FR2600761A1 - Dispositif pour la recuperation de la chaleur de gaz brules chauds - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF PERMETTANT DE RECUPERER DE LA CHALEUR DE GAZ BRULES CHAUDS ET DE LA TRANSMETTRE A UN FLUIDE TEL QUE DE L'EAU. CE DISPOSITIF COMPREND: -UNE CUVE ALLONGEE 1 DISPOSEE HORIZONTALEMENT ET PARTIELLEMENT REMPLIE D'UN LIQUIDE CALOPORTEUR 3; -DES TUBULURES 10 D'ENTREE ET 11 DE SORTIE DES GAZ BRULES, PREVUES A CHAQUE EXTREMITE DE LA CUVE 1 ET POSITIONNEES AU-DESSUS DU NIVEAU DU LIQUIDE 3; -UN ORGANE DE TRANSMISSION DE CHALEUR 2 ENTRAINE EN ROTATION A L'INTERIEUR DE LA CUVE 1, AUTOUR D'UN AXE HORIZONTAL XX, DE TELLE MANIERE QU'IL SOIT EN CONTACT AVEC LES GAZ BRULES TOUT EN ETANT PARTIELLEMENT IMMERGE DANS LE LIQUIDE 3; -UNE ENCEINTE 40 DANS LAQUELLE CIRCULE LE FLUIDE 4 A RECHAUFFER, CE FLUIDE SE TROUVANT EN CONTACT THERMIQUE AVEC LE LIQUIDE CALOPORTEUR 3.

Description

La présente invention concerne un dispositif permettant de récupérer la chaleur de gaz brûles chauds et de transmettre cette chaleur à un fluide que l'on souhaite réchauffer, par exemple à de l'eau.

Des dispositifs de ce genre ont déjà été proposés antérieurement, notamment par les documents de brevet
FR 2 416 426, FR 2 479 426, FR 2 546 613, et FR 2 512 942.

Le document FR 2 416 426 concerne un récupérateur de chaleur destiné à être monté dans un conduit de cheminée domestique à foyer ouvert. Ce récupérateur comprend un échangeur en forme de conduit dans lequel circule l'eau de l'installation de chauffage central, ce conduit surplombant le foyer de la cheminée ; l'eau est réchauffée par les gaz brûlés chauds qui montent dans le conduit de cheminée.

Le document FR 2 479 426 a pour objet un dispositif de préchauffage d'un liquide, notamment d'eau, à usage domestique, qui est associé à un tuyau d'évacuation des fumées de combustion d'une chaudière. Ce dispositif comprend un fourreau cylindrique étanche dans lequel circule le liquide à réchauffer, ce fourreau entourant un tronçon horizontal du tuyau d'évacuation d-es fumées.

Le document FR 2 546 613 décrit également un dispositif de récupération de chaleur destiné à être monté sur un conduit de fumées d'une chaudière domestique ; ce dispositif comprend un corps creux allongé s'adaptant sur le conduit de fumées, qui est entouré d'une enveloppe dans laquelle circule l'eau à réchauffer ; des plaques transversales formant chicanes, dont une partie est située à l'intérieur du corps creux et l'autre à l'intérieur de l'enveloppe, favorisent la transmission de chaleur des fumées à l'eau.

Le document FR 2 512 942 décrit un dispositif pour extraire, accumuler et utiliser la chaleur des gaz brûlés chauds produits par une source de combustion, de type quelconque, à usage domestique ou industriel ; dans ce dispositif, le courant ascendant des gaz brûlés est forcé de passer dans une pluralité d'échangeurs de cha leur~branché-s en parallèle et ensuite de changer de sens, de manière à devenir descendant.

Ces différents dispositifs connus ne donnent généralement pas entière satisfaction, dans la mesure où ils sont d'un rendement relativement faible, sont encombrants et coûteux et/ou ne réalisent pas de dépollution des gaz brûlés qui les traversent, ou du moins réalisent une dépollution insuffisante de ces gaz
L'invention vise à résoudre ce problème en proposant un dispositif du genre mentionné qui, au contraire, réalise un transfert de chaleur à rendement élevé tout en étant d'un prix de revient relativement faible, qui soit d'une conception simple et robuste, et permette d'obtenir une dépollution notable des gaz brûlés par captage des particules solides qui s'y trouvent en suspension, notamment de la suie.

