Brevet FR2279034A1 — publié le 19760213

L'invention concerne une chaudière destine en particulier è un système de chauffage en circuit fermé, de prdférence au mazout, ayant un foyer et un échangeur de chaleur pour un fluide transporteur de chaleur qui lui est associd et qui est parcouru par les gaz chauds. Les chaudières, en particulier les chaudières pour le chauffage de locaux d'habitation, présentaient jusqu'ici un foyer disposé horizontalement et un espace pour les échanges thermiques placé au-dessus du foyer et disposé lui-même horizontalement, la chaudière proprement dite, avec ses déments de paroi qui sont traversés par le fluide transporteur de chaleur, en général de l'eau, ayant la forme d'un 8, lorsqu'on la considère en coupe. Un chauffage approprie aux dimensions des locaux à chauffer était obtenu en donnant à la chaudière une longueur conve nable. Dans le cas de chaudières on fonte constituées par des élé- ments individuels, il est toujours possible d'agrandir après coup la chaudière par adjonction d'éléments buppldmentalres, et d'augmenter ainsi son rendement thermique. L'inconvénient des constructions usuelles réside dans le fait que, lorsqu'on augmente les di- mendions d'une chaudière pour obtenir une surface chauffante suffisante, le foyer doit aussi avoir de plus grandes dimensions, sans que l'agrandissement de surface de chauffe assure un accroissement correspondant du rendement.La raison pour laquelle cette augmentation du rendement n'est rendue possible que par une augmentation disproportiohnde de la chaudière réside dans le fait qu'une transmission de chaleur n'est pratiquement possible que par l'interd- diaire des gaz chauds, tandis qu'une transmission de chaleur par bayonaement de la flamme du bradeur ne joue qui un rôle secondaire dans le cas des combustibles utilisés habituellement, tels que le gaz ou le mazout. L'invention a pour objet de réaliser une chaudière prd- sentant des rapports sensiblement améliorés entre le foyer et la section formant échangeur de chaleur, et qui possède en outre une meilleure possibilité d'adaptation et d'agrandissement sans que, pour cela, la dimension du foyer soit modifiée. Ce problème est résolu d'après l'invention grâce au fait que le foyer débouche dans un canal principal pour les gaz de X changeur de chaleur (appelé ci-après plus simplement "échangeur") è partir duquel partent plusieurs canaux pour les gaz chauds séparés les uns des autres par des surfaces d'échanges thermiques, et qui débouchent dans un canal collecteur commun. Grâce à cette disposi tion, on peut obtenir une augmentation apprEciable des surfaces ef feetives d'échanges therrliques, sans que le volume global de la chaudière soit augmenté de façon notable.Un autre avantage réside dans le fait que malgré les grandes surfaces d'échanges thermiques dont on dispose, la résistance à l'écoulement des gaz chauds est sensiblement plus faible que dans des chaudières comparables à d'autres aspects. Des sipériences ont montré qu'une chaudière suivant l'invention possède un volume global sensiblement plus faible, à rendement thermique égal, qu'une chaudière de type classique. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, les canaux pour les gaz chauds font un angle de préférence de 900 par rapport au canal principal. La déviation qui en résulte a certes pour conséquence une légère augmentation de la résistance à l'écoulement des gaz chauds, mais elle favorise une répartition rd gulière vers les différents canaux entre les surfaces d'échanges thermiques. Dans un mode de réalisation particulièrernlent avantageux, il est en outre prévu que le canal principal présente une section qui va en décroissant dans le sens d'écoulement des gaz chauds. On améliore ainsi encore davantage la répartition régulière des gaz chauds entre les différents canaux. On obtient une construction particulièrenent avantageuse et peu volumineuse si, d'après une autre caractéristique de l'invention, le canal collecteur est sensiblement parallèle au canal principal et présente une section qui va en croissant dans le sens