EP3224542A1 - Générateur de vapeur - Google Patents

Générateur de vapeur

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EP3224542A1
EP3224542A1 EP15797976.6A EP15797976A EP3224542A1 EP 3224542 A1 EP3224542 A1 EP 3224542A1 EP 15797976 A EP15797976 A EP 15797976A EP 3224542 A1 EP3224542 A1 EP 3224542A1
Authority
EP
European Patent Office
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liquid
flow
groove
heating surface
steam
Prior art date
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Granted
Application number
EP15797976.6A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP3224542B1 (fr
Inventor
André CHATROUX
Michel Planque
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3224542A1 publication Critical patent/EP3224542A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3224542B1 publication Critical patent/EP3224542B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • F22B1/287—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically with water in sprays or in films

Definitions

  • the invention relates to the field of steam generators, and in particular to steam generators used in electrolysers of high temperature water vapor (EHVT).
  • the invention relates more particularly to a device for converting a liquid into a vapor capable of providing a low steam flow rate, in particular a steam flow rate in particular between 10 g / h and 10 kg / h, and operating at constant pressure, in particular at atmospheric pressure or under a few tens of bar.
  • a high temperature steam electrolyser (EVHT), an acronym for High Temperature Steam Electrolysis (HTSE), is an electrochemical device for the production of high temperature water vapor.
  • EVHT high temperature steam electrolyser
  • HTSE High Temperature Steam Electrolysis
  • water vapor is introduced at the cathode of each cell supplied with electricity and an electrochemical reduction reaction of the water vapor leads to the formation of hydrogen on the cathode.
  • an electrolyser In general, for a given operating point of the electrolyser, there is an electric current to be applied thereto and the flow rate of water vapor to be introduced into the electrolyser is calculated as a function of the intensity of the electric current. applied on the electrolyser.
  • the current intensity can generally vary from 0 to 100% of the operating range of the electrolyser, it is therefore also necessary that the steam flow to be generated can also change linearly from 0 to 100% capacity, and be composed only steam.
  • an electrolyser is a system that is very sensitive to inhomogeneities of current / gas flow, these homogeneities possibly causing premature aging of the electrolyser.
  • Regulated flow steam generators are commercially available and are suitable for generating high flows of water vapor, namely several kg / h. Such a steam generator is generally composed of a reserve of pressurized steam coupled to a steam flow control valve to generate the amount of water vapor required, and this steadily. There are also commercially available steam generators, suitable for lower flow rates, especially between 10 g / h to 10 kg / h. Since the steam flow control valves used for large flow rates are not adapted for this flow rate range, one solution is to regulate the flow of liquid water entering the generator so that the water vapor generated after evaporation corresponds to the desired amount of steam output.
  • these low-flow generators use a heating tube or a volume of which at least the bottom wall is heated, in which a controlled quantity of water is injected and heated until evaporation.
  • a heating tube or a volume of which at least the bottom wall is heated in which a controlled quantity of water is injected and heated until evaporation.
  • such generators cause "puffs" of steam and therefore overpressures.
  • the difficulty in this solution is to control the heating of the water so as to avoid that a local boiling of the water pushes a part of the liquid in a zone too hot and is a source of boiling reaction of the boiling reaction.
  • low-flow evaporators are generally only constructed to generate a single dry vapor flow, the electric power and the evaporation surface are studied only for a single operating point.
  • other evaporators adapted for low flow rates use a carrier gas, for example nitrogen, which facilitates the spreading of the liquid and evacuate the steam produced.
  • a carrier gas for example nitrogen
  • the object of the present invention is therefore to propose a steam generator capable of producing, at constant pressure, a constant flow rate of vapor of a liquid, for example water, for the low flow rates of steam, and not requiring the use of carrier gas.
  • the subject of the present invention is thus a constant-pressure steam generator capable of providing a regulated steam flow rate, including for low steam flows, in particular between 10 g / h and 10 kg / h, and for a constant pressure of 0.degree. to several tens of relative bar.
  • this steam generator comprises:
  • a liquid flow regulator configured to generate a quantity of liquid, for example water, at a given instant following a constant flow of liquid within a predetermined range of flow rates, the maximum flow rate of this flow range is less than or equal to 10kg / h;
  • a device for converting the liquid into vapor operating at constant pressure comprising:
  • a downwardly inclining heating surface in the enclosure defining a flow path that allows gravity flow of the quantity of liquid along the path from the inlet, and a rise in temperature of the quantity of liquid to be measured its flow along the path until the total evaporation of each mole of this amount of liquid before the end of said course, this heating surface being open so as to allow direct evacuation of the steam formed; a source of energy capable of supplying a sufficient quantity of energy to the heating surface to apply to the liquid a linear thermal power along the path, this linear thermal power being selected as a function of at least the maximum length of the path and the thermal power required to evaporate all of a maximum quantity of injected liquid according to the maximum flow rate of the flow range.
  • the invention is the combination of three parameters:
  • an external source of energy which can be electric (heating resistance) or thermal (heat transfer fluid);
  • a path length adapted to obtain a complete evaporation of each mole of liquid injected before the end of the course.
  • Such a steam generator thus ensures control of the vaporization of each quantity of water injected.
  • This vaporization is reflected in particular by a continuous evaporation of the liquid as it flows until its total evaporation before the end of the course, without formation of puff or liquid flow on a mattress (or bed) of steam inside the enclosure.
  • Such a control of the evaporation process in particular avoids the presence of stagnant water in the chamber, a necessary condition for obtaining a regularity of the output steam flow, and makes it possible to directly supply a steady flow of vapor substantially identical to the flow of liquid. injected as input.
  • the regulation of the flow of water (and therefore of steam) is controllable by a user by means of a command button. For example, the user can adjust the setpoint of the flow rate of liquid to be injected at the inlet to obtain a substantially equivalent flow rate of steam output.
  • Such a generator is thus capable of providing a constant dry vapor flow rate in the range 10 g / h to 10 kg / h, and this without using either carrier gas or electromechanical element, such as a steam flow valve for example.
  • carrier gas or electromechanical element such as a steam flow valve for example.
  • the manufacture of the generator and its operation are simplified.
  • the maximum thermal power applied can be between 8 and 12 kW and the length of the path can be between 10 and 20m.
  • the liquid is preferably injected dropwise.
  • a flow rate of the order of 10 g / h corresponds to approximately 1 drop of 36 ⁇ l of liquid every 13 seconds.
  • the conversion device may further comprise a groove extending along the path and in which is housed the heating surface, the groove allowing a liquid flow by gravity and capillarity along the path.
  • the groove is sized to form a capillary channel, thus sucking the injected liquid.
  • the gravity flow combined with the capillary flow allows in particular a uniform spreading of the liquid injected at the inlet in small flow, in particular drop by drop, over a large length of the heating surface throughout the course. It is thus formed a net of continuous water.
  • the formation of drop train on the heating surface being avoided, the steam generation is therefore more regular and the output steam flow is constant even for a discontinuous water injection.
  • This solution makes it possible in particular to produce a steady flow of steam from a non-linear injection of liquid, particularly drop by drop.
  • the liquid inlet may also be dimensioned to further allow a capillary injection of the liquid directly into the groove and prevent the formation of drops at the end of the liquid water injection tube.
  • the end of a liquid water injection tube is in this case placed in contact with the groove.
  • the heating surface is disposed in an open groove on at least a lower portion of the path, preferably over the entire path, so as to allow the free escape of the steam generated.
  • the groove is provided in its bottom of the groove described above.
  • this groove is open over its entire length towards the inside of the groove, and preferably has dimensions adapted for capillary flow.
