Brevet FR2232742A1 — publié le 19750103

On sait que, pour obtenir industriellement un fluide chaud , on utilise des chaudières comportant au moins un brûleur disposé dans la zone centrale d'un volume délimité par un faisceau de tubes dans lesquels on fait circuler le fluide. Les gaz de combustion du bruleur transmettent leurs calories aux tubes du faisceau d'une part, par rayonnement et d'autre part, par convexion mais les surfaces d'échange sont en général limitées par le fait que seules les faces des tubes des faisceaux qui se trouvent en regard de la zone centrale où agit le brûleur sont actives pour l'échange de chaleur, les faces opposées des tubes du faisceau étant relativement peu utilisées pour ledit échange. I1 s'ensuit un rendement thermique relativement faible pour les chaudières dans la mesure où l'on n'utilise pas des dispositifs complexes et coûteux permettant d'améliorer cet état de fait. La présente invention a pour but de décrire une ehau- dière de construction simple et peu onéreuse permettant de faire intervenir dans l'échange de chaleur entre les gaz d'un brtleur et les tubes d'un faisceau de circulation de fluide, non seulement les faces des tubes qui se trouvent en regard de l'axe du brûleur mais également, par échange par convexion, les faces des tubes qui ne sont pas directement exposées aux gaz de combustion issus du brûleur.Selon l'invention, on a donc pensé à faire passer les gaz de combustion à travers le faisceau de tubes de la chaudière et à faire circuler lesdits gaz autour du faisceau, le long des faces des tubes qui ne sont pas directement exposées à l'action du brQleur. De cette façon, on augmente considérablement l'échange thermique par convexion d'une part, en augmentant la surface active des tubes du faisceau et d'autre part, en améliorant l'échange par convexion au moment du passage des gaz à travers le faisceau, ce passage s'effectuant par des espaces minces ménagés entre les tubes ce qui améliore dans cette zone, la caractéristique des échanges thermiques. La présente invention a pour objet le produit industriel nouveau que constitue une chaudière comportant d'une part, un faisceau de tubes où circule un fluide à chauffer, ledit faisceau délimitant un volume central, et d'autre part au moins un bruleur dont la flamme est dirigée vers l'intérieur du volume central précité, caractérisée par le fait que les tubes du faisceau sont disposés côte-à-côte de façon non jointive et que le faisceau est entouré d'une hotte dont la partie inférieure comporte une zone de passage pour les gaz de combustion provenant du brûleur, ladite zone étant raccordée au conduit d'évacuation de gaz brûlés de la chaudière. Dans un mode préféré de réalisation, la hotte repose, par une de ses zones, sur le faisceau tubulaire ; la hotte qui entoure le faisceau tubulaire est maintenue en partie haute par des équerres portées par les parois latérales de la chaudière les bords inférieurs de la hotte sont disposés à une certaine distance du support sur lequel repose le faisceau tubulaire, les parois de la chaudière définissant autour de la hotte, une enceinte à la partie supérieure de laquelle débouche le conduit de fumée de la chaudière ; le faisceau tubulaire définit un volume central sensiblement parallélépipédique et la hotte a la forme d'un parallélépipéde rectangle dont la face inférieure est supprimée la hotte se raccorde à la paroi de la chaudière qui porte le ou les brûleurs, ladite paroi constituant l'une des faces de la hotte ; le faisceau tubulaire est constitué de deux séries de tubes en U, les plans moyens des tubes en U de la première série étant sensiblement horizontaux et superposés alors que les plans moyens des tubes en U de la deuxième série sont sensiblement verticaux, les âmes des U constitués par les tubes du faisceau étant disposées parallèlement à la paroi de la chaudière qui est opposée à celle où se trouvent le ou les brûleurs ; les tubes en U du faisceau sont raccordés par leurs extrémités à un collecteur relié à une entrée et une sortie du fluide à chauffer ; le branchement des tubes en U sur le collecteur est effectué en quinconce ; le collecteur est cloisonné intérieurement de façon que le fluide, entre l'entrée et la sortie, traverse plusieurs tubes en U en série, un nombre sensiblement constant de tubes en U étant disposés en parallèle pour la circulation du fluide ; les âmes des tubes en U, qui sont parallèles à la paroi de la chaudière opposée au(x) brûleur(s), sont disposées en quinconce de façon que la première nappe de tubes ntempêche pas la transmission de chaleur par