Brevet FR2514475A1 — publié le 19830415

L'invention est relative à une chaudière de petite puissance pour installations de chauffage. Elle vise plus particulièrement les chaudières à brA- leur axial et à sortie de fumées,axiale ou latérale,utilisable en appartement ou pavillon, seule ou en complément d'une autre source de chaleur,telle que pompe à chaleur, capteur solaire ,ou autres.... Actuellement,ce type de chaudière est construit de la même façon que les chaudières de grandes dimensions ayant une plus grande puissance calorifique,c'est-à-dire sont composées ,soit par des éléments montés assemblés constituant la chambre de combustion et par des tubes d'eau pour l'échange,ensemble volumineux et lourd,soit par des éléments formés et soudés constituant la chambre de combustion et un ou plusieurs ballons avec tubes de fumées,ensemble d'une grande contenance d'eau.De ce fait,elle possède un encombrement encore important,bien supérieur à celui d'une chaudière de même puissance,mais fonctionnant au gaz0 En outre,la masse importante de matière constitutive ou d'eau contenue présente une inertie thermique importante.De ce fait,l'encombrement et cette grande inertie thermi que nuisent au rendement de régulation et sont sources de pertes par rayonnement et par le conduit de fumées. Par ailleurs,du fait de sa construction,ce type de cbaudière est onéreux et difficilement démontable pour l'entretien,de sorte que son rendement baisse dans le temps. Un autre inconvénient des chaudières de ce type provient de l'impossibilité de réduire la température de sortie des fumées sans risquer de favoriser la corrosion par les produits de condensation du soufre contenu dans le carburant,des composants de sa chambre d'échange réalisée en grande partie en tôle.Il en résulte que pour obtenir le transfert calorifique recherché entre l'énergie du brûleur et le ballon d'eau,ltensemble doit fonctionner à une température élevée et qu'une partie substantielle de l'énergie fournie n'est pas cédée par les fumées,ce qui conduit à une perte de rendement thermique. vnfin,par sa construction,le corps de chauffe et le bloc d'échange thermique de la chaudière présentent une inertie thermique invariable,c'est-à-dire ne peuvent pas être adaptés aux besoins de l'installation de chauffage et au type de brûleur ou de régulation utilisés. Pour certaines installatîons,cela contribue à l'obtention de rendements thermiques assez éloignés du rendement optimal et conduit donc à une consommation de carburant inutile. a présente invention a pour but de fournir une chau dière qui,tout en étant de petite dimension,remédie à ces inconvénients ,soit peu onéreuse,facilement démontable pour l'entretien,adaptable à tout type d'installations et possède un rendement optimal. A cet effet,son corps de chauffe est composé,d'une part,d'un tube d'échange enroulé en spirale pour former un serpentin raccordé à une entrée et à une sortie d'eau, serpentin dont l'axe longitudinal est coaxial à celui d'un brûleur et dont les spires sont jointives dans la partie correspondant à la chambre de combustion,mais sont espacées dans la zone d'échange thermique avec les fumées et, d'autre part,d'au moins un élément d'échange qui,intercalé entre au moins deux spires espacées du serpentin,est apte à absorber une partie de l'énergie calorifique des fumées pour la transmettre au serpentin. Cette construction compacte permet d'utiliser au mieux la puissance calorifique du brftleur,tant dans la chambre de combustion, grâce aux spires jointives absorbant la totalité du rayonnement calorifique,que dans la chambre d'échange où l'élément d'échange,traversé par les fumées,et en contact avec le tube du serpentin,récupère une grande partie de la chaleur de cesdernières.Par ailleurs,le recours à un serpentin permet d'adapter,sans grands frais et aisément,la chambre de combustion à la géométrie et à la température de la flamme du brûleur retenu,puisqu'il suffit,lors de la formation de ce serpentin,dtintervenir sur son diamètre et/ou sa longueur.Il est à noter qu'une telle opération est beaucoup moins aisée dans les chau diètes traditionnelles et pratiquement impossible dans le cas de réalisations unitaires,puisqulil faut modifier les moules ou les outillages de fabrication des plaques