  • the main groove has a height of 8.5mm for a depth of 17mm and the groove has a height and width 3.5mm allowing the matting of the heating surface.
  • the walls of the groove are preferably inclined, the inclination of each of the walls forming with the horizontal an angle inclination (a) greater than or equal to 30 ° C.
  • the angle formed between the wall in contact with the circulating liquid, in the direction from the bottom of the groove to the opening of the groove, and the direction of gravity is non-zero and preferably lower or equal to 60 ° C. It ensures that the circulating liquid remains in contact with the heating surface which is preferably disposed closer to the bottom of the groove.
  • the groove is preferably made of a neutral material for the liquid, especially stainless steel particularly appreciated for its corrosion resistance.
  • this groove is advantageously helically shaped when the compactness is sought.
  • the heating surface may be located at the outer periphery of a cylinder.
  • the conversion device can thus be formed of a threaded part, the thread forming the groove.
  • the part may be a cylinder extending in the direction of gravity and the periphery of which is machined the helical groove.
  • the helical groove preferably has a width, a depth, a length and a pitch suitable for the total evaporation of the injected liquid before the end of the path combined with the linear thermal power applied to the heating surface, as explained above.
  • the opening of the groove is preferably dimensioned to ensure a direct evacuation of the vapor and limit an accumulation of steam above or in the groove which would be likely to disturb the heating or the gradual rise in temperature of the liquid .
  • the steam does not push the liquid to an area too hot to avoid pressure puffs.
  • the vapor can evacuate substantially radially without disturbing the flow of water.
  • the opening of the groove can be advantageously oriented in a direction different from that of gravity.
  • the enclosure may be formed of a thermally insulating outer envelope and a metal inner envelope maintained at a predetermined temperature, for example between 150 and 250 ° C for steam generation at atmospheric pressure, so as to avoid condensation on the inner walls of the enclosure.
  • This internal envelope will be sized and qualified to operate up to the maximum pressure defined in the design of the steam generator.
  • this metal inner envelope is designed to operate at a pressure above atmospheric pressure or in the range of atmospheric pressure to a few tens of bar.
  • the pressure in the chamber is that of the steam.
  • the inner casing has a diameter of 220 mm for a height of 470 mm sheet 2 mm thick.
  • the spiral with a linear length of 10 m is machined on a 200 mm diameter and 400 mm high tube, the distance between the opening of the groove and the inner wall of the enclosure being 8 mm.
  • the volume in which the steam is present is about 6 liters.
  • the thermal power of the heating surface can be regulated via, for example, a temperature sensor capable of measuring the temperature at at least one point of the heating surface coupled to an energy regulator to be supplied to the surface. heating according to the measured temperature and a set temperature generally greater than or equal to 100 ° C.
  • a coolant for example an oil
  • This tube can be put in place of the electrical resistance, for example by the same matting technique. Knowing the heat capacity of the coolant, it is possible to calculate the nominal temperature ensuring that the maximum flow of liquid can be evaporated. Moreover, to ensure a regular flow of evaporation, it is advantageous to circulate the heat transfer fluid in the opposite direction to the flow of liquid water.
  • the described device allows to produce dry steam, it is also possible to introduce, if necessary, one or more gases to achieve a mixture. In this case, a preheating of these gases is necessary before their introduction into the steam. This preheating can be obtained for example by a simple technique which consists of welding the spiral gas line on the generator enclosure.
  • the invention also relates to a device for converting liquid to constant pressure steam having all or part of the characteristics defined above.
  • the device for converting liquid to steam is capable of providing a regulated flow rate of steam, in particular between 10 g / h and 10 kg / h, for a constant pressure of 0 to several tens of relative bar.
  • this device for converting liquid to constant pressure steam comprises:
  • a downwardly sloping heating surface defining a flow path allowing the quantity of liquid to flow along the path by gravity from the inlet, and a rise in temperature of this quantity of liquid injected as it flows over the along the route until the total evaporation of each mole of this amount of liquid before the end of the course.
  • the heating surface is opened to allow direct evacuation of the formed vapor, and the linear thermal power applied by this heating surface to the liquid throughout the course is selected based on at least the maximum length of the course and the thermal power required to evaporate all of a maximum quantity of injected liquid according to the maximum flow rate of the flow range.
  • the generation of steam or the conversion of liquid to vapor at atmospheric pressure or at a constant pressure with the generator or the device described above comprises in particular:
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for converting a liquid into a vapor according to one embodiment of the invention in which the groove is helical;
  • FIG. 2 is a partial diagrammatic representation in axial half-section of the helical groove of the steam generator of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic representation of the steam generator according to one embodiment of the invention.
  • the steam generator according to one embodiment of the invention is illustrated in FIG. 3 and notably comprises:
  • the liquid flow controller 6 is configured to provide the conversion device 10 with a quantity of liquid 50 at a given instant at a constant flow rate, for example between 10 g / h and 10 kg / h.
  • the flow of liquid to be generated is set by the user by means of a set point 60 and corresponds substantially to the flow rate of steam to be produced by the conversion device 10.
  • the liquid water flow regulator 6 may be a commercial regulator, for example a thermal mass flow controller or Coriolis.
  • the device 10 for converting the liquid into vapor is configured to evaporate all of the injected liquid 50 and to generate steam 51 at a regular flow rate corresponding substantially to the injected liquid flow rate.
  • the structure of the liquid conversion device 50, especially water, steam 51 is described below.
  • This conversion device consists in particular of an enclosure 4 provided with a vapor outlet 42 and a liquid inlet 40 intended to be coupled to the water flow regulator 6.
  • the enclosure 4 is formed in particular of an outer casing 43 thermally insulating and an inner casing 44 which makes it possible to retain the vapor produced in the enclosure 4 and to channel this vapor on the vapor outlet 42 so that it can be used.
  • This inner envelope 44 is in particular of metal material and is heated to be maintained at a sufficient temperature, for example 200 ° C, to prevent the appearance of condensate on the inner walls of the enclosure.
  • This envelope 44 also serves to resist the maximum operating pressure of the steam generator. For example, for a production flow rate of 0 to 5 kg / h at atmospheric pressure, the inner casing has a diameter of 220 mm and a height of 470 mm made of 2 mm thick sheet metal.
  • the internal volume of the chamber 4 being in connection, via the vapor outlet 42, with the outside, the internal pressure of the chamber is consequently adjusted by the external pressure.
  • the output 42 is connected directly to the input of an electrolyser operating at atmospheric pressure, so that the internal pressure of the chamber 4 is equal to the atmospheric pressure, and therefore substantially constant.
  • the external pressure which sets the internal pressure of the chamber, may be different, especially higher.
  • a pressure regulator can be provided to directly regulate the internal pressure of the chamber to obtain a substantially constant pressure.
  • the internal pressure of the chamber remains substantially identical to that of the pressure of the steam produced.
  • This groove 2 is in particular machined at the outer periphery of a part 1, a stainless steel cylinder for example, which rests on a base 41 support bracket 4.
  • This support base is in particular horizontal, that is to say substantially perpendicular to the direction G of gravity.
  • This groove has a downward slope, for example between 1 and 4%, which allows a flow by gravity of the liquid water 50 from the inlet 40 of liquid.
  • a wired 3-wire electric heating element for example of round section, serving as a heating surface, is inserted into the groove 2.
  • This heating resistor 3 is positioned in the groove, and in particular near the bottom of the groove, so as to extend all along the throat to define a flow path of the liquid.
  • This heating resistor 3 is powered by the source energy regulator 7 and is also intended to be brought into contact with the circulating liquid to bring it up to its evaporation temperature.
