Brevet FR2274877A1 — publié le 19760109

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 à chauffer. Dans le volume délimité par le faisceau de tubes de la chaudière, les gaz de combustion de brûleur transmettent leurs calories par rayonnement mais ces gaz sont encore susceptibles, après cette première transmission de chaleur, de transmettre une quantité supplémentaire de calories par convexion .Pour ce faire, on a déjà proposé, par exemple dans le brevet français 1 391 133, d'associer au faisceau tubulaire qui délimite le volume central où agit le bradeur, un faisceau économisaxr complémentaire disposé sur le trajet d'évacuation des gaz, ce faisceau complémentaire récupérant des calories par convexion . Cependant, les dispositifs de ce type antérieurement connu, avaient un prix de revient relativement élevé qui empêchait leur utilisation pour des chaudières de faible prix. La présenté invention a pour but de décrire une chaudière à faisceau tubulaire comportant un faisceau économiseur complémentaire, ladite chaudière étant néanmoins d'un prix de revient limité et permettant d'obtenir des rendements thermiques intéressants. Dans la chaudière selon l'invention, le faisceau tubulaire est constitué d'un ensemble de tubes verticaux et d'un ensemble de tubes horizontaux et le faisceau économiseur est réalisé en utilisant des tronçons des tubes horizontaux du faisceau principal, ces tronçons étant placés sur le circuit d'évacuation des gaz, en arrière de la paroi du faisceau qui est directement en vis-à-vis du brûleur La présente invention a donc pour objet 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 brûleur dont la fia-ne est dirigée vers l'intérieur du volume central précité, le faisceau de tubes comportant un ensemble de tubes en U verticaux disposés côte-à-cte et un ensemble de tubes horizontaux disposés les uns au-dessus des autres, les tubes de ces deux ensembles étant reliés par leurs deux extrémités à un collecteur où débouchent au moins une entrée et au moins une sortie pour le fluide à chauffer, chaque tube horizontal comportant deux branches latérales reliées par un tron çon transversal, les branches latérales des tubes horizontaux constituant les parois latérales du volume central du faisceau, les ames des tubes en U verticaux étant en quinconce en avant de la nappe formée par les tronçons transversaux des tubes horizontaux, caractérisée par le fait que le tronçon transversal des tubes horizontaux comporte, pour tous les tubes, une branche transversale en vis-à-vis des ames des tubes en U verticaux et, en série, pour la majorité des tubes, du cbté de la branche transversale où ne se trouve pas le bradeur, un circuit en épingles à cheveux disposé sur le trajet d'évacuation des gaz, la branche transversale de chaque tube horizontal reposant sur la branche transversale inférieure par l'intermédiaire d'au moins une cale, toutes les branches transversales situées à l'aplomb desdites cales étant portées par la sole de la chaudière. On voit que, dans la chaudière selon l'invention, les branches transversales des tubes horizontaux entre lesquels sont disposées des cales, constituent un mur de fond du faisceau principal de la chaudière en arrière duquel se trouvent disposés les circuits en épingles à cheveux afférents à chaque tube horizontal, $'ensemble de ces circuits constituant un faisceau économiseur. Pour Amdliorer l'échange par convexion entre les gaz broyés et les tubes du faisceau économiseur, on préfère que les circuits en épingles à cheveux de deux tubes horizontaux successifs, soient disposés en quinconce.Pour assurer le passage des gaz brûlés depuis le volume central, où le brûleur agit directement, jusqu'à la zone où est disposé le faisceau économiseur, on peut avantageusement prévoir-que les cales associées aux branches transversales des tubes horizontaux, qui sont en vis-à-vis des ames des tubes en U verticaux, aient, pour les tubes horizontaux statués à la partie inférieure de la chaudière, une longueur inférieure à la largeur de la branche transi versale, alors que les cales associées aux tubes horizontaux de la partie médiane et supérieure de la chaudière s'étendent sur toute la largeur de ladite chaudière.De part et d'autre des cales de lont gueur réduite associées aux branches transversales