Ces résultats sont atteints conformément à l'invention par le fait que ce dispositif comprend
- des tubulures d'entrée et de sortie des gaz brûlés, prévues à chaque extrémité de la cuve et positionnées au dessus du niveau du liquide caloporteur ;
- un organe de transmission de chaleur, monté à rotation à l'intérieur de la cuve autour d'un axe horizontal, de telle manière qu'il soit en contact avec les gaz brûlés tout en étant partiellement immergé dans le liquide caloporteur
- des moyens d'entraînement en rotation dudit organe de transmission de chaleur
- une enceinte dans laquelle circule le fluide à réchauffer, qui se trouve en contact thermique avec le liquide caloporteur.

Grâce à cet arrangement, la totalité du fluide caloporteur, qui est brassée en permanence par l'organe rotatif, est portée de manière homogène à une température élevée par les gaz brûlés chauds traversant la cuve, et communique ensuite une partie de cette chaleur au fluide à réchauffer.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'organe de transmission de chaleur comprend un arbre d'axe horizontal sur lequel sont montés une série d'ailettes transversales en matériau thermiquement bon conducteur.

Les ailettes transversales sont par exemple des disques percés d'ouvertures qui autorisent le passage des gaz brûlés dans la partie supérieure de la cuve, et les ouvertures de deux disques voisins sont avantageusement décaléesangulairement les unes par rapport à l'autre de manière à jouer le rôle de chicanes.

On comprendra aisément que la présence de ces ailettes perforées permet d'intercepter le courant des gaz brûlés passant dans la partie supérieure de la cuve, ce qui d'une part augmente le-temps de contact de ces gaz avec le fluide caloporteur, améliorant la qualité de l'échange thermique, et d'autre part réalise un arrêt des particules solides (notamment de suie) qui tombent dans la cuve, en permettant d'obtenir des gaz propres à la sortie du dispositif.

Selon un mode de réalisation particulièrement simple, l'enceinte dans laquelle circule le fluide à réchauffer enveloppe au moins partiellement la partie inférieure de la cuve où se trouve le liquide caloporteur cette partie ayant bien entendu une paroi réalisée dans un matériau à bonne conductibilité thermique.

Des moyens tels que des conduites et une pompe, peuvent etre prévus pour faire circuler le liquide caloporteur à l'extérieur de la cuve, à travers un bac de décantation dans lequel les particules solides sont récupérées, ce qui permet de dépolluer en permanence ce liquide caloporteur.

Avantageusement, on monte à l'intérieur de la cuve un dispositif de raclage qui est adapté pour enlever la suie qui s'est déposée sur les ailettes transversales, au cours de leur rotation, ce dépôt de suie risquant d'abaisser la conductibilité thermique des ailettes et donc de réduire le rendement du dispositif.

Dans une variante possible l'arbre et les ailettes transversales qui constituent l'organe de transmission de chaleur sont creux et délimitent un espace intérieur qui est rempli d'un liquide tel que de l'eau ; la présence de ce liquide permet de répartir uniformément la chaleur sur toute la longueur de l'organe de transmission, bien que la température des gaz à l'entrée de la cuve soit nettement supérieure à leur température de sortie ; cet espace intérieur peut être soit fermé, soit branché sur une conduite de fluide qui est réchauffe lors de son passage dans cet espace.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaftront de la description et des dessins annexés qui en présentent des modes de réalisation préférentiels.

Sur ces dessins
- la figure 1 est une vue de face, partiellement coupée par un plan vertical longituninal d'un premier mode de réalisation du dispositif
- la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un second de mode de réalisation
- les figures 3 et 4 sont des coupes transversales, respectivement par les plans III-III et IV-IV des dispositifs des figures 1 et 2 respectivement
- la figure 5 est une vue similaire aux figures 1 et 2 d'un troisième mode de réalisation.

Les dispositifs représentés sur les figures sont destinés à être branchés sur un conduit d'évacuation de gaz brûlés chauds provenant d'une source de combustion quelconque, par exemple une cheminée à foyer ouvert, une chaudière à usage domestique ou industriel, un incinérateur de déchets ; ils sont destinés à réchauffer un fluide, par exemple l'eau d'une installation de chauffage central ou un gaz intervenant d-ans un processur de réaction industrielle.

Le dispositif faisant l'objet du premier mode de réalisation des figures 1 et 3 comprend une cuve cylindrique 1 d'axe XX' horizontal ; la partie supérieure de cette cuve reçoit les tubulures d'entrée 10 et de sortie 11 des gaz brûlés utilisés. A l'intérieur de la cuve 1 est guidé en rotation, par des paliers appropriés, un organe de transmission de chaleur 2 ; ce dernier comprend un arbre rotatif 21, d'axe XX', sur lequel sont calées une série d'ailettes 20 équidistantes ; celles-ci sont des disques en matériau themiquement conducteur, par exemple en fonte ouen aluminium.

