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"ECHANGEUR DE CHALEUR"
La présente invention est relative à un échangeur de chaleur entre une source de chaleur et un liquide à température inférieure à sa température d'ébullition.
Elle est applicable aussi bien dans le cas où on désire refroidir une machine telle qu'un moteur à combustion interne, qui s'échauffe en fonctionnement, qu'au cas où on désire utiliser le liquide comme transporteur de calories entre un foyer et un loc@@l à chauffer comme, par exempla, @ dans une installation de chauffage à l'eau chaude.
Un moteur à combustion interne, qui peut être un mo- teur à explosion ou un moteur à injection de liquide carbu- rant dans une chambre chaude, est généralement refroidi au moyen d'eau froide dans des conditions telles qu'il existe plusieurs dizaines de degrés centigrades entre les tempéra- tures. de l'eau à l'entrée et à la sortie du moteur, la température de sortie étant normalement sensiblement en
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dessous de la température d'ébullition.
Dans le brevet belge n 444.338 déposé le 31 janvier 1942 par le même demandeur, celui-ci a proposé de porter l'eau de refroidissement autour des cylindres à une tempé- rature légèrement inférieure à 100 C aux charges moyennes d'alimentation du moteur, afin de réaliser une économie de carburant, à une température d'environ 80 C en pleine charge afin de réaliser la puissance maximum et dans la marche au ralenti afin de ne pas vaporiser l'eau inutilement.
En outre, il a proposé de maintenir les températures de l'eau à l'entrée et à la sortie des cylindres aussi voisines que possible.
Pour réaliser un refroidissement de ce genre, il importe de prendre des précautions particulières en vue d'empêcher que l'eau se mette à bouillir. C'est pour éviter cet inconvénient, qu'il a été proposé en même temps d'utili- ser corme liquide refroidisseur un liquide dont la tempéra- ture d'ébullition est plus élevée que celle de l'eau.
La présente invention a comme objet un échangeur de chaleur qui permet d'utiliser de l'eau comme liquide refroidisseur et qui ne présente pas les inconvénients dus à la formation éventuelle de vapeur, malgré que l'eau soit portée à une température très voisine de sa température d'ébullition dans l'échangeur.
Dans l'échangeur de chaleur suivant l'invention, la source de chaleur est en contact avec une enceinte dans laquelle le liquide peut être porté à une température voisine de sa température d'ébullition, cette enceinte étant en communication, en principe par sa partie supérieure seu- lement, avec un circuit extérieur parcouru par une quan- tité suffisante de liquide pour que la température de celui-ci soit inférieure à sa température d'ébullition après condensation de la vapeur qui peut se former dans
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l'enceinte juxtaposée à ce circuit extérieur.
Dans le cas où cet échangeur est appliqué au refroi- dissement des cylindres d'un moteur à combustion interne, les cylindres sont entourés d'une chemise qui communique par sa partie supérieure avec des canalisations extérieures parcourues par un liquide refroidisseur dont le débit est suffisant pour que la température reste inférieure à sa température d'ébullition après échauffement par condensation de vapeur formée dans la chemise.
Comme on s'en rend compte facilement, les variations de régime du moteur provoquent automatiquement des varia- tions du refroidissement dans le même sens.
Lorsque le moteur fonctionne en pleine charge, les cylindres fournissent plus de calories: au liquide dans l'enceinte et une plus forte circulation de ce liquide s'établit vers le radiateur qui enlève les calories qui lui sont apportées.
Cependant, il est important de remarquer qu'en été comme en hiver, et à tous les régimes et vitesses du moteur, à faible ou à pleine charge, le système de refroidissement suivant l'invention maintient en tous points des cylindres, d'une manière uniforme et permanente, les mêmes températures voisines de l'ébullition du liquide.
Dans le cas où il est appliqué à une'installation de chauffage à lteau chaude, l'échangeur de chaleur suivant l'invention constitue la chaudière de l'installation de chauffage, qui communique par sa partie supérieure avec lea canalisations à eau chaude de l'installation.
Le réchauffage du liquide dans l'enceinte au contact de la source de chaleur provoque un mouvement de ce liquide dans cette enceinte. une partie du liquide dans les cana- lisations participe à ce mouvement et refroidit légèrement les couches supérieures par rapport aux couches inférieures
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dans l'enceinte.
