GENERATEUR DE GAZ CHAUD ET INSTALLATION DE SECHAGE OU DESHYDRATATION METTANT EN œUVRE UN TEL GENERATEUR

Le domaine technique de l'invention est celui des générateurs de gaz chaud, notamment des générateurs destinés à équiper les unités de déshydratation ou de séchage de matériaux.

Il est connu (par exemple de EP0049677) de réaliser une unité de séchage de déchets ligneux comportant un moyen de séchage alimenté par les gaz de combustion fournis par une chaudière .

Ce dispositif utilise directement les gaz de combustion. Or ces derniers comportent des résidus qui imprègnent d'une façon plus ou moins forte le matériau séché et limitent les utilisations ultérieures de ce matériau.

Il n'est ainsi pas possible de mettre en œuvre une telle unité de séchage pour déshydrater des matériaux comestibles et devant être ultérieurement consommés (par exemple par les animaux) . Même pour le séchage ou la déshydratation de matériaux ligneux, les résidus de combustion imprègnent le bois ce qui nuit à son aspect externe. Les résidus de combustion peuvent par la suite exsuder hors du bois conduisant à des pollutions des habitations. Les résidus de combustion peuvent également gêner la transformation ultérieure du bois (par exemple pour l'ameublement) en modifiant les caractéristiques mécaniques de celui ci .

L'invention a pour but de proposer un générateur de gaz chaud permettant de pallier de tels inconvénients. Le générateur selon l'invention permet ainsi d'engendrer un courant de gaz chaud dont les caractéristiques chimiques peuvent être complètement maîtrisées.

Par ailleurs, le générateur selon l'invention permet également de maîtriser la température du gaz engendré tout en assurant la récupération de l'énergie thermique du brûleur ou du foyer avec un excellent rendement.

Le générateur selon l'invention peut mettre en œuvre des brûleurs ou des foyers de technologies diverses utilisant

tous types de combustibles. Il assure dans tous les cas la génération d'un gaz chaud et propre ne perturbant pas le processus de séchage ou de déshydratation.

Ainsi, l'invention a pour objet un générateur de gaz chaud, notamment pour une unité de déshydratation ou de séchage, générateur comportant un brûleur ou un foyer et caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit d'échange comportant au moins une tubulure dans laquelle circule le gaz à chauffer, tubulure comportant une extrémité d'admission en gaz frais et une sortie d'évacuation en gaz chaud, tubulure présentant une surface d'échange thermique entre les gaz de combustion engendrés par le brûleur ou foyer et le gaz à chauffer circulant dans la tubulure, la tubulure assurant par ailleurs une séparation physique entre les gaz chauffés et les gaz de combustion engendrés par le brûleur ou foyer .

La ou les tubulures des circuits d'échange seront de préférence orientées de telle sorte que le flux de gaz chauffé circule dans la tubulure suivant une direction inverse de celle du flux des gaz de combustion issus du brûleur ou foyer.

Le générateur de gaz chaud pourra comporter des moyens permettant de réguler la vitesse des gaz chauds sortant des différentes tubulures. Chaque circuit d'échange pourra par ailleurs comporter un canal collecteur de sortie et au moins un canal d'admission, le collecteur de sortie et le canal d'admission étant reliés l'un à l'autre par des tubulures sensiblement parallèles les unes aux autres. Les canaux d'admission et le collecteur de sortie pourront être sensiblement annulaires.

Le générateur de gaz chaud pourra comporter au moins un jeu de tubulures ayant un profil ondulé.

Il pourra aussi comprendre un conduit torique de collecte des gaz chauds, conduit qui sera relié au collecteur de sortie par des tubes.

II pourra par ailleurs comprendre un conduit d'amenée de gaz frais qui sera raccordé aux différents canaux d'admission par des tubes.

Selon un mode particulier de réalisation, les moyens permettant de réguler la vitesse des gaz chauds seront constitués par des clapets interposés entre le conduit d'amenée de gaz frais et chaque tube reliant ce conduit aux différents canaux d'admission.

Les canaux d'admission seront avantageusement compartimentés en différents secteurs, chaque secteur étant relié à un clapet unique.

