Brevet FR2215584A1 — publié le 19740823

L'invention est relative en premier lieu à un procédé pour obtenir, avec un excès minimal d'air et avec les meilleures conditions de charge possibles du foyer, une combustion complète de combustibles liquides ou gazeux dans une chaudière à foyer (chambre de combustion) qui est en majeure partie entouré d'espaces contenant un fluide à chauffer (fluide caloporteur) et qui est délimité, en partie, par deux parois latérales opposées qui sont réu- nies par-dessus et par-dessous par des structures de paroi supérieu- re et inférieure et, en partie, par une paroi terminale antérieure munie d'un tube de brûleur ainsi que par une partie terminale post6rieure opposée à la précédente, des passages de sortie pour les fumées étant disposés au moins dans l'une des structures de paroi. L'invention est le résultat d'une tendance prononcée à respecter les exigences qui se sont manifestées de plus en plus fort durant ces dernières années en vue de limiter et diminuer les impuretés de 1'air qui se dégagent à 1'atmosphère lors de la combustion de combustibles liquides ou gazeux. De façon plus précise, on peut dire que l'invention a pour but d'assurer, à la création d'énergie thermique par utilisation de combustibles liquides ou gazeux dans des chaudières, une combustion si complète qu'il ne se dégage pratiquement pas d'impuretés dans l'air ou dans l'eau. Le problème que vise à résoudre la présente invention est par conséquent de respecter les susdites exigences. L'invention a été développée après des études précises de combustion faites dans des foyers de divers types. On peut dire en fait que les foyers les plus connus et les plus souvent utilisés de nos jours pour faire brûler des combustibles liquides ou gazeux constituent des vestiges de l'époque où le chauffage avec des combustibles solides prédominait complètement. Le fait que de tels foyers ou chambres de combustion sont encore utilisés à l'âge des chauffages au mazout ou au gaz devrait tre attribué essentiellement à l'exigence des autorités qu'une création d'énergie thermique doit tre possible avec des combustibles indigènes tels que le bois, de telle façon qu'une production d'énergie thermique soit encore possible au cas où 1'importation de combustibles liquides ou gazeux à tre interrompue. Un certain assouplissement des prescriptions administratives s'est toutefois fait récemment sentir étant donné que l'énergie électrique, lorsqu'il s'agit d'unités de production assez petites, peut tre comptée parmi les"combustibles"indigè- nes. En ce qui concerne les unités de production de grandes quanti tés d'énergie, les locaux dans lesquels sont logés les appareils ou installations générateurs de chaleur doivent tre agencés pour qu'en cas de crise, il soit possible de substituer/un chauffage existant un chauffage avec des combustibles de remplacement. Les prescriptions qui sont devenues un peu plus souples ont entraîné le développement d'appareils de chauffage à l'état le meilleur possible en ce qui concerne la nature du combustible et les considérations relatives à l'environnement et c'est le but de l'invention d'apporter une solution aux problèmes qui viennent d'tre envisagés. En relation avec les études qui ont été faites pour mettre au point l'invention, en ce qui concerne la combustion de combustibles liquides ou gazeux, il s'est avéré qu'une combustion quasi complète peut tre obtenue grace à une combinaison appropriée de foyer (chambre de combustion), brûleur, zone d'échappement et zone de convection du dispositif générateur de chaleur. Les éléments de construction de ce genre qui sont utilisés en relation avec l'inven- tion sont certes connus en eux-mmes mais il n'est pas encore connu d'utiliser ces éléments ou composants selon la combinaison et de la manière qui ressortent de la présente invention. Le but susvisé de l'invention est atteint par le fait que, dans la réaction chimique qui constitue la combustion, les gaz qui y prennent part sont ramenés de nombreuses fois dans la zone chaude de combustion du foyer, par des mouvements tourbillonnaires tournant en spirale, grâce au fait