EP0998650B1 - Dispositif de production d'eau chaude - Google Patents

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EP0998650B1
EP0998650B1 EP98939725A EP98939725A EP0998650B1 EP 0998650 B1 EP0998650 B1 EP 0998650B1 EP 98939725 A EP98939725 A EP 98939725A EP 98939725 A EP98939725 A EP 98939725A EP 0998650 B1 EP0998650 B1 EP 0998650B1
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EP
European Patent Office
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water
container
fire
burner
chamber
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP98939725A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0998650A1 (fr
Inventor
Pierre Lacaze
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.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Lacaze SA
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Lacaze SA
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Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN, Lacaze SA filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP0998650A1 publication Critical patent/EP0998650A1/fr
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a new device for producing water. hot, of the type comprising a burner, in particular a gas burner, maintaining a lively combustion in a combustion chamber.
  • Direct contact devices as described for example in GB patents 2 129 916 and EP 0 387 983. allow to reach remarkable transfer yields but they have several shortcomings. The most serious which considerably limits its development, lies in the very high level of carbon monoxide observed in the gases burns produced by this type of device. This rate generally of the order of 500 to 700 ppm remains in the best case greater than 150 to 200 ppm, which exceeds the rates authorized by most standards (habitat: rate less than 100 ppm in France).
  • the present invention proposes to provide a new device for production of hot water which allows the yields of transfer of direct contact devices without presenting any faults.
  • Dry combustion is obtained in the device of the invention by making and arranging the burner gas diffuser as defined in claim 1, so as to strictly prohibit any entry of water and any penetration of water vapor into the firebox.
  • Water and water vapor is discharged in the vicinity of the exhaust openings of the diffuser by an appropriate overpressure of the diffuser and the container-home.
  • the position of the diffuser and its openings creates in the vicinity of said openings an "air-lift" type network which eliminates the internal secondary circulation tending to form at the outlet of gas (so-called wake phenomenon), these secondary circulations producing a suction effect of the humid atmosphere from the enclosure to the combustion.
  • Complete combustion is obtained in the device of the invention by collecting the burnt gases at the end of the hearth container which is located opposite of the burner. These gases thus remained in the hearth container for a sufficient time for combustion to be complete.
  • the serving upstream of the diffuser which connects the hearth container to the diffusion portion extends this residence time and in some cases allows (gas burner propane in particular) to complete the combustion before the gas outlet burned in the compound.
  • Another object of the invention is to eliminate the defects of the direct contact devices from high corrosive atmosphere temperature to which the walls of the combustion in this type of device.
  • the internal volume of the container-hearths is in overpressure relative to the enclosure of the device of the fact that the lively combustion develops in a space confined (enclosed space connected to the diffuser but not widely open as is the case in known direct contact devices): thus, the water vapor in the enclosure does not tend to enter the or hearth containers.
  • the hearth container (s) are immersed in the water compartment provided at the bottom of the enclosure, so that their temperature remains low (of the order of 100 to 120 ° C): the walls of the hearth container (s) are not subject to severe corrosion stresses due, on the one hand, to their temperature moderate, on the other hand, their environment (liquid water on the external face and dry atmosphere on the inside).
  • the hearth container has a shape general cylindrical with a substantially horizontal axis, the upstream portion of the diffuser is ascending and the diffusion portion extends into the enclosure parallel to the axis of the firebox.
  • the diffusion portion of the diffuser comprises as an exhaust opening at least one longitudinal slot in its lower half.
  • the device may include a single hearth container associated with a single burner and single diffuser. II can also include a single firebox associated with several burners and a single diffuser or several diffusers. The device can also include several hearth containers each associated with one or more burners and one or more several diffusers.
  • each burner is a burner with air blast gas, of the nose-type type in which air and gas are brought separately to the burner nose so that the flame expands in the combustion chamber; said burner is subject to the outside of the enclosure with its nose opening at the entrance to the firebox to develop combustion along the horizontal axis thereof.
  • Such burner increases the overpressure inside the firebox and guarantees combustion in a dry atmosphere away from any trace of water vapor.
  • the burner, the hearth container and the diffuser constitute a one-piece assembly, removably mounted in an orifice of the enclosure wall.
  • the means of regulating the water level which are associated with water compartment are of any known type. They can in particular include solenoid valves mounted, on the one hand, on the means cold water supply, on the other hand, on the withdrawal means hot water, and a water pressure sensor arranged at the base of the water compartment for controlling said solenoid valves in view to adjust the feed and withdrawal rates in order to achieve a appropriate adjustment of the water level in said water compartment.
  • At least one layer of nodules heat transfer is advantageously interposed between the means of water spray and the burner gas diffuser (s).
  • This or these layers of nodules carry out additional heat transfer by downstream of the primary transfers already mentioned (exchange by direct contact drops of water / burnt gas; exchange by water conduction / container-hearth and possibly diffuser).