Si le liquide se met à bouillir dans les couches in- férieures de l'enceinte légèrement plus chaudes que les couches supérieures, les vapeurs s'élèvent dans le liquide et, comme elles peuvent se dégager dans la canalisation extérieure contenant du liquide plus froid, elles sont rapidement condensées dans la masse de celui-ci. Une petite partie de ce liquide pénètre également dans l'enceinte, pour remplacer la vapeur qui s'est dégagée, de sorte que la tem- pérature des couches supérieures n'est que de quelques degrés inférieure à celle des couches inférieures.
On voit qu'avec une installation de chauffage suivant l'invention, l'eau de la chaudière peut être portée à ltébul- lition alors que le circuit extérieur ne distribue que de l'eau chaude à plus basse température. Cette installation présente ainsi l'avantage de pouvoir distribuer avec la chaudière plus de calories que dans les installations ha- bituelles où l'eau de la chaudière est maintenue à la tempé- rature plus basse du circuit extérieur. De plus, la chaudière portée à l'ébullition possède un rendement thermique supé- rieur à celui de la même chaudière à eau plus froide.
Suivant une.forme de réalisation avantageuse, la communication entre l'enceinte et les canalisations exté- rieures parcourues par le liquide est réalisée par un seul orifice à la partie supérieure de l'enceinte, éventuelle- ment munie d'une vanne de réglage permettant de régler la température dans le haut de l'enceinte.
Afin de faciliter la condensation de la vapeur dans le liquide contenu dans les canalisations extérieures, la communication entre l'enceinte et les canalisations aboutit dans une partie élargie de ces canalisations.
Les expériences de l'inventeur ont démontré que le moteur réalise un meilleur fonctionnement et possède un
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meilleur rendement thermique. lorsque la température du liquide de refroidissement reste sensiblement uniforme -à quelques degrés près en tous les points du cylindre.
Cette température uniforme la plus favorable s'est révélée aux environs de 100 C, c'est-à-dire près de la température d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique à la surface du sol.
Avec l'échangeur de chaleur suivant l'invention, on obtient avec l'eau à la surface du sol, 95 à 100 C au bas de la chemise du moteur, suivant que l'on marche au ralenti ou à pleine charge, et 90 C dans la partie supérieure de la chambre vers l'orifice, donc avec, en moyenne, le long des. cylindres une température de 95 C.
On peut remarquer que la température la plus basse de 90 C est obtenue en haut de la culasse, près des têtes des cylindres, des soupapes et des bougies, ce. qui est favorable à la bonne marche du moteur à ces températures gêné' ralement plus élevées qu'habituellement.
Avec les dispositifs de refroidissement habituels, avec forte circulation, d'eau à l'intérieur de la chemise du moteur, la température moyenne est sensiblement infé- rieure à celle de l'ébullition, elle est souvent au plus égale à 60-70 0, et les différences de température du bas au haut des cylindres sont souvent plus fortes, dans l'ordre de 20 C avec les températures les plus élevées en haut des cylindres près des soupapes et des bougies. De plus, ces températures sont fortement différentes en hiver et en été, forte ou faible charge du moteur, à petite ou à grande vitesse.
Dans ces conditions, l'expérience a démontré qu'avec l'échangeur de chaleur suivant l'invention, on obtient une augmentation moyenne du rendement thermique du moteur de 10 à 15%, qui est d'ailleurs variable avec le type du
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moteur, et ce sans aucune perte de puissance maximum en pleine charge du moteur.
L'échangeur de chaleur suivant l'invention réalise encore l'avantage de présenter une circulation du liquide vers l'extérieur nulle ou très faible, dans la chambre au- tour des cylindres, pendant la période de mise en marche
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avec échauffement du moteur ou de la chaudière.
.
6 Cet échauffement préalable 4u "'zotûu-±, ou de la chau- dière et du liquide de leur chambre se fait ainsi dans un minimum de temps et avec un minimum de consommation de car- burant ou de combustible.
Dtautres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins annexés au présent mémoire et qui représentent schématiquement quelques formes de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention.