que le tube de brûleur est disposé de telle façon dans la paroi terminale antérieure que l'axe longitudinal du tube est situé dans un plan imaginaire à peu près à mi-distance des parois latérales, lesquelles sont symétriques l'une de l'autre, qu'en outre le tube de brûleur est disposé de façon telle que sa distance aux parois latérales diffère des distances aux structures de paroi supérieure et inférieure, et que les passages de sortie des fumées sont agencés de façon telle qu'il se produise la surpression nécessaire dans le foyer. L'invention est relative en outre à une chaudière conçue de manière à fonctionner de la manière susindiquée, c'est-d-dire une chaudière propre à assurer une combustion complète de combustibles liquides ou gazeux avec un excès minimal d'air et avec les meilleures conditions de charge possibles du foyer, laquelle chaudière possède un foyer qui est en majeure partie entouré d'espaces contenant un fluide à chauffer et qui est délimité, en partie, par deux parois latérales opposées qui sont réunies par-dessus et par-dessous par des structures de paroi supérieure et inférieure et, en partie, par une paroi terminale antérieure munie d'un tube de brûleur ainsi que par une paroi terminale postérieure opposée à la précédente, un passage de sortie pour les fumées étant disposé au moins dans l'une des structures de paroi. Avec une chaudière ainsi agencée, l'invention est caractérisée par le fait que le tube de brtleur est disposé de telle façon dans la paroi terminale antérieure que l'axe longitudinal du tube est situé dans un plan imaginaire & peu près à mi-distance des parois latérales, lesquelles sont symétriques l'une de l'autre, c'est-à-dire ont des surfaces qui sont disposées symétriquement par rapport audit plan, par le fait que le tube de brtleur est disposé et agencé de façon telle que sa distance aux parois latérales diffère des distances aux structures de paroi supérieure et inférieure et par le fait que la section totale d'écoulement des passages de sortie des fumées est telle qu'il se produise la surpression nécessaire dans le foyer. Selon un premier mode de réalisation préféré de la chaudière conforme à l'invention, la structure de paroi supérieure est constituée d'une paroi supérieure fermée alors que la structure de paroi inférieure est constituée d'un faisceau tubulaire avec passages de fumées entre les tubes, lequel faisceau tubulaire est disposé à une certaine distance au-dessus d'une paroi inférieure fermée, une botte à fumées se trouvant entre le faisceau tubulaire et la paroi inférieure et étant reliée à l'atmosphère par au moins un carneau. Selon un autre mode de réalisation préféré de la chaudière conforme à l'invention, la structure de paroi supérieure est constituée d'un faisceau tubulaire avec passages de fumées entre les tubes, lequel faisceau tubulaire est disposé à une certaine distance au-dessous d'une paroi supérieure fermée, une boite à fumées se trouvant entre le faisceau tubulaire et la paroi supérieure et étant reliée à l'atmosphère par au moins un carneau, la structure de paroi inférieure étant constituée d'une paroi inférieure fermée. Un troisième mode de réalisation de la chaudière conforme à l'invention est agencé de façon que les structures de paroi suprieure et inférieure sont formées chacune d'un faisceau tubulaire avec passages de fumées entre les tubes, chaque faisceau tubulaire étant disposé à une certaine distance d'une paroi fermée, vers l'intérieur de la chaudière, de sorte qu'il se trouve, entre chacun des faisceaux tubulaires et la paroi fermée voisine, une boite à fumées qui est reliée à l'atmosphère par au moins un carneau. Les tubes appartenant à chaque faisceau tubulaire sont de préférence agencés de façon telle qu'ils soient pratiquement parallèles aux parois terminales du foyer ; il est toutefois possible aussi d'agencer ces tubes de façon qu'ils soient pratiquement parallèles aux parois latérales du foyer. Il importe seulement que, pour chaque faisceau tubulaire, les intervalles entre tubes forment les passages de sortie des fumées, quelle que soit la disposition des tubes. L'entrée ou