Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
,z3s~7
La pr~sente invention concerne une installation et un pro-
c~d~ permettant d'am~liorer les caract~ristiques de fonctionn~mcnt
d'une installation de chauffage du type ~ combustion submerg~e.
Pour diverses applicatio~,notamment de chauffage indus-
S triel, de chauffage de piscineset autres, on utilise parfois desinstallations comportant des brûleurs ~ combustion submerg~e.
L'intéret de telles installations est que l'on r~cupère,
du fait du barbotage des gaz de combustion dans l'eau à ch2uffer,
la plus grande partie de la chaleur latente de condensation des
fum~es, au moins si la température du bain n'est pas trop élevée.
Dans de te]les conditions on obtient couramment des rendements
calculés sur le pouvoir calorifique inférieur (PCI~ supérieurs
à 100%, et fréquemment de l'ordre de 105%.
Cette technique présente également l'avantage que l'échan~
geur de chaleurest de construction très simplifi~e,étant constitu~
la plupart du temps d'une sorte de conduit prolongeant la chambre
de combustion dans laquelle débouche le br~leur.
Si l'on veut obtenir des températures de bain relativement
élev~es, et en particulier supérieures à 60C, le rendement de la
combustion submergée diminue.Si l'on ne prend pas des précautions
particuli~res, le rendement tombe même à zéro pour une température
de bain voisine de 90C, température à partir de laquelle la cha-
leur apportée par la combustion ne sert plus pratiquement qu'à é~
vaporer l'eau du bain, vapeur d'eau qui s'échappe avec les fum~es
à la cheminée.
Dans certaines installations, on a tent~ cependant par
divers moyens d'utiliser le principe de la combustion submergée
pour obtenir des températures de bain supérieures à 60C, et ce
avec des rendements convenables. Pour atteindre ce but on a pr~-
conis~ de faire traverser par les fumes l'eau froide des retoursou de l'alimentation du bain, de fa~on à condenser et récup~rer la
chaleur de vaporisation de l'eau et des produits de la combustion.
Les solutions connues sont cornpliquées demandant l'emploi de pom-
pes de circulation qui sont chères et consomment de la puissance,
et les résultats obtenus sont généralement peu satisfaisantssur le
plan du rendement, surtout dès que la température du bain doit
dépasser 70 ou80C.
L'objet de l'invention est, dans une installation ~ com -
bustion submergée, de résoudre les problèmes susmentionnés, en
proposant une installation simple permettant d'obtenir de tr~s
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2 ~X23S~
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bons rendements de fonctionnement avec des temp~ratures de bain
pouvant avoisiner 90C.
A cet effet, l'installation de chauffage du type à combus-
tion submergée se caractérise selon l'invention en ce qu'on ~quipe
5 l'installation sur la sortie des fumées au-dessus du bain ~ chauf-
fer d'une tour de lavage comprenant en contre-courant avec les
fumées une série de cascadesformant plusieurs rideaux d'eau sensi-
blement continus disposés en série sur le trajet aes fum~es, les-
dits rideaux étant aliment~s par un débit d'eau froide à chauffer
10 de l'installation, lesdites cascades comportant des parois de for~
mation des rideaux d'eau pourvues en partie haute et en partie
basse de moyens tels que des dents, des arêtes en saillie et des
orifices assurant une formation continue sans déchirure. des .
rideaux-sur ~oute leur largeur .
Selon une autre caractéristique de l'~nvention, on pr~voit
un plateau,recouvrant la plus grande partie de la surface du bain,
placé en dessous de la tour de lavage, ledit plateau comportant une
surface sensiblement horizontale bordée d~une paroi dépassant en
dessus et en dessous dlelle en ménageant au-dessus un volume de
20 recueillement des eaux tombant de la tour de lavage et en dessous
un volume~de confinement des fumées s'élevant du bain. En utilisant
les moyens ci-dessus mentionnés, il devient:possible d'atteindre
des températures de bain voisines de 90C, avec des rendements
de combustion tout à fait satisfaisant~pourvu.seulem~t que les re~ours
25 d'eau froide dans la tour de lavage soient à une température conve-
nable, suffisa~mentbasse par exemple voisine de 40C ou inférieure.
