Brevet FR2478796A1 — publié le 19810925

Appareil de chauffage, notamment d"tau. L'invention concerne les appareils de chauffage, notamment d'eau, du type comportant un échangeur de chaleur à grille, muni de conduits disposés perpendiculaire-- ment au flux des gaz brûlés, balayés par ces gaz brûlés chauds et parcourus par le fluide caloporteur à chauffer, ainsi que deux foyers dont l'un peut être mis en action indépendamment de l'autre, les gaz brûlés de ces deux foyers étant envoyés à tra- vers l'échangeur de chaleur à grille. Dans un appareil de chauffage connu de ce type, (voir DE--PS 2 115 531), l'un des foyers est utilisé pour alimenter la chambre de combustion du second foyer en gaz chauds, notamment en air chaud. Les foyers sont donc montés l'un derrière l'autre, l'un d'eux n'étant en fonctionnement que pendant la période de préchauffage. Etant donné que cette installation connue constitue un appareil de chauffage avec brûleurs à vapo- risation d'huile, l'air chauffé par l'un des foyers sert en premier lieu à obtenir avant l'allumage la vaporisation d'huile nécessaire pour le second foyer. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un appareil de chauffage comportant au moins deux etagec de puissance, daas lequel l'échangear de chaleur à grille est intentionnellement en contact avec les gaz brûlés malgré la présence des deux étages et dans lequel le mélange de combustible et d'air est déterminé avant la combustion pour obtenir une combustion optimale avec un minimum d'excès d'air. A cet effet, l'invention a pour ob- jet un appareil du type ci-dessus caractérisé en ce que les foyers sont prévus sous forme de deux étages de chauffe dans des tubes à flamme distincts, mais disposés l'un à côté de l'autre, et présentant notamment une puissance différente, au moins l'un de ces foyers pouvant être mis en action ou à l'ar- rêt en tant que second étage en fonction de la température du fluide caloporteur. -2- Par rapport à l'appareil de chauf- fage connu, mentionné précédemment, l'appareil de chauffage conforme à l'invention a pour avantage qu'en raison du fonc- tionnement côte à côte des foyers, chaque foyer peut être réglé en ce qui le concerne sur un mélange stoechiométrique de com- bustible et d'air. On obtient ainsi une combustion optimale et l'excès d'air nuisible est minimal. Un autre avantage consiste en ce que, par suite du contact intentionnel de l'échangeur de chaleur à grille avec les gaz chauds, on peut obtenir un ren- dement optimal de l'appareil de chauffage. On peut ainsi fonc- tionner à volonté avec un seul étage dans les périodes pendant lesquelles les besoins de chaleur sont réduits, par exemple dans la demi-saison entre l'été et l'hiver. Avec un dispositif supplémentaire se présentant sous forme d'un circuit de dériva- tion pour les gaz chauds ou les gaz brûlés allant à l'échangeur de chaleur à grille, on peut maintenir dans le tube d'évacua- tion les gaz brûlés à une température minimale, par exemple égale à 1600C, en respectant ainsi les prescriptions légales. La section du circuit de dérivation est avantageusement com- mandée par un thermostat. Enfin, on peut obtenir, conformément à l'invention, une meilleure utilisation de la chaleur par le montage de deux échangeurs de chaleur à grille l'un derrière l'autre. Des dispositions indiquées dans la suite ont pour avantage qu'en raison du faible volume du fluide caloporteur et de la longueur extrêmement réduite des conduits, l'appareil de chauffage peut servir en hiver à fournir la cha- leur de l'installation de chauffage central et en été à fournir seulement la chaleur destinée à l'eau chaude de consommation. L'appareil de chauffage fonctionne de façon économique même lorsqu'on prélève des quantités relativement faibles d'eau chaude de consommation. Les pertes dues au stockage qui, dans les installations de chauffage normales, peuvent atteindre en demi-saison et en été jusqu'à 50 % de l'énergie du combustible utilisé, ne se produisent pratiquement pas avec l'invention. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés -3- représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: _ la Fig. 1 est une vue d'ensemble de l'appareil de chauffage; la Fig. 2 est une vue en coupe correspondante d'une variante avec volet de dérivation et double échangeur de chaleur à grille; - la Fig. 3 et la Fig. 4 représentent le volet de dérivation avec son dispositif de commande. Comme représenté sur la Fig. 1, dans le caisson rectangulaire 1 d'un appareil de chauffage sont disposés une chambre de combustion 2, un brûleur 3 avec un ventilateur 4 ainsi qu'un échangeur de chaleur 5 pour l'eau chaude de consommation, un vase d'expansion 6 pour une instal- lation de chauffage, une pompe de circulation 7, une soupape à plusieurs voies 8, ainsi que d'autres conduites et éléments de commande nécessaires. Les conduits remplis de fluide calo- porteur sont essentiellement réduits au minimum par rapport au volume, de sorte qu'on peut obtenir un chauffage exceptionnel- lement rapide de ce volume. En raison de la conformation rec- tangulaire de l'appareil de chauffage et de la construction choisie pour les éléments individuels mentionnés, on a des pos- sibilités de raccordement au choix pour l'eau chaude de consom- mation et pour l'eau de chauffage sur au moins deux des parois de limitation latérales de l'appareil de chauffage. Le ventilateur 4 du brûleur fonc- tionne avec une roue de refoulement d'air 10 entraînée par un moteur électrique non représenté, ce moteur entraînant en même temps une pompe à huile de chauffage. L'air est aspiré en di- rection axiale par la roue 10 et évacué en direction radiale dans le carter 11 en forme de spirale du ventilateur. En pas- sant devant une languette 12, l'air passe dans un conduit d'air 13 dans lequel est prévu un diviseur d'écoulement 14 divisant le flux d'air en deux écoulements partiels qui s'écoulent dans deux conduits d'air parallèles 15 et 16. Ces conduits d'air 15 et 16 se terminent par des buses à air 17 et 18 dans lesquelles sont prévus des injecteurs coaxiaux 19 et 20. Le conduit d'air -4- 16 présente un diamètre plus grand que le conduil; d'air 15 qui est simplement disposé au-dessus, et sa section est commandée par une soupape 21 dont l'obturateur mobile 22 peut être dé- placé par une came 23 en opposition à la force d'un ressort 24. A partir de la pompe à huile de chauffage, l'huile de chauffage arrive à l'injecteur 19 par une conduite 25 sur laquelle est piquée une conduite 26 qui va à l'injecteur 20 et dans laquelle est disposée une électrovanne 27. Les conduits d'air 15 et 16 se rac- cordent à des tubes à flamme 28 et 29 qui débouchent dans la chambre de combustion 2. Dans ces tubes à flamme 28 et 29 sont disposés des tubes de combustion coaxiaux 30 et 31 dont le dia- mètre va en diminuant par étages vers la chambre de combustion 2 et qui sont munis de perçages radiaux. Vers l'embouchure des tubes à flamme 28 et 29 sont disposées des plaques déflectrices 32 qui, conjointement avec les perçages radiaux des tubes de combustion, provoquent un recyclage partiel des gaz brûlés vers l'entrée des tubes de combustion 30 et 31, ce qui permet la vaporisation d'huile désirée donnant une flamme extrêmement pauvre en produits nocifs, c'est-à-dire une combustion optimale. Avec une légère inclinaison entre les tubes à flamme 28 et 29, se trouve disposé un tube d'allumage 33 qui part du tube 28 et débouche dans le tube 29, dans la zone de l'orifice de la buse à air 18. Un organe de contrôle de flamme 34 fait saillie dans la zone d'écoulement de ce tube d'allumage 33. Le brûleur 3 fonctionne avec le ven- tilateur 4 comme indiqué ci-après: Lors de la mise en route du brûleur, de l'air arrive par le conduit d'air 15, une électrode d'allu- mage usuelle est mise en circuit et de l'huile de chauffage est envoyée à l'injecteur 19 par la conduite 25. Le mélange de com- bustible et d'air enflammé brûle dans le tube de combustion 30 et la plus grand partie de ce mélange arrive sous forme de gaz brûlés chauds dans la chambre de combustion 2 en passant sur la plaque déflectrice 32. Cependant, une partie des gaz brûlés chauds est recyclée à l'entrée du tube de combustion 30 en -5- provoquant ainsi un chauffage favorable du mélange d'air et d'huile, ainsi que la vaporisation correspondante de l'huile. Par suite de la disposition d'ensemble, une partie de la flamme est transmise au tube à flamme 29 par le tube d'allumage 33, dans la zone de la buse à air l8etde l'injecteur 10. Cette flam- me d'allumage est contrôlée par l'organe de contrôle 34, par exemple par une sonde à ionisation, la flamme principale étant ainsi contrôlée en même temps dans le tube à flamme 28. Si la flamme principale disparaît, la flamme d'allumage disparaît également. Si, en raison de besoins de chaleur supplémentaires, on met en route le second