des tubes horizontaux inférieurs, on préfère cintrer les tubes desdites branches transversales de façon à augmenter les sections de passage des gaz brûlés en direction du faisceau économiseur. Dans un mode préféré de réalisation, les parties de tube constituant le circuit en épingles à cheveux d'un tube horizontal sont reliées par au moins une entretoise au tube horizontal immédiatement inférieur, de préférence dans la zone de cintrage des épingles à cheveux; les interstices existants entre les tubes horizontaux, dans les zones coudées reliant l'une des branches latérales du tube horizontal à la branche transversale, qui est en vis-à-vis des ames des tubes en U verticaux, sont obturés par un bourrage de ciment réfractaire; les cales interposées entre les branches transversales superposées des tubes horizontaux ont une section droite plan-concave, le rayon de courbure de la concavité correspondant au diamètre extérieur des tubes du faisceau; le collecteur comporte des cloisonnements intérieurs entre l'entrée et la sortie du fluide de façon que ledit fluide, entre l'entrée et la sortie, traverse plusieurs tubes en série, un nombre sensiblement constant de tubes horizontaux ou verticaux étant disposés en parallèle pour la circulation du fluide; la face avant de la chaudière comporte une nappe verticale de tubes entourant la zone de bradeur, les tubes de cette nappe étant reliés en parallèle au collecteur par leurs extrémités et étant disposés en série avec les tubes verticaux et horizontaux du faisceau tubulaire de la chaudière; les tubes horizontaux et verticaux du faisceau sont raccordés en quinconce sur le collecteur. On constate que l'intért de la chaudière selon l'invention est de fournir un faisceau économiseur constitué par des tronçons des tubes du faisceau principal de la chaudière sans qu'il soit nécessaire de prévoir un faisceau économiseur séparé. Ce mode de construction permet d'obtenir une chaudière à rendement thermique intéressant sans augmenter considérablement le prix de revient. Les tubes en épingles à cheveux du faisceau économiseur sont en porte-à-faux par rapport à la paroi porteuse constituant le mur de fond du volume central où le leur agit directement, cette paroi porteuse étant obtenue grace à l'interposition de cales entre les branches transversales les plus proches du brûleur de chaque tube horizontal. Ces cales ne sont pas soumises à une forte surchauffe en raison du bon contact qu'elles ont avec l'un des tubes adjacents le long de la partie concave de leur section; mais par ailleurs, en raison de la zone plane de leur section, ces cales permettent un certain désalignement des tubes de la paroi porteuse constituant le mur de fond, ce qui est nécessaire pour un montage aisé de l'ensemble. On ménage de préférence dans la face arrière de la chaudière des orifices de nettoyage et de ramonage au droit desquels on fait en sorte que les tubes horizontaux du faisceau ne comportent pas de circuit en épingles à cheveux, de sorte que ces tubes ont la forme de U comme les tubes verticaux du faisceau. 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 horizontale selon Il- II de la figure 1; - la figure 3 représente une coupe horizontale selon III III de la figure 1; - la figure 4 représente. une coupe verticale selon IV IV de la figure 1; - la figure 5 représente le détail d'une cale disposée entre les branches transversales les plus proches du brûleur de tubes horizontaux successifs;; - la figure 6 représente un schéma de circulation du fluide dans le faisceau de la chaudière selon 1'invention, En se référant au dessin, on voit que l'on a désigné par 1, dans son ensemble, la sole de la chaudière selon l'invention, sole sur laquelle repose le faisceau tubulaire de ladite chaudière. La chaudière a la forme d'un parallélépipède rectangle dont toutes les faces sont délimitées par des parois 2 comportant une couche thermiquement isolante, en laine de roche par exemple, la rigidité des parois étant assurée par des profilés métalliques 3 en forme de U. La face avant de la chaudière comporte un trou de bradeur 4 et une trappe de visite et d'entrée d'air 5; la face arrière de la chaudière comporte une trappe de ramonage 6 et une trappe d'évacuation des suies 7. La face supérieure de la chaudière comporte un