Le générateur de gaz chaud pourra comporter au moins deux circuits d'échange, chaque circuit d'échange étant disposé dans une chambre au travers de laquelle circulent les gaz de combustion.

Les deux chambres pourront être concentriques, le passage des gaz de combustion d'une chambre à l'autre s 'effectuant au niveau d'une première extrémité d'une première chambre, le sens de circulation des gaz de combustion étant dans la deuxième chambre l'inverse de celui qu'il y a dans la première chambre.

Le conduit d'amenée de gaz frais pourra être disposé coaxialement à la première chambre et à l'intérieur d'une cheminée d'évacuation des gaz de combustion. Le brûleur ou foyer pourra par ailleurs être disposé au niveau d'une deuxième extrémité de la première chambre.

Le générateur de gaz chaud pourra comporter une troisième chambre entourant la deuxième chambre, troisième chambre qui renfermera des tubulures raccordant le circuit d'échange de la deuxième chambre au conduit d'amenée de gaz frais.

L'invention a également pour objet une installation de déshydratation ou de séchage mettant en œuvre un tel générateur de gaz chaud.

Cette installation de déshydratation ou de séchage pourra être telle que le conduit d'amenée de gaz frais au générateur de gaz chaud sera relié à un circuit de récupération de l'air chaud qui sera extrait d'une enceinte recevant le ou les matériaux à déshydrater.

Le circuit de récupération de l'air chaud pourra incorporer au moins un condenseur assurant la déshydratation de 1 ' air .

L'installation de déshydratation ou de séchage pourra comprendre un circuit d'activation du brûleur ou foyer utilisant une partie de l'air chaud issu du condenseur.

Elle pourra par ailleurs comprendre un mélangeur disposé en amont de l'enceinte et permettant de mélanger l'air chaud issu du générateur avec une partie d'air frais sorti du condenseur.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de différents modes de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels : - la figure 1 représente d'une façon schématique une installation de séchage de matière organique mettant en œuvre un générateur de gaz chaud selon l'invention,

- la figure 2 est une vue en perspective externe du générateur selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une autre vue en perspective externe du générateur, l'enveloppe de la cuve étant partiellement coupée,

- la figure 4 est une autre vue en perspective externe du générateur coupé suivant un plan longitudinal, - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale de l'ensemble du générateur,

- la figure 6 est une vue analogue à la figure 5, mais dans laquelle certains des tubes ont été retirés pour montrer plus précisément les principaux circuits et les sens de circulation des fluides,

- la figure 7a est une vue en coupe agrandie d'un des clapets mis en oeuvre dans le générateur selon l'invention,

- la figure 7b est une vue en perspective éclatée de ce clapet, - la figure 8 montre une installation de déshydratation mettant en œuvre le générateur selon l'invention.

La figure 1 montre une installation 1 permettant le séchage de matières organiques 2.

Les matières 2 (par exemple des déchets agricoles ou de panification) sont disposées dans un four 3. Les matières pourront être portées par un moyen d'entraînement (non représenté) tel un tapis roulant ou une vis sans fin. Ce moyen d'entraînement permettra le chargement et le déchargement du four 3.

Le four 3 est relié à un cyclone 4 qui a pour but d'assurer la séparation des matières solides du courant gazeux circulant dans le four 3. Les matières solides séchées ou déshydratées sont évacuées de façon périodique ou continue (selon le procédé) par les conduites 5 et 6.

Le séchage est assuré grâce à un courant gazeux chaud G qui circule dans le four 3 et qui est conduit par une canalisation 7 qui sort d'un générateur de gaz chaud 8.

Le générateur 8 est représenté ici de façon schématique sous la forme d'un échangeur. Il comporte un brûleur ou un foyer 9 (par exemple un brûleur à gaz ou un foyer alimenté par de la biomasse) et un circuit d'échange 10 comportant au moins une tubulure dans laquelle circule le gaz à chauffer. Le gaz chaud est ici de l'air.

