Brevet FR2515321A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne une chaudière à gaz et, notamment, une chaudière à condensation. On connaît de multiples types de chaudières à gaz, utilisées pour la production d'eau chaude et le chauffage d'immeubles, etc. La présente invention a pour but de créer une chaudière à gaz dont la qualité de la flamme soit améliorée, sans compliquer la réalisation de la chaudière, ou en augmenter l'encombrement. Satisfaisant au but ci-dessus, la présente invention se propose de créer une chaudière, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de surchauffe coopérant avec les fluides de combustion. Grâce au surchauffage d'au moins une fraction de l'air comburant à l'aide du surchauffeur constitué par exemple, par un serpentin, on stabilise considérablement la flamme du brûleur, permettant ainsi une combustion propre, très efficace, augmentant le rendement thermique de l'installation. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de surchauffe est constitué par un serpentin placé dans le foyer et recevant une fraction de l'air comburant pour le surchauffer et le réinjecter en amont du brûleur dans l'air comburant non surchauffé, avant l'injection du gaz combustible dans l'air comburant. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de surchauffe est constitué par un manchon réfractaire placé dans le foyer au moins autour d'une partie de la flamme, pour stabiliser la flamme. Cette gaine réfractaire qui entoure le brûleur à l'endroit où il débouche dans la chambre de combustion du bloc foyer, permet de réchauffer les gaz de combustion par la chaleur accumulée par ce manchon réfractaire, ce qui permet de stabiliser la flamme. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le bloc foyer et l'échangeur de chaleur constituent des éléments distincts, susceptibles d'une réalisation modulaire, et l'échangeur de chaleur est formé par des tubes de circulation du fluide caloporteur, les gaz de combustion circulant entre les tubes. La séparation de l'échangeur et du foyer permet de réaliser un échangeur modulaire, permettant de standardiser la fabrication de la chaudière, de réduire les stocks, etc. puisqu'il suffit d'augmenter la capacité de l'échangeur par adjonction d'éléments supplémentaires, pour adapter la chau dière à une plage très étendue de puissances. De façon particulièrement avantageuse, l'échangeur de chaleur est constitué par des boites supérieures et inférieures cloisonnées, reliant les sorties et les entrées des tubes pour répartir les veines de fluide caloporteur. Cette structure de l'échangeur est très intéressante pour la fabrication puisqu'il suffit de réaliser des boîtes parallélépipédiques ou cylindriques et de souder dans le fond des boîtes les tubes La présente invention sera décrite plus en détail à laide de divers exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un premier mode de réalisation d'une chaudière selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe verticale d'un premier mode de réalisation de la chaudière proprement dite - la figure 3 est une vue en coupe horizontale selon la ligne III A - III A de la figure 2 pour la moitié supérieure et selon la ligne III B - III B pour la moitié inférieure - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV A - IV A de la figure 2 pour la moitié supérieure, et selon la ligne IV B - IV B pour la moitié inférieure - les figures 5A, 5B représentent respectivement une vue en plan et une vue de côté d'un serpentin de surchauffeur selon le mode de réalisation de la chaudière selon les figures 2à4; - la figure 6 est une vue en coupe verticale d'un second mode de réalisation d'une chaudière selon l'invention - la figure 7 est une coupe selon V-V de la figure 6 - la figure 8 est une vue clatée de l'échangeur de chaleur de la chaudière des figures 6 et 7 ; - la figure 9 est une vue en perspective d'une variante de surchauffeur selon-les figures 6 et 7. -.La figure est un schéma d'un laveur SeIon la figure 1, la chaudière à gaz de l'invention, destinée à brûler un mélange d'air et de gaz, se compose d'un foyer i entouré par un échangeur de chaleur 2. Le foyer 1 contient un surchauffeur 3 pour réchauffer une partie ds l'air comburant. L'air comburant est fourni par un