  • the contact surface between the heating resistor and the liquid must be large. According to one embodiment comprising an electrical resistance of 10 m long and 3.5 mm in diameter, the contact surface is estimated at 550 cm 2 .
  • this groove 2 comprises in particular a groove bottom to the opposite of an opening and inclined walls.
  • the opening is oriented so as to allow a substantially radial evacuation of the steam produced.
  • the angle of inclination formed between the horizontal H and each of the walls 20 of the groove in the direction from the groove bottom to the opening is at least 30 °. This inclination makes it possible to direct the liquid towards the bottom of the groove and to ensure a permanent contact of the circulating liquid with the heating surface.
  • the bottom of the groove 2 also has a groove 21 in which is inserted the heating resistor.
  • This groove 21 is open and extends in the extension of the groove.
  • the groove 21 has dimensions, in terms of width and depth, smaller than those of the groove, and is especially sized to allow insertion by matting of the heating resistor and capillary flow of the liquid in the groove. For example, for a heating surface of 3.5 mm diameter and a flow range of 0 to 5 1 / h, the groove 2 has a height of 8.5 mm for a depth of 17 mm and the groove 21 has a height and a 3.5mm width for wired electrical resistance matting 3.
  • the capillary flow is particularly advantageous in the case of a low liquid flow, and in particular in the case where the liquid is injected drop by drop.
  • the capillary flow makes it possible in fact a uniform spreading of the liquid to be evaporated on the heating surface, without formation of drop train, ensuring a regularity of the output steam flow.
  • the water can also be injected by capillarity into the groove.
  • the liquid inlet may be a stainless steel tube positioned in contact with the groove and the heating resistor and dimensioned to allow capillary suction of the liquid in the groove, without the formation of droplets.
  • the liquid inlet may be a stainless steel tube positioned in contact with the groove and the heating resistor and dimensioned to allow capillary suction of the liquid in the groove, without the formation of droplets.
  • the heating resistor is disposed closer to the bottom of the groove and the liquid flows only by gravity.
  • the wire heating resistor may be flat inserted for example in the bottom of the groove or in the groove, or a layer of a metal material covering one or more walls of the groove and / or the groove.
  • the heating resistor 3 is also coupled to the energy source 7, for example a regulated voltage source (not shown), to provide the energy necessary for the heating of the water during its descent along the throat to 'to its evaporation.
  • the steam 51 produced is then discharged at the periphery via the opening of the groove without disturbing the flow to ensure regularity in the operation of the heater.
  • the heating resistor is calibrated so as to ensure a rise, preferably regular, temperature of a given amount of water in the groove until it evaporates completely before the end of the course.
  • the electric power to be supplied to the heating resistor can be optimized according to the quantity of water introduced, so as to distribute the best water over the entire length of the groove and to have a very stable steam production with a minimal energy expenditure. This optimization can be done by calculating the energy needed to heat up the water and then its vaporization, while taking into account heat losses.
  • the power of the electrical resistance will preferably be chosen with a minimum of 30% additional heating capacity to have a better reactivity during changes in evaporation guidelines.
  • the length of this resistance is calculated so as to limit the linear thermal power within the limit of the efficiency of linear heat transfer to liquid water, preferably in the range 0.5 to 1 kW / m.
  • the recommended length for this electrical resistance is therefore between 10 and 20 m.
  • the method for calculating the linear thermal power consists in particular of:
  • the minimum total heating power P needed to vaporize a quantity of liquid may in particular be obtained by the sum of the energy Pi necessary to heat this quantity of liquid to its boiling point, the energy P 2 to achieve the actual vaporization and energy P 3 to overheat the steam produced:
  • Cp 3 the constant heat capacity at constant pressure of the steam [J / (kg.K)]; ⁇ 3 the temperature difference between the final temperature to be reached and the initial temperature [K].
  • this relationship can be weighted by taking into account possible heat losses, preferably by adding a minimum margin of 30% on the total power.
  • the water to be evaporated is introduced into the groove via the liquid inlet and flows into the groove by gravity and / or capillarity. The water heats up during its descent until it evaporates.
  • the steam is evacuated at the periphery of the groove without causing any disturbance to the flow, which guarantees the regularity of operation. According to one variant, it is possible to provide a regulation of the thermal power supplied by the heating resistor.
  • the energy source 7 can be regulated according to one or more parameters measured or supplied during the operation of the generator.
  • a temperature sensor for example a thermocouple, for example measures the temperature 71 of the heating resistor at the end of the trip.
  • the voltage to be supplied to the heating resistor 70 is then adjusted as a function of this measured temperature and a set temperature corresponding to the thermal power required to vaporize the water.
  • a heating element has been described as heating element.
  • the filamentary resistance is replaced by a tube traversed by a coolant, for example oil, the coolant being heated so as to provide a thermal power as described above.
  • the evaporator proposed in the present application is adapted to generate low steam flow, including flow rates of between 10 g / h and 10 kg / h, and does not require the use of carrier gas.
  • the proposed evaporator makes it possible to generate dry steam at a constant pressure, and the desired output steam flow rate is simply obtained by regulating the inlet liquid flow rate.
  • the liquid injection by drop and the generation of a steady flow of steam it is possible to combine the liquid injection by drop and the generation of a steady flow of steam.

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Abstract

Un générateur de vapeur (51) fonctionnant à pression constante, comprend une entrée (40) de liquide suivant un débit prédéfini compris dans une gamme et une surface chauffante à pente descendante autorisant l'écoulement de ladite quantité de liquide, et une montée en température de ladite quantité de liquide injecté à mesure de son écoulement le long du parcours jusqu'à l'évaporation totale de chaque mole de ladite quantité de liquide. La surface chauffante est ouverte de manière à permettre une évacuation directe de la vapeur formée, et la puissance thermique linéique appliquée par cette surface chauffante est sélectionnée en fonction au moins de la longueur maximale du parcours et de la puissance thermique nécessaire pour évaporer la totalité du débit maximal de la gamme.

Description

GÉNÉRATEUR DE VAPEUR
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rapporte au domaine des générateurs de vapeur, et notamment aux générateurs de vapeur utilisés dans les électrolyseurs de vapeur d'eau à haute température (EHVT). L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de conversion d'un liquide en vapeur capable de fournir un faible débit de vapeur, notamment un débit de vapeur compris notamment entre 10 g/h et 10 kg/h, et fonctionnant à pression constante, notamment à pression atmosphérique ou sous quelques dizaines de bar.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température (EVHT, acronyme pour « Electrolyse de la Vapeur d'eau à Haute Température », ou HTSE acronyme anglo- saxon pour « High Température Steam Electrolysis ») est un dispositif électrochimique de production d'hydrogène à partir de la vapeur d'eau par application d'un courant électrique à en empilement de cellules électrolytiques connectées électriquement en série et constituées chacune de deux électrodes, à savoir une cathode et une anode, intercalant une membrane électrolytique à oxyde solide. Globalement, de la vapeur d'eau est introduite au niveau de la cathode de chaque cellule alimentée en électricité et une réaction de réduction électrochimique de la vapeur d'eau conduit à la formation d'hydrogène sur la cathode. De manière générale, pour un point de fonctionnement donné de l'électrolyseur, il existe un courant électrique à appliquer à ce dernier et le débit de vapeur d'eau à introduire dans l'électrolyseur est calculé en fonction de l'intensité du courant électrique appliquée sur l'électrolyseur. L'intensité de courant pouvant généralement varier de 0 à 100% de la gamme de fonctionnement de l'électrolyseur, il est donc également nécessaire que le débit de vapeur à générer puisse également évoluer linéairement de 0 à 100% de capacité, et être composé uniquement de vapeur. En outre, un électrolyseur est un système très sensible aux inhomogénéités de courant/débit de gaz, ces homogénéités pouvant en effet entraîner un vieillissement prématuré de l'électrolyseur. Par exemple, si le débit de vapeur varie autour de sa valeur de consigne, on peut observer une instabilité du point de fonctionnement de l'électrolyseur qui se traduit par des variations de la tension des cellules, cause de vieillissement prématuré. Plus grave, de fortes variations du débit de vapeur ont pour conséquence des variations de la pression de quelques dizaines ou centaines de mbar, lesquelles peuvent être suffisantes pour endommager les joints d'étanchéité ou fissurer les cellules électrochimiques elles-mêmes. Il est donc recherché un débit de vapeur le plus homogène et régulier possible.