  • the burnt gases are thus discharged to a very low temperature (burnt gas / hot water difference, similar to that of known direct contact devices) which further increases the transfer efficiency.
  • the hot water production device in accordance with the invention can be brought, in certain applications, to recover the external smoke heat available to reduce the consumption of combustible gas at the burner.
  • the device according to the invention comprises at least one arrival of external smoke opening into the enclosure, above the water level H.
  • the device can include at least two layers of heat transfer nodules, the arrival of external smoke opening into the enclosure between said layers.
  • the hot water production device shown by way of example in Figure 1 comprises an enclosure 1 consisting of a tank thermally insulated, formed by a cylindrical wall 2 of vertical axis closed in the lower part by a bottom wall 3 and in the upper part by a wall 4 which converges upwards and is surmounted by an outlet duct from fumes 5.
  • a water supply duct cold 8 enters it; a solenoid valve 9 is mounted on this conduit to adjust the feed rate.
  • the supply duct 8 is bent to open along the axis vertical of the tank by water spray means 10 comprising a sprinkler nozzle suitable for pouring rainwater throughout the section of the tank.
  • This water falls on a layer of nodules 11 of known type, formed for example by a plurality of stainless steel rings having a large contact surface.
  • This layer has the function ensure additional cooling of the gases from the combustion and consequent warming of water flowing through it.
  • the bottom of the tank forms a water compartment 12 whose level H is regulated by means detailed below.
  • the one-piece assembly 7 essentially comprises a burner 13 arranged to produce combustion in a hearth container 14, which is connected, opposite the burner, to a diffuser 15 which receives the gases burnt produced by combustion.
  • This monobloc assembly 7 is provided with a front plate 7a of shape combined with that of the flange ferrule 6 to allow fixing the assembly removably on the tank 1.
  • the burner 13 is a gas-blown air burner of the mixed-type. nose; it is secured to the outside of the tank 1 with its nose 13a opening to the entrance to the hearth container 14.
  • the air and combustible gas supplied separately towards said firebox, carry out a lively combustion in said focal container which has a generally cylindrical axis shape substantially horizontal; the flame develops along the axis of said container-hearth along its length.
  • the burnt gas diffuser 15 At the end 14a of the hearth container opposite the burner, is connected the burnt gas diffuser 15 by an ascending portion 15a that this one features. This portion is extended, beyond a 90 ° elbow, by a diffuser portion 15b which extends above the hearth container 14.
  • connection portion 15a is a very short section; if necessary, it can be extended so that that it forms a heat exchange wall immersed in the water compartment.
  • the diffusion portion 15b is cylindrical (detail figure 2) and extends substantially horizontally in tank 1. It includes at least one exhaust gas exhaust slot such as 16 which leads to the lower half of the section of said porition 15b.
  • two longitudinal slots extending along the portion are practiced at 45 ° down from the plane vertical section median.
  • other types of opening may if necessary be provided on the lower half of the said section in order to avoid any penetration of water into the diffuser. Lips of protection can optionally be attached along the openings to further increase the water tightness of the diffuser.
  • a main duct of sampling 17, with a pump 18 and a solenoid valve 19, ensures the normal hot water withdrawal during operation.
  • the hot water withdrawal, main and secondary, is regulated in connection with cold water distribution by means of regulation, conventional in themselves, suitable for fixing the water level H of the compartment 12 at an intermediate level between the hearth container 14 and the diffuser 15, so that said focal container 14 is always entirely submerged in the water in compartment 12 and that the diffusion portion 15b always remains out of water.
  • a pressure sensor 22 mounted at the base of the water compartment to deliver a signal representative of the water pressure and therefore of the water height of the compartment 12, a programmable controller 23 receiving this signal and programmed to control the solenoid valves 9, 19 and 21.
  • the controller adjusts the feed rate through the solenoid valve 19 so that these flows condition a water level H meeting the conditions defined above; in steady state, these flows are equal, regulation being effected by flow adjustments appropriate.
  • the solenoid valve 21 makes it possible to operate a additional sampling to avoid a rise in the water level.
  • the device is in the example equipped with a setting system in safety 24 which ensures a stop of the operation (stop of the supply in cold water, burner shutdown) in case of lack of water, if the level of the compartment 12 lowers below a predetermined threshold.
  • the system 24 conventionally comprises a capacitive sensor 25 mounted on a bypass tube 26, sensor which controls the shutdown of the burner 13 and the closing of the solenoid valve 9 in the absence of water at its level.
  • FIG. 6 illustrates another embodiment which differs from the first in that it comprises two layers of nodules 27 and 28 which are located on the path of the burnt gases above the diffuser.