La tubulure du circuit d'échange 10 comporte une extrémité d'admission en air frais 11 et une sortie d'évacuation en air chaud 12. L'extrémité d'admission 11 est reliée à un condenseur 13 qui reçoit par la conduite 15 l'air chaud sortant par la partie supérieure du cyclone 4. Ce condenseur est refroidi par de l'air frais circulant dans un circuit d'échange et entrant dans ce circuit par la tubulure d'entrée 14. Le condenseur 13 permet d'assurer la déshydratation de l'air chaud circulant dans la conduite 15 et de préchauffer l'air ambiant précédemment déshydraté et conduit par la tubulure 14.

L'air ainsi préchauffé est conduit à l'extrémité d'admission 11 du circuit d'échange 10 par un conduit 22.

L'eau liquide (H20) est récupérée au niveau du fond 16 du condenseur 13. Un accélérateur (tel une pompe ou un extracteur) 17 est disposé au niveau d'une cheminée 19

d'évacuation des gaz et permet d'accélérer et de réguler le flux d'air chaud G circulant dans le four 3.

Par ailleurs une partie de l'air chaud résiduel est également utilisée pour activer le brûleur ou le foyer 9. Cet air chaud est conduit au brûleur par la conduite 20 sur laquelle est installé un accélérateur 18.

Les gaz de combustion issus du brûleur ou du foyer 9 sont évacués par une cheminée 21.

Conformément à l'invention la tubulure du circuit d'échange 10 présente une surface permettant d'assurer un bon échange thermique entre les gaz de combustion engendrés par le brûleur ou le foyer 9 et le gaz à chauffer (ici de l'air) amené par le conduit 22.

La tubulure du circuit d'échange 10 permet d'assurer par ailleurs une séparation physique entre les gaz chauffés et les gaz de combustion engendrés par le brûleur 9.

Ainsi le flux G de gaz chaud est parfaitement propre et ne dégrade pas la qualité des matières organiques 2.

Les figures 2 à 5 montrent un mode de réalisation d'un générateur de gaz chaud selon l'invention.

La figure 2 montre une vue externe de ce générateur 8. On voit qu'il comporte une cuve 23 sensiblement cylindrique. Cette cuve sera disposée d'une façon verticale (comme représenté sur la figure) dans le cas d'un foyer à biomasse et elle sera disposée de façon horizontale dans le cas d'un brûleur à combustibles liquides ou gazeux. La partie inférieure de la cuve porte le brûleur ou le foyer 9, la partie supérieure porte la cheminée 21 d'évacuation des gaz de combustion issus du brûleur ou du foyer 9. On voit également sur cette figure le conduit 22 d'amenée de gaz frais. Ce conduit traverse radialement la cheminée 21 et (comme cela est plus particulièrement visible aux figures 3 à 5) il comporte une extrémité qui est disposée coaxialement à la cuve 23 et à l'intérieur de la cheminée 21 d'évacuation des gaz de combustion.

On voit enfin sur la figure 2 la canalisation 7 qui évacue les gaz chauds hors du générateur 8.

La structure interne du générateur 8 est plus particulièrement visible sur les figures 3 à 5.

La cuve 23 du générateur entoure un certain nombre de tubulures qui sont organisées en différents circuits d'échange.

Le générateur qui est représenté ici comporte deux circuits d'échange concentriques.

Chaque circuit d'échange est disposé dans une chambre spécifique au travers de laquelle circulent les gaz de combustion issus du brûleur.

Le générateur comporte ainsi une première chambre 24 cylindrique entourant l'axe du générateur et qui est délimitée par une première cloison cylindrique 26 portée par un support 27 solidaire du fond de la cuve 23 (figure 5) . Le générateur 8 comporte aussi une deuxième chambre 25 annulaire, entourant la première chambre 24 et qui est délimitée d'une part par la première cloison 26 et d'autre part par une deuxième cloison 28, concentrique à la première cloison 26. La deuxième cloison 28 est solidaire d'une plaque 29 qui est fixée au niveau d'une extrémité supérieure de la cuve 23 et sur laquelle est fixé un boîtier 30 portant la cheminée 21.

Comme cela est plus particulièrement visible sur la figure 6, les gaz de combustion C issus du brûleur ou du foyer 9 parcourent tout d'abord la première chambre 24 suivant la direction donnée par les flèches C (verticalement de bas en haut, soit du brûleur ou du foyer 9 vers la cheminée 21) . Les gaz sont arrêtés par la plaque de séparation supérieure 29 et ils circulent ensuite dans la deuxième chambre 25 suivant la direction inverse, verticalement et du haut vers le bas.