ventilateur i alimentant la base d'un laveur 5 chargé, par exemple, d'une garniture 6 et dans lequel circule l'eau du circuit 7 entraînée par la pompe 8. La circulation air/eau se fait à contrecourant. A la sortie de la garniture 6, l'air qui circule dans le sens de la flèche A, débouche dans une chambre d'injection 9 dans laquelle débouche également la sortie 10 du surchauffeur 3. L'entrée 11 du surchauffeur 3 se trouve à la sortie du laveur 5. Une conduite de dérivation 12 relie un point en amont du laveur 5 à un point en aval de celui-ci, par exemple directement eau L foyer 1 pour permettre l'injection d'air sec dans le foyer et favoriser la stabilisation de la flamme. Dans cet exemple, le surchauffeur 3 est cons titué par un serpentin 13 placé dans le- foyer (fig. 5A-,85B). Le mélange d'air provenant directement du laveur 5 et d'air provenant du surchauffeur 3, arrive dans une chambre de mélange 14 dans laquelle débouche la conduite de gaz 15 alimentant le brûleur 16, Le fond de l'ensemble formé par le foyer 1 et l'échangeur de chaleur 2 est une cuve i7 de réception des condensats.~ . Cette cuve 17 est reliée, comme le fond du laveur au circuit 7 de circulation d'eau du laveur. On récupère ainsi les condensats d'eau qui se forment au niveau de l'échangeur de chaleur 2. La surchauffe de l'air ou d'une fraction de celui-ci comburant permet de désaturer l'air comburant provenant du laveur 5 et d'éviter les risques de corrosion. Cette surchauffe permet d'augmenter notablement la vitesse de déflagration et, ainsi, de retarder le décrochement de la flamme Dans l'exemple de la figure 1, la circulation d'une fraction de l'air comburant à travers le surchauffeur 3 est assurée par l'effet d'aspiration créé dans la chambre d'injection 9, dans laquelle débouche la sortie 10 du surchauffeur 3 A ce niveau, le conduit extérieur de l'air du laveur a une forme-rétrécie en forme de venturi, creant cet effet d'injection par aspiration. I1 serait également possible de jouer sur les pertes de charge relatives entre, d'une part, le circuit de l'air comburant du laveur alimentant directement le brûleur et, d'autre part, l'air comburant passant par le surchauffeur 3. Cela peut se faire à l'aide d'un diaphragme ou d1une grille de dimension appropriée, ou encore dlune vanne réglable placées dans le passage de l'air comburant n'alimentant pas le surchauffeur. Enfin, il est possible de combiner ces deux moyens de réglage et d'injection. Les figures 2, 3 et 4 sont des vues en coupe verticale et horizontale d'un mode de réalisation d'une chambre de combustion 1 entourée par un échangeur de chaleur 2. Ces figures montrent la disposition- des tubes 18 empruntés par les gaz de combustion, sortant à la base de la chambre de combustion 1. Ces gaz remontent tout d'abord à travers la couronne intérieure de tubes 18 pour passer dans la chambre collectrice supérieure 19 qui régularise la répartition des diverses veines de gaz de combustion pour les faire revenir dans le sens descendant, à travers la couronne extérieure de tubes 18 et, enfin, s'échapper par la sortie des fumées 20 Les gaz de combustion circulent dans le sens des flèches B. Les condensats qui se forment sur les parois. des tubes 18 ou à la base de la chambre de combustion ou sur les parois de celle-ci, etc. sont recueillis dans la cuve 17. Le liquide caloporteur, par exemple l'eau, arrive par l'entrée 21 pour remonter à contre-courant autour de la couronne extérieure de tubes 18, puis redescendre toujours à contre-courant le long de la surface extérieure des tubes 18 de la couronne intérieure, cette circulation forcée étant assurée par la cloison 22. Puis, le fluide caloporteur est recueille à travers les passages tubulaires 23,dans le fond de foyer 24 à la base de l'échangeur 2 pour s'échapper par la sortie 25. La circulation du liquide caloporteur se fait dans le sens des flèches C. De façon analogue, les gaz de combustion viennent buter contre le fond 26.du foyer pour être renvoyées selon les flèches, soit vers les tubes montants 18, soit vers le réceptacle de condensats 17'. - Des cloisons 27 évitent le passage direct des fumées vers la sortie des fumées 20. Les figures 3 et 4 montrent respectivement les couronnes de tubes de circulation de gaz de combustion 18 