d'écoulement des gaz chauds. En dehors de la construction ramassée particulièrement favorable, cette disposition du canal collecteur à section croissante a pour conséquence une résistance relativement plus faible à l'écoulement des gaz et un renforcement de la répartition équilibrée des gaz entre les différents canaux. Dans la mise en oeuvre pratique de l'invention, il est prévu que l'échangeur de chaleur est disposé au-dessus du foyer, de sorte que le canal principal s'étend à peu près verticalement. Cette disposition a pour conséquence une structure particulièrement compacte pour la chaudière, car une chaudière de ce genre peut n'avoir qu'une faible surface verticale, tandis que, même pour de grands rendements, la hauteur de la cave dont on dispose est suffisante dans tous les cas. Dans une chaudière de ce genre, dans la quelle au moins l'échangeur de chaleur est constitué par des d ments individuels relies les uns aux autres et à travers lesquels s'écoule le transporteur de chaleur, il est prévu, d'après une autre caractéristique de l'invention, que les éléments sont horizontaux et disposés les uns au-dessus des autres.Dans cette construction, qui convient particulièrement aux chaudières en fonte, il est possible d'agrandir après coup une chaudière déjà existante même lorsque l'emplacement pose certains problèmes, car les éléments supplémentaires peuvent être facilement ajoutés aux éld- ments déjà existants. Pour un échangeur de chaleur de ce genre composé d'd ments individuels, en particulier réalisés en fonte, il est prévu, d'après une autre caractéristique de l'invention, que les éléments de l'échangeur de chaleur se composent chacun d'un cadre périphérique traversé par le transporteur de chaleur, qu'une surface d'échanges thermiques reliant deux dléments opposés d'un cadre également traversée par le transporteur de chaleur a une hauteur plus faible que celle du cadre, et qu'il est prdvu au moins un es paee formant canal, limité par une partie du cadre et par un bord de la surface d'échanges thermiques. Â l'aide de tels éléments, dans lesquels un élément ne possède qu'un seul espace formant ca nal du coté de l'entrée des gaz et un autre du côté de leur sortie, tandis que les éléments intermédiaires présentent chacun deux espaces formant canaux pour réaliser le canal principal et le canal collecteur, on peut réaliser un échangeur thermique de dimensions voulues sans influence appréciable de la résistance à l'écoulement des gaz chauds avec peu de types d'éléments pour les gammes de rendement considérées. Le foyer existant ne subit aucune modification ;même lors d'un agrandissement ultérieur de la chaudière, mais conserve les dimensions correspondant au bradeur auquel il est associé. Dans la nise en oeuvre de l'invention, il est également provo, dans le cas d'une chaudière constituée par des éléments individuels, que le~foyer est également constitué d'éléments indi vu duels traversés par le transporteur de chaleur. Il en résulte un refroidissement des parois du foyer avec utilisation simulta nce de la chaleur transite au fluide transporteur de chaleur par rayonnement et par contact avec les gaz chauds. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, on prévoit en outre, pour une chaudière ayant des éléments horizon taux superposés, que les éléments eonstitutifs du foyer sont constitués par un cadre en forme de C traversé par le transporteur de chaleur. De tels éléments se distinguent par un poids particulièrement faible et la forme en C qui a été choisie est nécessaire pour la réalisation d'une ouverture destinée à recevoir le brûleur. On va maintenant décrire l'invention plus en détail, avec réft'rence aux dessins annexés. Les figures la et lb montrent une chaudière classique, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale. La figure 2 montre une chaudière suivant l'invention disposée verticalement. La figure 3 montre une chaudière suivant l'invention disposée horizontalement. La figure 4 montre une chaudière suivant la figure 2 dont l'échangeur thermique a été agrandi. La figure 5 montre un exemple d'une