  • an external smoke inlet 29 opens into this volume between the layers of nodules 27 and 28 with a view to perform heat recovery on available fumes from from another installation.
  • one or more arrivals from external fumes can open above the water level H, on a or more levels.
  • the location of these connections will be chosen in function of the smoke temperature level and the gradient temperature in the installation.
  • FIGS 7 and 8 illustrate another embodiment in which two burners 30 and 31 of the same type are provided as burner 13.
  • each burner is associated with a hearth container 32, 33 and a diffuser 34, 35 arranged above of the corresponding firebox.
  • the burner assembly 30, 31 / firebox 32, 33 / diffusers 34, 35 is in one piece and is fixed as previously by a front wall 36 on the cylindrical wall of the tank.

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Description

L'invention concerne un nouveau dispositif de production d'eau chaude, du type comprenant un brûleur, en particulier brûleur à gaz, entretenant une combustion vive dans une chambre de combustion.
Les dispositifs traditionnels de production d'eau chaude comprennent un échangeur (généralement tubulaire) dans lequel circule l'eau à chauffer en vue d'assurer le transfert des calories à travers une paroi d'échange. Le défaut essentiel de ces dispositifs à circuit d'échange réside dans le rendement médiocre du transfert de chaleur.
On a vue apparaítre depuis une dizaine d'années un nouveau type de dispositif de production d'eau chaude, dit à contact direct, dans lequel l'eau à chauffer est pulvérisée et est amenée à traverser la chambre de combustion de façon que l'échange s'effectue directement sans paroi d'échange interposée ; ce type de dispositif à contact direct se caractérise en ce que la chambre de combustion est largement ouverte pour permettre un contact direct entre la flamme et l'eau pulvérisée. Dans ce nouveau type de dispositif, une couche de nodule de transfert est le plus souvent disposée sur le trajet des gaz brûlés pour assurer un transfert de chaleur plus complet. On parvient ainsi à un excellent rendement de transfert qui peut être illustré par la température de sortie des gaz brûlés qui n'excède que de quelques degrés (de l'ordre de 5 à 10°C) celle de l'eau chaude obtenue. Parfois, des gaz chauds extérieurs sont récupérés et utilisés pour assurer un apport calorifique supplémentaire.
Ces dispositifs à contact direct sont en particulier décrits dans les brevets suivants : US 4,275,708, US 4,574.775, US 5,293,861, EP 0 082 139. Il convient de noter que cette récente technique de production d'eau chaude par contact direct avait été proposée dans un brevet US très ancien (US 884,223 délivré le 7 avril 1908) qui décrit une rampe de gaz C disposée à la base d'une chambre de combustion ouverte E, au-dessus de laquelle ruisselle l'eau à chauffer.
Les dispositifs à contact direct, tels que décrits par exemple dans les brevets GB 2 129 916 et EP 0 387 983. permettent d'atteindre des rendements de transfert remarquables mais ils présentent plusieurs défauts. Le plus grave qui en limite considérablement le développement, réside dans le taux très élevé de monoxyde de carbone que l'on observe dans les gaz brûlés produits par ce type de dispositif. Ce taux généralement de l'ordre de 500 à 700 ppm reste dans le meilleur des cas supérieure à 150 à 200 ppm, ce qui excède les taux autorisés par la plupart des normes (habitat : taux inférieure à 100 ppm en France). Un autre défaut de ces dispositifs provient de la température très élevée des parois qui délimitent la chambre de combustion (température de l'ordre de 800° à 900° voisine de celle de la flamme) : ces parois situées dans une atmosphère air/eau pulvérisée/vapeur sont soumises à des fortes contraintes de corrosion ; elles peuvent être équipées de circuits de refroidissement mais ceci augmente considérablement la complexité et le coût du dispositif.
La présente invention se propose de fournir un nouveau dispositif de production d'eau chaude qui permette d'atteindre les rendements de transfert des dispositifs à contact direct sans en présenter les défauts.
L'objectif essentiel de l'invention est de réduire le taux de CO des gaz émis par les dispositifs à contact direct à des valeurs égales ou similaires à celles des gaz émis par les dispositifs traditionnels à circuit d'échange ; des taux de l'ordre de 20 à 40 ppm sont obtenus selon l'invention. Ces taux peuvent être obtenus essentiellement pour les raisons suivantes :
  • en premier lieu. dans le dispositif selon l'invention la combustion obtenue est une combustion sèche, réalisée en atmosphère sèche dans le conteneur-foyer,
  • en outre, cette combustion est une combustion complète.