La figure 1 représente une installation de refroi- dissement. d'un moteur à combustion interne comprenant un échangeur de chaleur suivant l'invention.
La figure 2 représente une variante de cette ins- tallation.
La figure 3 représente une installation de chauffage central comprenant, cornue chaudière, un échangeur de chaleur suivant l'invention.
La figure 4 représente une variante de l'installation suivant la figure 3.
La figure 5 est une autre variante de l'installation. suivant la figure 1.
Dans ces différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
La figure 1 représente une installation pour le re- froidissement d'un moteur à combustion interne dans la- quelle le moteur est représenté en 2 dans une enceinte 3
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contenant de l'eau. et formant une chemise autour de lui.
Des troua 22 prévus dans un diaphragma intérieur 21 assurent la communication entre le haut et le bas.
Cette chemise communique avec une canalisation abou- tissant à un radiateur 4. Cette canalisation comprend une conduite 5 entre la chemise et le collecteur 6 situé au haut du radiateur, ainsi qu'une conduite 7 dans laquelle le li- quide aspiré au bas du radiateur par une conduite. 8 est re- foulé par une pompe 9, La canalisation comprenant lea con- duites. 5 et 7 présente une partie élargie 10 située au voi- sinage de la partie supérieure de la chemise 2 avec laquelle elle communique par une courte communication il-, munie d'un clapet 23.
Supposons que le liquide utilisé dans cette instal" lation soit de l'eau et que cette eau soit portée dans la chemise 3 à sa température d'ébullition. Les vapeurs qui se forment se dégagent de la chemise 3 par la communication 11 et se condensent dans l'eau qui circule à vitesse réduite dans la partie élargie 10. Une partie de cette eau pénètre dans la chemise 3 afin de remplacer la quantité de vapeur qui s'est dégagée. Si le collecteur 6 du radiateur 4 est en communication avec l'atmosphère par un tuyau de trop- plein 12, la température sera. au maximum de 1000 dans la partie inférieure de la chemise 3 en dessous du diaphragme 21 et au minimum de 90 C dans la partie supérieure de cette chemise avec une moyenne de 95 C de haut en bas des cylin- dres.
Cette température de 90 C dans la calasse supérieure est partiellement réglable en été et en hiver par l'ouver- ture du clapet 23. On peut modifier la température d'ébul- lition du liquide de refroidissement en utilisant un autre liquide que de l'eau ou bien en faisant circuler l'eau, en vase clos, sous une pression différente de la pression atmosphérique.
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Une installation de ce genre est représentée à la figure 2 où on voit que le trop-plein 12 est en communi- cation avec un vase clos 13 sous pression, pourvu d'une soupape de sûreté 14.
Suivant une forme de réalisation particulièrement utile dans l'application aux moteurs des avions, la pres- sion voulue dans le vase 13 est assurée par la mise en communication de ce vase avec une conduite 15, en commu- nication avec le circuit de refoulement de l'air du com- presseur vers le carburateur.
Il est à remarquer que la disposition de la communi- cation entre la chemise 3 et les conduites 5 et 7 à la partie supérieure de cette chemise, évite la formation de poches de vapeurs dans celle-ci.
Le débit de liquide circulant dans les conduites 5 et 7 est déterminé de façon que l'échauffement de l'eau provo- qué par la condensation de la vapeur dans la partie élargie 10, ne puisse pas faire atteindre la température d'abul- lition de l'eau. Il en résulte que seule de l'eau est in- troduite dans le collecteur 6 du radiateur et qu'il ne se produit pas de pertes de liquide par vapeur par le trop- plein 12. Lorsque le moteur marche au ralenti, il y a re- lativement peu de calories qui sont fournies à l'eau par les cylindres 2. Le radiateur 4 enlève facilement ces ca- lories, même avec une faible circulation de cette eau.
Lorsque le moteur fonctionne à pleine charge, les cylindres fournissent le maximum de calories qu'ils peuvent fournir à l'eau qui les entoure et le radiateur enlève ces calories moyennant une plus forte circulation du liquide et une plus forte intensité de refroidissement dans le radiateur.