chaque entrée du ou des carneaux qui sont eux-mmes raccordés à une cheminée ou dispositif analogue peut avantageusement avoir la forme d'un raccord tubulaire pénétrant dans la boite à fumées appropriée, en y faisant saillie par rapport à la paroi terminale postérieure, ce grâce à quoi on obtient dans le carneau une vitesse d'écoulement élevée, par suite du mouvement de rotation auquel sont soumises les fumées dans la boite à fumées et qui s'amplifie dans le carneau. En résumé, on peut constater que le procédé et la chaudière conformes à l'invention sont fondés sur l'idée d'utiliser un foyer (ou chambre de combustion) dont les parois latérales et les structures de paroi supérieure et inférieure ont une surface, tournée vers le foyer, qui, par hypothèse, est décrite en substance par une ligne parallèle à l'axe du tube de brûleur et s'appuyant sur une courbe fermée et qui respecte les exigences posées en ce qui concerne la distance du tube de brûleur aux parois latérales et aux structures de paroi. Il en résulte, pour la paroi intérieure du foyer, la forme d'une surface cylindrique qui, bien entendu, n'est pas nécessairement de révolution, ou d'une surface prismatique. Bien entendu, rien n'empche que les parois intérieures soient composées de zones superficielles courbes (galbées) ou planes. A la combustion du combustible utilisé, qui peut tre par exemple du mazout ou fuel domestique ou un gaz approprié, la chaleur dégagée par la réaction de combustion est transmise au fluide à chauffer (fluide caloporteur tel que l'eau) entourant le foyer, en partie par rayonnement de la flamme et en partie par convection qui est due au contact de fumées (gaz de combustion) chaudes avec les parois plus froides du foyer. La surface exposée au feu, c'est-à-dire la surface léchée par les fumées chaudes et transmettant la chaleur comprend .. supérieure ainsi non seulement les parois latérales et les structures de paroi/ et inférieure du foyer mais encore les parois terminales antérieure et postérieure de celui-ci. Le fluide à chauffer, c'est-à-dire le fluide caloporteur, peut tre par exemple un liquide, tel que l'eau, qui circule dans les espaces entourant le foyer. L'invention va tre maintenant expliquée et décrite plus en détail en référence à quelques modes de réalisation d'une chaudière conforme à l'invention qui sont représentés au dessin annexé. Les fig. 1 et 2 du dessin montrent en coupe verticale des chaudières conformes à l'invention dont les foyers sont respectivement cylindrique et prismatique. La fig. 3 montre une coupe verticale par un plan perpendiculaire à celui des fig. 1 et 2 et désigné par y-y sur ces figures, cette coupe verticale étant représentative tant pour le mode de réalisation de la fig. 1 que pour celui de la fig. 2 car les foyers montrés à ces deux figures ont la mme hauteur totale et, à la partie inférieure, un carneau agencé de la mme manière. Les fig. 4 et 5 représentent, en coupe verticale, des chaudières munies de foyers respectivement cylindrique et prismatique. La fig. 6, enfin, montre une coupe verticale par un plan perpendiculaire à celui des fig. 4 et 5 et désigné par y-y sur ces figures, cette coupe verticale étant représentative tant pour le mode de réalisation de la fig. 4 que pour celui de la fig. 5 car les foyers montrés à ces deux figures ont la mme hauteur totale et des raccords de carneaux agencés de la mame façon dans les boites à fumée inférieure et supérieure. Aux différentes figures, on utilise les mmes chiffres de référence pour désigner des éléments et conditions d'écoulement qui sont identiques ou se correspondent directement. Pour tous les modes de réalisation représentés de la chaudière conforme à l'invention, on désigne par 1 un fluide à chauffer, c'est-à-dire un fluide caloporteur (évacuant de la chaleur) qui se trouve dans les espaces entourant en majeure partie le foyer 2 de la chaudière. Selon les modes de réalisation de la chaudière conforme à l'invention qui sont représentés au dessin, le foyer 2 est limité, dans tous les cas, en partie par deux parois latérales opposées 12 (qui sont reliées en haut et en bas par des structures