Il existe dans le commerce des générateurs de vapeur d'eau à débit régulé, adaptés pour générer des débits importants de vapeur d'eau, à savoir plusieurs dizaine de kg/h. Un tel générateur de vapeur est généralement composé d'une réserve de vapeur sous pression couplée à une vanne de régulation de débit de vapeur pour générer la quantité de vapeur d'eau demandée, et ce de manière constante. II existe également dans le commerce des générateurs de vapeur d'eau, adaptés pour des gammes de débit plus faibles, notamment entre lOg/h à 10kg/h environ. Les vannes de régulation de débit de vapeur utilisées pour les grands débits n'étant pas adaptées pour cette gamme de débit, une solution consiste à réguler le débit d'eau liquide entrant dans le générateur de sorte que la vapeur d'eau générée après évaporation corresponde à la quantité de vapeur souhaitée en sortie.
Suivant un mode de réalisation, ces générateurs à faible débit utilisent un tube chauffant ou un volume dont au moins la paroi inférieure est chauffée, dans lequel une quantité contrôlée d'eau est injectée et chauffée jusqu'à évaporation. On observe cependant que de tels générateurs provoquent des « bouffées » de vapeur et donc des surpressions. Comme le principe de l'évaporation de l'eau liquide est assez complexe s'il est tenu compte de la contrainte de régularité du débit de vapeur en sortie, la difficulté dans cette solution est de maîtriser la chauffe de l'eau de manière à éviter qu'une ébullition locale de l'eau pousse une partie du liquide dans une zone trop chaude et soit source d'emballement de la réaction d'ébullition. La maîtrise de ces phénomènes étant particulièrement difficile, en pratique, les évaporateurs à faible débit ne sont généralement construits que pour générer un seul débit de vapeur sèche, la puissance électrique et la surface d'évaporation ne sont étudiées que pour un seul point de fonctionnement. Suivant un autre mode de réalisation, d'autres évaporateurs adaptés pour des gammes de débit faibles utilisent un gaz porteur, par exemple de l'azote, qui permet de faciliter l'étalement du liquide et d'évacuer la vapeur produite. Cependant, cette solution ne permet pas de produire une vapeur sèche puisqu'il est impossible de séparer la vapeur du gaz porteur. EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est donc de proposer un générateur de vapeur capable de produire, à pression constante, un débit constant de vapeur d'un liquide, par exemple de l'eau, pour les faibles débits de vapeur, et ne nécessitant pas l'utilisation de gaz porteur.
La présente invention a ainsi pour objet un générateur de vapeur à pression constante, capable de fournir un débit régulé de vapeur, y compris pour les faibles débits de vapeur, notamment entre lOg/h et 10kg/h, et pour une pression constante de 0 à plusieurs dizaines de bar relatifs.
Selon l'invention, ce générateur de vapeur comprend :
- un régulateur de débit de liquide configuré pour générer une quantité de liquide, par exemple de l'eau, à un instant donné suivant un débit constant de liquide compris dans une gamme prédéterminée de débits, le débit maximal de cette gamme de débit est inférieur ou égal à 10kg/h ;
- un dispositif de conversion du liquide en vapeur fonctionnant à pression constante et comprenant :
o une enceinte pourvue d'une entrée de liquide reliée au régulateur de liquide et d'une sortie de vapeur par laquelle s'échappe la vapeur selon un débit sensiblement identique à celui du liquide injecté en entrée, l'enceinte présentant ladite pression constante ;
o une surface chauffante dans l'enceinte, à pente descendante définissant un parcours d'écoulement autorisant l'écoulement par gravité de la quantité de liquide le long du parcours depuis l'entrée, et une montée en température de la quantité de liquide à mesure de son écoulement le long du parcours jusqu'à l'évaporation totale de chaque mole de cette quantité de liquide avant la fin dudit parcours, cette surface chauffante étant ouverte de manière à permettre une évacuation directe de la vapeur formée ; - une source d'énergie apte à fournir une quantité d'énergie suffisante à la surface chauffante pour appliquer au liquide une puissance thermique linéique tout au long du parcours, cette puissance thermique linéique étant sélectionnée en fonction au moins de la longueur maximale du parcours et de la puissance thermique nécessaire pour évaporer la totalité d'une quantité maximale de liquide injecté suivant le débit maximal de la gamme de débit. En d'autres termes, l'invention est la combinaison de trois paramètres :
- des dimensions pour assurer un écoulement du liquide, notamment par gravité. On comprend par exemple que si le liquide est orienté vers un réservoir dans lequel il est stocké pour son évaporation par chauffage, il est difficile de contrôler précisément la quantité de vapeur produite. Grâce à l'écoulement, chaque volume de liquide injecté reçoit « individuellement » et de manière contrôlée une quantité de chaleur. Le contrôle de la quantité de vapeur produite en fonction de la quantité de liquide injecté est ainsi facilité ;
- un chauffage du liquide par une source externe d'énergie qui peut être électrique (résistance chauffante) ou thermique (fluide caloporteur) ; et
- une longueur de parcours adaptés pour obtenir une évaporation complète de chaque mole de liquide injecté avant la fin du parcours.
Un tel générateur de vapeur assure ainsi un contrôle de la vaporisation de chaque quantité d'eau injectée. Cette vaporisation se traduit notamment par une évaporation continue du liquide au fur et à mesure de son écoulement jusqu'à son évaporation totale avant la fin du parcours, sans formation de bouffée ou d'écoulement de liquide sur un matelas (ou lit) de vapeur dans l'enceinte. Un tel contrôle du processus d'évaporation évite notamment la présente d'eau stagnante dans l'enceinte, condition nécessaire pour obtenir une régularité du débit de vapeur en sortie, et permet de fournir directement un débit régulier de vapeur sensiblement identique au débit de liquide injecté en entrée. En pratique, la régularisation du débit d'eau (et donc de vapeur) est contrôlable par un utilisateur au moyen d'un bouton de commande. Par exemple, l'utilisateur peut régler la consigne du débit de liquide à injecter en entrée pour obtenir un débit sensiblement équivalent de vapeur en sortie.
Un tel générateur est ainsi capable de fournir un débit de vapeur sèche constant dans la gamme lOg/h à 10kg/h, et ceci sans utiliser ni de gaz porteur ni d'élément électromécanique, comme une vanne de débit de vapeur par exemple. La fabrication du générateur ainsi que son fonctionnement sont donc simplifiés.
Par exemple, pour un débit de vapeur dans la gamme lOg/h à 10kg/h, la puissance thermique maximale appliquée peut être comprise entre 8 et 12 kW et la longueur du parcours peut être compris entre 10 et 20m. En pratique, pour un débit inférieur à 300 g/h, le liquide est de préférence injecté en goutte à goutte. Par exemple, un débit de l'ordre de lOg/h correspond environ à 1 goutte de 36 μΐ de liquide toutes les 13 secondes. Selon un mode de réalisation, le dispositif de conversion peut en outre comprendre une rainure s'étendant le long du parcours et dans laquelle est logée la surface chauffante, la rainure autorisant un écoulement du liquide par gravité et par capillarité le long du parcours.