Dans les installations habituelles de refroidisse- ment, où le liquide de refroidissement circule autour des cylindres à une température sensiblement inférieure à celle
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de l'ébullition, il y a des variations sensibles de la température de ce liquide. Le liquide entrant froid dans la partie de la chemise au bas des cylindres ressort ré- chauffé à la partie supérieure de ces cylindres:, la diffé- rence de température atteignant généralement 20 C avec les plus hautes températures près des soupapes et des bougies.
Cette différence de température, ainsi que la température moyenne dans la chambre du moteur, sont variables en été et en hiver, ainsi qu'aux divers régimes du moteur, à fai- ble, ou à forte charge, en petite ou en grande vitesse.
En hiver, il faut même, actuellement, modérer l'ac- tion du radiateur qui envoie de l'eau trop froide dans la chemise du moteur, ce qui est préjudiciable à son bon ren- dement. Cette précaution n'est pas nécessaire avec l'échan- geur de chaleur suivant l'invention, dans lequel le liquide dans la chemise qui entoure les cylindres est maintenu à une température voisine de l'ébullition et, par conséquent, sensiblement supérieure à la température moyenne maintenue dans les installations de refroidissement habituelles.
Il est à noter que le radiateur, la pompe et les canalisations des installations habituelles sont plus que suffisantes pour assurer la circulation voulue dans les canalisations 5 et 7 de l'échangeur de chaleur suivant l'in- vention. L'injection de vapeur dans l'eau de ces canalisa- tions est d'ailleurs de nature à activer la circulation dans celles-ci, de sorte que le service à assurer par la pompe en est réduit.
En principe, seule la partie supérieure de la chemise 3 est en communication avec la conduite 7. Il va de soi qu'on pourrait faire déboucher une petite fraction de la quantité totale d'eau en circulation dans cetteconduite 7, à la partie inférieure de la chemise 3, par exemple, en la faisant passer dans une conduite 16 représentée en trait
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mixte aux figures 1 et 2. pour ne pas refroidir alors trop fortement l'eau au niveau inférieur des cylindres 2, la quantité admise par la conduite 16 ne peut pas dépasser le débit de vapeur formé.
De débit est de l'ordre de quelques centièmes du débit as- suré par la pompe 9.
Un vase 17 de réserve et d'expansion de l'eau est en communication avec le collecteur supérieur du radiateur 6 par une conduite 18. La réserve de liquide que ce vase contient est utile pour parer aux petites pertes de vapeur qui pourraient avoir lieu au bout d'un service prolongé du moteur. La chambre d'air 19 au dessus du niveau de l'eau permet aussi d'absorber sans perte d'eau une brusque dilatation éventuelle du liquide se produisant, par exemple, à la façon d'un coup de bélier.
Le fond du vase 17 est en communication par une petite canalisation 20 avec la conduite 5 de manière à maintenir l'égalité des niveaux dans le vase 17 et dans le collecteur supérieur du radiateur dans le cas où le niveau de l'eau baisserait en-dessous du niveau inférieur de la conduite 18.
@ la figure 3, on a représenté une installation de chauffage central comprenant un échangeur de chaleur sui- vant l'invention. La chambre d'eau 3 de la chaudière 2 est raccordée dans sa partie supérieure seulement aux canalisa- tions dans lesquelles circule l'eau de chauffage. La con- auite 7 ramène l'eau froide à la chaudière, tandis que la conduite 5 évacue l'eau réchauffée par le dégagement de vapeur opéré par la communication 11 dans la partie élar- gie 10.
Différents moyens peuvent être employés pour assurer le sens convenable de la circulation dans les conduites 5 et 7. On peut, par exemple, faire passer le conduit d'amenée d'eau froide 7 à un niveau inférieur au niveau de sortie
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de la. communication 11. On peut aussi établir dans cette conduite 7 une soupape. 23 ne laissant passer l'eau que dans le sens de la flèche X, Enfin, on peut utiliser dans ) le circuit extérieur une pompe d'un. effet analogue à celui obtenu dans les circuits de refroidissement d'un moteur (fig. 1 et 5). Comme dans le cas du moteur, une petite conduite 16 peut injecter quelques centièmea du débit ex- térieur dans le bas de la chambre d'eau 3.
