Brevet FR2515320A1 — publié le 19830429

Perfectionnements aux dispositifs pour récupérer des calories des fumées sortant des chaudières à gaz. L'invention est relative aux dispositifs pour récupérer certaines des calories résiduelles contenues dans les fumées qui sortent d'une chaudière à gaz après avoir cédé la plus grande partie de leurs calories à un courant d'eau entraversant verticalement de bas en haut un échangeur de chaleur - appelé échangeur "principal" dans la suite - lui-même parcouru par ce courant d'eau. Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, le cas où l'échangeur principal est cons titué par une structure relativement plate et mince s' étendant horizontalement, parcourue horizontalement par l'eau à chauffer, et présentant une faible résistance à sa traversée verticale par les gaz, ladite structure étant elle-même de préférence constituée par un serpentin horizontal parcouru par 1 1eau à chauffer et composé de différents brins rectilignes paralleles raccordés entre eux par des coudes semi-circulaires, ces brins rectilignes étant eux-mêmes entretoisés par des plaques verticales parallèles en métal conducteur formant ailettes. On sait que le courant ascendant de fumées quittant un tel échangeur principal contient de l'eau sous forme de vapeur, vu sa température relativement élevée, généralement comprise entre 100 et 2000C. Lorsque ces fumées sont refroidies au-dessous de la température de rosée - généralement de l'ordre de 600C - à laquelle l'eau commence à se condenser dans celles-ci, elles cèdent les calories qui ont été utilisées pour vaporiser cette eau, c'est-à-dire sa chaleur latente de vaporisation. I1 a déjà été proposé de récupérer ces calories en faisant traverser par les fumées à refroidir un échangeur auxiliaire. Mais les modes de réalisation proposés jusqu' à ce jour pour de tels échangeurs auxiliaires présentaient un certain nombre d'inconvénients et en particulier les suivants - du fait de la perte de charge subie par les fumées en traversant un tel échangeur auxiliaire, il était nécessaire de prévoir un appareil spécial d'extraction mécanique pour évacuer ces fumées après leur avoir fait traverser cet échangeur, - la collecte de l'eau de condensation formée sur ledit échangeur posait des problèmes du fait que cette eau ne doit pas retomber sur cet échangeur principal et, à travers lui, sur les flammes du foyer de la chaudière et que ledit échangeur est destiné à refroidir les fumées sortant de l'échangeur principal, c'est-à-dire circulant juste au-dessus de ce dernier. L'invention a pour but, surtout, de supprimer ces inconvénients et en outre, dans des réalisations préférées, de simplifier la construction et la maintenance des dispositifs de récupération considérés. A cet effet, les dispositifs- de récupération en question selon l'invention sont essentiellement caractérisés en ce que leur échangeur auxiliaire est constitué par une structure relativement plate et mince présentant une faible résistance à sa traversée par les gaz perpendiculairement à son plan moyen, ladite structure étant orientée de façon telle que son plan moyen soit incliné sur la verticale d'un angle inférieur à 45" et de préférence nul et étant disposée à l'aplomb d'une plage de réception d'eau de condensation écartée horizontalement de l'échangeur principal. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des disposi tions suivantes - I'échangeur. auxiliaire est constitué par une structure identique à celle de l'échangeur principal, - l'échangeur auxiliaire est constitué par deux structures identiques à celle de l'échangeur principal, - l'échangeur auxiliaire est constitué par un serpentin dont les différents brins rectilignes parallèles sont entretoisés entre eux par des plaques parallèles formant ailettes, - un caisson est prévu pour recueillir les fumées sortant verticalement vers le haut de l'échangeur principal et pour les rabattre horizontalement de façon à les introduire dans 11 échangeur auxiliaire perpendiculairement à son plan moyen, - le caisson de guidage des fumées compris entre la sortie de l'échangeur principal et l'entrée de l'échangeur auxiliaire est subdivisé en plusieurs couloirs parallèles par des cloisons intermédiaires de façon telle que les fumées à refroidir soient réparties sur l'ensemble de la surface d'entrée de l'échangeur auxiliaire, - le nombre des cloisons intermédiaires est égal à deux, ce qui définit trois couloirs contigus pour les fumées, - un caisson est prévu en aval de l'échangeur auxiliaire pour orienter vers le haut les fumées sortant de cet échangeur et pour les guider jusqu'à une embouchure supérieure de ce caisson, - l'ensemble constitué par l'échangeur auxiliaire et par les deux caissons propres à guider les fumées respectivement en amont et en aval de cet échangeur forme un tout indépendant susceptible d'être monté sur le dessus d'une chaudière classique libérée de son anti refouler. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en mime temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode dé réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, montre en coupe verticale un dispositif de récupération de calories établi conformément à l'invention. La figure 2 est un schéma explicatif. D'une façon connue en soi, la chaudière à gaz à équiper comprend un corps de chauffe 1 dont la partie supérieure est occupée par un échangeur de calories 2 désigné dans la suite par l'expression "échangeur principal". Cet échangeur présente la forme générale d'un treillis rectangulaire horizontal relativement plat et mince parcouru horizontalement par de 1 'eau à chauffer et offrant une faible résistance à sa traversée par le courant gazeux vertiaal ascendant des produits de combustion ou '-'fumées" F de la chaudière. I1 est avantageusement constitué par un "bloc à ailettes"1 c'est-à-dire par un serpentin 3 parcouru par l'eau à chauffer, composé d'une pluralité de brins parallèles rectilignes raccordés entre eux par des coudes semi-circulaires et entretoisés par des plaques verticales parallèles 4 formant ailettes. Ce sont les fumées F s'échappant verticalement du dessus de cet échangeur 2 que l'on se propose de refroidir selon l'invention en vue de récupérer une partie appréciable des calories résiduelles qu'elles en traient. A cet effet l'on a recours, selon l'invention, à un second échangeur de calories 5, ou échangeur "auxiliaire", présentant la forme générale d'un treillis relativement plat et mince parcouru par de l'eau à préchauffer, selon une trajectoire parallèle à son plan moyen, dans un circuit étanche approprié, et offrant une faible résistance à sa traversée par les gaz selon la direction perpendiculaire audit plan moyen. En d'autres termes, les gaz traversant cet échangeur dans cette direction perpendiculaire au plan moyen de l'échangeur, c'est-à-dire dans la direction de la plus petite dimension ou "épaisseur" dudit échangeur, ne subissent qu'une faible perte de charge lors de cette traversée. I1 est à noter que, dans les échangeurs auxiliaires en question, tout comme dans les échangeurs principaux cidessus décrits, les directions de cheminement empruntées respectivement par les deux fluides participant à l'échange (fumées et eau) sont "croisées", c'est-à-dire perpendiculaires entre elles, au lieu d'être parallèles entre elles et de sens opposés comme c'est le cas pour les échanges à contre-courant. Bien que ce ne soit pas indispensable, il est particulièrement avantageux de constituer l'échangeur auxiliaire de la même façon que l'échangeur principal, et en particulier par un serpentin 6 parcouru par l'eau à préchauffer et dont les brins rectilignes parallèles sont raccordés entre eux par des coudes semi-circulaires et entretoisés par des plaques parallèles 7 en métal conducteur formant ailettes. Ces deux échangeurs principal 2 et auxiliaire 5 peuvent même être totalement identiques entre eux. On oriente le plan moyen de l'échangeur auxiliaire 5 selon une direction inclinée sur la verticale d'un angle au plus égal à 450, cet angle pouvant être nul, comme dans le mode de réalisation illustré. Par ailleurs, on dispose ledit échangeur auxiliaire horizontalement à l'écart de l'échangeur principal 2 et de façon telle que sa base soit située sensiblement au même niveau que cet échangeur principal. On prévoit en outre - un premier caisson 8 pour recevoir les fumées F sortant verticalement de l'échangeur 2, au-dessus de celuici, et pour rabattre leur trajectoire de façon à les envoyer sur l'échangeur auxiliaire 5 selon une direction horizontale ou tout au moins perpendiculaire au plan moyen de cet échangeur, - et un second caisson 9 pour recevoir les fumées sortant de cet échangeur 5 et pour