chaudière constituée par des éléments en fonte. La figure 6 est une coupe verticale partielle par VI-VI de la figure 5. La figure 7 est un plan d'un élément échangeur de chaleur. La figure 8 est un plan d'un organe d'étanchéité pour un échangeur de chaleur. La figure 9 est un plan d'un élément de foyer. Comme le montrent schématiquement les figures la et lb, les chaudières connues se composent d'un foyer 1 disposé horizontalement et au-dessus duquel est disposé, séparé par une paroi 2 parcourue par le transporteur de chaleur, un canal 3 d'échappe- ment des gaz et d'échanges thermiques. Les parois de l'ensemble de la chaudière sont doubles et parcourues par le transporteur de chaleur, par exemple de l'eau. Dans le cas de chaudières en fonte, mais également dans le cas de chaudières en acier, constituées par des éléments individuels juxtaposés verticalement, comme le montre schématiquement la figure lb, chaque augmentation de la chaudière produit un allongement de celle-ci et, par suite, un agrandissement du foyer.Les gaz de combustion provenant du brûleur 4 traversent la chaudière dans le sens indiqué par les flèches 5. La surface d'échanges thermiques présente, afin d'augmenter la surface de chauffe, des interruptions dans la paroi 2, qui relient le foyer 1 au canal 3. Dans le cas de chaudières composites, ce ré sultat est par exemple obtenu grâce au fait que la traverse 2' (figure lb) qui forne la surface d'échanges thermiques a une hauteur plus faible que l'ensemble de 11 échangeur thermique. En outre, il se produit un meilleur passage des gaz à travers ces intervalles non décrits plus en ditail. La figure 2 montre schématiquement une chaudière suivant l'invention. Celle-ci présente un foyer 6, qui, à son extrê- mité éloignée du brtleur 4, possède dans sa face supérieure une ouverture 7 pour le passage des gaz, qui débouche dans un canal principal 8 de ltéchangeur thermique superposé. Des canaux 10 pour les gaz d'échappement, disposés horizontalement, sont forés entre plusieurs surfaces 9 dldchanges thermiques disposdes en gradins les unes au-dessus des autres et parcourtr le transporteur de chaleur.Les canaux 10 débouchent dans un canal collecteur commun 11 qui est relié par une chambre 12 de rassemblement des gaz de combustion à l'ouverture 13 de la chemine. La disposition en gradins des surfaces 9 d'dchanges thermiques a pour conséquence une section du canal principal 8 qui décroît progres sivement dans le sens d'écoulement des gaz et une section du canal collecteur 11 qui croit de façon correspondante. Toutes les autres parois, aussi bien du foyer que de l'échangeur thermique, sont doubles et parcourues par le transporteur de chaleur.Le transporteur de chaleur est amené de préférence dans la région -inférieure du foyer par un tube de retour 14 et est conduit au système de chauffage par un tube 15 à la partie supérieure du foyer. Butant donnfque la vitesse d'écoulement du transporteur de chaleur est faible mêm;e dans le cas d'une circulation forcée à l'aide d'une pompe, par rapport aux vitesses d'écoulement des gaz chauds, il est en principe indifférent que le tuyau de retour aboutisse à la basé ou au sommet de l'échangeur thermique. Pour étre complet, on a représentc! sur la figure 3 une disposition horizontale et non plus verticale d'une chaudière suivant l'invention. Sur la figure 4, on a représenté une chaudière suivant la figure 2 qui à été agrandie après coup par l'adjonction à un premier échangeur thermique I d'un second échangeur II, sans que le foyer 6' ait ses dimensions augmentées par l'incorporation de l'échangeur Il. De cette façon, on peut obtenir un accroissement optimum des surfaces d'échanges thermiques, sans que le volume total de la chaudière doive entre augment de façon appréciable. Comme on le précisera plus loin avec référence aux figures 5 à 9, cette construction de chaudière convient particulièrement si l'on veut superposer horizontalement des éléments individuels, et ceci aussi bien pour l'échangeur de chaleur que pour le foyer. Etant do que les hauteurs de caves habituelles suffisent, même