registre S et une cheminée d'évacuation des gaz brûlés 9.A l'intérieur du volume délimité par les parois 2 et la sole 1, est disposé un faisceau tubulaire constitué de tubes horizontaux et de tubes verticaux reliés à un collecteur 10 disposé sensiblement au droit de la face avant de la chaudière, face dans laquelle on a prévu le trou de brûleur 4 Le collecteur 10 comporte un tube horizontal inférieur loua, un tubehorizontal supérieur lob et deux tubes verticaux 10c et lord. A la partie inférieure du tube lOc, on a prévu une entrée 11 de fluide; dans le collecteur lOb on a prévu une sortie 12 pour le fluide à chauffer. A l'intérieur du collecteur 10 se trouvent des cloisonnements 13 disposés comme représenté sur les figures 4 et 6.Sur les deux tubes verticaux lOc et lOd du collecteur 10, sont raccordées les extrémités d'un premier ensemble de tubes du faisceau, lesdits tubes 14 étant disposés horizontalement les uns au-dessus des autres. Les raccordements des tubes 14 sur les tubes lOc et lOd s'effectuent en quinconce comme il est visible sur la figure 4 mais un cintrage permet de ramener les tubes 14 pour qu'ils soient à l'aplomb les uns des autres. La majorité des tubes 14 est constituée de deux branches latérales formant les parois latérales verticales du faisceau tubulaire, d'une branche transversale 14a et d'un circuit en épingles à cheveux 14b placé en arrière de la branche transversale 14a, c'est-à-dire du c8té de la branche 14a où ne se trouve pas le bradeur de la chaudière. Le circuit en épingles à cheveux 14b se raccorde à la branche latérale à laquelle n'est pas raccordée la branche transversale 14a; comme il;est visible sur la figure 2, les épingles à cheveux du circuit 14b afférentes à deux tubes horizontaux 14 successifs, sont décalées en quinconce: la branche transversale 14a est reliée pour un tube horizontal à la branche latérale de droite et pour le tube horizontal suivant, à la branche latérale de gauche, l'extrémité du circuit 14b étant respectivement reliée à la branche latérale de gauche et à la branche latérale de droite pour les deux tubes horizontaux successifs en cause.Les tubes 14 qui se trouvent au niveau de l'ouverture de ramonage 6, ne comportent pas de circuit en épingles à cheveux 14b et comportent uniquement une branche transversale leva. Les tubes 14, qui se trouvent à la partie inférieure du faisceau, c'est-à-dire au niveau de l'ouverture de nettoyage 7, ne comportent pas non plus de circuit en épingles à cheveux 14b mais leur branche transversale 14a est, à un niveau sur deux, cintrée vers l'arrière en 14c, ce qui ménage des orifices de passage à travers le mur vertical constitué par l'ensemble des branches transversales luta. Deux tubes 14a successifs reposent l'un sur l'autre, par l'intermédiaire d'une cale 25 dont la section est plan-concave, le rayon de courbure de la concavité étant égal au rayon extérieur des tubes lza. Les cales métalliques 25 permettent aux tubes 14a de s'appuyer les uns sur les autres, l'ensemble de l'empilement reposant à sa base sur la sole 1 de la chaudière. La mise en pla ce des cales 25 permet d'empêcher tout passage de gaz entre deux tubes 14a successifs. Pour ceux des tubes 14 qui comportent des zones cintrées 14c, les cales 25 sont uniquement disposées dans la partie centrale non cintrée, le passage des gaz étant donc possible à travers le mur de fond des tubes 14a par les orifices laissés libres au droit des cintrages 14c.On voit que les circuits en épingles à cheveux 14b se trouvent en porte-S-faux par rapport à la paroi porteuse constituée par les branches transversales 14a; on ménage entre les extrémités 14d des épingles à cheveux et la zone rectiligne 14e du tube horizontal immédiatement inférieur, des entretoises verticales non représentées sur le dessin. L'ensemble des circuits en épingles à cheveux 14b constitue un empilement de tubes horizontaux en quinconce et forme le faisceau économiseur de la chaudière selon l'invention. Les tubes de collecteur horizontaux lOa et lOb sont reliés à des tubes en U 15, disposés côte-à-côte dans des plans verticaux. Ces tubes en U ont leur extrémités supérieure reliée au tube lob du collecteur et leur extrémité inférieure reliée au tube lOa, les liaisons étant effectuées en quinconce, comme il est visible sur