redresser leur trajectoire de façon à les guider vers une embouchure supérieure 10 orientée vers le haut L'extrémité inférieure amont du premier caisson 8 est agencée de façon à pouvoir être facilement montée sur le sommet du corps de chauffe l,par exemple par emboitement et boulonnage,et l'extrémité supérieure aval du second caisson 9 est agencée de façon à pouvoir être facilement raccordée à une cheminée d'évacuation par l'interme- diaire d'un coupe-tirage ou antirefouleur de type habituel. Le caisson 9 peut lui-même être agencé de la mani ère habituelle en un pot de purge destiné à recueillir les condensats résiduels qui peuvent se former dans la cheminée. Pour assurer un balayage relativement uniforme de la face d'entrée de l'échangeur auxiliaire 5 par les fumées F qui doivent le traverser,on divise avantageusement le premier caisson en plusieurs couloirs voisins à l'aide de cloisons 11. Ces cloisons sont de préférence constituées par des tôles planes inclinées et prolongées à leur extrémité inférieure par un pan amont 111 vertical et à leur extrémité supérieure par un pan aval 112 horizontal ou sensiblement horizontal. Le nombre des couloirs ainsi délimités est avantageusement de trois comme illustré, mais il pourrait être plus petit ou plus grand selon les besoins. Au dessous de l'échangeur auxiliaire 5 s'étend une auge 12 propre à recueillir par gravité les condensats formés sur cet échangeur par le refroidissement des fumées qui le traversent : dans le mode de réalisation illustré pour lequel l'échangeur est orienté verticalement, cette auge 12 est relativement étroite. Comme visible sur la figure 2, la chaudière considérée est généralement destinée à chauffer de l'eau circulant dans un circuit fermé de chauffage central comprenant, outre des tuyauteries de raccordement 13, une pompe de circulation 14, des éléments chauffants 15 tels que des planchers chauffants ou des radiateurs, et les deux échangeurs cirdessus. L'ordre de traversée de ces échangeurs par l'eau de retour de chauffage est d'abord l'échangeur auxiliaire 5 et ensuite l'échangeur principal 2. Cette eau revient des éléments chauffants 15 à une température relativement basse, notamment de l'ordre de 20 à 400C, alors que la température des fumées F a refroidir parvenant à l'échangeur auxiliaire 5 est généralement encore supérieure à 1000C. Le contact de ces fumées encore chaudes avec les surfaces métalliques relativement froides de l'échangeur 5 a pour effet de refroidir lesdites fumées jusqu'a la température de rosée, ce qui condense la vapeur d'eau contenue dans ces fumées sur lesdites surfaces,en cédant à ces surfaces la chaleur latente de oondensation de cette vapeur. L'eau qui circule dans l'échangeur S est ainsi efficacement préchauffée et le rendement global de la chaudière en est sensiblement augmenté, ce qui permet des économies d'énergie. Le dispositif de récupération de calories décrit ci-dessus présente en outre un certain nombre d'avantages par rapport à ceux antérieurement connus,en particulier les suivants - en raison de la très faible perte de charge subie par les fumées à refroidir lors de leur traversée de l'échangeur auxiliaire, il est inutile de prévoir un extracteur spécial tel qu'un ventilateur pour évacuer ces fumées, le tirage naturel suffisant à cet effet c'est là un avantage important de la présente invention, - comme l'échangeur auxiliaire est horizontalement écarté de l'échangeur principal, il n'y a aucun risque que de l'eau de condensation formée sur cet échangeur auxiliaire par le refroidissement des fumées tombe par gravité sur l'échangeur principal et, à travers lui, sur les flammes, - dans le cas où,comme illustré, l'échangeur auxiliaire est orienté verticalement, l'auge de collecte de cette eau de condensation peut être très étroite vu la faible dimension horizontale globale que. présente alors cet échangeur, - le dispositif de récupération considéré peut être très facilement adapté sur les chaudières existantes, sans modification de celles-ci ; il peut donc être considéré comme un "accessoire" particulièrement intéressant de ces chaudières, proposable en option aux acheteurs de celles-ci, - dans les modes de réalisation où l'échangeur auxiliaire est constitué par une structure identique à celle constitutive de l'échangeur principal, les problèmes de fabrication et de maintenance sont