Enfin les gaz de combustion sont arrêtés par le fond de la cuve 23 et ils remontent au travers d'une troisième chambre 31 délimitée par la cuve 23 et la deuxième cloison 28 pour rejoindre la cheminée 21 au travers de trous 32 réalisés dans la plaque 29 (figure 6) .

Ainsi le sens de circulation des gaz de combustion dans la deuxième chambre 25 est l'inverse de celui qu'il a dans la première chambre 24.

Le sens de circulation des gaz de combustion dans la troisième chambre 31 est par ailleurs l'inverse de celui qu'il a dans la deuxième chambre 25.

On remarque également sur les figures que le gaz frais est amené au générateur au niveau du conduit 22 qui est disposé coaxialement aux différentes chambres 24, 25, 31 et à l'intérieur de la cheminée 21 d'évacuation des gaz de combustion .

Le gaz frais est donc introduit dans le générateur 8 suivant une direction D qui est inverse de celle du flux C des gaz de combustion issus du brûleur ou du foyer. Ce sens inverse est respecté dans la première chambre 24. Il est également respecté dans la deuxième chambre 25 (ainsi que dans la troisième chambre 31) .

En effet les gaz frais sont amenés à partir du conduit 22 dans l ' échangeur qui est disposé dans la deuxième chambre 25 par des tubulures 33 qui conduisent les gaz frais au niveau du fond de la deuxième chambre 25.

Ces gaz frais remontent donc dans la deuxième chambre dans un sens inverse de celui des gaz de combustion dans cette dernière. Cette orientation particulière du sens de l'écoulement de gaz à chauffer dans une direction inverse de celle des gaz de combustion permet d'améliorer le rendement de l'échange thermique au niveau de chaque circuit d'échange.

Conformément à l'invention, chaque circuit d'échange disposé dans une chambre est conçu de façon à optimiser le transfert thermique.

Chaque circuit d'échange comporte ainsi un canal collecteur de sortie unique pour les gaz chauds et plusieurs canaux d'admission. Le collecteur de sortie et les canaux d'admission sont reliés les uns aux autres par des tubulures sensiblement parallèles les unes aux autres.

Comme cela est visible aux figures 5 et 6, le premier circuit d'échange (situé dans la première chambre 24)

comporte donc un collecteur de sortie 34.1 annulaire qui est disposé au voisinage du brûleur ou du foyer 9.

Le premier circuit d'échange comporte aussi quatre canaux d'admission 35al, 35bl, 35cl et 35dl (figure 6). Ces canaux sont tous annulaires sauf le canal 35al qui est en fait une boîte disposée sensiblement au niveau de l'axe du générateur.

Les diamètres des canaux 35bl, 35cl et 35dl sont par ailleurs différents les uns des autres.

Le collecteur de sortie 34.1 et les canaux d'admission 35al, 35bl,35cl et 35dl sont reliés les uns aux autres par des tubulures 36 sensiblement parallèles les unes aux autres.

Pour la clarté de la figure, seules les tubulures 36 médianes reliant le canal 35al et le collecteur 34.1 sont visibles sur la figure 6. Les autres tubulures reliant les canaux 35bl, 35cl, 35dl au collecteur 34.1 sont visibles sur les figures 4 et 5.

La division du circuit d'échange à partir de plusieurs canaux d'admission permet d'optimiser la mise en place des tubulures 26 dans le volume de la chambre considérée. On augmente ainsi fortement la surface d'échange thermique entre les gaz de combustion et les tubulures de gaz à chauffer. On améliore ainsi le rendement du générateur et également sa capacité à engendrer un volume de gaz chaud important . Comme cela est plus particulièrement visible aux figures 4 et 5, certaines tubulures 36 sont droites et d'autres tubulures ont un profil ondulé.

Ce profil ondulé permet lui aussi d'augmenter la surface d'échange thermique. Le générateur de gaz chaud selon l'invention comprend aussi un conduit 37 torique assurant la collecte des gaz chauds fournis par les différents circuits d'échange.