La combustion sèche est obtenue dans le dispositif de l'invention en réalisant et en agençant le diffuseur de gaz brûlés comme défini à la revendication 1, de façon à interdire strictement toute entrée d'eau ainsi que toute pénétration de vapeur d'eau dans le conteneur-foyer. L'eau et la vapeur d'eau sont refoulées au voisinage des ouvertures d'échappement du diffuseur par une mise en surpression appropriée du diffuseur et du conteneur-foyer. En outre, la position du diffuseur et de ses ouvertures crée au voisinage desdites ouvertures un réseau du type "air-lift" qui supprime les circulations secondaires internes ayant tendance à ce former à la sortie des gaz (phénomène dit de sillage), ces circulations secondaires produisant un effet d'aspiration de l'atmosphère humide de l'enceinte vers la chambre de combustion.
La combustion complète est obtenue dans le dispositif de l'invention en recueillant les gaz brûlés à l'extrémité du conteneur-foyer qui est situé à l'opposé du brûleur. Ces gaz ont ainsi séjournés dans le conteneur-foyer un temps suffisant pour que la combustion soit complète. En outre, la portion amont du diffuseur qui relie le conteneur-foyer à la portion de diffusion rallonge ce temps de séjour et permet dans certains cas (brûleur à gaz propane notamment) de compléter la combustion avant la sortie des gaz brûlés dans l'enceinte.
Un autre objectif de l'invention est de supprimer les défauts des dispositifs à contact direct provenant de l'atmosphère corrosive à haute température, à laquelle sont soumises les parois des chambres de combustion dans ce type de dispositifs.
A cet effet le dispositif de production d'eau chaude visé par l'invention comprend une enceinte dotée en partie supérieure de moyens d'évacuation des gaz brûlés, une chambre de combustion formée par au moins un conteneur étanche dit conteneur-foyer, s'étendant le long d'un axe sensiblement horizontal et disposé dans un compartiment d'eau situé en partie basse de l'enceinte, un brûleur associé à chaque conteneur-foyer et agencé à une extrémité de celui-ci pour produire une combustion vive se développant selon l'axe horizontal dudit conteneur-foyer sur la longueur de celui-ci, des moyens de pulvérisation d'eau, associés à des moyens d'alimentation en eau froide et agencés pour déverser de l'eau sous forme de pluie en partie haute de l'enceinte, des moyens de prélèvement d'eau chaude agencés en partie basse de l'enceinte, dispositif dans lequel
  • chaque conteneur-foyer est prolongé, à son extrémité opposée au brûleur, par un diffuseur de gaz brûlés comprenant une portion amont connectée à ladite extrémité opposée au brûleur et une portion de diffusion s'étendant dans l'enceinte au-dessus du conteneur-foyer selon un axe sensiblement horizontal,
  • la portion de diffusion du diffuseur comprend des ouvertures d'échappement des gaz brûlés, ménagées sur la moitié inférieure de la section de ladite portion de façon à permettre l'établissement d'une surpression à l'intérieur du diffuseur et du conteneur-foyer et interdire la pénétration d'eau et de vapeur d'eau en vue de réaliser une combustion complète sèche à l'intérieur dudit conteneur-foyer,
  • des moyens de régulation du niveau d'eau étant associés au compartiment d'eau pour assurer dans ledit compartiment un niveau d'eau H tel que le ou les conteneurs-foyers soient immergés dans l'eau dudit compartiment et que la portion de diffusion du diffuseur de gaz brûlés demeure constamment au-dessus dudit niveau d'eau.
Dans le dispositif de l'invention, les gaz brûlés sont mis en contact direct à la sortie du diffuseur avec l'eau qui est déversée en pluie dans l'enceinte, mais la combustion est réalisée dans un espace confiné à l'abri de l'eau et de la vapeur d'eau. Le transfert de chaleur s'opère, d'une part, par contact direct entre l'eau et les gaz brûlés, d'autre part, par conduction à travers les parois du conteneur-foyer vers l'eau du compartiment d'eau ; le ou lesdits diffuseurs peuvent également, dans leur partie amont connectée au(x) conteneur(x)-foyer(x), former une surface d'échange. Les expérimentations ont montré que, dans ces conditions, il est possible d'obtenir à la fois :
  • un rendement de transfert remarquable du même ordre que celui des dispositifs à contact direct précités,
  • un taux réduit de CO dans les gaz brûlés du même ordre que celui des dispositifs traditionnels à circuit d'échange (20 à 40 ppm).
L'obtention d'un tel taux de CO très abaissé par rapport à celui des dispositifs connus à contact direct peut être expliqué par le fait que, dans le dispositif de l'invention, la combustion qui se produit est une combustion sèche effectuée à l'abri de l'eau et de la vapeur d'eau, alors qu'elle s'opère en présente d'eau et de vapeur d'eau dans les dispositifs connus à contact direct. L'eau est un inhibiteur de combustion comme cela est connu et sa présence conduit à une combustion incomplète produisant du monoxyde de carbone qui se retrouve dans les gaz brûlés. 11 est à noter que, dans certains dispositifs connus, la flamme est plus ou moins protégée d'un contact trop direct avec l'eau (chapeau H dans le brevet US 884,223 ou chambre de combustion en retrait à la figure 10 du brevet US 4,895,136), mais la combustion n'est pas à l'abri des projections d'eau et s'effectue de toute façon en atmosphère humide et en présence de vapeur d'eau. Ladite vapeur d'eau constitue un gaz inerte qui dilue les gaz combustible et comburant et diminue la probabilité de rencontre entre les molécules réactives de sorte que sa présence contribue à rendre la combustion incomplète.
