WO1999032834A1 - Procede et dispositif de chauffage de liquide - Google Patents

Procede et dispositif de chauffage de liquide Download PDF

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WO1999032834A1
WO1999032834A1 PCT/BE1998/000203 BE9800203W WO9932834A1 WO 1999032834 A1 WO1999032834 A1 WO 1999032834A1 BE 9800203 W BE9800203 W BE 9800203W WO 9932834 A1 WO9932834 A1 WO 9932834A1
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tubular element
flame
cavity
burner
liquid
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PCT/BE1998/000203
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Inventor
Semen Lamdon
Yuri Kalenov
Ilia Kats
Viktor Krasnoperov
Arkadi Blank
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Compagnie Belge De Construction Et D'engineering S.A.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/107—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using fluid fuel

Definitions

  • Methods for heating water and other liquids are known by means of a heat exchange between a heat source and water to be heated, which takes place through a wall of resistant refractory material. to chemical agents and having a high degree of thermal conductivity (steam boilers, heating elements, etc.).
  • the proposed process excludes all these defects.
  • the object of the present invention is to exploit the heat as much as possible when heating a liquid, in particular water, while avoiding as far as possible the formation of scale on the surfaces allowing heat exchange.
  • high requirements concerning the thermal conductivity, the resistance to high temperatures and the resistance to chemical agents of the structural elements of the device should not be placed.
  • this method being characterized in that it further comprises
  • the jet of flame in direct contact with the liquid to be heated allows maximum heat exchange and minimizes the formation of tartar.
  • the invention further relates to a liquid heating device, comprising a burner in which a combustible fluid and an oxidizing fluid are burned, with the formation of a flame, this device being characterized in that hydrogen, as combustible fluid , and oxygen, as oxidizing fluid, are burned in the burner, and in that the device further comprises a tubular element, immersed in the liquid to be heated, and having a cavity which extends between a first end where opens the burner and a second end, open to the outside, where the burner flame comes into direct contact with the liquid to be heated, allowing intense heat exchange, this cavity being delimited by walls of the tubular element so that these are not in contact with the burner flame.
  • the single figure is a schematic vertical sectional view of this device given by way of example.
  • the illustrated device comprises a burner 1 of any type, insofar as it is capable of burning hydrogen and oxygen.
  • This burner projects a flame 2, which is formed during the combustion of hydrogen in oxygen.
  • the burner 1 is arranged vertically in this embodiment so as to project the flame from top to bottom through a cavity 3 formed by the tubular wall 4 of a tubular element 5 in the shape of a bell.
  • the burner 1 is arranged at a first end of the bell 5 and the latter is open towards the outside at its opposite end.
  • the bell 5 is immersed in the liquid to be heated, here water 6.
  • This water is contained in a container 7 which can be supplied with water to be heated by the inlet connector 8 and from which the heated water can be evacuated by the outlet connector 9. Gas or steam can be released at the top of the container, for example by an outlet pipe 10.
  • the bell has over almost its entire length a cross section of constant diameter between the end where the burner is attached and the opposite open end. We can also provide that this section flares towards the open end.
  • the container 7 is firstly filled with water. Water rises in the cavity 3 of the bell 5 to a certain level, while leaving an air pocket inside. Burner 1 is then started in a way known and a flame is projected inside the bell 5 by pushing the water towards the outside of the bell 5. The flame thus forms on the surface of the water a kind of funnel 11 which increases the surface d 'heat exchange. The flame 2 does not touch the walls of the bell 5.
  • This heating process makes it possible to considerably simplify the structure of the heating devices, to increase their longevity, to reduce maintenance to the minimum, to increase the yield, to exclude the rejection of harmful products into the atmosphere and in heated water. It is particularly suitable for the production of fully demineralized water, necessary for specific applications, in particular in pharmacy or in medicine, the gases used to form the flame in no way risk polluting the heated water.

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Abstract

Procédé de chauffage de liquide, comprenant une combustion d'un fluide combustible et d'un fluide comburant dans un brûleur (1), avec formation d'une flamme, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la combustion d'hydrogène, comme fluide combustible, et d'oxygène, comme fluide comburant, et un passage de la flamme à travers une cavité (3) d'un élément tubulaire (5), immergé dans le liquide à chauffer, ce passage étant effectué sans contact entre la flamme et l'élément tubulaire (5), entre une première extrémité de la cavité, où débouche le brûleur (1), et une deuxième extrémité de la cavité, ouverte vers l'extérieur, et un contact direct entre le liquide à chauffer et la flamme à l'ouverture vers l'extérieur de la cavité, permettant un échange thermique intense.