rayonnement sur les tubes des nappes suivantes. On conçoit que le rendement thermique des chaudières selon l'invention, soit amélioré sans que l'on ait eu à adopter de dispositions coûteuses. En effet, les gaz chauds produits par le ou les brûleurs de la chaudière, transmettent leurs calories par rayonnement et convexion sur les faces exposées des tubes du faisceau ; après cette première transmission, les gaz passent dans les intervalles de faible épaisseur qui séparent les tubes en U du faisceau et ils butent alors contre la paroi constitutive de la hotte qui entoure le faisceau ; de la sorte, les gaz chauds sont obligés de se déplacer le long des faces des tubes du faisceau, qui ne sont pas exposées à Inaction directe du ou des brû-leurs, et il se produit sur ces faces, un échange thermique par convexion qui améliore le rendement thermique de la chaudière. Par ailleurs, au moment du passage des gaz chauds entre les tubes du faisceau, l'écoulement de ces gaz steffectue en couche mince et l'échange thermique correspondant est très favorable. Les gaz chauds sont évacués de la hotte par la partie basse de célle-ci et étant donné que les conduits d'évacuation de fumée des chaudières se trouvent pratiquement toujours en partie haute, lesdits gaz remontent le long de la hotte avant de pénétrer dans le conduit d'évacuation, ce qui est encore favorable pour le maintien de la hotte à haute température et permet d'augmenter la récupération des calories des gaz brillés qui sont évacués hors de la chaudière. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 représente une coupe verticale passant par l'axe du brtleur d'une chaudière selon l'invention ; - la figure 2 représente une coupe transversale selon II-II de la figure 1 ; - la figure 3 représente une coupe transversale selon III-III de la figure 1 ; - la figure 4 représente une coupe horizontale passant par l'axe du brûleur de la chaudière selon IV-IV de la figure 1 - la figure 5 représente une coupe horizontale montrant la hotte de la dhaudière vue de dessus, ladite coupe étant réalisée selon V-V de la figure 1. En se référant au dessin, on voit que l'on a désigné par 1 dans son ensemble, le socle sur lequel repose la chaudière selon l'invention. la chaudière a une forme de parallélépipède rectangle et comporte un support de faisceau 2 constitué par une semelle en matériau réfractaire. Toutes les parois de la chaudière sont munies de matériaux d'isolation thermique, tels que de la laine de roche, et ces parois extérieures isolantes ont été désignées par 3 dans leur ensemble. La face avant 4 de la chaudière porte, dans sa zone centrale, un brûleur non représenté sur le dessin, ledit bruleur étant disposé dans un évidement circulaire 5. La face 4 porte également deux embouts de raccordement 6 et 7 destinés respectivement à entrée et à la sortie du fluide à réchauffer. A l'intérieur du volume parallélépipédique défini par les parois 3, le support 2 et la face avant 4, on a disposé un faisceau tubulaire ayant dans son ensemble une forme parallélépipédique. Le faisceau tubulaire repose sur le support 2 et est constitué de deux séries de tubes en U ; la première série est formée de tubes 8 disposés horizontalement, ltâme du U étant placée dans la zone voisine de la paroi 3 de la chaudière qui est opposée à la face avant 4 ; la deuxième série de tubes en U est constituée par des tubes 9, dont le plan moyen est vertical, les âmes des U étant disposées au voisinage des âmes des )U que constituent les tubes 8. Les âmes des tubes 9 sont disposées en quincoince, en avant de la nappe constituée par les âmes des tubes 8 superposés.Les tubes 8 et 9 sont raccordés à des collecteurs disposés au voisinage de la faoe avant 4 de la chaudière. Tous lestubes 8 sont reliés à deux collecteurs verticaux lOa, lOb tous les tubes 9 sont reliés à deux collecteurs horizontaux lla, llb. Les collecteurs 10a, lOb, lla, llb constituent un cadre rectangulaire dans la zone centrale duquelest disposée une triple couche de ciment réfractaire 12 portée par la face avant 4 de la chaudière, cette triple couche 12 étant traversée par l'évidement 5 prévu pour le brûleur de la chaudière. L'entrée 6 du fluide à réchauffer est reliée à la partie inférieure du collecteur lOa alors que la sortie 7 dudit fluide est reliée au collecteur llb, au voisinage de l'angle de raccordement de ce collecteur llb avec le collecteur lob. Les collecteurs lla et lOb comportent dans leur zone médiane, des parois internes de séparation désignées respectivement par 12 et 13. Les collecteurs 10a et llb comportent chacun deux parois