Le conduit 37 porte la canalisation 7 d'évacuation des gaz chauds engendrés par le générateur. Le conduit 37 est relié par des tubulures (38.1,38.2) aux collecteurs de sortie (34.1,34.2) des différents circuits d' échange .

Ainsi le collecteur 34.1 du premier circuit d'échange est relié au conduit 37 par des tubulures 38.1 à section rectangulaire. Voir en particulier les figures 4 et 5.

Le deuxième circuit d'échange (celui qui est disposé dans la deuxième chambre 25) a une structure analogue à celle du premier circuit d'échange.

Il comporte un collecteur de sortie 34.2 annulaire qui est disposé au voisinage de la plaque 29.

Ce deuxième circuit d'échange comporte quatre canaux d'admission 35a2, 35b2, 35c2 et 35d2. Ces canaux sont tous annulaires et disposé au niveau de l'extrémité inférieure de la deuxième chambre 25.

Comme cela a déjà été précisé, le gaz frais est amené à partir du conduit 22 jusqu'aux différents canaux d'admission 35a2, 35b2, 35c2, 35d2 par des tubulures 33 à section rectangulaire (voir figure 3).

Des tubulures 36 au profil droit ou ondulé relient les canaux d'admission et le collecteur de sortie 34.2.

Ce dernier est lui-même relié au conduit 37 d'évacuation des gaz chauds par des tubulures 38.2 à section rectangulaire. Voir en particulier les figures 3, 5 et 6.

La combinaison de deux circuits d'échange thermique permet d'améliorer le rendement du générateur. En effet des calories fournies par les gaz de combustion peuvent être prélevées au niveau de chacun des circuits d'échange.

Par ailleurs le passage des tubulures 33 dans la troisième chambre 31 permet d'assurer un préchauffage du gaz frais en amont de la deuxième chambre et utilise encore une partie des calories disponibles. Le générateur selon l'invention assure donc sous un volume relativement compact un excellent rendement thermique.

Concrètement il est possible de réaliser avec deux circuits d'échange un générateur 8 engendrant un flux ayant une vitesse comprise entre 5,0 m/s et 8,0 m/s de gaz chaud ayant une température de l'ordre de 600 ⁰ C.

L'Homme du Métier dimensionnera aisément le générateur en fonction des caractéristiques souhaitées (température et débit) .

Les formes et longueurs différentes pour les tubulures 36 (à l'intérieur d'un même circuit d'échange et entre les différents circuits d'échange) conduisent à des pertes de charges différentes au niveau de chaque tubulure. Afin d'assurer un débit de génération de gaz chaud homogène on prévoira des moyens permettant de réguler la vitesse des gaz chauds sortant des différentes tubulures.

Ces moyens sont par exemple constitués par des clapets qui seront interposées entre le conduit 22 d'amenée de gaz frais et chaque tube qui relie ce conduit aux différents canaux d'admission 35 (35al, ..., 35dl ... 35a2,..., 35d2).

Ces moyens ne sont pas représentés en détails sur les figures 3 à 6. Ils sont disposés au niveau des différentes brides repérées 39 (figures 5 et 6) . Par ailleurs afin de permettre une maîtrise de la vitesse des gaz au niveau de chaque groupe de tubulures, les canaux d'admission 35 seront compartimentés en différents secteurs, chaque secteur étant relié à un clapet unique. Il n'y aura pas alors de perturbation des flux de gaz sortant de chaque clapet. On évite ainsi les retours de flux d'un canal d'admission vers un clapet et le débit se trouve régularisé.

Le compartimentage des canaux 35 sera simplement réalisé en prévoyant des cloisons de tôles divisant le canal annulaire considéré en différents secteurs. Les figures 7a et 7b montrent la structure d'un tel clapet 40 de régulation de débit.

Il comporte un plongeur 41 comportant une extrémité conique 42 qui est destinée à coopérer avec une portée complémentaire d'un support 43. Le support 43 est vissé à une embase 44. Un ressort 45 est dimensionné uniquement pour résister au poids du plongeur 41. Ce dernier est donc en appui sur sa portée dans la position de repos du clapet (tel que représenté figure 7a) .