la figure 4. Les tubes en U disposés dans des plans verticaux se composent de deux branches horizontales formant les parois supérieure et inférieure du faisceau tubulaire et d'une ame verticale 15a disposée entre les deux branches horizontales. Les ames 15a sont disposées en quinconce, c'est-d-dire sont plus ou moins rapprochées de la paroi de fond constituée par l'empilement des branches transversales 14a.Au voisinage des zones où les tubes horizontaux 14 sont cintrés pour donner naissance aux branches transversales 14a, les ames 15a des tubes en U 15 disposés dans les plans verticaux, sont placées en retrait par rapport aux autr/5a de de façon à laisser accès, par l'intérieur du faisceau, à la zone de cintrage des tubes 14. De cette façon, on peut réaliser, entre les tubes 14, dans les zones cintrées qui constituent les bordures du fond du faisceau, un bourrage en ciment réfractaire permettant d'empêcher tout passage des gaz de combustion en delîors des zones prévues au droit des cintrages 14c. Dans le plan de la face avant de la chaudière, au droit du tube lOa du collecteur, on a disposé des tubes en U 16 qui entourent le trou de bru- leur 4. Ces tubes sont tous branchés en parallèle et font communi quer les deux extrémités du tube de collecteur loua. Le fluide à réchauffer entrant par l'entrée 11 à l'in térieur du collecteur pénètre dans 12 tubes horizontaux 14 et revient dans le tube de collecteur lOd, ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F1. Le fluide ressort du collecteur 10d par 12 tubes horizontaux 14 pour revenir dans le collecteur lOc ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F2 il repart ensuite par 11 tubes horizontaux 14 en direction du collecteur lod ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F3 puis il retourne au collecteur lOc par 10 tubes horizontaux, ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche Fdi il revient an collecteur 10d par 10 tubes horizontaux ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F5 et il passe dans le collecteur lOb. Le fluide en ressort par des tubes en U verticaux 15 et arrive dans le collecteur lova, ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F6, il passe alors dans les tubes 16, ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F7 puis retourne au collecteur IObparneuf tubes 15 ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F8; il revient au collecteur lOa par neuf tubes 15, ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche Fg et est amené à la sortie 12 par huit tubes 15, ce qui est schématisé sur la figure 6 par la flèche F10. Le schéma de la figure 6 indique par la flèche E, l'entrée du fluide, par la flèche S, la sortie du fluide; les trajets de fluide effectués dans les tubes horizontaux 14 sont représentés en pointillé et les trajets de fluide effectués dans les tubes verticaux 15 sont représentés en trait mixte. Lorsque le brûleur de la chaudière est en fonctionnement, les gaz de~combustion transfèrent leurs calories par rayonnement sur le faisceau parallélépipèdique constitué par les branches latérales des tubes 14 et 15, par les branches transversales 14a et par les dmes verticales 15a ainsi que par les tubes de façade 16. La disposition en quinconce des ames 15a permet aux tubes 14a de bénéficier du rayonnement.Les gaz de combustion n'ont aucun orifice de sortie autre que ceux que l'on a ménagés au droit des cintrages 14c car les parois calorifugées 2 de la chaudière viennent en contact avec les parois latérales du faisceau et le mur de fond constitué par les branches transversales 14a se trouve étanche en raison de la présence des cales 25 et du bourrage de ciment réfractaire que l'on a prévu dans les zones de cintrage, qui se trouvent aux extrémités des branches transversales 14a. Les gaz de combustion traversent donc le mur de fond du faisceau X droit des cintrages lae et se déplacent en direction de la cheminée 9 en traversant verticalement tout le faisceau constitué par l'empilement des circuits en épingles à cheveux 14k. Dans cette zone, le transfert calorifique s'effectue par conve xion, de sorte que cette partie du faisceau constitue un faisceau économiseur qui permet d'améliorer le rendement thermique de l'en- semble. On constate que la présence de ce faisceau économiseur ne conduit