de séparation désignées respectivement par 14 et 15 pour le collecteur lOa et 16 et 17 pour le collecteur llb ; ces parois sont disposées de façon qu'entre elles se trouvent raccordés au collecteur un nombre de tubes sensiblement double de celui qui est raccordé au collecteur entre chacune de ces parois et l'extrémité correspondante dudit collecteur.De plus, on a ménagé une séparation 18 entre le collecteur lOa et le collecteur lla, une séparation 19 entre le collecteur lla et le collecteur lOb et une séparation 20 entre le collecteur lOt et le collecteur llb. De cette manière, la circulation du fluide à réchauffer entrant par l'entrée 6. s'ef- fectue en parallèle dans un nombre de tubes en U qui n'est pas constant mais ne varie que faiblement ; entre l'entée 6 et la sortie 7, sur chaque trajet de fluide, sont interposés en série huitilibesen U successifs. Dans la réalisation représentée sur le dessin, le faisceau tubulaire comprend vingt-neuf tubes en U verticaux 9, et quarante et un tubes en U horizontaux 8.Le raccordement des tubes 8 et 9 sur les collecteurs lOa, lOb, lla, 1-, s'effectue en disposant les tubes en quinconce, comme il est représenté sur la figure 3. Le fluide à réchauffer, entrant par l'entrée 6 à l'intérieur du collecteur lOa > pénètre dans onze tubes horizontaux 8, disposés en parallèle entre les cloisonnements 18 et 15 ; le fluide est conduit dans le collecteur lOb et il en ressort par dix tubes horizontaux 8 débouchant entre les tubes précédents et le cloisonnement intérieur 13 ; le fluide est ainsi renvoyé par ces dix tubes 8 dans le collecteur loua, où il ressort par les dix tubes horizontaux débouchant dans le collecteur lOa, entre les tubes dtarrivée et le cloisonnement intérieur 14 ; le fluide est ramené dans le collecteur lOb, d'où il ressort par dix tubes horizontaux 8, débouchant dans ledit collecteur lOb, entre les tubes d'arrivée et le cloisonnement intérieur 20 ; le fluide arrive alors à la partie supérieure du collecteur lOa, et pénètre dans le collecteur llb, d'où il ressort par les huit tubes verticaux 9 qui débouchent dans ledit collecteur llb, entre le raccordement avec le collecteur lOa et le cloisonnement intérieur 16 ; le fluide est amené dans le collecteur lla, d'où il ressort par les sept tubes 9 qui débouchent dans ledit collecteur lla entre les tubes d'arrivée et le cloisonnement intérieur 12 ; le fluide revient alors dans le collecteur llb d'où il repart par les sept tubes débouchant dans ledit collecteur llb, entre les tubes d'arrivée et le cloisonnement intérieur 17 ; le fluide est ramené dans le collecteur lla dtoù il repart par les sept tubes 9, débouchant dans ledit collecteur lla, entre les tubes d'arrivée et le cloisonnement intérieur 19 ; le fluide est ainsi ramené dans le collecteur llb d'où il est évacué par l'embout de sortie 7. Entre les parois 3 et le faisceau tubulaire sensiblement parallélépipédique défini par les tubes 8-et 9, on a dispo sr une hotte de forme-parallélépipédique désignée par 21 dans son ensemble. La hotte 21 repose par sa face supérieure sur les branches horizontales des tubes en U 9, dont le plan moyen du U est vertical. La hotte 21 est constituée seulement par quatre faces sensiblement planes : la face supérieure 21a ; les deux faces latérales 21b, 21c et la face arrière 21d. Les deux faces latérales 21b, 21c sont disposées parallèlement aux parois 3 de la chaudière dans la zone médiane de l'espace qui sépare le faisceau tubulaire desdites parois 3. Ces faces 21b, 21c ne s'étendent pas jusqu'au support 2 sur lequel repose le faisceau tubulaire.La hotte 21 est maintenue par des cornières longitudinales 22 disposées le long des parois latérales 3 de la chaudière sur les cornières 22 s'appuient des équerres 23 soudées sur les bords de la face supérieure 21a de la hotte 21. La hotte 21 est constituée de bandes de tôles soudées, les lignes de soudure ayant été representées en pointillé sur les figures 1 et 5. Lorsque le brtleur de la chaudière est en fonctionnement, les gaz de combustion du brûleur pénètrent à l'intérieur du parallélépipède défini par les tubes en U 8 et 9. Ces gaz transfèrent leurs calories aux tubes et par conséquent au fluide qui traverse les tubes 8 et 9, par rayonnement et par convexion sur les faces des tubes 8 et 9 qui sont exposées directement aux gaz chauds. I1 convient de remarquer que, sur la face d'extrémité du faisceauqui est directement opposée aux brûleurs disposés dans l'évide- ment 5, la disposition en quinconce des tubes 9, permet de récupérer par rayonnement de la chaleur, non seulement sur la première