étage, on commence par ouvrir le conduit d'air 16 au moyen de la came 23 qui peut être actionnée par voie électromagnétique ou par d'autres moyens. On envoie ensuite de l'huile à l'injecteur 20 par l'in- termédiaire de l'électrovanne 27. Le mélange de combustible et d'air est enflammé sur la flamme d'allumage et brûle de façon similaire à ce qui a été décrit pour le tube à flamme 28. Tant qu'une flamme d'allumage existe, l'allumage de ce second étage est également garanti aussi longtemps. Il suffit ainsi d'un organe de contrôle de flamme et d'un dispositif d'allumage pour deux foyers en soi indépendants. Les gaz brûlés chauds sortent en superposition des tubes à flamme 28, 29 et arrivent horizonta- *lement dans la chambre de combustion 2. En raison de la circu- lation naturelle des gaz brûlés, et en raison de la disposition du conduit d'évacuation 35 qui sort à la partie supérieure, les gaz brûlés sont déviés dans la chambre de combustion de sorte que les gaz brûlés qui arrivent par en haut sont entourés et traversés par les gaz brûlés qui arrivent par en bas. On choi- sit en principe le tube à flamme supérieur 28 pour les faibles charges et le tube à flamme inférieur 29 pour les charges éle- vées. Une raison de ce choix est que pour un faible besoin de puissance, c'est-à-dire pour la marche avec le premier étage, le parcours des gaz brûlés chauds jusqu'à l'échangeur de cha- leur est le plus faible possible. -6- La chambre de combustion 2 n'est ouverte qu'à sa partie supérieure en direction du conduit d'évacuation 35 avec interposition d'un échangeur de chaleur à grille 36. Par contre, les autres parois 37 sont recouvertes de conduits 38 dans lesquels passe le fluide caloporteur. L'échangeur de chaleur à grille 36 est également constitué par des conduits tubulaires 38 directement balayés par les. gaz brlés chauds. La partie de l'appareil de chauffage qui con- tient la chambre de combustion 2 est calorifugée par une paroi 40 à l'extérieur de la paroi 37. Cette isolation thermique 40 est agencée pour que les tubes à flamme 28, 29 en soient égale- ment entourés. Pour que l'on puisse aussi utiliser la chaleur de façon optimale dans ces tubes à flamme, leur enveloppe 41 est réalisée à double paroi et parcourue également par le fluide caloporteur. En passant par une conduite de re- tour 42 et par les cavités de l'enveloppe 41 des tubes à flamme, le fluide caloporteur arrive dans les conduits de chauffage 38, en traversant notamment l'échangeur de chaleur à grille 36. Le fluide caloporteur chauffé va ensuite à la pompe de circulation 7 en passant dans une conduite d'amenée 43. Le vase d'expansion 6 est raccordé à cette conduite d'amenée 43, en amont de la pompe de circulation 7, par une conduite 44. Un organe de con- trôle d'écoulement 45 est disposé en aval de la pompe de cir- culation 7, cet organe coupant l'installation de chauffe lors- que la pompe de circulation est défaillante. En aval de l'organe de contrôle d'écoulement 45, la conduite d'amenée arrive dans la soupape à trois voies 8 actionnée par un servomoteur électrique 46. Suivant les besoins, cette soupape à trois voies envoie un dé- bit commandé dans une conduite montante de chauffage 47 qui peut alimenter de façon connue une installation de chauffage central. Cette soupape à trois voies commande également un cir- cuit de dérivation 48 qui alimente l'échangeur de chaleur 5. Le retour de ce circu&.t de dérivation 48 débouche dans le re- tour 49 de l'installation de chauffage qui se raccorde à son tour à la conduite de retour 42 de l'appareil de chauffage. -7- L'échangeur de chaleur 5 est réalisé sous forme d'échangeur de chaleur à faisceau tubulaire avec des tubes 50 parcourus par l'eau chaude de consommation. L'eau de consommation froide s'écoule dans une entrée 51 et se répartit suivant le nombre approprié de tubes 50. Cette eau s'écoule dans ces tubes et arrive dans une chambre 52 située à l'autre extrémité de l'échangeur de chaleur 5. A partir de là, l'eau s'écoule en retour vers la partie supérieure, dans une série différente de tubes 50 jusque dans une chambre de sortie 53 de l'échangeur de chaleur à laquelle est raccordée la conduite d'eau chaude. Pour obtenir une transmission de chaleur particu- lièrement favorable, les parties 54 de l'enveloppe extérieure de l'échangeur de chaleur 5 dans lesquelles débouche le circuit de dérivation 48 ou desquelles il part, sont réalisées avec un plus grand diamètre. Le fluide caloporteur qui entre subit ainsi une certaine tranquillisationce qui assure une bonne distribu- tion radiale et permet ensuite, avec une section d'ensemble par- ticulièrement étroite, un écoulement à vitesse élevée entre les tubes. Par suite de cette vitesse d'écoulement élevée, il se produit une turbulence sur les surfaces balayées, ce qui donne un bon coefficient de transmission de chaleur. Etant donné le volume minimal offert au fluide caloporteur, celui-ci peut être chauffé de façon in- con.parablemer.t rapide..!