En d'autres termes, la rainure est dimensionnée de manière à former un canal de capillarité, aspirant ainsi le liquide injecté. L'écoulement par gravité combiné à l'écoulement par capillarité permet notamment un étalement uniforme du liquide injecté en entrée en petit débit, notamment en goutte à goutte, sur une grande longueur de la surface chauffante tout au long du parcours. Il est ainsi formé un filet d'eau continu. La formation de train de gouttes sur la surface chauffante étant évitée, la génération de vapeur est donc plus régulière et le débit de vapeur en sortie est constant même pour une injection d'eau discontinue. Cette solution permet notamment de produire un débit régulier de vapeur à partir d'une injection non linéaire de liquide, notamment en goutte à goutte.
Bien entendu, l'entrée de liquide peut également être dimensionnée pour en outre autoriser une injection par capillarité du liquide directement dans la rainure et éviter la formation de gouttes à l'extrémité du tube d'injection d'eau liquide. Selon un mode de réalisation, l'extrémité d'un tube d'injection d'eau liquide est dans ce cas placée au contact de la rainure.
En pratique, la surface chauffante est disposée dans une gorge ouverte sur au moins une portion inférieure du parcours, de préférence sur la totalité du parcours, de manière à permettre l'échappement libre de la vapeur générée.
Dans le mode de réalisation correspondant à un écoulement par capillarité et par gravité, la gorge est pourvue dans son fond de la rainure décrite ci-avant. En pratique, cette rainure est ouverte sur toute sa longueur vers l'intérieur de la gorge, et présente de préférence des dimensions adaptées pour un écoulement par capillarité. Par exemple, pour une surface chauffante de 3,5mm de diamètre et une gamme de débit de 0 à 5 1/h, la gorge principale a une hauteur de 8,5mm pour une profondeur de 17mm et la rainure a une hauteur et une largeur de 3,5mm permettant le matage de la surface chauffante. Pour diriger le liquide vers le fond de la gorge, et donc concentrer le liquide sur la surface chauffante en fond de la gorge, les parois de la gorge sont de préférence inclinées, l'inclinaison de chacune des parois formant avec l'horizontal un angle d'inclinaison (a) supérieur ou égal à 30°C. En d'autres termes, l'angle formé entre la paroi en contact avec le liquide circulant, dans la direction allant du fond de gorge vers l'ouverture de la gorge, et la direction de la gravité est non nul et de préférence inférieur ou égal à 60° C. On assure ainsi que le liquide circulant reste au contact de la surface chauffante qui est préférentiellement disposée au plus près du fond de la gorge.
La gorge est de préférence constituée d'un matériau neutre pour le liquide, notamment en acier inoxydable particulièrement apprécié pour sa résistance à la corrosion.
En outre, cette gorge est avantageusement de forme hélicoïdale lorsque la compacité est recherchée.
Selon une variante, la surface chauffante peut être localisée en périphérie externe d'un cylindre.
Le dispositif de conversion peut ainsi être formé d'une pièce filetée, le filetage formant la gorge. Par exemple, la pièce peut être un cylindre s'étendant dans la direction de la gravité et à la périphérie duquel est usinée la gorge hélicoïdale. La gorge hélicoïdale présente de préférence une largeur, une profondeur, une longueur et un pas adaptés pour l'évaporation totale du liquide injecté avant la fin du parcours combiné à la puissance thermique linéique appliquée à la surface chauffante, comme expliqué ci-avant. Par ailleurs, l'ouverture de la gorge est de préférence dimensionnée pour assurer une évacuation directe de la vapeur et limiter une accumulation de la vapeur au-dessus ou dans la gorge qui serait susceptible de perturber la chauffe ou la montée en température progressive du liquide. En particulier, il est préférable que la vapeur ne pousse pas le liquide vers une zone trop chaude pour éviter les bouffées de pression. Par exemple, la vapeur peut s'évacuer sensiblement radialement sans perturber l'écoulement de l'eau. Ainsi, l'ouverture de la gorge peut être avantageusement orientée dans une direction différente de celle de la gravité.
Avantageusement, l'enceinte peut être formée d'une enveloppe externe isolante thermiquement et d'une enveloppe interne métallique maintenue à une température prédéfinie, par exemple comprise entre 150 et 250°C pour une génération de vapeur à pression atmosphérique, de manière à éviter une condensation sur les parois internes de l'enceinte. Cette enveloppe interne sera dimensionnée et qualifiée pour fonctionner jusqu'à la pression maximale définie à la conception du générateur de vapeur. De préférence, cette enveloppe interne métallique est conçue pour fonctionner à une pression supérieure à la pression atmosphérique ou dans la gamme de pression atmosphérique à quelques dizaines de bar. Selon une variante, en fonctionnement, la pression dans l'enceinte est celle de la vapeur. Suivant un mode de réalisation adapté notamment à un débit de production de 0 à 5 kg/h à pression atmosphérique, l'enveloppe interne a un diamètre de 220 mm pour une hauteur de 470 mm en tôle de 2 mm d'épaisseur. La spirale d'une longueur linéaire de 10 m est usinée sur un tube de diamètre 200 mm et de 400 mm de hauteur, la distance entre l'ouverture de la gorge et la paroi interne de l'enceinte étant de 8 mm. Le volume dans lequel la vapeur est présente est d'environ 6 litres.
Selon un autre mode de réalisation, la puissance thermique de la surface chauffante peut être régulée via par exemple un capteur de température apte à mesurer la température à au moins un point de la surface chauffante couplé à un régulateur d'énergie à fournir à la surface chauffante en fonction de la température mesurée et d'une température de consigne généralement supérieure ou égale à 100°C.
En pratique, une table donnant la correspondance entre la puissance thermique, le débit d'eau et la température de la surface chauffante, est utilisée pour la régulation de la puissance thermique.
Dans un autre mode de réalisation, il est possible de changer de source de chaleur. Par exemple, il est possible d'utiliser un liquide caloporteur, par exemple une huile, que l'on fait circuler dans un tube métallique. Ce tube peut être mis à la place de la résistance électrique, par exemple par la même technique de matage. Connaissant la capacité calorifique du fluide caloporteur, il est possible de calculer la température nominale garantissant que le débit maximal de liquide puisse être évaporé. Par ailleurs, pour assurer un débit régulier d'évaporation, il est avantageux de faire circuler le fluide caloporteur dans le sens opposé à l'écoulement de l'eau liquide.
En outre, bien que le dispositif décrit permette de produire de la vapeur sèche, il est également possible d'introduire, si besoin, un ou plusieurs gaz pour réaliser un mélange. Dans ce cas, un préchauffage de ces gaz est nécessaire avant leur introduction dans la vapeur. Ce préchauffage peut être obtenu par exemple par une technique simple qui consiste à souder la ligne de gaz en spirale sur l'enceinte du générateur.
L'invention a également pour objet un dispositif de conversion de liquide en vapeur à pression constante présentant tout ou partie des caractéristiques définies ci-avant. En particulier, le dispositif de conversion de liquide en vapeur est capable de fournir un débit régulé de vapeur, notamment entre lOg/h et 10kg/h, pour une pression constante de 0 à plusieurs dizaines de bar relatifs.
