Brevet FR2495745A1 — publié le 19820611

GENERATEUR DE CHALEUR Cette invention concerne un générateur de chaleur, notamment un générateur de chaleur à condensation, tel que par exemple un générateur de chaleur à condensation dit par voie esche. Les générateurs de chaleur à condensation permettent d'augmenter le rendement des générateurs classiques par la récupération au moins partielle de la chaleur de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion. D'autre part, le rendement d'un générateur de chaleur à condensation dépend essentiellement de la température de l'eau de retour de l'installation vers l'échangeur de chaleur entre l'eau de l'installation ét les produits de combustion; en effet, il existe une relation entre la température de retour de l'eau et le rendement du générateur : plus la température de l'eau d'installation est basse, plus le rendement du générateur est élevé. La présente invention a pour objet d'améliorer le rendement des générateurs de chaleur à condensation. Conformément à l'invention, le générateur de chaleur comprend au moins un bru leur, un foyer, un échangeur de chaleur pour chauffer l'eau en échange avec la chaleur générée par ledit(s) brûleur(s) et des moyens pour recueillir au moins une faible partie de l'eau condensée à partir de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion. Le combustible utilisé peut être tout produit hydrocarbure liquide ou gazeux0 Dans le texte qui va suivre à titre d'exemple on se limitera aux générateurs de chaleur fonctionnant avec des brûleurs à gaz. L'air comburant peut être fourni sous pression ou être aspiré (fonctionnement en dépression) par l'aspiration des produits de combustion par exemple au moyen d'un extracteur. Dans le texte qui va suivre à titre d'exemple, on se limitera aux générateurs de chaleur dans lesquels les produits de combustion sont aspirés par un extracteur, par exemple. I1 est avantageux d'utiliser des échangeurs de chaleur entre l'eau de l'installation et les produits de combustion, dont la surface d'échange est relativement importante. Ce surdimension nement de la surface d'échange permet l'obtention d'un très bon rendement sur la chaleur sensible; de plus, lorsque la température de l'eau de retour de l'installation est inférieure au point de rosée, la récupération s'opère également sur la chaleur latente des produits de combustion.Selon une caractéristique importante d'un mode de réalisation de l'invention le brûleur (ou les brA- leurs) est (sont) disposés) à une extrémité du foyer tandis que au moins un moyen de récupération d'au moins une faible partie des eaux de condensation précitées est disposé à l'autre extrémité du foyer, l'échangeur de chaleur pour le chauffage de l'eau étant situé au dessus du foyer, de façon à ce qu'il soit traversé par les produits de combustion du bas vers le haut, les gouttelettes d'eau condensées dans la zone dudit échangeur à partir de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion précités tombent dans le foyer et se revaporisent au moins partiellement pour effectuer la saturation en vapeur d'eau desdits produits de combustion avant l'évacuation de ceux-ci par aspiration en dehors du générateur de chaleur. Un générateur de chaleur de ce genre peut en outre être équipé d'un dispositif de préchauffage de l'air comburant comme il sera expliqué ci-après, étant bien entendu que le dispositif de préchauffage de l'air comburant peut être utilisé indépendamment de la caractéristique susmentionnée, pour tout générateur de chaleur connu. En général, dans la période de l'hiver où la température de l'eau de retour (de l'installation) se trouve nécessairement plus élevée, elle peut occasionnellement monter au-dessus du point de rosée. Le rendement global du générateur se trouve alors affecté, car la récupération sur la chaleur latente disparait (il n'y a pratiquement plus de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les produits de fumée sur l'échangeur de chaleur du générateur) et l'on observe, par conséquent, une élévation de la température des produits de combustion.Selon une autre caractéristique de l'invention qui peut être appliquée à tout générateur de chaleur, et notamment aux générateurs de chaleur à condensation, à la sortie du générateur un échangeur de chaleur entre les produits de com bustion chauds sortant du générateur et l'air comburant frais entrant dans le générateur est disposé pour permettre le préchauffage de cet air comburant avant son arrivée au (x) brûleur(s) Le gain énergétique porte à la fois sur la chaleur sensible et sur la chaleur latente, car la température des produits de combustion au passage dans ledit échangeur de chaleur chute et se trouve à nouveau au-dessous du point de rosée ce qui permet de retrouver les conditions favorables à la condensation et à la récupération de la chaleur latente.Une première partie de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion se condense donc au moins partiellement lors de l'échange de chaleur entre liteau de l'installation et les produits de combustion, et une deuxième partie de la vapeur d'eau lors de l'échange de chaleur entre l'air comburant frais et les produits de combustion chauds à la sortie du générateur. Par conséquent, des moyens d'évacuation des eaux condensées à partir de la vapeur d'eau dans les produits de combustion sont prévus dans la partie du générateur qui loge l'échan- geur de chaleur entre les produits de combustion chauds et l'air comburant frais. Tous les moyens d'évacuation desdites eaux condensées aboutissent à un collecteur principal. Selon un premier mode de réalisation du système de préchauffage de l'air comburant, l'air préchauffé est acheminé vers le (ou les) brflleur(s) à travers l'espace entre la paroi intérieure du corps du générateur de chaleur et son enveloppe extérieure qui est isolée contre la transmission de chaleur vers l'extérieur du générateur, par exemple par des conduits aménagés dans l'espace précité, ledit espace o lesdits conduits entourent l'ensemble du corps du générateur contenant le foyer, l'échangeur entre l'eau destinée à etre chauffée et les produits de combustion et l'espace collecteur des produits de combust on. Selon un autre mode de réalisation du système de pré- chauffage de l'air comburant, l'air préchauffé est acheminé vers le (ou les) brûleur(s) à travers des conduits extérieurs à l'enveloppe extérieure du générateur, lesdits conduits étant isolés thermiquement contre les pertes de chaleur. Il est évidez à l'nom e de l'art que l'élèvatîon sensible de la température de l'air comburant améliore de façon permanente la qualité de la combustion et par conséquent le rendement global du générateur de chaleur. Cette augmentation du rendement se situe entre 3 et 10 ss du rendement d'un générateur de chaleur qui n'est pas pourvu d'un système de préchauffage de l'air comburant; le taux d'augmentation du rendement étant fonction de la température de l'eau de retour de l'installation. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante et des figures y afférentes données à titre d'exemple. La figure 1 montre de façon schématique un premier mode de réalisation du générateur de chaleur, dans lequel le foyer est disposé en-dessous de l'échangeur de chaleur entre l'eau de 11 installation et les produits de combustion. et La figure 2 montre de façon schématique un autre mode de réalisation du générateur de chaleur dans lequel le foyer est disposé au-dessus de l'échangeur de chaleur entre l'eau de l'installation et les produits de combustion. Le générateur de chaleur (1) montré dans la figure 1 comprend à l'une de ses extrémités un brûleur (il) alimenté en gaz selon la flêche f1 par le conduit (12). Le brûleur (11) peut etre, par exemple du type à "contre-rotation" e Le gaz entre dans le brûleur par les orifices (13) et se mélange avec l'air comburant arrivant dans le brûleur (11) par les orifices (14) à partir d'un espace ou des conduits, (27) selon les flèches f2. La flamme générée par le brûleur est projetée dans le foyer (ils) qui est disposé en-dessous d'un échangeur de chaleur (16) dont les tubes sont parcourus par l'eau de l'installation. L'arrivée de l'eau froide de l'installation à l'échangeur et le départ de l'eau chaude après échange de chaleur avec les produits de combustion ne sont pas montrés dans le dessin. Lors de l'échange de chialeur entre l'eau de l'installation et les produits de combustion, la vapeur d'eau contenue dans ces derniers et au moins partiellement condensée. Le condensat tombe sous forme de gouttelettes dans le foyer (15) où il est au moins partiellement revaporisé par la flamme. Les gouttelettes d'eau condensée qui ne sont pas revaporisées se déposent sur le fond du générateur et sont évacuées par les conduites (20,22).Le fond du générateur peut avoir une pente pour favoriser l'écoulement des eaux de condensation. Les produits de combustion saturés en vapeur d'eau passent par l'espace collecteur (17) de ces produits