de paroi supérieure 13 et inférieure 14 ou par des parois fermées supérieure 15 et inférieure 16) et en partie par une paroi terminale antérieure 17 où est disposé un tube de brûleur 18 et par une paroi postérieure 19 opposée à la précédente. Les chaudières représentées au dessin sont en outre munies d'un ou plusieurs carneaux 10 par lesquels s'échappent de la chaudière les fumées recueillies dans la ou les boites à fumées 9. Pour tous les modes de réalisation représentés, le fluide caloporteur 1 qui entoure le foyer 2 de tous cotés a pour but d'absorber la chaleur dégagée par la réaction chimique qui se produit quand le combustible injecté dans le foyer par le tube à brûleur 18 (brouillard d'huile minérale ou masse gazeuse) réagit avec l'oxygène de l'air, l'énergie thermique étant alors dégagée par rayonnement et convection. Comme il ressort des figures, le fluide caloporteur 1 a son circuit agencé de façon qu'il traverse la zone de convection proprement dite 3 qui a la forme d'un faisceau de tubes parallèles. La transmission de chaleur au fluide caloporteur 1 dépasse notablement celle qui se produit avec les constructions connues jusqu'ici, ce qui est dû au fait qu'une combustion complète du combustible est assurée avec un minimum d'air et qu'on obtient une vitesse de rotation élevée pour le fluide qui participe et qui a participé à la réaction chimique constituant la combustion elle-mme. L'avantage particulier du foyer conforme à l'invention est que, grâce à son agencement, on obtient des conditions optimales pour la charge du foyer, le critère décisif étant l'ajustement de la production. Pour assurer une combustion complète, il est nécessaire que le brouillard d'huile minérale ou la masse gazeuse injectée dans le foyer 2 à l'aide du tube de brûleur 18 ait une vitesse inférieure à celle de l'air comburant. Une vitesse relativement élevée de l'air comburant a pour effet que des mouvements ou masses tourbillonnaires en spirale 4 prennent naissance dans le foyer 2 du fait que l'air comburant est"brisé", c'est-à-dire dévié dans son écoulement contre la paroi 5 du foyer, d'où résultent des masses de réaction 4 qui continuent à tourner en spirale. De cette manière, on obtient que le fluide qui participe et qui a participé à la combustion soit ramené de nombreuses fois dans la zone chaude de combustion du foyer 2 avant que les fumées ne quittent ce dernier. Les susdites masses de réaction 4, formées de tourbillons tournant en spirale qui ont acquis une vitesse élevée (par suite des conditions physiques connues selon lesquelles une pression statique peut se transformer en pression dynamique), contribuent aussi à augmenter de façon significative la charge spécifique du foyer. Grâce au fait que la réaction de combustion a lieu dans la quasi-btalité du foyer 2, on obtient une augmentation notable du rayonnement thermique de la flamme. En outre, le passage de la chaleur de convection est amélioré considérablement par la vitesse élevée, en comparaison des foyers connus de type analogue. Comme il ressort des figures, les parois latérales du foyer ont, dans leur ensemble, des formes symétriques identiques ; en d'autres termes, les parois latérales du foyer sont symétriques par rapport à un plan coïncidant avec les lignes y-y des fig. 1,2,4 et 5. Comme le montrent également les figures, l'orifice 7 par lequel le tube de brûleur 18 débouche dans le foyer 2 a son centre au point d'intersection des lignes y-y et x-x. Une caractéristique distinctive des constructions représen- tées pour la formation des susdites masses rotatives 4 dans le foyer consiste en ce que la distance du plan y-y, dans le sens des x positifs, à la paroi latérale 12 du foyer et sa distance, dans le sens des x négatifs, à la paroi opposée 12 doivent tre à peu près égales ; de plus, les distances de la ligne x-x, dans le sens des y positifs et dans le sens des y négatifs, aux structures de paroi 15, 13 ou 14 du foyer ne doivent jamais tre aussi grandes que les susdites distances (dans le sens des x positifs ou négatifs) aux parois latérales. Le foyer 2 possède un ou plusieurs passages de sortie 8 pour