Description

"Procédé et dispositif de chauffage de liquide"
On connaît des procédés de chauffage de l'eau et d'autres liquides à l'aide d'un échange de chaleur entre une source de chaleur et de l'eau à chauffer, qui s'effectue à travers une paroi en matériau réfractaire résistant aux agents chimiques et ayant un haut degré de conductibilité thermique (chaudières à vapeur, éléments chauffants, etc.).
Les procédés mentionnés présentent une série d'inconvénients : importantes déperditions de chaleur dans le cas de simplicité de la structure ou complexité de la structure avec de basses déperditions de chaleur, formation de tartre sur les surfaces de l'échange de chaleur, ce qui diminue considérablement la conductibilité thermique ainsi que le rendement.
Dans le but de diminuer la formation de tartre, on a recours à des procédés complexes et onéreux de préparation et de dessalement de l'eau. Afin d'augmenter la longévité des éléments chauffants, on utilise pour la fabrication de leurs surfaces échangeuses de chaleur des matériaux réfractaires résistant aux agents chimiques, très coûteux. Afin d'obtenir une eau utilisable dans l'industrie pharmaceutique et la médecine, on la fait bouillir plusieurs fois ou on la fait chauffer jusqu'à de hautes températures sous de hautes pressions, ce qui nécessite d'importantes dépenses énergétiques.
Par ailleurs, il existe des procédés de chauffage d'eau où des produits de combustion de gaz sont en contact direct avec l'eau (voir par exemple FR-A-2171469). Dans ce document on décrit et illustre à la figure 8 un tel dispositif dans lequel un brûleur est plongé directement dans l'eau. Ce brûleur comporte une cavité dans laquelle la flamme est amorcée, les gaz issus de la combustion sortant du brûleur par un orifice de sortie de la cavité moins large que celle-ci, à une vitesse ainsi fortement augmentée, tandis que la flamme est retenue à l'intérieur de la cavité et lèche les parois de l'orifice de sortie. Ce dispositif présente l'inconvénient d'un contact entre la flamme et les parois de la cavité du brûleur ce qui nécessite des matériaux capables de résister durablement à des températures extrêmement élevées. On prévoit d'employer dans ce dispositif des combustibles et comburants qui donnent lieu à des gaz agressifs et/ou polluants pour l'eau que l'on veut chauffer. Le procédé proposé exclut tous ces défauts. La présente invention a pour but d'exploiter au maximum la chaleur lors du chauffage d'un liquide, en particulier d'eau, tout en évitant dans toute la mesure du possible la formation de tartre sur les surfaces permettant un échange thermique. Avantageusement des exigences élevées concernant la conductibilité thermique, la résistance aux hautes températures et la résistance aux agents chimiques des éléments structurels du dispositif ne devront pas être posées.
On résout ces problèmes, suivant l'invention, par un procédé de chauffage de liquide, comprenant
- une combustion d'un fluide combustible et d'un fluide comburant dans un brûleur, avec formation d'une flamme, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre
- la combustion d'hydrogène, comme fluide combustible et d'oxygène, comme fluide comburant, et
- un passage de la flamme à travers une cavité d'un élément tubulaire, immergé dans le liquide à chauffer, ce passage étant effectué sans contact entre la flamme et l'élément tubulaire, entre une première extrémité de la cavité où débouche le brûleur et une deuxième extrémité de la cavité ouverte vers l'extérieur, et - un contact direct entre le liquide à chauffer et la flamme à l'ouverture vers l'extérieur de la cavité, permettant un échange thermique intense.
Le jet de la flamme en contact direct avec le liquide à chauffer permet un échange de chaleur maximal et il réduit au minimum la formation de tartre.
D'autres modes de réalisation du procédé suivant l'invention sont indiqués dans les revendications 1 à 7 annexées.
L'invention concerne en outre un dispositif de chauffage de liquide, comprenant un brûleur dans lequel sont brûlés un fluide combustible et un fluide comburant, avec formation d'une flamme, ce dispositif étant caractérisé en ce que de l'hydrogène, comme fluide combustible, et de l'oxygène, comme fluide comburant, sont brûlés dans le brûleur, et en ce que le dispositif comprend en outre un élément tubulaire, immergé dans le liquide à chauffer, et présentant une cavité qui s'étend entre une première extrémité où débouche le brûleur et une deuxième extrémité, ouverte vers l'extérieur, où la flamme du brûleur entre en contact direct avec le liquide à chauffer en permettant un échange thermique intense, cette cavité étant délimitée par des parois de l'élément tubulaire de façon que celles-ci ne soient pas en contact avec la flamme du brûleur.