Savant de quitter le générateur (i) selon les flèches f3 sous l'action d'un moyen extracteur (23). Avantageusement, le générateur peut, en outre, comporter un système d'échange de chaleur entre les produits de combustion et l'air comburant. Ce système est par exemple disposé à l'extrémité opposé du générateur à celle où est monté le brûleur (il), c'est-à-dire à l'extrémité où se trouve la sortie des produits de combustion. Ce système comprend un échangeur de chaleur auxiliaire (24), par exemple du genre à circuit fermé qui est parcouru par un fluide caloporteur qui change de phase en fonction de la température.Un tel échangeur (24) est connu sous le nom de "CALODUC". Tout autre système d'échange peut toutefois être utilisé sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Dans la figure 1, les produits de combustion chauds sont aspirés par un extracteur (23) à travers une chambre (25) qui loge une première partie d'échange de l'échangeur (24), dans laquelle les gaz chauds abandonnent leur chaleur au fluide caloporteur, tandis que l'air comburant frais entre, selon la flèche 9 une chambre (26) qui loge une deuxième partie d'échange de l'échangeur (24), dans laquelle le fluide caloporteur préchauffe l'air comburants L'air comburant préchauffé s'achemine, selon les flèches f2' dans un espace (27) vers le brûleur (11). Cet espace (27) entoure totalement le corps du générateur; il est délimité à l'intérieur par la paroi (18) du corps du générateur et à l'extérieur par l'enveloppe (19) qui est isolée pour éviter les pertes de chialeur.L'espace (27) peut etre aménagé sous forme d'un ou de plusieurs conduits. Dans certains cas, il peut etre avantageux de disposer les conduits (ou l'espace) (27) à l'extérieur de l'enveloppe (19) du générateur, étant bien entendu que la paroi extérieure de ces conduits (ou de cet espace) soient convenablement protégés contre les pertes de chaleur. Lors de l'échange de chaleur entre les produits de combustion chauds et le fluide caloporteur dans la chambre (25), au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion est condensée. Le condensat est évacué par la conduite (21) vers le collecteur (22). Dans la figure 2 les mêmes chiffres de référence désignent les organes et/ou éléments qui ont la même fonction que ceux de la figure 1. Le générateur de chaleur (1) montré dans la figure 2 se distingue essentiellement par la disposition du brûleur (11) au-dessus de l'échangeur (16) entre les produits de combustion et l'eau de l'installation, qui entre l'échangeur (16) par le tuyau (28) selon la flèche f4, (retour d'eau de l'installation) et qui quitte l'échangeur (16) par le tuyau (29) selon la flèche fg, (départ d'eau vers l'installation)0 Dans ce générateur de chaleur la flamme crée des produits de combustion chauds dans le foyer (15). La vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion est condensée lors de l'échange de chaleur par l'échan- geur (16) entre ces produits de combustion et l'eau de l'installation.Le condensat tombe à travers l'espace collecteur (17) des produits de combustion sur le fond du corps du générateur (1), d'où il est évacué à travers la conduite (20) et le collecteur (22). Les produits de combustion chauds quittent l'espace (17) sous l'action d'un extracteur (23) selon les flèches f et passent 3 par un système d'échange de chaleur entre les produits de combustion chauds et l'air comburant frais. Le système peut par exemple être similaire à celui montré dans la figure 1 et décrit ci-dessus. Un échangeur auxiliaire (24) à circuit fermé dans lequel circule un fluide caloporteur qui change de phase en fonction de la température (par exemple du type CALODUC) permet l'échange de chaleur indirect entre les produits de combustion chauds qui quittent le générateur, selon les flèches f3 , via une chambre (25) et l'air comburant frais qui entre dans le générateur (1), selon la flèche f2, passe par la chambre (26) où il est préchauffé et d'où il s'achemine par la suite vers le brûleur (11) à travers un espace (27) délimité à l'intérieur par la paroi (18) du corps du générateur et à l'extérieur par ltenveloppe (19) dûment protégé contre les pertes de chaleur. L'espace (27) entoure tout le corps du générateur (1). Espace (27) peut être aménagé sous forme d'un ou de plusieurs conduits. Comme ctest le cas pour le mode de réalisation de la figure 1, il peut être avantageux, dans certains cas, de disposer les conduits (ou l'espace) (27) à l'extérieur de l'enveloppe (19) du générateur. Lors de 1'échange df chaleur entre les produits de combustion chauds et le fluide caloporteur dans la chambre (25), au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion est condensée. Le condensat est évacué par la conduite (21)et le collecteur (22). De nombreuses modifications et améliorations peuvent être apportées au générateur de chaleur conforme à l'invention sans pour autant sortir du cadre de l'invention. RiVEi;DICATIONS 1) Générateur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bruleur (ils, un foyer (15), un échangeur de chaleur (16) pour ehaaffer l'eau en échange avec la chaleur générée par ledit(s) brûleur (s) et des moyens 22) pour recueillir au moins une faible partie ue l'eau condensée à partir de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion. 2) Générateur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le combustible utilisé dans le brûleur est un gaz. 3) Générateur de chaleur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que des moyens (23) sont prévus pour aspirer les produits de combustion à la sortie dudit générateur. 4) Générateur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur (ou les brûleurs) (11) est (sont) disposé(s) à une extrémité du foyer tandis que au moins -un moyen de récupération (21) d'au moins une faible partie des eaux de condensation précitées est disposée à l'autre extrémité du foyer, l'échangeur de chaleur (16) pour le chauffage de l'eau étant situé au-dessus du foyer (15), de façon à ce qu'il soit traversé par les produits de-eombustion du bas vers le haut, les gouttelettes d'eau condensées dans la zone dudit échangeur à partir de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion précités tombent dans le foyer et se revaporisent au moins partiellement pour effectuer la saturation en vapeur d'eau desdits produits de combustion avant l'évacuation de ceux-ci par aspiration en dehors du générateur de chaleur. 5) Générateur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (16) précité possède une surface d'échange relativement importante. 6) Générateur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à la sortie du générateur un échangeur de chaleur (24) entre les produits de combustion chauds sortant du générateur et l'air comburant frais entrant dans le générateur est disposé pour permettre le préchauffage de cet air comburant avant son arrivée au(x) brûleur (s). 7) Générateur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'air préchauffé est acheminé vers le (ou les) brûleur (s) (11) à travers l'espace (27) entre la paroi (18) intérieure du corps du générateur de chaleur et son enveloppe (19) extérieure qui est isolée contre la transmission de chaleur vers l'extérieur du générateur, par exemple par des conduits aménagés dans l'espace précité. 8) Générateur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit espace ou lesdits conduits (27) entourent l'ensemble du corps du générateur contenant le foyer (15), l'échangeur (16) entre lVeau destinée à être chauffée et les produits de combustion et l'espace (17) collecteur des produits de combustion. 9) Générateur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'air préchauffé est acheminé vers le (ou les) brûleur(s) (11) à travers des conduits extérieurs à l'enveloppe extérieure du générateur (1), lesdits conduits étant isoléa thermiquement contre les pertes de chaleur. 10) Générateur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le (ou les) brûleur(s) (11) est (sont) disposé(s) à une extrémité du générateur tandis que l'échangeur de chaleur (24) entre les produits de combustion chauds et l'air comburant froid est disposé sensiblment tRf autre extrémité du générateur. 11) Générateur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (24) entre les produits de combustion chauds et l'air comburant froid est réalisé sous forme d'un système à échangeur intermédiaire à circuit fermé qui est parcouru par un fluide caloporteur qui change de phase en fonction de la température. 12) Générateur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens (21) d'évacuation des eaux condensées à partir de la vapeur d'eau dans les produits de combustion sont prévus dans la partie du générateur qui loge l'échangeur de chaleur entre les produits de combustion chauds et l'air comburant frais. 13) Générateur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous les moyens d'évacuation (20, 21) desdites eaux condensées aboutissent à un collecteur (22) principal.