffe-eau selon la revendication 1, dans lequel ledit logement (11) est allongé, vertical et tubulaire, ledit premier ajutage de pulvérisation d'eau (12) étant placé au voisinage d'une extrémité supérieure dudit logement (11), ladite conduite (16) de gaz d'échappement communiquant avec ladite extrémité supérieure située au-dessus du premier ajutage de pulvérisation d'eau (12), ledit premier réservoir d'eau (19) étant constitué dans une partie inférieure dudit logement (11), le second garnissage (21) étant supporté de façon espacée au-dessus d'une partie supérieure dudit logement (11).
    7. Chauffe-eau selon la revendication 6, dans lequel ledit brûleur (17) est fixé audit logement (11) au-dessus dudit premier réservoir d'eau (19) et produit une flamme (17') dans une chambre (20) du brûleur (17) constituée entre ledit premier réservoir d'eau (19) et ledit second garnissage (21).
    8. Chauffe-eau selon la revendication 6, dans lequel ledit moyen de passage (27) est un passage communiquant s'étendant à travers ledit second réservoir d'eau (25) pour le passage de gaz chauds s'élevant dudit second garnissage (21) et produit par ledit brûleur (17).
    9. Chauffe-eau selon la revendication 6, dans lequel ladite source de gaz chauds sortant par ladite conduite (16) de gaz d'échappement est à une température inférieure à environ 38°C, ledit dispositif externe (31) d'échange de chaleur associé audit premier réservoir d'eau (19) chauffant l'eau par échange de chaleur avec l'eau chaude provenant dudit premier réservoir (19) à partir d'une température d'environ 71°C jusqu'à une température d'environ 85°C, ledit dispositif externe (37) d'échange de chaleur avec ledit second réservoir d'eau (25) chauffant l'eau par échange de chaleur avec l'eau chaude provenant dudit second réservoir (25) à partir d'une température d'environ 10°C et jusqu'à une température d'environ 60°C, ledit premier ajutage (12) d'eau assurant une pulvérisation d'eau à une température d'environ 15,5°C.
    10. Chauffe-eau selon la revendication 1, dans lequel ledit logement (111) est construit en deux parties (A et B), la première (A) et la seconde (B) partie étant disposées côte à côte, ledit premier ajutage (112) de pulvérisation d'eau étant fixé au voisinage d'une partie supérieure de ladite seconde partie (B) et le second réservoir d'eau (125) constitué à la base de la seconde partie (B), ledit premier garnissage (113) étant situé dans ladite seconde partie (B) entre ledit premier ajutage (112) de pulvérisation d'eau et ledit second réservoir (125), ledit second ajutage (124) de pulvérisation d'eau étant fixé au voisinage d'une partie supérieure de ladite première partie (A) et ledit premier réservoir d'eau (119) constitué à la base de la première partie (A) sous le second garnissage (121).
    11. Chauffe-eau selon la revendication 10, dans lequel ledit brûleur (117) est fixé à ladite première partie (A) au voisinage dudit premier réservoir d'eau (119), un logement (120) à brûleur dans ledit premier réservoir d'eau (119) immergé au moins en partie dans ce dernier, ledit brûleur (117) produisant une flamme (117') dans ledit logement (120) à brûleur, ledit logement (120) à brûleur comportant un orifice d'échappement (54) se prolongeant au-dessus d'un niveau élevé d'eau présent dans ledit premier réservoir (119) pour faire sortir les gaz chauds dudit logement (120) à brûleur.
    12. Chauffe-eau selon la revendication 1, dans lequel ledit brûleur (117) est fixé audit logement (111) au voisinage dudit premier réservoir d'eau (119), un logement (120) à brûleur dans ledit premier réservoir d'eau (119) immergé au moins en partie dans ce dernier, ledit brûleur (117) produisant une flamme (117') dans ledit logement (120) à brûleur, ledit logement (120) à brûleur comportant un orifice d'échappement (54) se prolongeant au-dessus d'un haut niveau d'eau présent dans ledit premier réservoir (119) pour faire sortir les gaz chauds dudit logement (120) à brûleur.
    13. Chauffe-eau selon la revendication 12, dans lequel ledit orifice d'échappement (54) est constitué par une extrémité dudit logement (120) à brûleur face audit brûleur (117) et comporte une conduite (57) verticale avec ouverture latérale en face d'une région ouverte (58) entre ledit premier réservoir d'eau (119) et ledit logement (120), et une structure de refroidissement de gaz associée avec ladite conduite (57) verticale et l'ouverture latérale.
    14. Chauffe-eau selon la revendication 13 dans lequel ladite structure de refroidissement de gaz est constituée par une paroi (59) supérieure de ladite conduite (57) et des plaques de déviation (61, 62, 64) placées pour diriger les gaz chauds vers le haut en direction dudit second garnissage (121) et pour recevoir les gouttelettes d'eau (63) qui circulent afin de refroidir ladite conduite et lesdites plaques de déviation (61, 62, 64).
    15. Chauffe-eau selon la revendication 14, dans lequel ledit orifice d'échappement (54) est disposé au voisinage d'une paroi (59) supérieure de ladite conduite (57) verticale, une plaque de déviation (62) arquée disposée devant ledit orifice d'échappement (54) est prévue pour dévier lesdits gaz chauds déchargés vers le haut sous forme dispersée.
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