Il faut souligner que dans l'invention, le volume interne du ou des conteneurs-foyers se trouve en surpression par rapport à l'enceinte du dispositif du fait que la combustion vive se développe dans un espace confiné (espace clos connecté au diffuseur mais non largement ouvert comme c'est le cas dans les dispositifs connus à contact direct) : ainsi, la vapeur d'eau contenue dans l'enceinte n'a pas tendance à pénétrer dans le ou les conteneurs-foyers.
Par ailleurs, dans le dispositif de l'invention, le ou les conteneurs-foyers sont immergés dans le compartiment d'eau prévu au bas de l'enceinte, de sorte que leur température demeure faible (de l'ordre de 100 à 120°C) : les parois du ou des conteneurs-foyers ne sont pas soumises à de sévères contraintes de corrosion en raison, d'une part, de leur température modérée, d'autre part, de leur environnement (eau liquide sur la face externe et atmosphère sèche sur la face interne).
De façon avantageuse, le conteneur-foyer présente une forme générale cylindrique d'axe sensiblement horizontal, la portion amont du diffuseur est ascendante et la portion de diffusion s'étend dans l'enceinte parallèlement à l'axe du conteneur-foyer.
Plus précisément, la portion de diffusion du diffuseur comprend comme ouverture d'échappement au moins une fente longitudinale dans sa moitié inférieure.
Le dispositif peut comprendre un seul conteneur-foyer associé à un seul brûleur et à un seul diffuseur. II peut également comprendre un seul conteneur-foyer associé à plusieurs brûleurs et à un diffuseur unique ou à plusieurs diffuseurs. Le dispositif peut également comprendre plusieurs conteneurs-foyers associés chacun à un ou plusieurs brûleurs et à un ou plusieurs diffuseurs.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque brûleur est un brûleur à gaz à air soufflé, du type à mélange au nez dans lequel l'air et le gaz sont amenés séparément vers le nez du brûleur de façon que la flamme se développe dans la chambre de combustion ; ledit brûleur est assujetti à l'extérieur de l'enceinte avec son nez s'ouvrant à l'entrée du conteneur-foyer pour développer une combustion selon l'axe horizontal de celui-ci. Un tel brûleur accroít la surpression à l'intérieur du conteneur-foyer et garantit une combustion en atmosphère sèche à l'abri de toute trace de vapeur d'eau.
Préférentiellement, le brûleur, le conteneur-foyer et le diffuseur constituent un ensemble monobloc, monté de façon amovible dans un orifice de la paroi de l'enceinte.
Les moyens de régulation du niveau d'eau qui sont associés au compartiment d'eau sont de tout type connu. Ils peuvent en particulier comprendre des électrovannes montées, d'une part, sur les moyens d'alimentation en eau froide, d'autre part, sur les moyens de prélèvement d'eau chaude, et un capteur de pression d'eau agencé à la base du compartiment d'eau pour commander lesdites électrovannes en vue d'ajuster les débits d'alimentation et de prélèvement afin de réaliser un réglage approprié du niveau d'eau dans ledit compartiment d'eau.
En outre, de façon connue en soi, au moins une couche de nodules de transfert de chaleur est avantageusement intercalée entre les moyens de pulvérisation d'eau et le ou les diffuseurs de gaz brûlés. Cette ou ces couches de nodules réalisent un transfert de chaleur complémentaire en aval des transferts primaires déjà évoqués (échange par contact direct gouttes d'eau/gaz brûlés ; échange par conduction eau/conteneur-foyer et éventuellement diffuseur). Les gaz brûlés sont ainsi rejetés à une température très basse (écart gaz brûlés/eau chaude, similaire à celui des dispositifs à contact direct connus) ce qui permet d'augmenter encore le rendement de transfert.
Le cas échéant, le dispositif de production d'eau chaude conforme à l'invention peut être amené, dans certaines applications, à récupérer la chaleur de fumées externes disponibles afin de réduire la consommation de gaz combustible au niveau du brûleur.