D'autres formes de réalisation du dispositif suivant l'invention sont indiquées dans les revendications 8 à 13 annexées.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation préférentiel du dispositif suivant l'invention et du procédé mis en oeuvre dans ce dispositif.
La figure unique est une vue en coupe verticale, schématique, de ce dispositif donné à titre d'exemple. Le dispositif illustré comprend un brûleur 1 de type quelconque, dans la mesure où il est capable de brûler de l'hydrogène et de l'oxygène. Ce brûleur projette une flamme 2, qui se forme lors de la combustion de l'hydrogène dans de l'oxygène. Le brûleur 1 est disposé verticalement dans cet exemple de réalisation de façon à projeter la flamme de haut en bas à travers une cavité 3 formée par la paroi tubulaire 4 d'un élément tubulaire 5 en forme de cloche. Le brûleur 1 est agencé à une première extrémité de la cloche 5 et celle-ci est ouverte vers l'extérieur à son extrémité opposée. La cloche 5 est immergée dans le liquide à chauffer, ici de l'eau 6. Cette eau est contenue dans un récipient 7 qui peut être alimenté en eau à chauffer par le raccord d'entrée 8 et d'où l'eau chauffée peut être évacuée par le raccord de sortie 9. Du gaz ou de la vapeur peut être dégagée au haut du récipient, par exemple par un conduit de sortie 10. On peut par exemple envisager de raccorder le conduit de sortie 10 au conduit d'entrée 8, par exemple par l'intermédiaire d'un condenseur non représenté, ce qui permet d'exclure tout contact entre les produits de combustion et le milieu environnant.
Dans cet exemple de réalisation, la cloche présente sur la presque totalité de sa longueur une section transversale de diamètre constant entre l'extrémité où est rattachée le brûleur et l'extrémité opposée ouverte. On peut aussi prévoir que cette section s'évase vers l'extrémité ouverte.
De toute manière, il faut que les parois 4 délimitant la cavité de la cloche 5 ne puissent pas être en contact avec la flamme formée et que, par contre, celle-ci entre en contact direct avec l'eau à chauffer.
Pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention dans ce dispositif, on remplit tout d'abord d'eau le récipient 7. De l'eau monte dans la cavité 3 de la cloche 5 jusqu'à un certain niveau, tout en laissant une poche d'air à l'intérieur. Le brûleur 1 est alors amorcé d'une manière connue et une flamme est projetée à l'intérieur de la cloche 5 en repoussant l'eau vers l'extérieur de la cloche 5. La flamme forme ainsi à la surface de l'eau un espèce d'entonnoir 11 qui augmente la surface d'échange thermique. La flamme 2 ne touche pas les parois de la cloche 5.
Il se forme alors des bulles de vapeur surchauffée 12 qui montent dans la partie supérieure du récipient 7 où il peut se produire une condensation. Pendant leur ascension, ces bulles chauffent l'eau liquide à chauffer. Par ailleurs, le tartre, qui se forme dans la zone de l'échange thermique entre la flamme 2 du brûleur 1 et la surface d'eau, précipite dans le fond du récipient, où il peut aisément être recueilli ou nettoyé.
De la vapeur surchauffée monte également à l'intérieur de la cloche 5. Là cette vapeur condense sous la forme d'eau sans tartre le long des parois 4 de la cloche. Ces parois sont constamment refroidies par le liquide à chauffer contenu dans le récipient 7 et la surface intérieure de la cloche est donc en permanence couverte de condensât ce qui protège la cloche et permet d'éviter l'utilisation, pour former celle- ci, de matériaux réfractaires onéreux.
L'utilisation de ce procédé de chauffe permet de simplifier considérablement la structure des dispositifs chauffants, d'augmenter leur longévité, de réduire l'entretien au minimum, d'augmenter le rendement, d'exclure le rejet des produits nocifs dans l'atmosphère et dans l'eau chauffée. Il est particulièrement approprié pour la production d'eau totalement déminéralisée, nécessaire pour des applications spécifiques, notamment en pharmacie ou en médecine, les gaz servant à former la flamme ne risquant en aucune façon de polluer l'eau chauffée.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée à la forme de réalisation décrite et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.