- en résulte que, même si les besoins de chaleur sont réduits, par exemple pour un prélèvement d'eau chaude de consommation de courte durée, on obtient une transmis- sion de chaleur et, par suite, un rendement remarquables. De plus, il n'y a pas de perte défavorable due au stockage. Dans la variante représentée sur la Fig. 2, à l'aide d'une vue partielle en coupe, un second échan- geur de chaleur à grille 55 est monté devant l'échangeur de chaleur à grille 36 pour obtenir ainsi une meilleure utilisa- tion des gaz brûlés chauds, c'est-à-dire une fourniture de cha- leur plus favorable au fluide caloporteur s'écoulant dans les échangeurs de chaleur à grille 36 et 55. Un circuit de dérivation est prévu pour les échangeurs de chaleur à grille 3.6, 55, la section de -8- ce circuit de dérivation pouvant être commandée par un volet 57. Ce circuit de dérivation commandé permet d'obtenir que la tem- pérature des gaz brûlés dans le conduit d'évacuation 35 ne s'abaisse pas au-dessous d'une température minimale, par exem- ple égale à 1600C. De telles températures minimales sont pres- crites par les règlements. Les températures des gaz brûlés sont fortement réduites, notamment lorsque la température du fluide caloporteur provoque un refroidissement trop intense des gaz chauds, par exemple par suite de fourniture de-chaleur impor- tante dans le réseau de chauffage. Au moyen du circuit de déri- vation, on peut alors mélanger des gaz brûlés chauds à la par- tie des gaz brûlés fortement refroidie qui s'écoule à travers l'échangeur de chaleur à grille. La commande de la section du circuit de dérivation est assurée au moyen d'un thermostat. La Fig. 3 et la Fig. 4 représentent à plus grande échelle le volet de dérivation 57 ainsi que sa commande par thermostat. La Fig. 3 représente le volet dans deux positions, c'est-à-dire une position fermée (en trait plein) et en position ouverte (en trait mixte). La commande est assurée par un élément bimétallique en spirale 58-qui actionne une came tournante 60 par l'intermédiaire d'un axe 59. Dans le cas présent, la came tournante 60 est réalisée sous forme de came en tôle. La came tournante 60 attaque un levier 61 assem- blé avec l'axe de rotation 62 du volet 57. Le thermostat 58 est disposé latéra- lement au volet 57, de manière que la position de fermeture ne soit atteinte qu'à pleine puissance. La grandeur de manoeuvre caractéristique de la commande par thermostat provoque une va- riation de section linéaire du circuit de dérivation 56 en cas de variation de température. On a une variation de 10 de la position angulaire du volet 57 pour une variation de tempéra- ture de 10. Le volet 57 et l'échangeur de chaleur à grille 55 disposé en amont peuvent être agencés de manière que les gaz brûlés traversant le circuit de dérivation traver- sent encore, au moins en partie, le second échangeur de cha- leur à grille 36. 2-47-7 9 -- -9- REVENDICATIONS 1. ) Appareil de chauffage (]), notamment d'eau, du type comportant un échangeur de chaleur à grille (36) muni de conduits (38) disposés perpendiculairement au flux des gaz brûlés, balayés par ces gaz brûlés chauds et parcou- rus par le fluide caloporteur à chauffer, ainsi que deux foyers (28, 29) dont l'un peut être mis en action indépen- damment de l'autre, les gaz brûlés de ces deux foyers étant envoyés à travers l'échangeur de chaleur à grille (36), caractérisé en ce que les foyers (28, 29) sont prévus sous forme de deux étages de chauffe dans des tubes à flamme (28, 29) distincts, mais disposés l'un à côté de l'autre et pré- sentant notamment une puissance différente,-au moins l'un de ces foyers pouvant être mis en action ou à l'arrêt en tant que second étage en fonction de la température du fluide caloporteur. 