L'arbre 21 est entralné en rotation, à vitesse uniforme, par un petit motoréducteur électrique 22 ; la vitesse de rotation des disques 20 sur l'axe XX' est par exemple de l'ordre 2 à 10 tours par minute.

Comme on le voit à la figure 3, chacun des disques 20 est un disque perforé présentant des ouvertures 200, 201, disposés par exemple tous les 60 ; selon une caractéristique de l'invention, les ouvertures 200, 201 de chaque disque 20 sont décalées angulairement, par exemple de 30 , par rapport aux ouvertures correspondantes 200', 201' du disque voisin 20'.-Ces ouvertures constituent donc en quelque sorte des chicanes dont la fonction sera expliquée plus loin.

A la partie inférieure de la cuve 1, est fixée une enveloppe semi-cylindrique 40, par exemple par soudage au moins la paroi inférieure de la cuve 13, qui est contigüe à l'espace intérieur de cette enveloppe, est réalisée dans un matériau thermiquement bon conducteur.

L'enveloppe 40 forme une enceinte étanche qui reçoit des conduits d'entrée 41 et de sortie 42 du fluide 4 que l'on souhaite réchauffer.

Cet appareil est équipé d'un bac de décantation, désigné par la référence 33, qui est branché par des canalisations 30 et 3.1 aux deux extrémités de la partie inférieure de la cuve 1 ; sur l'une de ces canalisations 31 est prévue une pompe 32 destinée à faire passer le liquide pompé du bac 33 dans la cuve 1.

On notera enfin que sur la tubulure de sortie des gaz brûlés 11 est prévue de préférence un dispositif d'aspiration des gaz 12.

Cet appareil fonctionne de la manière suivante
on introduit tout d'abord à l'intérieur de la cuve 1, de manière à remplir celle-ci incomplètement, un liquide caloporteur 3 (liquide de bonne conductibilité thermique), par exemple de l'eau ; le volume de liquide 3 introduit est tel que son niveau arrive à peu près au niveau de l'arbre 21, ou légèrement au-dessous de celui-ci.

Le dispositif étant branché à la fois sur les tubulures 10, 11 des gaz brûlés et sur les conduits 41, 42 de circulation du fluide à réchauffer, on met en route le motoréducteur 22, l'aspirateur 12, et la pompe 32.

On cours de leur passage dans la partie supérieure de la cuve 1, les gaz brûlés chauds traversent les différentes ouvertures 200, 201 prévues dansles ailettes 20, tout en réchauffant celles-ci; en raison de leur rotation, elles communiquent au liquide 3 cette chaleur captée, si bien que le liquide 3 est également porté à une température élevée le liquide 3 communique lui même au fluide 4 traversant l'enceinte 40 cette chaleur, ce qui permet d'obtenir le résultat recherché.

D'autre part, les particules solides, notamment de suie, qui se trouve en suspension dans les gaz brûlés chauds, butent contre les ailettes 20 en raison du décalage en chicane des trous 200,201 et se déposent sur ces ailettes cependant, le liquide caloporteur 3, jouant le rôle d'agent de lavage, nettoie en permanence ces ailettes, si bien que les particules se retrouvent en suspension dans le liquide 3 ; en raison de la circulation de ce liquide, commandé par la pompe 32, les particules sont ensuite recueillies dans le bac de décantation 33, pour former un dépôt solide Sî ; le bac de décantation est par exemple du type comprenant une série de plaques supérieures 34 et inférieures 35 formant des chicanes.

C'est donc un gaz propre qui sort de la cuve 1 par le conduit de sortie 11, l'évacuation de ce gaz étant favorisée par le ventilateur 12.

Le deuxième mode de réalisation, représenté aux figures 2 et 4, se différencie essentiellement du précédent par la forme de la partie inférieure de la cuve et par le fait qu'il n'est pas équipé d'un circuit de décantation du liquide caloporteur.

La cuve 5 de ce dispositif possède une forme allongée dont la partie supérieure 52 est semi-cylindrique et la partie inférieure 53 est de forme tronconique, à angles arrondis.

A l'intérieur de la cuve 5 est monté un organe de transmission de chaleur 6 disposé horizontalement, comprenant un arbre 61 d'axe horizontal XX' sur lequel est montée une série de disques 60 en matériau thermiquement conducteur. Les disques 60 sont percés d'ouvertures 601, 600, cette fois disposées tous les 45" ; comme dans la forme de réalisation précédente les ouvertures de deux disques voisins sont décaléesangulairement pour former des chicanes.