A cet effet, le dispositif selon l'invention, comprend au moins une arrivée de fumées extérieures débouchant dans l'enceinte, au-dessus du niveau d'eau H.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut comprendre au moins deux couches de nodules de transfert de chaleur, l'arrivée des fumées externes débouchant dans l'enceinte entre lesdites couches.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, en référence aux dessins annexés, qui en présentent à titre d'exemples non limitatifs trois modes de réalisation ; sur ces dessins :
  • la figure 1 est une coupe par un plan vertical d'un premier mode de réalisation,
  • la figure 2 est une coupe de détail d'un des organes par un plan AA,
  • la figure 3 est un schéma illustrant les moyens de régulation de niveau d'eau,
  • la figure 4 est une vue schématique montrant un sous-ensemble du dispositif à l'état démonté, et la figure 5 est une vue frontale selon la flèche V de ce sous-ensemble,
  • la figure 6 est une coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation,
  • les figures 7 et 8 sont des vues schématiques d'un troisième mode de réalisation, respectivement en coupe verticale BB et en coupe horizontale par un plan CC.
Le dispositif de production d'eau chaude représenté à titre d'exemple à la figure 1 comprend une enceinte 1 constituée par une cuve thermiquement isolée, formée par une paroi cylindrique 2 d'axe vertical fermée en partie basse par une paroi de fond 3 et en partie haute par une paroi 4 qui converge vers le haut et est surmontée d'un conduit de sortie de fumées 5.
En partie inférieure de la paroi cylindrique 2, est ménagé un orifice de forme ovale sur le pourtour duquel est soudée une virole 6 dotée d'une bride permettant l'introduction et la fixation d'un ensemble monobloc brûleur/conteneur-foyer/diffuseur que l'on aperçoit en 7 aux figures 1 et 2, et qui sera décrit plus loin (par "ensemble monobloc", on entend un ensemble susceptible de se présenter sous forme monobloc, les divers éléments de cet ensemble pouvant bien entendu être démontés et séparés).
A la partie supérieure de la cuve 1, un conduit d'alimentation en eau froide 8 pénètre dans celle-ci ; une électrovanne 9 est montée sur ce conduit pour permettre de régler le débit d'alimentation.
Le conduit d'alimentation 8 est coudé pour déboucher selon l'axe vertical de la cuve par des moyens de pulvérisation d'eau 10 comprenant une buse d'arrosage adaptée pour déverser l'eau en pluie dans toute la section de la cuve.
Cette eau tombe sur une couche de nodules 11 de type connu, formée par exemple par une pluralité d'anneaux en acier inoxydable présentant une grande surface de contact. Cette couche a pour fonction d'assurer un refroidissement complémentaire des gaz issus de la combustion et un réchauffement conséquent de l'eau qui ruisselle à travers celle-ci.
Le bas de la cuve forme un compartiment d'eau 12 dont le niveau H est régulé par des moyens détaillés plus loin.
L'ensemble monobloc 7 comprend essentiellement un brûleur 13 agencé pour produire une combustion dans un conteneur-foyer 14, lequel est connecté, à l'opposé du brûleur, à un diffuseur 15 qui reçoit les gaz brûlés produits par la combustion.
Cet ensemble monobloc 7 est doté d'une plaque de façade 7a de forme conjuguée de celle de la virole à bride 6 pour permettre de fixer l'ensemble de façon amovible sur la cuve 1.
Le brûleur 13 est un brûleur à gaz à air soufflé du type à mélange au nez ; il est assujetti à l'extérieur de la cuve 1 avec son nez 13a s'ouvrant à l'entrée du conteneur-foyer 14. L'air et le gaz combustible amenés séparément vers ledit conteneur-foyer, réalisent une combustion vive dans ledit conteneur-foyer qui présente une forme générale cylindrique d'axe sensiblement horizontal ; la flamme se développe le long de l'axe dudit conteneur-foyer sur sa longueur.
A l'extrémité 14a du conteneur-foyer opposée au brûleur, est connecté le diffuseur de gaz brûlés 15 par une portion ascendante 15a que celui-ci comporte. Cette portion est prolongée, au-delà d'un coude à 90°, par une portion de diffuseur 15b qui s'étend au-dessus du conteneur-foyer 14.
En l'exemple représenté, la portion de raccordement 15a est un tronçon très court ; le cas échéant, il est possible d'allonger celle-ci de façon qu'elle forme une paroi d'échange de chaleur immergée dans le compartiment d'eau.
Dans le mode de réalisation visé, la portion de diffusion 15b est cylindrique (figure de détail 2) et s'étend sensiblement horizontalement dans la cuve 1. Elle comprend au moins une fente d'échappement des gaz brûlés telle que 16 qui débouche sur la moitié inférieure de la section de ladite porition 15b. En l'exemple représenté, deux fentes longitudinales s'étendant le long de la portion sont pratiqués à 45° vers le bas par rapport au plan vertical médian de la section. Bien entendu, d'autres types d'ouverture peuvent le cas échéant être prévus sur la moitié inférieure de ladite section afin d'éviter toute pénétration d'eau dans le diffuseur. Des lèvres de protection peuvent éventuellement être fixées le long des ouvertures pour accroítre encore l'étanchéité à l'eau du diffuseur. Ces dispositions associées à la surpression produite par la combustion et par le brûleur à air soufflé assurent à l'intérieur du conteneur-foyer une atmosphère sèche dépourvue d'eau et de vapeur d'eau provenant de l'ambiance de la cuve 1.