ainsi que le passage tubulaire 23 permettant le passage du fluide caloporteur vets la sortie de l'échangeur 25. Les figures 5A, 5B représentent un mode de réa- lzisatiOn d'un-serpentin--13 formant le surchauffeur 3. Le nombre de spires, le diamètre du tube, le rayon des spires, etc. sont choisis en fonction des paramètres de la chaudière. Les figures 6, 7 et 8 montrent un autre mode de réalisation d'un foyer associé à un échangeur de chaleur. Dans ce mode de réalisation, le foyer n'est pas entouré concentriquement par l'échangeur de chaleur mais uniquement par une chemise d'eau. Cette disposition est intéressante car elle permet une réalisation moins encombrante de la chaudière, ainsi qu'une réalisation modulaire de l'échangeur de chaleur en foncti des puissances de chauffe sans toutefois augmenter ltencombremen de chaque partie distincte de la chambre de combustion ou de l'échangeur, pour ne pas dépasser le gabarit des portes actuelle ment existantes. Selon les figures 6, i et 8, le foyer constitué par un bloc foyer 30, vertical comme dans le mode de réalisation précédent, comporte dans cette variante soit un serpentin, soit comme cela est représenté, un manchon 31 en un matériau réfractaire, ayant une inertie thermique relativement élevée pour stabiliser la flamme. Ce bloc foyer est entouré par une chemise 32 traversée par le fluide caloporteur. Le manchon réfractaire 31 se réchauffe pendant la mise en route de la chaudière puis il permet de réchauffer le mélange air/gaz avant ou pendant la combustion et d'améliorex la qualité de la flamme du fait de son inertie thermique. Le manchon 31 peut être isolé thermiquement de la paroi correspondante du foyer pour accélérer son réchauffage et éviter les déperditions calorifiques. I1 peut également être intéressant de réaliser un manchon à trous favorisant la circulation des gaz très chauds autour du manchon et vers l'intérieur de celui-ci. Il est également avantageux de rendre la surface intérieure du foyer refléchissantetpar ex-.'par'chrbmage ou'nickelage. Au niveau de sa base, la chambre de combustion communique par le conduit 33 avec l'échangeur de chaleur 35. Accolée au bloc foyer 30, une enceinte 34 fermée traversée par le passage 33 des gaz de combustion à la partie inférieure et venant s'assembler sur la face avant de 11 échangeur 35, est parcourue par l'air humidifié qui rentre à la partie supérieure par l'ouverture 341 descend pour contourner le passage 33 et remonte pour sortir par l'ouverture 342, une chicane 343 obligeant l'air à faire ce circuit. La face en appui avec l'échangeur ainsi que le passage des gaz, en contact avec ceux-ci, réchauffent l'air. D'une manière plus générale, le dispositif de surchauffe est constitué par un échangeur de chaleur, disposé sur le parcours des fumées. L'échangeur de chaleur 35 est constitué d'une boite supérieure 36, d'une boite inférieure 37 reliées-par des faisceaux de tubes 38 et côté foyer par deux montants latéraux 39, dans lesquels circule le fluide caloporteur. Les boites 36 et 37 comportent des cloisons 40 qui permettent d'obtenir un circuit à contre-courant intégral, formant des compartiments de répartition des diverses veines de fluide, dans l'ordre 37A, 36A, 37B, 36B et 37C, l'entrée-du fluide se faisant dans la partie 37A et sa sortie par la tubulure 41 vers la chambre de combustion 30 dans la partie 37C. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur 35, ouvert sur la face foyer 30 - enceinte de réchauffage 34, est fermé sur les trois autres faces par des tôles latérales 43, 44 et arrière 45 qui comporte la sortie de fumées 46 à sa partie inférieure. La circulation des gaz de combustion progresse dans le sens de la flèche D, suivant un circuit en méandres, canalisée par les cloisons 47 jusqu'Cela sortie de fumées 46. Lorsque le liquide caloporteur circule dans le sens de la flèche E, on obtient ainsi un contre-courant eau/gaz intégral. Les condensats recueillis dans la boite inférieure 37 sont évacués par des tubes d'évacuation 48 vers le collecteur 49 qui ramène tous les condensats au laveur des fumées. I1 est également possible d'utiliser une partie de l'échangeur 35 comme réchauffeur d'air comburant. La figure 9 est une vue schématique en perspective de l'enceinte 34 montrant l'entrée 