La conduite de l'installation peut se faire de façon conti-
nue ou discontinue selon l'usage~
En usage continu , conformément à un perfectionnement de
30 l'invention, on procede au contrôle du.dé.bit de sortie d'eau du
bain et l'on commande le chauffage du bain jusqu'à la temp~rature
maximale souhaitée, par exemple de 88C lo~ue ledit débit est
sup~rieur ~ un débit minimum déterminé, tandis que lorsque ce d~-
b~t est inférieur ~ ce d~bit minimum déterminé on ne chauffe le
35 bain que jusqu'à une température minimale détermin~e choisie, par
exemple de 70C, de façon à satisfaire instantan~ment aux besoins
de la demande.
L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plu5 claire-
ment ~ l'aide de la description qui va suivre faite en r~f~rence
:
'
,. . ~ ~ ' . ; ,
3 ~.~S2~
aux dessins annex~s dans lesquels :
La figure 1 montre en coupe,sch~matiquement une installa-
tion ~ combustion suhmergée pour le chauffage de l'eau ~ des
temp~ratures supérieures ~ 60C con~ue selon l'art antérieur,
La figure 2 montre en vue en coupe schématique à plus
grande échelle une partie de l'installation illustrée ~ la figure
1 modifiée selon des perfectionnements conformes à l'invention.
La figure 3 montre en vueperspective ~ plus grande ~chelle
comment sont formées les parois d'une cuvette de rétention d'eau
10 pour la formation des cascades dans la tour comme illustré ~ la
figure 2,
. La figure 4 montre en vueper.spective de façon schématique
et avec arrachements- un plateau destin~ à coop~rer dans le bain
avec la tour de lavage,
15 La figure 5 montre schématiquement une vue en coupe faite
sensiblement selon le plan V-V de la figure 4,
La figure 6 montre de façon schématique comme la figure 1
une installation modifi~e selon l'invention avec différents organes
de commande et de contrôle de cette installation.
20 En se .. rep.ortant tout d'abord ~ la figure 1 on a illustré
une installation repérée dans son ensemble 1 comportant une cuve
2 contenant un bain 3 d'eau ~ chauffer au moyen d'un br~leur 4
combustion submergée débouchant dans la cuve dansune chambre de
. combustion 5 se continuant par un échangeur 6. Les produits de la
25 combustion du gaz combustible habituellement utilis~.sont essentiel-
lement du gaz carboni~ue et de la vapeur d'eau. La plus grande par-
tie de la vapeur d'eau se condense dans l'eau du bain (si le bain
n'est pas trop chaud~ auquel est céd~e la chaleur latente de
vaporisation des fumées, tandis que les incondensables sont évacués
30 ~ la cheminée 7.
Comme mentionné ci-dessus une telle installation fonction-
ne avec un très bon rendement si la temp~rature du bain est infé-
rieure~ 60C environ. Par contre, au-dessus de cette température
le rendement d1minue très vite du fait que la chaleur apport~e par
35 la combustion du brûleur sert ~ vaporiser une quantit~ d'eau de
plus en plu5 grande,laquelle est envoyée en pure perte ~ la chemi-
née 7. Le rendement tombe ~ zéro vers 90C.
Conformément ~ l'art antérieur lorsqu'on veut avec une
installation 3 combustion submerg~e obtenir une temp~rature du
~ .~ .
~,
. . ~ .
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:
3S~
bain 3 sup~rieure ~ 60~C et avec un rendement de fonctionnement
acceptable, on pr~voit avant la chemin~e 7 une tour de lavage 8
dans laquelle est vaporisée comme indiqu~ en 9 l'eau froide amen~e
par une canalisation 10 des reto~rs de l'installation ou de com-
pl~ments. A l'amenée des retours froids 10 correspond -1! évacua-
tion de l'eau chaude en 11. La tour de lavage 8 permet grace ~ la
pulvérisation d'eau froide en 9 allant à contre-courant des fumées
chaudes s'élevant du bain de condenser en partie la vapeur d'eau
tendant à s'échapper de l'installation~ et de retrouver ~es rende-
ments de fonctionnement corrects . L'installation n'est relative-
ment efficace que dans la mesure où la pulv~risation 9 se fait sous
forte pression de multiples jets très fins, ce qui nécessite
l'utilisation d'une pompe 12 relativement puissante et l'emploi
de grilles de pulv~risation au niveau de l'injection en 9. Ces
grilles ont tendance à se colmater--, par suite notamment des d~p~ts
de calcaire.
Le rendement global de l'installation n'est pas très bon
et diminueencore si le d~bit d'utiiisation d'eau chaude est faible
et qu'en conséquence les reiours froids sont à faible débit ou
température pas assez basse.