nappe de tubes 9 mais également sur la nappe de tubes 8 disposée en arrière des tubes 9. Les gaz chauds disposés dans la chaudière en légère surpression, traversent le faisceau tubulaire par les espaces minces qui séparent les tubes 8 et au cours de ce passage, l'échange de chaleur par convexion s'effectue dans des conditions particulièrement favorables étant donné que les gaz se trouvent en couche mince. Lorsqu'ils ont traversé le faisceau de tubes 8, les gaz rencontrent les parois latérales 21k, 21c de la hotte 21 et sont en conséquence obligés de se diriger vers le bas jusqu'au voisinage du support 2, puis de remonter vers le haut le long des parois 21b, 21c entre ces parois et les parois externes 3 de la chaudière. Enfin, les gaz pénètrent dans l'espace 24 dispose entre la paroi supérieure 21a de la hotte et la paroi supérieure 3 de la chaudière et ils sont évacués par le conduit de fumée 25.On voit donc que l'ùtilisation de la hotte 21 permet d'obtenir un échange thermique par convexion sur les faces des tubes 8 qui ne sont pas directement exposées à l'action des brûleurs ; cette caractéristique permet d'améliorer, dans une proportion sensible, le rendement thermique de la chaudière selon l'invention. De plus, les parois 21b, 21c de la hotte sont balayées par les gaz, en direction du conduit 25 > sur leurs deux faces, ce qui constitue une isolation suppléjnentaire pour la partie des gaz brûlés qui agit sur les faces des tubes 8 non exposées aux bruleurs. Il est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirablesJ sans sortir pour cela du cadre de l'ins vention. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Chaudière comportant d'une part, un faisceau de tubes où circule un fluide à chauffer, ledit faisceau délimitant un volume central, et d'autre part au moins un brûleur dont la flamme est dirigée vers l'intérieur du volume central précité, caractérisée par le fait que les tubes du faisceau sont disposés côte à-cote-de façon non jointive et que le faisceau est entouré d'une hotte dont la partie inférieure comporte une zone de passage pour les gaz de combustion provenant du brûleur, ladite zone étant raccordée au conduit d'évacuation de gaz brûlés de la chaudière. 2 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la hotte repose, par une de ses zones, sur le faisceau tubulaire. 3 - Chaudière selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que la hotte qui entoure le faisceau tubulaire est maintenue en partie haute par des équerres portées par les parois latérales de la chaudière. 4 - Chaudière selon ltune des revendications 1 à 3, caractérisée par-le fait que les bords inférieurs de la hotte sont disposés à une certaine distance du support sur lequel repose le faisceau tubulaire, les parois de la chaudière définissant autour de la hotte une enceinte à la partie supérieure de laquelle débouche le conduit de fumée de la chaudière. 5 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, ca ractérisée par le fait que le faisceau tubulaire définit un volu -me central sensiblement parallélépipédique et que la hotte a la forme d'un parallélépipède rectangle dont la face inférieure est supprimée, ladite hotte se raccordant à la paroi de la chaudière qui porte le ou les bruleur (s), ladite paroi constituant l'une des faces de la hotte. 6 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le faisceau tubulaire est constitué de deux séries de tubes en U, les plans moyens des tubes en U de la première série étant sensiblement horizontaux et superposés alors que les plans moyens des tubes en U de la deuxième série sont sensiblement verticaux, les âmes des U constitués par les tubes du faisceau étant disposées parallèlement à la paroi de la chaudière qui est opposée à celle où se trouve(nt) le ou les brû- leurs. 7 - Chaudière selon la revendication 6, caractérisée par le fait que les tubes en U du faisceau sont raccordés par leurs extrémités à un collecteur relié à une entrée et à une sortie du fluide à chauffer, le branchement des tubes en U sur le collecteur étant effectué en quinconce. 8 - Chaudière selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le collecteur est cloisonné intérieurement de façon que le fluide, entre l'entrée et la sortie, traverse plusieurs tubes en U en série, un nombre sensiblement constant de tubes en U étant disposé en parallèle pour la circulation du fluide. 9 - Chaudière selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait que les âmes des tubes en U > qui sont parallèles à la paroi de la chaudière opposée au (x) brQleur(s) sont disposées en quinconce.