341 et la sortie 342 d'air à réchauffer, la cloison 343 et la conduite 33 reliant le foyer 30 à l'entrée de l'échangeur non représenté. Pour le fonctionnement de la chaudière à condensation, il est intéressant de commander ou régulée le fonctionnement du laveur 5, c'est-à-dire la circulation d'eau entrainée par la pompe 8, de façon qu'au début de l'allumage de la chaudière et un peu avant l'arrêt de la chaudière, le laveur 5 soit mis au repos, c'est-à-dire que les gaz sortant du laveur ne soient plus humidifiés. Au démarrage de la chaudière, cela facilite l'allumage et la montée en température ; au moment de l'arrêt de la chaudière, on evite que des gaz humides ne soient envoyés dans la chaudière et dans le tuyau d'échappement des gaz de combustion, en risquant d'y déposer des condensats et de provoquer de la corrosion. Cela permet également de sécher le circuit d'air et de fumées si on laisse fonctionner l'alimentation en air quelque temps après l'arrêt du brûleur. I1 est également possible de réguler le fonctionnement des laveurs en fonction d'éléments indicatifs ou ayant une influence sur la qualité de la combustion, notamment un détecteur de flamme par courant d'ionisation ou un thermostat monté dans le circuit d'air humide comburant ou encore un thermostat sur le retour d'eau de chauffage. Suivant une variante non représentée, le surchauffeur est constitué par un des éléments en saillie associés au manchon et créant des turbulences dans la veine de gaz - air comburant pour arriver à un meilleur mélange et, par suite, une meilleure combustion. Ces éléments peuvent également être prevus à l'intérieur et/ou à l'extérieur du manchon réfractaire. La figure 10 représente une variante de réalisation du laveur d'air ou de fumées. Ce laveur 50 est formé d'une colonne contenant la garniture 51. Le fluide à laver (air, gaz ou fumées) arrive dans le laveur 50 par l'entrée 52 et en sort par la sortie 53. La garniture 51 repose sur un support perforé 54. Sous le support se trouve un collecteur 55 en forme d'entonnoir terminé par un tube vertical 56 de longueur appropriée; le fond 57 du laveur reçoit la réserve de liquide de lavage de hauteur H. Cette réserve est nécessaire pour éviter que les pompes de lavage ne se désamorcent. Le tube 56 est immergé dans le liquide de lavage d'une profondeur plus grande que lorsque la hauteur de liquide h correspond à la pression du fluide à laver, à l'entrée du laveur. De façon générale, en collectant ainsi le liquide de lavage sous la garniture et en renvoyant ce liquide dans une réserve de liquide de lavage en-dessous du niveau du liquide et à une profondeur supérieure à la hauteur d'eau maximale prévisible, correspondant à la pression du fluide à laver, à l'entrée du laveur, par l'intermédiaire. d'un tuyau de faible section, on évite que la variation-de pression provoquée par les diverses allures de la chaudiere (c'est-à-dire les variations de pression de fluide à la base du laveur) et qui entraînent nécessairement une variation h du niveau du liquide de lavage, se limite au déplacement d'une colonne de liquide de faible volume. Le fond 57 du laveur communique avec d'autres laveurs, des échangeurs, etc. par les conduits 58, 59. La pression régnant au-dessus du niveau de liquide dans le fond 57, sous la cloison (ou entonnoir 55) séparant le fond 57 du volume occupé par la garniture 51, est réglée par une mise en communication avec l'atmosphère ou avec la pression qui règnent dans les mêmes conditions dans d'autres laveurs par la conduite 60. Enfin, cette figure 10 montre la conduite de circulation 61 de liquide de lavage et la pompe de circulation 62. I1 est également possible de prévoir un dispositif de remplissage automatique des gardes d'eau dans les laveurs. Ce dispositif comporte par exemple un système à flotteur. On peut également prévoir une sécurité sur la chaudière en cas de manque d'eau ou de fonctionnement déficitaire en eau. Suivant une variante non représentée, lorsque la chaudière fonctionne en dépression, c 'est-à-dire par aspiration des fumées, l'injection d'air frais prévue à la figure 1 peut être remplacée par une simple prise d'air. Les laveurs 5, 50 envisagés ci-dessus aux figures 1, 10 sont, par exemple, des laveurs tels que ceux décrits aux brevets NO 79 00 901 et 81 12 770. Il peut également s'agir d'échangeurs. REVENDICATIONS 1) Chaudière a gaz comportant un foyer (1) alimentant en gaz chaud un échangeur de chaleur (2) recevant lui-même un fluide caloporteur, chaudière caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de surchauffe de flamme (3, 31) coopérant avec les fluides de combustion. 