considérablement simplifiés. Comme il va de soi,et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment - celles où l'échangeur auxiliaire serait constitué par deux unités identiques à celle constitutive de l'é- changeur principal, ces deux unités étant disposées latéralement l'une à côté de l'autre,ou verticalement l'une au-dessus de l'autre, ou encore parallèlement l'une à l'autre de façon à être traversées l'une après l'autre par les fumées à refroidir, - celles où l'échangeur auxiliaire serait constitué selon le même principe que l'échangeur principal, mais avec une surface d'échange différente, par exemple su périeure, - celles où l'échangeur auxiliaire serait constitué encore par une structure relativement plate et mince offrant une faible résistance à sa traversée par un gaz perpendiculairement à son plan moyen, mais construit autrement que l'échangeur principal, - celles où le plan moyen de l'échangeur auxiliaire serait incliné sur la verticale, dans l'un ou l'autre sens, le sommet de cet échangeur pouvant être horizontalement plus proche ou plus éloigné que sa base de 1' échangeur principal. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour récupérer certaines des calories résiduelles contenues dans les fumées (F) qui sortent d'une chaudière à gaz après traversée verticale d'un échangeur de chaleur principal (2),comportant un échangeur auxiliaire monté de façon à être traversé par lesdites fumées, caractérisé en ce que son échangeur auxiliaire (5) est constitué par une structure relativement plate et mince présentant une faible résistance à sa traversée par les gaz perpendiculairement à son plan moyen, ladite structure étant orientée de façon telle que son plan moyen soit incliné sur la e verticale d'un angle inférieur à 450 et étant disposée à l'aplomb d'une plage de réception (12) d'eau de condensation écartée horizontalement de l'échangeur principal. 2. Dispositif de récupération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan moyen de l'é- changeur auxiliaire est vertical. 3. Dispositif de récupération selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ltéchangeur auxiliaire (5) est constitué par une structure identique à celle de l'échangeur principal (1). 4. Dispositif de récupération selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce l'échangeur auxiliaire (5) est constitué par deux structures identiques à celle de l'échangeur principal (1). 5. Dispositif de récupération selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'échangeur auxiliaire (5) est constitué par un serpentin (6) dont les différents brins rectilignes parallèles sont entretoisés entre eux par des plaques parallèles (7) formant ailettes. 6. Dispositif de récupération selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'un caisson (8) est prévu pour recueillir les fumées sortant verticalement vers le haut de l'échangeur principal (1) et pour les rabattre horizontalement de façon à les introduire dans l'échangeur auxiliaire (5) perpendiculairement à son plan moyen. 7. Dispositif de récupération selon la revendication 6, caractérisé en ce que le caisson (8) de guidage des fumées compris entre la sortie de l'échangeur principal et l'entrée de l'échangeur auxiliaire est subdivisé en plusieurs couloirs parallèles par des cloisons intermédiaires (11) de façon telle que les fumées à refroidir soient réparties sur l'ensemble de la surface d'entrée de l'échangeur auxiliaire (5). 8. Dispositif de récupération selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre des cloisons intermédiaires (11) est égal à deux, ce qui définit trois couloirs contigus pour les fumées. 9. Dispositif de récupération selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'un caisson (9) est prévu en aval de l'échangeur auxiliaire (5) pour orienter vers le haut les fumées sortant de cet échangeur et pour les guider jusqu'à une embouchure supérieure (10) de ce caisson. 10. Dispositif de récupération selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 et la revendication 9, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par l'échan- geur auxiliaire (5) et par les deux caissons (8,9) propres à guider les fumées respectivement en amont et en aval de cet échangeur forme un tout indépendant susceptible d'être monté sur le dessus d'une chaudière classique libérée de son antirefouleur.