A la partie basse du compartiment d'eau 12, un conduit principal de prélèvement 17, doté d'une pompe 18 et d'une électrovanne 19, assure le prélèvement normal de l'eau chaude en cours de fonctionnement.
Un conduit secondaire de prélèvement 20, doté d'une électrovanne 21 normalement fermée, est prévu en parallèle avec le conduit principal pour permettre en cas de besoin d'opérer un prélèvement supplémentaire d'eau par ouverture de l'électrovanne 21.
Le prélèvement d'eau chaude, principal et secondaire, est régulé en liaison avec la distribution d'eau froide par des moyens de régulation, classiques en eux-mêmes, adaptés pour fixer le niveau d'eau H du compartiment 12 à un niveau intermédiaire entre le conteneur-foyer 14 et le diffuseur 15, de façon que ledit conteneur-foyer 14 soit toujours entièrement immergé dans l'eau du compartiment 12 et que la portion de diffusion 15b demeure toujours hors d'eau.
Ces moyens de régulation comprennent en l'exemple comme le schématisent les figures et notamment la figure 3, un capteur de pression d'eau 22 monté à la base du compartiment d'eau pour délivrer un signal représentatif de la pression d'eau et donc de la hauteur d'eau du compartiment 12, un automate programmable 23 recevant ce signal et programmé pour commander les électrovannes 9, 19 et 21. En fonctionnement normal, l'automate ajuste le débit d'alimentation à travers l'électrovanne 19 de façon que ces débits conditionnent un niveau d'eau H répondant aux conditions ci-dessus définies ; en régime permanent, ces débits sont égaux, la régulation étant opérée par des ajustements de débit appropriés. En cas de besoin, l'électrovanne 21 permet d'opérer un prélèvement supplémentaire pour éviter une montée du niveau d'eau.
En outre, le dispositif est en l'exemple équipé d'un système de mise en sécurité 24 qui assure un arrêt du fonctionnement (arrêt de l'alimentation en eau froide, arrêt du brûleur) en cas de manque d'eau, si le niveau du compartiment 12 s'abaisse au-dessous d'un seuil prédétermminé. On évite ainsi une surchauffe accidentelle des parois du conteneur-foyer 14. Le système 24 comprend de façon classique un capteur capacitif 25 monté sur un tube de dérivation 26, capteur qui commande l'arrêt du brûleur 13 et la fermeture de l'électrovanne 9 en cas d'absence d'eau à son niveau.
Le dispositif conforme à l'invention réalise une production d'eau chaude en associant les avantages essentiels suivants :
  • un rendement calorifique très élevé provenant du caractère complet de la combustion et des transferts de chaleur remarquables par conduction et contact direct (paroi du conteneur-foyer/eau, gaz brûlés/gouttes d'eau, gaz brûlés/ruissellement d'eau),
  • un taux réduit de CO dans les gaz brûlés en raison du caractère complet de la combustion en atmosphère sèche,
  • des températures peu élevées des parois et en particulier des parois du conteneur-foyer qui sont les plus exposées.
La figure 6 illustre un autre mode de réalisation qui diffère du premier en ce qu'il comprend deux couches de nodules 27 et 28 qui sont situées sur le trajet des gaz brûlés au-dessus du diffuseur.
Ces deux couches sont séparées par un volume au travers duquel l'eau tombe en pluie. En l'exemple une arrivée de fumées externes 29 débouche dans ce volume entre les couches de nodules 27 et 28 en vue de réaliser une récupération de chaleur sur des fumées disponibles provenant d'une autre installation.
Sans sortir du cadre de l'invention, une ou plusieurs arrivées de fumées externes peuvent déboucher au-dessus du niveau d'eau H, sur un ou plusieurs niveaux. L'emplacement de ces piquages sera choisi en fonction du niveau de température des fumées et du gradient de température dans l'installation.
Les figures 7 et 8 illustrent un autre mode de réalisation dans lequel sont prévus deux brûleurs 30 et 31 du même type que le brûleur 13. Le cas échéant, il est possible de prévoir un nombre de brûleurs plus élevé de façon à réduire la puissance de chacun d'eux pour une installation de puissance globale donnée. En l'exemple représenté, chaque brûleur est associé à un conteneur-foyer 32, 33 et à un diffuseur 34, 35 disposé au-dessus du conteneur-foyer correspondant. De plus, l'ensemble brûleurs 30, 31/conteneur-foyer 32, 33/diffuseurs 34, 35 est monobloc et est fixé comme précédemment par une paroi de façade 36 sur la paroi cylindrique de la cuve.