pour des chauffages à grand rendement, on peut accrortre après co;;p les di;nensions d'une chaudière existante sans qu'ils se pose de problème, entre des limites de rendement dkterminées. Sur la figure 5, on a représenté un mode de réalisation particulièrement avantageux, et applicable en particulier aux chaudières en fonte. Dans cette construction, on dispose sur une plaque de base 16, qui peut dventuellement être refroidie par eau, trois éléments de foyer distincts en forme de cadres superposés, sur lesquels on empile les différents éléments de l'échangeur de chaleur. Cet échangeur est sépare du foyer par un organe d'étan chéité 18 représenté en plan sur la figure 8. Au dessus sont disposés deux éléments d'échangeur 19 et 19', et 20 et 20'. A son extrémité supérieure, l'échangeur thermique est séparé de la chambre 21 dans laquelle se rassemblent les gaz de combustion par un organe d'étanchéité 18'. Les différents éléments sont représentés en plan sur les figures suivantes : la figure 7 montre un élément d'échangeur 19, la figure 8 un élément d'étanchéité 18, et la figure 9 un élément de foyer 17. Les éléments individuels, aussi bien l'élément de foyer 17 que l'élément d'étanchéito 18 et que l'élément d'échangeur 19, possèdent chacun un cadre parcouru par le transporteur de chaleur et muni d'ouvertures d'admission et d'échappement. l'élément 17 est constitué par un cadre en C qui, suivant l'invention, présente à ses deux extrémités des ouvertures d'admission 22 et d'Qchap- pement 23, une seule ouverture étant ménagée dans chaque plan de séparation de l'élément, c'est-à-dire l'ouverture 22 étant dirigée vers le bas tandis que l'ouverture 23 est dirigée vers le haut. DaHs l'élément 18 de la figure 8, il est également prd- vu un cadre parcouru par le transporteur de chaleur, mais qui est rempli intérieurement dans sa plus grande partie par une surface creuse 24 dont l'intérieur est relié à l'intérieur du cadre. Cette surface d'échanges thermiques possède une épaisseur un peu plus faible que celle du cadre qui l'entoure, de sorte que lorsque l'on superpose plusieurs éléments, il reste une section de passage suffisante pour les gaz de combustion. Les passages limités par un bord latéral 25 de la surface d'échanges thermiques et par la partie voisine du cadre constituent une partie du canal principal et du canal collecteur, comme le montre clairement la figure 5. L'élément d'étanchéité 18, de mêe que l'élément de foyer 17, possède une ouverture d'admission 26 et une ouverture d'éehappement 27 pour le transporteur de chaleur. Dans ce cas, l'ouverture 26 est disposde excentriquement par rapport à l'axe longitudinal de l'élément, de sorte qu'elle se trouve exactement au-dessus de l'ouverture de sortie 23 de l'élément de foyer 17 situé au-dessous. L'ouverture de sortie 27 est par contre disposée de façon à s,trouver exactement sur l'axe médian 28.Ces deux ouvertures sont séparées l'une de l'autre par une paroi 29 disposée à l'intérieur du cadre, de sorte qu'en fonctionnement il ne peut se produire aucun "court-circuit" pour le liquide transporteur de chaleur, mais que ce dernier est contraint à parcourir complètement le cadre et la surface 24. Sur la figure 7, on voit enfin un élément 19 d'échangeur thermique, également représenté en plan. Cet élément possède éga- lement un cadre dont les deux grands côtés sont relié par une surface 30 d'échanges thermiques. Cette surface est ici aussi en liaison avec l'intérieur du cadre, de façon à être parcourue par le transporteur de chaleur. Cette surface est disposée dans 1' élé- ment d'échangeur de telle façon qu'à ses deux extrémités (vues dans le sens de la plus grande dimension de l'élément) il reste une ouverture entre les bords latéraux de la surface et le petit c8té du cadre.Les passages ainsi formés constituent également des éléments du canal principal et du canal collecteur. bux deux extrêmits sont également ménagés une ouverture d'admission 31 et une ouverture d sortie 32 pour le liquide transporteur de chaleur, et ces deux ouvertures se trouvent sur l'axe médian 28. Dans