Le diamètre des disques 60 est très légèrement inférieur au diamètre intérieur de la partie supérieure semi-cylindrique 52 ; cette dernière est un couvercle qui comprend une poignée de manoeuvre 520 et est articulé sur la partie inférieure autour d'un axe 521 parallèle à l'axe
XX' ; on a représenté en traits interrompus , et désigné par la référence 52', cette partie supérieure en position ouverte.

Dans le fond de la cuve 5 est fixée - par exemple par soudage - une plaque verticale 70, dispo-sée longitudinalement, qui comporte une série d'encoches permettant le passage des disques 60 ; la largeur des encoches 700 est légèrement supérieure à l'épaisseur des disques 60.

La plaque 70 comporte des ouvertures transversales 701, permettant le passage du liquide caloporteur 7 contenu dans la cuve 5, de l'une à l'autre des deux faces de la plaque 70.

La partie inférieure 53-de la cuve, qui est réalisée en un matériau -thermiquement bon conducteur, est entourée d'une enceinte 80 recevant le fluide 8 à réchauffer, par exemple de l'eau ; ce fluide 8 rentre et sort de l'enceinte .

80 au moyen de canalisations d'entrée 81 et de sortie 82.

Un moteur 62, par exemple un motoréducteur électrique permet de faire tourner l'organe 6, à faible vitesse, sur l'axe XX'.

Le principe de fonctionnement de ce deuxième mode de réalisation est tout à fait similaire au précédent, les gaz brûlés traversant la partie supérieure de l'enceinte communiquant leur chaleur au fluide 8, par l'intermédiaire du liquide caloporteur 7 contenu dans la partie inférieure de la cuve 5.

Au cours de la rotation de l'organe 6, le dépôt de suie se produisant sur les disques 60 est éliminé en permanence par le bord des encoches 700, qui racle les faces de ces disques, de sorte que les particules solides - notamment de suie - tombent par gravité au fond de la cuve pour y former un dépôt S2. Ce dépôt peut être éliminé périodiquement, par exemple annuellement dans le cas d'une utilisation domestique, l'acces au fond de la cuve étant possible par soulèvement du couvercle 52.

Le troisième mode de réalisation représenté à la figure 5 se distingue des deux premiers essentiellement par le fait que l'arbre portant des ailettes transversales ainsi que ces ailettes elles-mêmes sont creux ; ce dispositif comprend une cuve 9, dont la partie supérieure reçoit les tubulures 90 d'entrée et 91 de sortie des gaz brûlés chauds, à l'intérieur de laquelle est montée un organe de transmission de chaleur 92, d'axe XX' horizontal.

L'organe 92 est constitué par un arbre creux 93 portant une série d'ailettes de forme discolde 94 également creuses; les ailettes creuses 94 sont traversées par des manchons 95 disposés en chicane qui, comme dans les deux modes de réalisation précédents, autorisent le passage des gaz brûlés dans la partie supérieure de la cuve 9.

L'arbre creux 93 est entraîné en rotation par un moteur électrique 900, par exemple par l'intermédiaire d'une courroie 901 s'engageant dans une poulie a' gorge 902 portée par cet arbre.

La cuve est partiellement remplie d'un liquide caloporteur, par exemple de l'eau, désigné par la référence 98.

L'espace intérieur 920 de l'organe rotatif creux 92 est rempli d'un liquide,par exemple d'eau. Dans la variante représentée à la figure 5 cette eau circule à l'intérieur de l'organe 92, dans lequel il arrive par une canalisation 96 et sort par une autre canalisation 97, ces deux canalisations étant montées de manière étanche, tout en permettant la rotation de l'arbre 93, à chaque extrémité de ce dernier.

En fonctionnement, le liquide caloporteur 98 est porté à haute température par les gaz brûlés chauds qui traversent la partie supérieure de la cuve 9, par l'intermédiaire des ailettes creuses 94 ; cette chaleur est transmise par la paroi de ces ailettes au liquide 100 qui passe à l'intérieur du corps rotatif 92, ce qui donne le résultat recherché. Bien que, dans un seul but de simplification, l'organe rotatif 92 ait été représenté d'une seule pièce (monobloc) il va de soi que cet organe peut êtr-e constitué par l'assemblage de plusieurs éléments creux, chaque ailette-pouvant par exemple être constituée de deux demi-coquilles obtenus par moulage et soudées l'une à l'autre.

Le liquide caloporteur 98 réalise le nettoyage en permanence des ailettes 94, éliminant la suie déposée sur les faces de ces ailettes.