Cette chaudière présente l'avantage de permettre une plus grande distribution de calories à l'eau de chauf- fage, parce que la température de l'eau, dans la chemise de chauffage est pratiquement maintenue au voisinage de la température d'ébullition., au lieu d'être une/moyenne entre la température d'arrivée de l'eau froide et la tem- pérature de sortie de l'eau chaude.
Pour développer une puissance calorifique déterminée, cette chaudière peut donc être de moindres dimensions qu'une chaudière à eau chaude ordinaire qui est en aommu- nication par le bas avec la conduite d'amenée de l'eau froide et par le haut avec la conduite de sortie de l'eau chaude. Le rendement thermique de la chaudière portée à l'ébullition est aussi plus élevé que celui d'une chaudière de même puissance travailla--nt à plus basse température.
Un échangeur de chaleur suivant l'invention ne doit pas nécessairement Être réalisé comme schématisé aux fi- gures précédentes.. On peut convevoir que la conduite 7 dé- bouche dans le haut de l'enceinte 3 en un endroit différent de celui où est branchée la conduite 5. Dans ce cas, une certaine quantité de liquide circule en permanence dans le haut de l'enceinte 3.
En ne faisant passer dans le haut de cette enceinte qu'une petite partie de la quantité totale de liquide en circulation, par exemple en branchant cette enceinte en
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dérivation sur une large canalisation., on pourrait facilement maintenir dans l'enceinte 3 une température voisine de la température d'ébullition et faire circuler dans la canalisa- tion extérieure, du liquide à une température sensiblement inféri'eure à sa température d'ébullition.
La figure 4 représente un échangeur de chaleur sui- vant l'invention sous forme d'une chaudière à laquelle aboutissent la conduite d'échappement d'eau chaude 5 et la conduite d'amenée d'eau froide 7. Ces deux conduites, au lieu d'être connectées directement à l'enceinte 3, le sont respec- tivement par une conduite 27 et par une conduite 28. Les deux conduites 5 et 7 sonr galement en communication l'une avec l'autre par une large conduite 24. Dans celle-ci est disposé un obturateur de position réglable 25. Un obturateur sembla- ble 26 est disposé dans la conduite 27.
Si on ferme complètement l'obturateur 26 et qu'on ou- vre l'obturateur 25, les deux conduites 5 et 7 ne sont en communication avec l'enceinte 3 que par la conduite 28. Le fonctionnement est alors semblable à celui expliqué ci-dessus à propos de la figure 3.
Si on ferme complètement l'obturateur 25 et qu'on ouvre l'obturateur 26, toute l'eau en circulation dans les cana- lisations de chauffage doit passer dans le haut de l'enceinte 3. La quantité d'eau admise peut être réglée par la position de l'obturateur 26.
Si on ouvre partiellement les obturateurs 25 et 26, on a un cas intermédiaire entre les deux cas précédents.
S., dans certains cas particuliers d'application, on trouve qu'un des obturateurs 25 ou 26 doit être constamment fermé, on peut simplifier les canalisations en supprimant respectivement la conduite 24 ou la conduite 27.
A la figure 5, on a représenté un échangeur de chaleur suivant l'invention appliqué au refroidissement d'un moteur
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à combustion interne. L'installation qui y est représentée est, en principe, la même que celle représentée à la figure 1, mais la pompe 9, au lieu d'être dans l'eau froide, au bas du circuit, est dans l'eau chaude en haut du moteur.
De telles installations anciennes de la pompe se rencontrent, en pratique. On les transformera suivant l'in- vention en faisant déboucher la canalisation 8-7 en haut du moteur dans le voisinage de ltorifice 10-11 sous la pompe 9. Le mélange des eaux et la condensation des vapeurs arri- vant par les trous 22 du diaphragme 21 se fera en 10, dans le haut de la culasse du moteur.
Dans les formes de réalisation auxquelles il a été fait allusion ci-dessus, le liquide circule en circuit fermé, en traversant un radiateur où il cède les calories qu'il a absorbées en passant près de la communication 11.
Dans le cas où l'invention est appliquée au refroi- dissement d'un moteur fixe ou d'un moteur de bateau, l'eau de refroidissement peut être renvoyée à la rivière après son échauffement, Dans ce cas, le circuit n'est pas fermé et ne comprend pas de radiateur mais le fonctionnement de l'échangeur de chaleur reste le même.