Par exemple, ce dispositif de conversion de liquide en vapeur à pression constante comprend :
- une entrée de liquide par laquelle une quantité de liquide est injectée à un instant donné suivant un débit constant de liquide compris dans une gamme prédéterminée de débits, le débit maximal de cette gamme de débit est inférieur ou égal à 10kg/h ;
- une surface chauffante à pente descendante définissant un parcours d'écoulement autorisant l'écoulement de la quantité de liquide le long du parcours par gravité depuis l'entrée, et une montée en température de cette quantité de liquide injecté à mesure de son écoulement le long du parcours jusqu'à l'évaporation totale de chaque mole de cette quantité de liquide avant la fin du parcours.
En outre, la surface chauffante est ouverte de manière à permettre une évacuation directe de la vapeur formée, et la puissance thermique linéique appliquée par cette surface chauffante au liquide tout au long du parcours est sélectionnée en fonction au moins de la longueur maximale du parcours et de la puissance thermique nécessaire pour évaporer la totalité d'une quantité maximale de liquide injecté suivant le débit maximal de la gamme de débit. En termes de procédé, la génération de vapeur ou la conversion de liquide en vapeur à pression atmosphérique ou sous une pression constante avec le générateur ou le dispositif décrit ci-dessus comprend notamment :
- l'apport d'une énergie à la surface chauffante décrite ci-avant de sorte que la surface chauffante présente une puissance thermique linéique suffisante pour l'évaporation d'une quantité de liquide à injecter selon un débit prédéfini ;
- l'injection de la quantité de liquide à un instant t selon le débit prédéfini ;
- l'écoulement, au moins par gravité, de la quantité de liquide le long de la surface chauffante définissant un parcours d'écoulement, et réchauffement de la quantité de liquide à mesure que le liquide s'écoule jusqu'à son évaporation totale avant la fin du parcours. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques et dans lesquels :
La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de conversion d'un liquide en vapeur selon un mode de réalisation de l'invention dans lequel la gorge est hélicoïdale ;
La figure 2 est une représentation schématique partielle en demi-coupe axiale de la gorge hélicoïdale du générateur de vapeur de la figure 1 ; et
la figure 3 est une représentation schématique du générateur de vapeur selon un mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN MODE DE RÉALISATION DE L'INVENTION
Le générateur de vapeur selon un mode de réalisation de l'invention est illustré à la figure 3 et comprend notamment :
- un régulateur de débit 6 de liquide ;
- un dispositif de conversion 10 du liquide en vapeur ; et
- une source d'énergie régulée 7 ;
Le régulateur de débit 6 de liquide est configuré pour fournir au dispositif de conversion 10 une quantité de liquide 50 à un instant donné suivant un débit constant compris par exemple entre lOg/h et 10kg/h. En pratique, le débit de liquide à générer est fixé par l'utilisateur au moyen d'une consigne 60 et correspond sensiblement au débit de vapeur à produire par le dispositif de conversion 10. Le régulateur de débit 6 d'eau liquide peut être un régulateur du commerce, par exemple un régulateur de débit massique thermique ou Coriolis. Le dispositif de conversion 10 du liquide en vapeur est configuré pour évaporer la totalité du liquide 50 injectée et pour générer de la vapeur 51 à un débit régulier correspondant sensiblement au débit de liquide injectée.
La structure du dispositif de conversion de liquide 50, notamment de l'eau, en vapeur 51 selon un mode de réalisation particulier illustré à la figure 1 est décrit ci-après. Ce dispositif de conversion est notamment formé d'une enceinte 4 pourvue d'une sortie de vapeur 42 et d'une entrée de liquide 40 destinée à être couplée à au régulateur de débit 6 d'eau . L'enceinte 4 est notamment formée d'une enveloppe externe 43 isolante thermiquement et d'une enveloppe interne 44 qui permet de retenir la vapeur produite dans l'enceinte 4 et de canaliser cette vapeur sur la sortie vapeur 42 pour qu'elle puisse être utilisée. Cette enveloppe interne 44 est notamment en matériau métallique et est chauffée pour être maintenue à une température suffisante, par exemple 200 °C, pour éviter l'apparition de condensât sur les parois internes de l'enceinte. Cette enveloppe 44 a également pour fonction de résister à la pression maximale de fonctionnement du générateur de vapeur. Par exemple, pour un débit de production de 0 à 5 kg/h à pression atmosphérique, l'enveloppe interne a un diamètre de 220 mm pour une hauteur de 470 mm en tôle de 2 mm d'épaisseur.
Selon une variante, le volume interne de l'enceinte 4 étant en connexion, via la sortie de vapeur 42, avec l'extérieur, la pression interne de l'enceinte est par conséquent réglée par la pression extérieure. Par exemple, la sortie 42 est connectée directement en entrée d'un électrolyseur fonctionnant à la pression atmosphérique, de sorte que la pression interne de l'enceinte 4 est égale à la pression atmosphérique, et donc sensiblement constante. Bien entendu, la pression extérieure, qui fixe la pression interne de l'enceinte, peut être différente, notamment supérieure. De même, un régulateur de pression peut être prévu pour réguler directement la pression interne de l'enceinte afin d'obtenir une pression sensiblement constante. Selon une autre variante, en fonctionnement, la pression interne de l'enceinte reste sensiblement identique à celle de la pression de la vapeur produite.
Une gorge 2 ouverte de forme hélicoïdale, pour des raisons de compacité, est disposée dans cette enceinte 4. Cette gorge 2 est notamment usinée à la périphérie externe d'une pièce 1, un cylindre en acier inoxydable par exemple, qui repose sur une base 41 support de l'enceinte 4. Cette base support est notamment horizontale, c'est-à-dire sensiblement perpendiculaire à la direction G de la gravité.
Cette gorge selon ce mode de réalisation présente une pente descendante, par exemple entre 1 et 4%, qui autorise un écoulement par gravité de l'eau liquide 50 depuis l'entrée 40 de liquide. Par ailleurs, une résistance électrique chauffante 3 filaire, par exemple de section ronde, faisant office de surface chauffante, est insérée dans la gorge 2. Cette résistance chauffante 3 est positionnée dans la gorge, et notamment au plus près du fond de la gorge, de manière à s'étendre tout le long de la gorge pour définir un parcours de circulation du liquide. Cette résistance chauffante 3 est alimentée par la source d'énergie 7 régulée et est par ailleurs destinée à être mise en contact avec le liquide circulant pour l'amener jusqu'à sa température d'évaporation. En pratique, pour transmettre efficacement l'énergie thermique au liquide à évaporer, la surface de contact entre la résistance chauffante et le liquide doit être grande. Suivant un mode de réalisation comprenant une résistance électrique de 10 m de long et de 3,5mm de diamètre, la surface de contact est estimée à 550 cm2.
Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, cette gorge 2 comprend notamment un fond de gorge à l'opposée d'une ouverture ainsi que des parois inclinées. En particulier, l'ouverture est orientée de manière à permettre une évacuation sensiblement radiale de la vapeur produite. L'angle d'inclinaison a formé entre l'horizontal H et chacune des parois 20 de la gorge dans la direction allant du fond de gorge vers l'ouverture est d'au moins 30°. Cette inclinaison permet de diriger le liquide vers le fond de la gorge et d'assurer un contact permanent du liquide circulant avec la surface chauffante.
Le fond de la gorge 2 présente par ailleurs une rainure 21 dans laquelle est insérée la résistance chauffante. Cette rainure 21 est ouverte et s'étend dans le prolongement de la gorge. La rainure 21 présente des dimensions, en termes de largeur et de profondeur, inférieures à celles de la gorge, et est notamment dimensionnée pour permettre l'insertion par matage de la résistance chauffante et un écoulement par capillarité du liquide dans la gorge. Par exemple, pour une surface chauffante de 3,5mm de diamètre et une gamme de débit de 0 à 5 1/h, la gorge 2 a une hauteur de 8,5mm pour une profondeur de 17mm et la rainure 21 a une hauteur et une largeur de 3,5mm permettant le matage de résistance électrique filaire 3.