2 ) - Appareil de chauffage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les flux des gaz brûlés des foyers (28, 29) arrivent dans une chambre de combustion (2) terminée par l'échangeur de chaleur à grille (36), perpen- diculairement à cet échangeur (36) et l'un au-dessus de l'autre, de sorte que l'échangeur de chaleur à grille (36) est balayé intentionnellement par les gaz brûlés, également lorsque les deux étages sont en service. 3 ) - Appareil de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2. caractérisé en ce que les foyers sont constitués par deux brûleurs (30, 31) alimentés en air par un seul ventilateur (4, 10, 11, 12), le ventila- teur (4) étant réalisé sous forme d'un ventilateur radial avec un diviseur d'écoulement (14) répartissant le flux d'air dans deux conduits d'air (15, 16) allant aux foyers (28, 29) une commande de débit d'air (21) par dispositif de commande de section étant disposée dans au moins l'un (16) des conduits d'air. 24i8796 - 10 - ) - Appareil de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les foyers (28, 29) sont reliés par un tube d'allumage (33) par lequel, lors du fonctionnement du premier étage, une flamme d'allumage est constamment envoyée au second foyer, cette flamme allumant le second foyer lors de la mise en action du second étage, tandis qu'il n'est prévu, pour la flamme d'allumage partant du premier étage, qu'un organe de con- trôle de flamme (34) à l'aide duquel les deux foyers (28, 29) sont contrôlés. ) - Appareil de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé en ce quq les foyers sont disposés dans des tubes à flamme (28, 29) com- portant une enveloppe (41) parcourue par le fluide calopor- teur. ) - Appareil de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi de la chambre de combustion (2) est munie de conduits (38) parcourus par le fluide caloporteur. 7 ) - Appareil de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est agencé sois fcriae d'appareil rompact (1) à cha.dièra de chauffage pour installation de chauffage central avec un dispositif (5) de préparation d'eau chaude de consommation réalisé sous forme d'échangeur de chaleur parcouru, d'une part par le fluide caloporteur et, d'autre part, par l'eau de consommation, le fluide caloporteur pouvant être amené suivant les besoins du réseau de chauffage et/ou de l'échangeur de chaleur (5) par l'intermédiaire d'une sou- pape à plusieurs voies (8, 46) avec l'assistance d'une pompe de circulation (7), l'échangeur de chaleur (5) étant avantageusement corstitué par un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire dont les tubes (50) sont parcourus par l'eau de consommation et balayés par le fluide caloporteur et dont la conduite d'amenée (48) et la conduite d'évacua- tion (48) du fluide caloporteur débouchent chacune dans une - 11 - partie élargie (54) de l'enveloppe de l'échangeur de cha- leur, les fonds des tubes étant également disposés dans ces parties. ) - Appareil de chauffage selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que, dans un caisson (1) entourant cet appareil sous forme de système compact, sont disposés un vase d'expansion (6), ainsi que d'autres appareils de commande tels que des organes de contrôle d'écoulement (45) et des thermostats, tandis que le caisson (1) est avanta- geusement réalisé sous forme d'un bloc rectangulaire avec des raccords disposés, pour permettre des variantes de liaisons, sur au moins deux parois verticales pour le fluide caloporteur et/ou l'eau chaude de consommation. 9 ) - Appareil de chauffage selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un cir- cuit de dérivation (56) à section commandée avantageusement par un volet (57) est disposé pour le flux des gaz brûlés entre la chambre de combustion (2) et le tube d'évacuation (35) à côté de l'échangeur de chaleur à grille (36), ladite section pouvant, au moyen d'un dispositif (58 à 62) actionné en fonction de la température, avantageusement un organe bi- métallique réalisé en forme de spirale, diminuer lorsque la température des gav brûles augmente et, vi ersement, augmenter lorsque la température des gaz brûlés diminue, en se basant sur une température minimale. - Appareil de chauffage selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce qu'il est prévu, comme dispositif de transmission entre la spirale bimétallique et le volet de dérivation, une came tournante (60) attaquant au moins de façon indirecte le volet (57), tandis qu'un levier (61) palpant la came tournante (60) est disposé sur l'axe de rotation (62) du volet (57).