On peut par exemple prévoir une cloche 5 et un récipient 7 mutuellement deplaçables verticalement l'un par rapport à l'autre pour pouvoir amorcer le brûleur lorsque la cloche est en dehors de l'eau à chauffer et introduire celle-ci dans l'eau, avec la flamme déjà en pleine extension.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de chauffage de liquide, comprenant une combustion d'un fluide combustible et d'un fluide comburant dans un brûleur, avec formation d'une flamme, caractérisé en ce qu'il comprend en outre
- la combustion d'hydrogène, comme fluide combustible, et d'oxygène, comme fluide comburant, et
- un passage de la flamme à travers une cavité d'un élément tubulaire, immergé dans le liquide à chauffer, ce passage étant effectué sans contact entre la flamme et l'élément tubulaire, entre une première extrémité de la cavité, où débouche le brûleur, et une deuxième extrémité de la cavité, ouverte vers l'extérieur, et
- un contact direct entre le liquide à chauffer et la flamme à l'ouverture vers l'extérieur de la cavité, permettant un échange thermique intense.
2. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend un passage de la flamme de haut en bas entre le brûleur et l'ouverture vers l'extérieur de l'élément tubulaire.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un chauffage d'eau.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une formation de vapeur surchauffée au contact direct entre l'eau et la flamme, et une précipitation de tartre vers le bas hors de l'élément tubulaire immergé.
5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend, le long de parois de l'élément tubulaire délimitant ladite cavité, une condensation d'eau sans tartre par refroidissement de la vapeur surchauffée formée à l'intérieur de l'élément tubulaire au contact desdites parois maintenues, par échange thermique, à une température proche de l'eau dans laquelle l'élément tubulaire est immergé.
6. Procédé suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'extérieur de l'élément tubulaire, une ascension de bulles de vapeur surchauffée dans l'eau, qui favorise le chauffage de celle-ci.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à
6, caractérisé en ce qu'il a lieu dans une volume fermé de façon que la combustion donne lieu à des produits de combustion qui ne viennent pas en contact avec le milieu environnant.
8. Dispositif de chauffage de liquide comprenant - un brûleur (1) dans lequel sont brûlés un fluide combustible et un fluide comburant, avec formation d'une flamme (2), caractérisé en ce que de l'hydrogène, comme fluide combustible, et de l'oxygène, comme fluide comburant, sont brûlés dans le brûleur (1), et en ce que le dispositif comprend en outre - un élément tubulaire (5), immergé dans le liquide à chauffer (6) et présentant une cavité (3) qui s'étend entre une première extrémité où débouche le brûleur (1) et une deuxième extrémité, ouverte vers l'extérieur, où la flamme (2) du brûleur entre en contact direct avec le liquide à chauffer (6) en permettant un échange thermique intense, cette cavité (3) étant délimitée par des parois (4) de l'élément tubulaire (5) de façon que celles-ci ne soient pas en contact avec la flamme (2) du brûleur.
9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément tubulaire est une cloche (5) immergée approximativement verticalement dans le liquide à chauffer (6).
10. Dispositif suivant l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'élément tubulaire est une cloche dont la cavité présente, en section transversale, un passage libre de diamètre invariable entre les deux extrémités de la cloche.
11. Dispositif suivant l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'élément tubulaire est une cloche dont la cavité présente, en section transversale, un passage libre de diamètre croissant entre la première extrémité et la deuxième extrémité de la cloche.
12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il est renfermé dans un récipient extérieur (7) dans lequel est alimenté le liquide à chauffer et à partir duquel un gaz chaud peut s'échapper et le liquide chauffé peut être récolté.
13. Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est renfermé dans ledit récipient extérieur (7) sans contact possible de produits de combustion avec le milieu environnant.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004090433A1 (fr) * 2003-04-14 2004-10-21 Chato John D Chauffe-eau

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FR2068174A5 (fr) * 1969-11-28 1971-08-20 Gaz De France
FR2171469A5 (fr) * 1972-02-01 1973-09-21 Air Liquide
DE3640281A1 (de) * 1986-11-25 1988-06-01 Weiss Hans Joachim Heizvorrichtung, insbesondere fuer fluessige oder gasfoermige brennstoffe

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