L'écoulement par capillarité trouve notamment son avantage dans le cas d'un faible débit de liquide, et notamment dans le cas où le liquide est injecté goutte à goutte. L'écoulement par capillarité permet en effet un étalement uniforme du liquide à évaporer sur la surface chauffante, sans formation de train de gouttes, garantissant une régularité du débit de vapeur en sortie. En outre, l'eau peut également être injectée par capillarité dans la gorge. Par exemple, l'entrée de liquide peut être un tube en acier inoxydable positionné au contact de la gorge et de la résistance chauffante et dimensionné pour autoriser une aspiration par capillarité du liquide dans la gorge, sans formation de goutte. Bien entendu, en fonction du type d'injection du liquide, en goutte à goutte ou en continue, et du débit de liquide à introduire, il est possible de réaliser le dispositif sans la rainure. Dans ce cas, la résistance chauffante est disposée au plus près du fond de la gorge et le liquide s'écoule uniquement par gravité. Selon une autre variante, la résistance chauffante filaire peut être plane insérée par exemple dans le fond de la gorge ou dans la rainure, ou encore une couche d'un matériau métallique recouvrant une ou plusieurs parois de la gorge et/ou de la rainure.
La résistance chauffante 3 est par ailleurs couplée à la source d'énergie 7, par exemple une source de tension régulée (non représenté), pour fournir l'énergie nécessaire à la chauffe de l'eau durant sa descente le long de la gorge jusqu'à son évaporation. La vapeur 51 produite est ensuite évacuée en périphérie via l'ouverture de la gorge sans amener de perturbation à l'écoulement pour garantir une régularité dans le fonctionnement de la chauffe.
Pour assurer une évaporation efficace de tout le liquide introduit dans la gorge avec ou sans ébullition, il est nécessaire de chauffer le liquide de façon homogène. En pratique, la résistance chauffante est calibrée de manière à assurer une montée, de préférence régulière, en température d'une quantité d'eau donnée dans la gorge jusqu'à son évaporation totale avant la fin du parcours. La puissance électrique à fournir à la résistance chauffante peut être optimisée en fonction de la quantité d'eau introduite, de manière à répartir au mieux l'eau sur toute la longueur de la gorge et d'avoir une production de vapeur très stable avec une dépense énergétique minimale. Cette optimisation peut être faite en calculant l'énergie nécessaire à réchauffement de l'eau puis sa vaporisation, tout en tenant compte des pertes thermiques.
En pratique, on définit un débit maximal de liquide à injecter dans la gorge, par exemple 10 kg/h. Ce débit maximal définit une quantité maximale de liquide à évaporer, ici 10kg. On calcule la puissance thermique totale nécessaire pour vaporiser cette quantité maximale de liquide, en tenant bien entendu compte de la température initiale du liquide et de la pression dans laquelle la chauffe est réalisée. Par exemple, la puissance thermique totale peut être calculée pour faire passer l'eau liquide de 20°C à un état de vapeur surchauffée à 150°C à pression atmosphérique. Ce calcul est par exemple effectué selon les relations :
P = m. C i. (100 - 20) + m. L + m. Cp2. (150 - 100) P = m. (C i. (100 - 20) + L + Cp2. (150 - 100)) P = m. (4195. (100 - 20) + 2,258. 106 + 2030. (150 - 100))
P = m. 2695100
P = 2,77. ÎO-3. 2695100
P = 7486 W avec :
P : Puissance thermique minimale nécessaire [W] ;
m : débit massique d'eau [2.77.10"3 kg/s] ;
- Cp1 : Chaleur spécifique moyenne de l'eau entre 20°C et 100°C [4195 J/(kg.K)] ; - Cp2 : Chaleur spécifique moyenne de la vapeur d'eau entre 100°C et 150°C [2030 J/(kg.K)] ;
L : Chaleur latente de vaporisation de l'eau [2.258.106 J/(kg.K)].
Suivant un mode de réalisation, la puissance de la résistance électrique sera préférentiellement choisie avec au minimum 30% de capacité de chauffage supplémentaire pour avoir une meilleure réactivité lors des changements de consignes d'évaporation. Dans le cas présenté d'un débit de production de vapeur de 10 kg/h, la puissance recommandée pour la résistance chauffante est de (1 ,3.P)=9732 W, arrondi à 10 kW.
La longueur de cette résistance est calculée de façon à limiter la puissance thermique linéaire dans la limite de l'efficacité du transfert thermique linéique vers l'eau liquide, préférentiellement dans la gamme 0,5 à 1 kW/m. Dans le cas présenté d'un débit de production de vapeur de 10 kg/h, soit 10 kW de puissance totale, la longueur préconisée pour cette résistance électrique est donc comprise entre 10 et 20 m.
En d'autres termes, la méthode de calcul de la puissance thermique linéique consiste notamment à :
définir un débit maximal de liquide à injecter, ce débit maximal donnant la quantité maximale de liquide à évaporer ;
calculer la puissance thermique totale nécessaire pour vaporiser cette quantité maximale de liquide, c'est-à-dire pour élever la température de la quantité de liquide d'une température initiale à au moins sa température d'évaporation, pour réaliser l'évaporation proprement dite et pour surchauffer la vapeur produite ; et
- calculer la puissance thermique linéique à produire pour une longueur de parcours égale à la longueur maximale du parcours.
Par exemple, la puissance P de chauffe totale minimale nécessaire pour vaporiser une quantité de liquide peut notamment être obtenue par la somme de l'énergie Pi nécessaire pour chauffer cette quantité de liquide jusqu'à sa température d'ébullition, l'énergie P2 pour réaliser la vaporisation proprement dite et l'énergie P3 pour surchauffer la vapeur produite :
P = Pi + P2 + P3 En particulier, le calcul de la puissance nécessaire pour élever un débit donné de liquide d'une température initiale à une température finale, par exemple sa température d'évaporation, est par exemple donnée par la relation :
P1 = m. Cp^ AT^ avec :
Pi la puissance en Watt [W] ;
m le débit de liquide à réchauffer [kg/s] ;
Cpi la capacité thermique massique à pression constante du liquide [J/(kg.K)] ;
- ΔΤι la différence de température entre la température finale à atteindre et la température initiale [K].
Le calcul de la puissance nécessaire pour vaporiser un débit donné de liquide est par exemple donné par la relation :
P2 = m. L avec :
P2 la puissance en Watt [W] ;
m le débit de liquide à réchauffer [kg/s] ;
- L la chaleur latente massique de vaporisation à pression constante du liquide [J/kg].