les fumées. Ces passages 8 sont dimensionnés de façon à créer la surpression nécessaire dans le foyer, ce qui est une condition essentielle pour la formation des susdits mouvements ou masses tourbillonnaires 4, à rotation en spirale. Les passages 8 ~ avoir la formed'intervalles entre des tubes parallèles 3 de faisceaux tubulaires ou tre constitués dtautres étranglements disposés d'une autre façon, dans la direction de la génératrice ou des sé- cantes du foyer 2. En utilisant comme étranglement un faisceau de tubes 3, on obtient cependant comme avantages un degré élevé de transmission de la chaleur, que l'on obtient par un écoulement transversal des fumées à travers le faisceau des tubes 3, ainsi qu'une liaison directe du faisceau tubulaire avec le foyer, ce grâce à quoi la chaleur de rayonnement produite est exploitée efficacement. La botte à fumées 9, qui est entourée en partie par le fluide caloporteur 1, est raccordée directement au passage de sortie 8 et la première tâche de cette boite à fumées est de recueillir les fumées pour les transmettre au carneau 10. Le carneau 10, qui mène de la boite à fumées 9 à un raccord de cheminée, est entouré également par le fluide caloporteur 1. Le carneau 10 peut en réalité tre constitué d'un ou plusieurs canaux. La vitesse des fumées dans le carneau 10 est relativement élevée en raison du mouvement de rotation qui y prend naissance. On peut accentuer ce mouvement de à l'aide d'un élément formateur de tourbillons 11 qui est de préfé- rence constitué par un raccord tubulaire faisant saillie à l'intérieur de la boite à fumées. Outre ceux qui ont été mentionnés ci-dessus, la présente invention possède l'avantage que le fonctionnement de combustion visé est relativement indépendant du tirage de la cheminée. Un autre avantage réside dans le fait que les pertes à l'arrt sont réduites à un minimum, ce qui améliore considérablement le rendement global qui peut tre atteint. Grâce à cela, il devient possible d'utiliser un combustible de réserve sous forme d'un échauf- fement direct du fluide caloporteur par voie électrique. Enfin, on doit encore signaler que les modes de réalisation de la chaudière conforme à l'invention qui sont décrits cidessus et sont représentés au dessin ne sont que des exemples parmi les multiples modes de réalisation qui sont englobés dans le domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1-Procédé pour obtenir, avec un excès minimal d'air et avec les meilleures conditions de charge possibles du foyer, une combustion complète de combustibles liquides ou gazeux, dans une chaudière dont le foyer (chambre de combustion) est en majeure partie entouré d'espaces contenant un fluide à chauffer (fluide caloporteur) et est délimité, en partie, par deux parois latérales opposées qui sont réunies par-dessus et par-dessous par des structures de paroi supérieure et inférieure et, en partie, par une paroi terminale antérieure munie d'un tube de brûleur ainsi que par une partie terminale postérieure opposée à la précédente, des passages de sortie pour les fumées étant disposés au moins dans l'une des structures de paroi, caractérisé par le fait que les gaz, qui participent et ont participé à la réaction chimique constituant la combustion, sont ramenés de nombreuses fois dans la zone chaude de combustion du foyer (2), par des mouvements tourbillonnaires (4) tournant en spirale, grâce au fait que le tube de brûleur (18) est disposé de façon telle dans la paroi terminale antérieure (17) que l'axe longitudinal du tube est situé dans un plan imaginaire à peu près à mi-distance des parois latérales (12), lesquelles sont symétriques l'une de l'autre, qu'en outre le tube de brûleur (18) est disposé de façon telle que sa distance aux parois latérales (12) diffère des distances aux structures de paroi supérieure et inférieure (15,14 ; 13,14) et que les passages de sortie (8) des fumées sont agencés de façon telle qu'il se produise la surpression nécessaire dans le foyer (2). 