ce cas, également, l'ouverture 31 est dirigée vers le bas tandis que l'ouverture 32 est dirigée vers le haut, de sorte que lorsqu'on place par exemple l'élément 19 sur un élément d'étanchéi- ta 18, l'ouverture 31 coincide avec l'ouverture de sortie 27 de llélément d'étanchéité, si bien qu'il se produit une liaison directe entre les deux éléments. Aussi bien les éléments d'étanchéité 18, 18' que les éléments d'échangeur 19, 19' et 20, 20' présentent, sur leurs surfaces d'échanges thermiques, un grand nombre de saillies ayant par exemple la forme de tenons, de mamelons, ou même de nervures 33, qui augmentent de façon appréciable la surface balayée par les gaz chauds. En outre, les gaz chauds sont contraints à tourbillonner par ces saillies, de sorte que la transmission de chaleur du gaz aux surfaces d'échanges thermiques et, p2r suite, au transporteur de chaleur qui circule dans ces surfaces, est améliorée. La figure 6 est une coupe partielle, par la ligne VI-VI de la figure 5, à travers deux éléments d'échangeurs de chaleur voisins, sur laquelle on voit la section du canal pour les gaz chauds formé par deux surfaces adjacentes d'échanges thermiques.La coupe montre en outre que les surfaces d'échanges thermiques ont une hauteur plus faible que les cadres qui leur sont associés. Si l'on dispose les éléments d'échanges thermiques de façon symétrique, par exemple par rapport à l'axe 28, comme le prévoit une autre caractéristique de l'invention, on obtient un résultat avantageux important pour la structure suivant l'invention. En effet, si l'on réalise des éléments 19 et 20 dans lesquels les sections de passage ménagées entre les deux extrêmités du cadre et les bords de la surface d'échanges thermiques sont différentes l'une de l'autre, comme le montre la coupe verticale de la figure 5, on n'a besoin au total, pour la fabrication de la chaudière représentée sur cette figure, que de trois types d'éléments d'échangeurs de chaleur, à savoir deux éléments d'étanchéité 18 et deux éléments 19 et 20.En raison de la symétrie de tous les éléments de l'échangeur thermique,il est possiblede mettre en place, en les inversant réciproquement, deux exemplaires d'un même type d'élément, et de réaliser ainsi un canal principal dont la section décroît dans le sens d'écoulement des gaz chauds et un canal collecteur dont la section croit de manière correspondante. Suivant l'importance de chaque programme de construction de chaudière, on peut, au lieu de l'échelonnement représenté des surfaces d'échanges thermiques d'un élément à l'autre, choisir un échelonnement par exemple plus fin, pour réaliser dans l'ensemble de plus grandes surfaces d'échanges thermiques, dans la mesure où l'on ne désire pas utiliser la structure représentée figure 4. Le reflux du système de chauffage s'effectue avantageusement par le tube de retour 34 relié à l'élément inférieur du foyer, tandis que le départ de la chaudière se fait par la canalisation 35. L'écoulement du transporteur de chaleur à travers la chaudière s'effectue, en fonction de la disposition décrite des orifices d'admission et de sortie dans chaque dlément, de façon que les éléments du foyer qui, en raison de leur forme de cadre, représentent pratiquement une canalisation coudée, soient parcourus les uns apres les autres, et que le traneporteur de chaleur s'coule ensuite comme le montrent les flèches 36 à traverS les ouvertures d'admission et d'échappement superposées des différents éléments de l'échangeur thermique en direction générale ascendante. Les surfaces des cadres se trouvant dans les plans de séparation sont munies de façon classique d'dvidements en forme de rainures non représentées, pour la réception de garnitures étanches, de sorte que lors de la superposition des éléments de la chaudière, l'ensemble de celle-ci est rendu étanche contre le passage de gaz de combustion. Il est particulièrement avantageux que les éléments superposés de la chaudière ne soient pas reliés les uns aux autres, par exemple par quatre tiges d'ancrage continues, mais que, d'après l'invention, chaque élément de la chaudière ne soit réuni qu'à ses deux voisins, par l'intermédiaire de courts boulons 37. On évite ainsi que, même dans le cas de grandes chaudires, la liaison des éléments les uns aux autres se défasse par suite de dilatation d'origine thermique, comme ce serait le cas pour des tiges de liaison continues. Les boulons 37 sont placés dans des griffes de serrage 38 faisant corps par moulage avec chaque élément de la chaudière (figure 7), chaque griffe présentant deux emplacements pour recevoir chacun un boulon. Les dlé- ments des figures 8 et 9 possèdent égaleme des griffes correspondantes 38. 