Le calcul de la puissance nécessaire pour surchauffer un débit donné de vapeur d'une température initiale à une température finale, par exemple jusqu'à une température supérieure de 50°C à la température d'évaporation, est par exemple donnée par la relation :
P3 = rh. Cp3. AT3 avec :
P3 la puissance en Watt [W] ;
- m le débit de vapeur à réchauffer [kg/s] ;
Cp3 la capacité thermique massique à pression constante de la vapeur [J/(kg.K)] ; ΔΤ3 la différence de température entre la température finale à atteindre et la température initiale [K]. Bien entendu, cette relation peut être pondérée en tenant compte d'éventuelles pertes de chaleur, préférentiellement en ajoutant une marge minimale de 30% sur la puissance totale. Ainsi, l'eau à évaporer est introduite dans la gorge via l'entrée de liquide et s'écoule dans la gorge, par gravité et/ou par capillarité. L'eau s'échauffe durant sa descente jusqu'à s'évaporer. La vapeur est évacuée en périphérie de la gorge sans amener de perturbation à l'écoulement, ce qui garantit la régularité du fonctionnement. Selon une variante, il est possible de prévoir une régulation de la puissance thermique fournie par la résistance chauffante. En pratique, la source d'énergie 7 peut être régulée en fonction d'un ou de plusieurs paramètres mesurés ou fournis au cours du fonctionnement du générateur. Par exemple, il est possible de coupler un capteur de température à un régulateur de tension. Le capteur de température, par exemple un thermocouple, mesure par exemple la température 71 de la résistance chauffante en fin de parcours. La tension à fournir 70 à la résistance chauffante est alors ajustée en fonction de cette température mesurée et d'une température de consigne correspondante à la puissance thermique nécessaire pour vaporiser l'eau. En pratique, on dispose d'un tableau ou d'un diagramme donnant les correspondances entre la température, le débit d'eau, et l'énergie électrique à fournir.
Il a été décrit comme élément chauffant une résistance électrique fïlaire. En variante, la résistance fïlaire est remplacée par un tube parcouru par un fluide caloporteur, par exemple de l'huile, le fluide caloporteur étant chauffée de manière à fournir une puissance thermique telle que décrite ci-dessus.
Ainsi, l'évaporateur proposé dans la présente demande est adapté pour générer de faible débit de vapeur, notamment des débits compris entre 10 g/h et 10 kg/h, et ne nécessite pas l'utilisation de gaz porteur.
En particulier, l'évaporateur proposé permet de générer de la vapeur sèche à une pression constante, et le débit de vapeur souhaitée en sortie est simplement obtenu par une régulation du débit de liquide en entrée. En particulier, il est possible de combiner l'injection de liquide par goutte à goutte et la génération d'un débit régulier de vapeur.
Ceci est rendu possible grâce notamment :
à un écoulement par gravité et/ou par capillarité qui assure une répartition homogène du liquide sur la surface chauffante ; à une chauffe homogène du liquide tout au long du parcours d'écoulement qui assure une montée régulière en température du liquide ainsi qu'une évaporation régulière du liquide ; et
une évacuation optimale de la vapeur produite sans perturbation du processus d'évaporation.

Claims

REVENDICATIONS
Générateur de vapeur à pression constante comprenant :
un régulateur de débit de liquide configuré pour générer une quantité de liquide à un instant donné suivant un débit constant de liquide compris entre une gamme prédéterminée de débits, le débit maximal de ladite gamme de débit étant inférieur ou égal à 10kg/h ;
un dispositif de conversion du liquide (50) en vapeur (51) fonctionnant à pression constante comprenant :
o une enceinte (4) pourvue d'une entrée (40) de liquide reliée au régulateur de liquide et d'une sortie (42) de vapeur par laquelle s'échappe la vapeur (51) selon un débit sensiblement identique à celui du liquide (50) injecté en entrée (40), l'enceinte (4) présentant ladite pression constante ;
o une surface chauffante dans l'enceinte (4), à pente descendante définissant un parcours découlement autorisant l'écoulement par gravité de ladite quantité de liquide le long du parcours depuis ladite entrée (40), et une montée en température de ladite quantité de liquide à mesure de son écoulement le long du parcours jusqu'à l'évaporation totale de chaque mole de ladite quantité de liquide avant la fin dudit parcours, ladite surface chauffante est ouverte de manière à permettre une évacuation directe de la vapeur formée ;
une source d'énergie apte à fournir une quantité d'énergie suffisante à la surface chauffante pour appliquer au liquide une puissance thermique linéique tout au long du parcours, ladite puissance thermique linéique étant sélectionnée en fonction au moins de la longueur maximale du parcours et de la puissance thermique nécessaire pour évaporer la totalité d'une quantité maximale de liquide injecté suivant le débit maximal de la gamme de débit.
Générateur de vapeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de conversion comprend en outre une rainure (21) s 'étendant le long du parcours et dans laquelle est logée tout ou partie de la surface chauffante, l'espace libre contenu dans la rainure (21) présentant des dimensions autorisant un écoulement du liquide par capillarité le long du parcours.
Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée de liquide est dimensionnée pour en outre autoriser une injection par capillarité du liquide dans ladite rainure (21).
4. Générateur de vapeur selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de conversion comprend en outre une gorge (2) dans laquelle est disposée ladite surface chauffante, ladite gorge (2) étant ouverte sur au moins une portion inférieure dudit parcours, pour permettre l'échappement de la vapeur.
5. Générateur de vapeur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la gorge (2) est pourvue dans son fond de ladite rainure (21), ladite rainure (21) étant ouverte sur toute sa longueur vers l'intérieur de ladite gorge.
6. Générateur de vapeur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la gorge présente des parois inclinées de manière à diriger le liquide vers le fond de la gorge (2), ladite inclinaison de chacune des parois formant avec l'horizontal un angle d'inclinaison (a) supérieur ou égal à 30°C.
7. Générateur de vapeur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la gorge est constituée d'un matériau neutre pour le liquide, notamment en acier inoxydable.
8. Générateur de vapeur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que ladite gorge est hélicoïdale.
9. Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface chauffante est formée par une résistance électrique chauffante (3) s'étendant tout au long du parcours.
10. Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface chauffante est formée par un tube contenant un fluide caloporteur s'étendant tout au long du parcours.
11. Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la surface chauffante est localisée en périphérie externe d'un cylindre.
12. Dispositif de conversion d'un liquide en vapeur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enceinte (4) est formée d'une enveloppe externe (43) isolante thermiquement et d'une enveloppe interne (44) métallique maintenue à une température prédéfinie de manière à éviter une condensation sur les parois internes de l'enceinte (4).
13. Dispositif de conversion d'un liquide en vapeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'enveloppe interne (44) métallique est conçue pour fonctionner à une pression supérieure à la pression atmosphérique (4). 14. Dispositif de conversion d'un liquide en vapeur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
un capteur de température apte à mesurer la température à au moins un point de la surface chauffante ; et
- un régulateur de puissance thermique à appliquer à la surface chauffante en fonction de ladite température mesurée et d'une température de consigne supérieure à 100°C.
Dispositif de conversion d'un liquide (50) en vapeur (51) fonctionnant à pression constante, caractérisé
en ce qu'il comprend :
- une entrée (40) de liquide par laquelle une quantité de liquide est injectée à un instant donné suivant un débit constant de liquide compris dans une gamme prédéterminée de débits, le débit maximal de ladite gamme de débit étant inférieur ou égal à 10kg/h ;
- une surface chauffante à pente descendante définissant un parcours d'écoulement autorisant l'écoulement de ladite quantité de liquide le long du parcours par gravité depuis ladite entrée, et une montée en température de ladite quantité de liquide injecté à mesure de son écoulement le long du parcours jusqu'à l'évaporation totale de chaque mole de ladite quantité de liquide avant la fin dudit parcours ;
et en ce que
la surface chauffante est ouverte de manière à permettre une évacuation directe de la vapeur formée ; et
la puissance thermique linéique appliquée par cette surface chauffante au liquide tout au long du parcours est sélectionnée en fonction au moins de la longueur maximale du parcours et de la puissance thermique nécessaire pour évaporer la totalité d'une quantité maximale de liquide injecté suivant un débit maximal de la gamme de débit. 16. Dispositif de conversion selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est conforme au dispositif de conversion défini à l'une des revendications 1 à 14.
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