2-Chaudière pour mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, c'est-à-dire propre à assurer une combustion complète de combustibles liquides ou gazeux avec un excès minimal d'air et avec les meilleures conditions de charge possibles du foyer, laquelle chaudière possède un foyer qui est en majeure partie entouré d'espaces contenant un fluide à chauffer et qui est délimité, en partie, par deux parois latérales opposées qui sont réunies par-dessus et par-dessous par des structures de paroi supérieure et inférieure et, en partie, par une paroi terminale antérieure munie d'un tube de brûleur, ainsi que par une paroi terminale postérieure opposée à la précédente, des précédente, des passages tie pour les fumées étant disposés au moins dans l'une des structures de paroi, caractérisée par le fait que le tube de brûleur (18) est disposé de façon telle, dans la paroi terminale antérieure (17) que l'axe longitudinal du tube est situé dans un plan imaginaire à peu près à mi-distance des parois latérales (12), lesquelles sont symétriques l'une de l'autre, c'est-d-dire ont des surfaces qui sont disposées symétriquement par rapport audit plan, par le fait que le tube de brûleur (18) est disposé et agencé de façon telle que sa distance aux parois latérales (12) diffère des distances aux structures de paroi supérieure et inférieure (15,14 ; 13,14) et par le fait que la section totale d'écoulement des passages de sortie des fumées (8) est telle qu'il se produit la surpression nécessaire dans le foyer (2). 3-Chaudière selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la structure de paroi supérieure est constituée d'une paroi supérieure fermée (15) alors que la structure de paroi infé- rieure (14) est constituée d'un faisceau tubulaire avec passages de fumées (8) entre les tubes (3), lequel faisceau tubulaire est disposé à une certaine distance au-dessus d'une paroi inférieure fermée (16), une boite à fumées (9) se trouvant entre le faisceau tubulaire et la paroi inférieure et étant reliée à l'atmosphère par au moins un carneau (10). 4-Chaudière selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la structure de paroi supérieure (13) est constituée d'un faisceau tubulaire avec passage de fumées (8) entre les tubes (3), lequel faisceau tubulaire est disposé à une certaine distance audessous d'une paroi supérieure fermée (15), une botte à fumées (9) se trouvant entre le faisceau tubulaire et la paroi supérieure et étant reliée à l'atmosphère par au moins un carneau (10), la structure de paroi inférieure étant constituée d'une paroi inférieure fermée (16). 5-Chaudière selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les structures de paroi supérieure et inférieure (13,14) sont formées chacune d'un faisceau tubulaire avec passage de fumées (8) entre les tubes (3), chaque faisceau tubulaire étant disposE à une certaine distance d'une paroi fermée (15,16), vers l'inté- rieur du foyer, de sorte qu'il se trouve, entre chacun des faisceaux tubulaires et la paroi fermée voisine, une botte à fumées (9) qui est reliée à l'atmosphère par au moins une carneau (10). 6-Chaudière selon l'une quelconque des revendications 3 & 5, caractérisée par le fait que les tubes (3) appartenant à chaque faisceau tubulaire sont orientés de façon pratiquement parallèle aux parois terminales (17,19) du foyer, les intervalles entre tubes formant les passages de sortie (8) des fumées dans chaque faisceau tubulaire. 7-Chaudière selon l'une quelconque des revendications à 5, caractérisée par le fait que les tubes (3) appartenant à chaque faisceau tubulaire sont orientés de façon pratiquement parallèle aux parois latérales (12) du foyer, les intervalles entre tubes formant les passages de sortie (8) des fumées dans chaque faisceau tubulaire. 8-Chaudière selon l'une quelconque des revendications à 7, caractérisée par le fait que l'entrée ou chaque entrée du ou des carneaux (10) a la forme d'un raccord tubulaire (11) péné- trant dans la botte à fumées (9) appropriée, en y faisant saillie par rapport à la paroi terminale postérieure (19), ce grâce à quoi on obtient, dans le carneau, une vitesse d'écoulement élevée, par suite du mouvement de rotation auquel sont soumises les fumées dans la botte à fumées et qui s'amplifie dans le carneau.