Il est possible d'associer à ce dispositif une enceinte supplémentaire entourant la partie inférieure de la cuve 9 (comme pour les deux premières forme de réalisation).

Dans ce cas, le dispositif permettrait de réchauffer deux fluides distincts, l'un circulant dans cet enceinte et l'autre traversant l'organe 92 ; ces deux fluides pourraient être par exemple de l'eau à usage domestique, dont une partie alimenterait un ballon de réserve d'eau chaude, et l'autre un appareil de production instantanée d'eau chaude (du type chauffe-eau).

Les dimensions du dispositif seront naturellement adaptées à son utilisation et seront très différentes selon qu'elles soient destinées à un usage industriel ou a un usage domestique.

L'invention n'est naturellement pas limitée aux trois modes de réalisations préférentiels qui viennent d'etre décrits à titre d'exemples ; elle en englobe au contraire toutes les variantes.

C'est ainsi par exemple que l'organe de transmission de chaleur n'est pas nécessairement un arbre portant des ailettes transversales ; toute autre structure peut être envisagée, pourvu que la partie inférieure de cet organe soit immergé dans le liquide caloporteur ; cet organe pourrait par exemple être une vis sans fin comprenant une ailette enroulée en hélice.

Pour améliorer ltefficacite du nettoyage de l'organe de transmission de chaleur par le liquide caloporteur, il serait possible de placer dans la cuve une certaine quantité de graviers, de billes, ou d'éléments similaires, qui viendraient racler les parois de cet organe durant la rotation, afin d'améliorer le nettoyage.

Enfin, pour compenser l'évaporation du liquide caloporteur, il serait possible de prévoir dans la cuve un flotteur commandant automatiquement l'apport d'une certaine quantité de liquide complémentaire, par ouverture d'une vanne appropriée, lorsque le niveau du liquide caloporteur s'est abaissé en deça d'une certaine hauteur.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif permettant de récupérer de la chaleur de gaz brûlés chauds et de la transmettre à un fluide tel que de l'eau, caractérisé par le fait qu'il comprend

- une cuve allongée (1, 5, 9) disposée horizontalement et partiellement remplie d'un liquide caloporteur (3, 7, 98)

- des tubulures (10, 50, 90) d'entrée et (11, 51, 91) de sortie des gaz brûlés, prévues à chaque extrémité de la cuve (1, 5, 9) et positionnées au-dessus du niveau du liquide caloporteur (3, 7,- 98)

- un organe de transmission de chaleur (2, 6, 92), monté à rotation à l'intérieur de la cuve (1, 5, 9) autour d'un axe horizontal (XX'), de telle manière qu'il soit en contact avec les gaz brûlés tout en étant partiellement immergé dans le liquide caloporteur (3, 7, 98) ;

- des moyens (22, 62, 900) d'entraînement en rotation dudit organe de transmission de chaleur (2, 6, 92) ;;

- une enceinte (40, 80, 920) dans laquelle circule le fluide (4, 8, 100) à réchauffer, qui se trouve en contact thermique avec le liquide caloporteur (3, 7, 98).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit organe de transmission de chaleur (2, 6, 92) comprend un arbre (21, 61, 93), d'axe (XX'), sur lequel sont montées une série d'ailettes transversales (20, 60, 94) en matériau thermiquement conducteur.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que'les ailettes transversales (20, 60) sont des disques percés d'ouvertures (200-201, 600 -601) autorisant le passage des gaz brûlés dans la partie supérieure de la cuve (1, 5).

4. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les ouvertures (200-201, 200'-201') de deux disques voisins (20, 20') sont décalées angulairement, les disques jouant le rôle de chicanes favorisant le dépôt des particules solides en suspension dans les gaz brûlés, et notamment de suie.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'enceinte (40, 80) dans laquelle circule le fluide (4, 8) à réchauffer enveloppe au moins partiellement la partie inférieure (13, 53) de la cuve (1, 5) où se trouve le liquide caloporteur (3, 7).

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est équipé de moyens (30, 31, 32) pour faire circuler le liquide caloporteur (3) en dehors de la cuve (1), à travers un bac de décantation (33).

7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de raclage (70) monté à-l'intérieur de la cuve (5), adapté pour enlever la suie déposée sur les ailettes transversales (60), au cours de leur rotation.

8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que l'arbre (93) et les ailettes transversales (94) sont creux et délimitent un espace intérieur (920) rempli d'un liquide (100) tel que de l'eau.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit espace intérieur (920) constitue l'enceinte dans laquelle circule leliquide (100) à réchauffer.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la partie supérieure (52) de la cuve (5) est un couvercle articulé.