2) Chaudière à gaz selon la revendication 1, comportant un laveur (5) traversé par l'air comburant, ce laveur (5) ayant un circuit de circulation du liquide de lavage (eau), chaudière caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen d'asservissement de la circulation (7) ou du débit du liquide de lavage en fonction de l'état de la chaudière, pour arrêter le fonctionnement du lavage au début de l'amorçage de la combustion ou avant l'arrêt de la combustion ou encore régler la circulation pendant la combustion, suivant un signal indicatif de la qualité de la combustion ou ayant une influence sur la qualité de la combustion. 3) Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un foyer (30) à double enveloppe (32) traversé par le liquide caloporteur en sortie d'échangeur (35). 4) Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de combustion (3) et l'échangeur de chaleur (35) constituent des éléments distincts susceptibles d'une réalisation modulaire et l'échangeur de chaleur (35) est formé par les tubes de circulation du fluide caloporteur (38), les gaz de combustion circulant entre les faisceaux de tubes (38) dont les extrémités débouchent dans des boîtes supérieures et inférieures (36, 37) cloisonnées, pour obtenir une circulation à contre-courant intégral. 5) Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le dispositif de surchauffe (3g est constitué par un serpentin placé dans le foyer (1) et recevant une fraction de l'air comburant ou au moins une fraction de cet air pour le surchauffer et le réinjecter en amont du brûleur (13) dans l'air comburant non surchauffé, avant l'injection (11) du gaz combustible dans l'air comburant. 6) Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le dispositif de surchauffe (3) est constitué par un manchon réfractaire (31) placé dans le foyer (30) au moins autour d'une partie de la flamme. 7) Chaudière à gaz selon la revendication 6, caractérisée en ce que le manchon réfractaire (31) formant le surchauffeur est muni de trous pour favoriser la circulation des gaz chauds entre le foyer et le tube pour accélérer le réchauffage. 8) Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la surface intérieure du foyer (30) est réfléchissante, cette surface étant notamment chromée. 9) Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le dispositif de surchauffe est constitué par un échangeur de chaleur notamment une boite de circulation d'air (34), disposé sur le parcours des fumées, notamment entre le foyer (30) et l'échangeur (35) en contact avec ceux-ci et entourant le conduit (33) reliant la sortie du foyer (30) à l'entrée de l'échangeur (35). 10) Chaudière selon la revendication 6, caractérisée en ce que le manchon (31) est entouré par un isolant thermique. 11) Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte des éléments de mise en turbulence du flux gazeux (air-gaz) dans le foyer, notamment des éléments en saillie solidaires du manchon constituant le surchauffeur. 12) Chaudière à gaz selon la revendication 1, comportant un laveur (5) traversé par l'air comburant, avant son injection dans le foyer (1), chaudière caractérisée en ce qu'elle comporte un conduit (2) reliant un point de la conduite d'air comburant en amont du laveur (5) à un point du brûleur pour injecter de l'air sec dans le foyer (1) au niveau du brûleur (16). 13) Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisée en ce que le laveur (5, 50) comporte un support (54) pour la garniture (51) ainsi qu'un collecteur (55) du liquide de lavage en-dessous de la garniture relié à un collecteur (57) de liquide de lavage par l'intermédiaire d'un tube (56) débouchant dans le liquide de lavage à une profondeur supérieure à la hauteur d'eau maximale prévisible correspondant à la pression du fluide à laver, à l'entrée du laveur. 14) Chaudiere selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur (2) entoure le foyer (1).