Le sens de passage du gaz frais est représenté par les flèches D.

Le gaz frais issu du conduit 22 entre dans le clapet 40 par l'orifice 46. Il pousse le plongeur 41 contre l'action du ressort 45. Le gaz frais passe dans la chambre 47 et ressort

en aval par l'alésage 48 pour aller vers le canal d'admission 35 considéré.

On voit que la section de passage du gaz va varier en fonction de la position axiale du plongeur 41. Un accroissement de la pression du gaz chaud en aval va donc repousser le plongeur vers le haut et réduire la pression d'admission de gaz frais.

Le clapet permet donc de réguler la pression de gaz chaud et régule ainsi la vitesse de l'air dans les différentes tubulures. En fonction des caractéristiques de perte de charge des tubulures 36 considérées les caractéristiques du clapet seront bien entendu différentes.

On dimensionnera les différents clapets en fonction du résultat recherché qui est d'obtenir la même vitesse de sortie des gaz chauds pour toutes les tubulures au niveau du conduit d'évacuation 37.

L'Homme du Métier dimensionnera aisément ces différents clapets en fonction des caractéristiques du générateur qu'il réalise . Le générateur de gaz chaud selon invention peut être mis en œuvre dans différentes installations.

La figure 8 montre ainsi une installation de déshydratation, par exemple pour du bois d' œuvre.

Cette installation 1 comprend une enceinte 50 fermée à l'intérieur de laquelle sont disposés les éléments 58 de bois d'œuvre à sécher, placés par exemple sur un chariot.

Le générateur 8 fourni de l'air chaud par sa canalisation 7 d'évacuation des gaz et il reçoit de l'air frais par son conduit 22. La canalisation 7 est reliée à l'enceinte 50 par une conduite 52.

Après circulation dans l'enceinte 50, l'air chaud est évacué par une conduite de sortie 53 qui est reliée à un condenseur 13. Ce condenseur est refroidi par de l'air frais extérieur circulant dans un circuit d'échange et entrant dans ce circuit par la tubulure d'entrée 14.

Le condenseur 13 permet d'assurer la déshydratation de l'air chaud circulant dans la conduite 53.

L'air ainsi déshydraté est amené au conduit d'admission 22 du générateur 8 par la conduite 59. L'eau liquide (H20) est récupérée au niveau du fond 16 du condenseur 13. Un accélérateur (tel une pompe) 17 permet d'accélérer et réguler le flux d'air chaud G circulant dans l'enceinte 50 et dans le générateur 8.

Ainsi le conduit amenant l'air frais 22 au générateur 8 est relié à un circuit de récupération de l'air chaud qui est extrait de l'enceinte 50 recevant les matériaux à déshydrater .

Une partie de l'air chaud récupéré dans le condenseur 13 est utilisée pour activer le brûleur ou le foyer 9, par le conduit 57. Ce conduit est relié au conduit 22 au moyen d'une vanne trois voies 51 qui a pour fonction de permettre l'extraction d'une quantité d'air préchauffé pour compléter les pertes éventuellement engendrées par des fuites. Une autre vanne trois voies 54 est interposée entre une partie amont (conduit 57), une partie aval 60 (vers le brûleur) et un échappement 61. Elle permet la régulation du flux d'air préchauffé nécessaire à l'activation du brûleur ou du foyer

9. L'excédent final étant dirigé par l'échappement 61 vers l'extérieur ou une autre application via la vanne 54. Ce fonctionnement en circuit fermé assure un préchauffage de l'air frais et améliore ainsi le rendement de

1' installation.

Par ailleurs un mélangeur 55 est disposé à l'entrée de l'enceinte 50. Il est possible au niveau de ce mélangeur de doser l'air chaud issu du générateur 8 avec une partie de l'air frais sorti du condenseur 13 au moyen d'un volet 56.

On peut ainsi réguler de façon relativement précise la température de déshydratation. On pourra ainsi réaliser une installation fonctionnant de façon continue avec un air à 120 ⁰ C assurant un séchage rapide du bois d'oeuvre.

Bien entendu, il est possible de réaliser des installations de séchage pour des matériaux différents, par exemple pour des céréales.