On se reportera maintenant à la figure 2 représentant une
tour de lavage modifiée conformément à l'invention.
La tour de lavage 8 disposée au-dessus du volume 13~supé-
rieur de la cuve 2 non occupée par le bain à chauffer 3 comporte
essentiellement ~elon l'invention une série de cascades formant
plusieursrideaux d'eau R1,R2, R3, R4 sensiblement continus dispos~s
en série sur le trajet des fumées mat~rialisées par les flèches.
Chaque rideau se forme à partir d'une cuvette C1, C2, C3, C4 de
rétention d'eau formée essentiellement d'une paroi inclinée 14 de
ond se terminant, du c8té sur~levé de la paroi contre la paroi de
la tour de lavage 8, et de l'autre c8té, en laissant une section de
passage S réduite pour les fu~ées~par une paroi 15 sensiblement
verticale.
Comme il appara~t plus clairement à la figure 3, la paroi
15 sur laquelle se forme le rideau de la cascade, comprend ~ sa
partie supérieureun rebord 16 denté, lequel assure une bonne r~par-
tition de l'écoulement de l'eau le long de toute la paroi 15, même
si le bord 16 n'est pas yarfaitement horizontal. Sans une telle
mesure, le rideau risquerait de ne se former que d'un côt~.
` : . . ~ '. ,:
. ~.
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5 ~ ~5~35~
D'autre part, la parol 15 descend très n~tablement en-des-
sous de la plaque de fond 14, de facon à pr~senter un rebord
inf~rieur 17 qui fait ~aillie en-dessous de la paroi 14; cekte
mesure est nécessaire de façon ~ empecher que le rideau d'eau
qui doitseformer sur l'arete 17 ne remonte par capillarité en-des-
sous de la surface de fond 14 de la cuvette, -.~r~ant des déchiru-
res dans le r.ideau. En outre, des orifices 18 sont avantageusement
pr~vus au voisina~e de l'arête inférieure 17 de la paroi 15 t de
façon ~ assurer une bonne répartition de la cascade tout le long
1u de l'arête 17, les orifices 18 travaillant un peu de façon analo-
gue ~ la denture du rebord 16.
Par l'utilisation de ces divers moyens conjugu~on est
assuré-: d'obtenir des rideaux R1, R2... parfaitement continus, sans
déchirure et à travers lesquels les fumées devront donc se frayer
1$ un passage, l'installa~on assurant un bon contact eau-fumée,.donc
une condensation efficace de la vapeur.d'eau contenue dans les
fum~es.
La cuvette.supérieure c1 est alimentée par un con~uit 19
de retour d'eau froide.perforé qui fait fonction au aiffuseur g de
~0 ~a figure 1 mais n'en présente pas les inconv~nients. o~ ~rofite
cependant de cette aiimentation pour former une sorte de aernier
rideau R5 avant la sortie des'fumées à la cheminée 7, et l'on
guide les fum~es ~ l'entrée de.la cheminée par des déflecteurs 20
formant également ailettes de condensation.-
.25 - Les cuvettès sont disposées les unes au-dessus des autres
en quinconce de fason à venir d~border d'environ la moitié de
leur longue~r.au-dessus de la cuvette inférieure. Avantageusement~ `
chaque rideau R est resu avant de tomber dans la cuvette inférieure
sur une coupelle 21 formant gouttièresituée peu au-dèssus du ni-
30 veau supérieur de la cuvette inferieure. Les.goutti~res 21 formenk
ainsi des éclaboussures et.brisent le.rideau dans sa partie basse
augmentant encore l'échange par contact entre l'eau et les fumées.
D'autre part, sous chaque cuvette C sont formées des ailet-
tes de condensation 22 qui font saillie sous la surface 14 du fond
des cuvettes favorisant les ~changes et le refroidissement des
fum~es qui sont à température supérieure à celle de la cuvette
formant déflecteur sous laquelle elles sont guidées. Les ailettes
22 s'arrêtent avant l.a surface de la paroi avant 15, de`fa~on ~
éviter les possibilités de remontée ~u rideau d'eau sous la cuvet-
40 te, comme mentionné plus hau-t.
.
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~S~35~
-~ ~tant donn~ qu'~ la sortie du bain les fum~es sont chaudes
on calorifuye avantageusement la tour de lavage, au mo.ins dans sa
partie basse, comme illustr~ en 23. En outre, lorsque la tour de
lavage ne p~nëtre pas sur une grande hauteur dans la cuve 2, ~n
5 particulier lorsque la hauteur de l'installation doit être limitée,
on pr~voit un ~largissement de la section de raccordement en incli-
nant la paroi de raccordement comme indiqué en 24.