Claims (9)

  1. Dispositif de production d'eau chaude permettant de réaliser des échanges de chaleur par contact direct, avec une émission de gaz brûlés à taux de CO réduit, ce dispositif comprenant une enceinte (1) dotée en partie supérieure de moyens (5) d'évacuation des gaz brûlés, une chambre de combustion formée par au moins un conteneur étanche dit conteneur-foyer (14), s'étendant le long d'un axe sensiblement horizontal et disposé dans un compartiment d'eau (12) situé en partie basse de l'enceinte, un brûleur (13) associé à chaque conteneur-foyer et agencé à une extrémité de celui-ci pour produire une combustion vive se développant selon l'axe horizontal dudit conteneur-foyer sur la longueur de celui-ci, des moyens (10) de pulvérisation d'eau, associés à des moyens (8) d'alimentation en eau froide et agencés pour déverser de l'eau sous forme de pluie en partie haute de l'enceinte, des moyens de prélèvement d'eau chaude (17-19) agencés en partie basse de l'enceinte, dispositif dans lequel
    chaque conteneur-foyer est prolongé, à son extrémité (14a) opposée au brûleur, par un diffuseur de gaz brûlés (15) comprenant une portion amont (15a) connectée à ladite extrémité opposée au brûleur et une portion de diffusion (15b) s'étendant dans l'enceinte (1) au-dessus du conteneur-foyer (14) selon un axe sensiblement horizontal,
    la portion de diffusion (15b) du diffuseur comprend des ouvertures d'échappement des gaz brûlés (16), ménagées sur la moitié inférieure de la section de ladite portion (15b) de façon à permettre l'établissement d'une surpression à l'intérieur du diffuseur et du conteneur-foyer et interdire la pénétration d'eau et de vapeur d'eau en vue de réaliser une combustion complète sèche à l'intérieur dudit conteneur-foyer,
    des moyens (9, 19, 21, 22 et 23) de régulation du niveau d'eau étant associés au compartiment d'eau (12) pour assurer dans ledit compartiment un niveau d'eau H tel que le ou les conteneurs-foyers soient immergés dans l'eau dudit compartiment et que la portion de diffusion (15b) du diffuseur de gaz brûlés demeure constamment au-dessus dudit niveau d'eau.
  2. Dispositif de production d'eau chaude selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conteneur-foyer (14) présente une forme générale cylindrique d'axe sensiblement horizontal, la portion amont (15a) du diffuseur est ascendante et la portion de diffusion (15b) s'étend dans l'enceinte (1) parallèlement à l'axe du conteneur-foyer (14).
  3. Dispositif de production d'eau chaude selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion de diffusion (15b) du diffuseur comprend comme ouverture d'échappement au moins une fente longitudinale (16) dans sa moitié inférieure.
  4. Dispositif de production d'eau chaude selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque brûleur (13) est un brûleur à gaz à air soufflé, du type à mélange au nez dans lequel l'air et le gaz sont amenés séparément vers le nez du brûleur de façon que la flamme se développe dans la chambre de combustion, ledit brûleur étant assujetti à l'extérieur de l'enceinte (1) avec son nez s'ouvrant à l'entrée du conteneur-foyer (14) pour développer une combustion selon l'axe horizontal de celui-ci.
  5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le brûleur (13), le conteneur-foyer (14) et le diffuseur (15) constituent un ensemble monobloc, monté de façon amovible dans un orifice de la paroi de l'enceinte (1).
  6. Dispositif de production d'eau chaude selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, dans lequel les moyens de régulation comprennent des électrovannes (9, 19, 21) montées, d'une part, sur les moyens (8) d'alimentation en eau froide, d'autre part, sur les moyens (17, 20) de prélèvement d'eau chaude, et un capteur de pression d'eau (22) agencé à la base du compartiment d'eau (12) pour commander lesdites électrovannes en vue d'ajuster les débits d'alimentation et de prélèvement.
  7. Dispositif de production d'eau chaude selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, dans lequel au moins une couche (11) de nodules de transfert de chaleur est intercalée entre les moyens de pulvérisation d'eau (10) et le diffuseur de gaz brûlés (15).
  8. Dispositif de production d'eau chaude selon la revendication 7, comprenant au moins deux couches (27, 28) de nodules de transfert de chaleur et une arrivée de fumées externes (29) débouchant dans l'enceinte (1) entre lesdites couches.
  9. Dispositif de production d'eau chaude selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une arrivée de fumées externes débouchant dans l'enceinte (1) au-dessus du niveau d'eau H.
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