8EVENmCATZfXJS 1 - Chaudière destine en particulier à un chauffage en circlRlt fermé, de p*éferznce au mazouts ayant un foyer et un échangeur de chaleur pour un fluide transporteur de chaleur qui lui est associé et qui est parcouru par les gaz chauds, caractérisée en ce que le foyer 6 débouche dans un canal principal 8 de l'échan- geur de chaleur à partir duquel partent plusieurs canaux 10 pour les gaz chauds séparés les uns des autres par des surfaces 9, 24, 30 d'échanges thermiques, et qui débouchent dans un canal collecteur commun 11. 2 - Chaudière suivant la revendication t, caractérisée en ce que les canaux 10 pour les gaz chauds font un angle, de préférence de 90 , par rapport au canal principal 8. 3 - Chaudière suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le canal principal 8 présente une section qui va en décroissant dans le sens d'écoulement des gaz chauds. 4 - Chaudière suivant l'une des revendications 1 à 3, ca ract8ris8e en ce que le canal collecteur 11 est sensiblement paral prèle au canal principal 8 et présente une section qui va en croissant dans le sens d'écoulement des gaz chauds. 5 - Chaudière suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est disposé au-dessus du foyer 6, et que le canal principal 8 est sensiblement vertical. 6 - Chaudière suivant l'une des revendications 1 à 5, dont au moins l'échangeur de chaleur est constitué d'éléments individuels reliés les uns aux autres et qui sont traversés par le transporteur de chaleur, caractérisée en ce que ces éléments sont horizontaux et disposés les uns au-dessus des autres. 7 - Chaudière suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les éléments 18 à 20 de l'échangeur de chaleur se composent chacun d'un cadre périphérique traversé par le transporteur de chaleur, qu'une surface d'échanges thermiques 24, 30 également traversée par le transporteur de chaleur a une hauteur plus faible que celle du cadre, et qu' il est prvu au moins un espace formant canal, limité par une partie du cadre et par un bord 25 de la surface 24, 30 d'échanges thermiques. 8 - Chaudière suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que, dans chacun des côtés opposés du cadre, est disposé un orifice d'admission 31 ou de sortie 32 pour le transporteur de chaleur, une;seule ouverture étant ménagée dans chaque surface de séparation. 9 - Chaudière suivant l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que la surface 24, 30 d'échanges thermiques pos séide extérieurement un certain nombre de saillies 33 ayant la forme de nervures, de mamelons ou de tenons. 10 - Chaudière suivant l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que le foyer 6 est constitué d'éléments individuels 17 parcourus par le transporteur de chaleur. 11 - Chaudière suivant la combinaison des revendications 6 et 10, caractérisée en ce que les éléments 17 du foyer ont chacun la forme d'un cadre en C. 12 - Chaudière suivant la revendication 11, caracté- risée en ce que les orifices d'admission 22 et de sortie 23 de chaque élément de foyer 17 pour le transporteur de chaleur sont disposés chacun aux deux extremitds du cadre, une seule ouverture étant ménagée dans chaque surface de séparation. 13 - Chaudière suivant l'une des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que les éléments individuels sont disposés aymétriquement par rapport à un are. 28. 14 - Chaudière suivant l'une des revendications 6 à 13, caractérisée en ce que chaque élément n'est relié qu'à ses deux voisins.