On se reportera maintenant aux figures4 et 5 dans lesquel-
les sont illustrés d'autresmoyenstravaillant en conjugaison avec
10 la tour de lavage pour am~liorer le rendement de l'installation.
A la figure 4 on retrouve en vue extérieure la tour de lavage 8
avec la cheminée 7 et l'entrée des retours d'eau froide alimentant
le conduit l9.On a arraché et éclaté. le dessus 25 de la cuve, de
façon à laisser voir en-dessous un plateau 26 dont la construction
15 et l'usage vont être décrits ci-après. On aperçoit également dans
la cuve 2 le brûleur 4 avec la chambre de combustion 5 et 1'échan-
geur 6 d'où s'échappent:à~'intérieur du bain les fumées.
Le plateau 26 recouvre la plus grande partie de la surface -
du bain, en présentant seulement une échancrure 27 pour le passage
20 du brûleur 4 et en laissant tout autour de lui un passage annulaire
28 (figure 5) entre la paroi de la cuve et lui.
Le plateau 26 comprend une surface sensiblement horizontale
29 bordée d'une paroi 30 dépassant en-dessus et en-dessous de la
surface 29, en ménageant au-dessus un volume 3? de recueillement
25 des eaux tombant.de la tour de lavage 8 et en-dessous un volume 32
de confinement des fumées`s'élevant du bain comme illustr~ par les
bulles 33 ~ la figure 5.
En fonctionnement normal de l'installation, c'est-~-dire
lorsque le brûleur est alimenté, le plateau 26 est en partie immer-
30 gé dans le bain 3, de sorte ~u'il existe une certaine contre-pres-
sion que doiventvaincre les fumées s'accumulant dans le volume de
confinement 32 pour passer par dessous l'ar~te inférieure 33 du
volume 32 pour s'~chapper vers la tour de lavage. La surface 29 du
plateau comporte à sa partie inf~rieure des ailettes 34 dféchange
35 formant saillie favorisant la condensation des fumées sous l'effet
de l'eau plus froide tombant de la tour de lavage 8 contenue dans
le volume 31 du plateau. De préf~rence, on assure la réyulation du
système, comme il sera d~crit ci-apre6 de façon 3 obtenir une dif-
férence de niveau h entre la surace libre du bain 3 et le niveau
40 35 du bain dans l'espace de confinement 32, de l'ordre de 15 à
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- :
~2S~3~
".
20 centim~tr~,c'est-~-dire une surpression de l'ora.re de 15 3
20 rnillibars . un tel trav~len'~ression" par rapport ~ la pres-
sion atmosphérique est intéressant, en ce qu'il améliore les ren-
dements d'~change et de condensation~
Avec une installation du type d~crit ci-dessus, des essais
on montré qu'il était possible d'obtenir un rendement de 103~ sur
PCI avec une température des retours d'eau voisine:-de 35C et une
température de sortie d'eau de 88~C. Bien entendu le rendement
augmente si les retours d'eau froiae se font à température plus
basse que 35C, ce qui peut être le cas pour de nombreuses utili-
sations, en particulier lorsqu'il n'y a pas de recyclage de l'eau
ou recyclage partiel.
La con~uite de l'installation décrite ci-dessus ne pose
aucun problème. s'il s'agit d'usage ponctuel disconti~,u- ,par exem-
ple un chauffage de bain industriel à une température déterminëe.
Par contre s'il s'agit d'usage plus ou moins continu ,aucours duquel on dési.re avoir ~ chaque ins~ant une température mini-
male du.bain et à certain moment seulement des températures sup~-
rieures et/ou des débits d'eau chaudes importants, on peut procé-
der de la fàçon décrite ci-après pour obtenir une conduite de
l'installation dans les meilleures conditions.
On se reportera maintenant à la figure 6 dans laquelle on
a décrit schématiquement comment peut être avantageusement condui-
~. la r~action de combustion submergée.
A la figure 6 on aperçoit les différents éléments princi-
paux de l'installation qui ont été repérés par les mêmes chiffres
de référence que dans les figures précédentes. Le br~leur 4 de
l'installation-est alimenté en gaz par une conduite 36 et en air
par une conduite 37. On supposera tout d'abord que l'installation
est destinée ~ fournir normalement un certain débit d'eau chaude
sortant en 11 à une température déterminée, comprise par exemple
entre 70 et 88Co
Dans de telles conditions de fonctionnement, on pilote
avantageusement l'installation de la fason suivante.