pas à une augmentation considérable du prix de revient de la chaudière malgré l'amélioration importante de rendement qu'elle apporte. I1 est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 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, le faisceau de tubes comportant un ensemble de tubes en U verticaux disposés c8te-à-côte et un ensemble de tubes horizontaux disposés les uns au-dessus des autres, les tubes de ces deux ensembles étant reliés par leurs deux extrémités à un collecteur où débouchent au moins une entrée et au moins une sortie pour le fluide à chauffer, chaque tube horizontal comportant deux branches latérales reliées par un tronçon transversal, les branches latérales des tubes horizontaux constituant les parois latérales du volume central du faisceau, les âmes des tubes en U verticaux étant en quinconce en avant de la nappe formée par les tronçons transversaux des tubes horizontaux, caractérisée par le fait que le tronçon transversal des tubes horizontaux comporte, pour tous les tubes, une branche transversale en vis-à-vis des âmes des tubes en U verticaux et, en série, pour la majorité des tubes, du caté de la branche transversale où ne se trouve pas le brtleur, un circuit en épingles à cheveux disposé sur le trajet d'évacuation des gaz, la branche transversale de chaque tube horizontal reposant sur la branche transversale inférieure par l'intermédiaire d'au moins une cale, toutes les branches transversales situées à l'aplomb desdites cales étant portées par la sole de la chaudière. 2 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les circuits en épingles à cheveux de deux tubes horizontaux successifs sont disposés en quinconce. 5 - Chaudière selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que les cales associées aux branches transversales des tubes horizontaux, qui sont en vis-à-vis des âmes des tubes en U verticaux, ont, pour les tubes horizontaux situés à la partie inférieure de la chaudière, une longueur inférieure à la largeur de la branche transversale, les cales associées aux tubes horizontaux de la partie médiane et supérieure de la chaudière s'étendant sur toute la largeur de ladite chau dière. 4 - Chaudière selon la revendication 5, caractérisée par le fait que de part et d'autre des cales de longueur associées aux branches transversales des tubes horizontaux inférieurs, on cintre les tubes desdites branches transversales de façon à augmenter les sections de passage des gaz brûlés en direction du faisceau économiseur. 5 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les parties de tube constituant le circuit en épingles à cheveux d'un tube horizontal sont reliées par au moins une entretoise au tube horizontal immédiatement inférieur, de préférence dans la zone de cintrage des épingles à cheveux. 6 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisde par le fait que les interstices existants entre les tubes horizontaux, dans les zones coudées reliant l'une des branches latérales du tube horizontal à la branche transversale, qui est en vis-à-vis des âmes des tubes en U verticaux, sont obturés par un bourrage de ciment réfractaire. 7 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que les cales interposées entre les branches transversales superposées des tubes horizontaux ont une section droite plan-concave, le rayon de courbure de la concavité correspondant au diamètre extérieur des tubes du faisceau. 8 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que le collecteur comporte des cloisonnements intérieurs entre l'entrée et la sortie du fluide, de façon que ledit fluide, entre l'entrée et la sortie, traverse plusieurs tubes en série, un nombre sensiblement constant de tubes horizontaux ou verticaux étant disposés en parallèle pour la circulation du fluide. 9 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que la face avant de la chaudière comporte une nappe verticale de tubes entourant la zone de brûleur, les tubes de cette nappe étant reliés en parallèle au collecteur par leurs extrémités et étant disposés en série avec les tubes verticaux et horizontaux du faisceau tubulaire de la chaudière. 10 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que les tubes horizontaux et verticaux du faisceau sont raccordés en quinconce sur le collecteur.