On contrôle au moyen d'un appareil de mesure 38 le d~bit
de sortie d'eau du bain. Lorsque ce débit est supérieur ~ un dé-
bit minimum d~terminé, on commande le chauffage du bain jusqu'~
la temp~rature maximale, laquelle est relevée par toute sonde
convenablement placée . Bien entendu au d~bit de sortie d'eau
. ''
3~
chaude, soutir~ en 11 correspond un d~bit sensiblement Cqui -
valent d'eau froide amené en 10. Ce débit est contr~l~ par une
~lectro-vanne 39 dont la commande ~lectrique 40 est reliée comme
indiqu~ en 41 à une sonde 42 de niveau qui arrête l'alimentation
5 d'eau froide lorsque le niveau du ~ain tend ~ devenir trop élevé
dans la cuve, c'est-~-dire a submerger le plateau 26. En effet le
bon onctionnement du brflleur nécessite des conditions de pression
d~terminées relativement pr~cises en dehors desquelles une bonne
combustion ne pourrait être obtenue. Une autre sonde (non repr~-
sentée), commande de façon semblable l'alimentation en eau froide
par le conduit 10 lorsque le niveau du bain descend en-dessous
d'un niveau pré-déterminé, par exemple tel que le niveau 43 en-des-
sous duquel la surpression h optimale dans la chambre de confine-
ment 32 ne serait plus obtenue (figure 5). Lorsque la temp~rature
15 maximale du bain est atteinte, le thermostat de mesure ~non repr~-
senté) coupe llalimentation du br~leur. Le niveau du bain descend
du fait de l'annulation de la~surpression dans la chambre de con-
finement 32, par exemple sensiblement au niveau rep~r~ 44 ~ la fi-
gure 6. Aucune alimentation d'eau froide n'est admise tant que le
20 niveau dans la chambre ne descend pas en-dessous d'un niveau cri-
tique déterminé mesur~ par exemple par une sonde 45 qui commande
; l'alimentation en eau froide et interdit dans de telles conditions
l'allumage ~u br~leur 4, tant que le niveau du bain n'a pas remon-
té.
En outre, de façon à maintenir la temp~rature du bain à une
température minimale souhaitée,par exemple de 70C, le chauffage
du bain est arreté à cette température si le débit de prélèvement
mesuré par l'appareil de mesure 38 est inférieur a un débit mini-
mal prédéterminé.
Il existe bien sûr d'autresprocédésde conduite de l'instal~
lation. Ainsi selon une variante l'eau froide de recyclage ou
` : d'appoint est amenée en 10 dans la tour de lavage, chaque fois ~ue
le niveau du bain tend à descendre en-dessous d'un niveau minimun
déterminé, tel par exemple que mesuré par la sonde 45. Simultan~-
35 ment on commande le chauffage du bain jusqu'à une température mini-
male d~termin~e choisie, par exemple de 70C, et on arrete l'ame-
née d'eau froide lorsque le bain s'est élevé jusqu'à un seuil ma-
ximum d~termin~, par exemple mesur~ par la sonde 42~ Le chauffage
à température plus élevé du bain n'est commandé que lorsque le
.
,
23~3
~ g
niveau du bain redescend en-dessous du seuil 42, ce qui signifie
- que l'on a prélev~ en 11 de l'eau chaude dans le bain. Un syphon
formant .trop-plein 46 ~vite de dépasser le niveau du seuil 4~ en
l'absence de pr~lèvement d'eau chaude dans le bain et sous l'effet
de co.ndensationsse produisant dans la tour de lavage et dans le
volume 13 au-dessus du bain.
On notera que les différents moyens de l'invention
permettent une conduite aisée de l'installation avec d'excellents
rendements, grâce en particulier au contact efficace entre les
fumées chargées de vapeurssaturanteset les retours d'eau froids et
grâce d'autre part au fonctionnement. en légère surpression de la
combustion améliorant le rendement. En outre les pertes de charge
tant sur le circuit des fumées que sur le circuit de recyclage de
l'eau sont r~duites à des valeurs tout ~ fait acceptables et
correspondant.aux pressionsnormalesd'alimentation en gaz~en air
et en eau, aucune pompeousu~resseur n'étant nécessaires.
.