moulées composant la chambre de combustion. Dans une forme de réalisation de l'invention,la zone d'échange thermique comprend plusieurs éléments d'échanges constitués chacun par un disque turbulateur muni d'une collerette périphérique en spirale s t insérant dans l'intervalle entre deux spires du serpentin et comportant des ouvertures radiales de passage de fumées délimitant des ailettes. Ces disques représentent l'essentiel de la surface d'échange de l'échangeur et transmettent efficacement la chaleur des fumées au tube d'échange du serpentin grace à la bonne conductibilité thermique du contact de leurs ailettes avec ce dernier.rn outre,leur volume et leur épaisseur,donc la masse de matière les constituant,de même que leur nombre et leur disposition,permettent d'ajuster l'inertie thermique de la chambre d'échange aux besoins et; à son utilisation.Ainsi,une grande inertie thermique peut être obtenue,alors même que le tube d'échange possède une faible inertie.De même,cette inertie peut être réduite auminimum,si besoin est,en utilisant des disques de faible épaisseur formés en conséquence. Enfin,du fait de leur forme,et notamment du pas de la spire de leur collerette,de la forme et de la répartition des ailettes radiales,ces disques provoquent une circulation spirale et turbulente des gaz de combustion et améliorent ainsi l'échange thermique.teur géométrie permet d'ajuster les pertes de charge du circuit de fumées à l'inté- rieur de la chambre d'échange suivant la valeur des contrepressions admissibles dans la chambre de combustion et dépendant elles-memes des caractéristiques de fonctionnement du brûleur utilisé, Dans une autre forme d'exécution de l'invention,l'élément d'échange est constitué par une nappe cylindrique de pailles métalliques entrecroisées insérée entre les spires du serpentin ,en contact étroit avec celles-ci et débordant au moins à l'intérieur de ce serpentin,cette nappe étant solidaire d'un fond,de même nature qu'elleobturant le serpentin dans sa partie qui,opposée à la chambre de combustion ,forme sortie des fumées. Cette nappe,dont l'épaisseur et la disposition par rapport au serpentin dépendent également des caractéristiques recherchées pour la chaudière,améliore la surface d'échange des gaz de combustion avec le tube d'échange du serpentin et possède une inertie thermique très faible permettant d'utiliser des brûleurs ne fonctionnant qu'avec une très faible contrepression. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant,à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de cette chaudière0 Figure 1 est une vue en coupe longitudinale montrant une forme d'exécution de cette chaudière lorsque les éléments d'échange sont constitués par des disques, Figure 2 est une vue en perspective montrant,à échelle agrandie,l'un de ces disques Figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une forme d'exécution de la chaudière dans laquelle l'élément d'échange est constitué par une nappe de pailles de fer entre croisées Selon l'invention, le corps de chauffe de la chaudière comprend un tube d'échange 2 enroulé en spirale pour former un serpentin dont l'axe longitudinal x'-x est coaxial à celui du brûleur 3. Ce serpentin ,qui est raccordé à une entrée 4 et à une sortie de fluide 5,pouvant d'ailleurs être inversées,comporte des spires jointives dans la partie correspondant à la chambre de combustion,représentée par la distance C,et des spires espacées dans la partie correspondant à la chambre d'échange ,représentée par la distance E. Il est réalisé en cuivre ou en toute autre matière résistant aux corrosions résultant de la combustion du carburant0 Le corps de chauffe comprend également des éléments d'échange intercalés entre les spires du serpentin. Dans la forme d'exécution représentée aux figures 1 et 2,ces éléments d'échange sont constitués par des disques,désignés de façon générale par 6. Comme montré plus en détail à la figure 2,chacun de ces disques 6 est muni d'une collerette périphérique 7 en spirale de manière à pouvoir s'insérer entre deux des spires consécutives du tube d'échange 2. Cette collerette 7 comporte des ouvertures radiales 8,pénétrant à l'intérieur du disque,délimitant des ailettes radiales 9 et constituant passage de fumées .Les extrémités (7a-7b) de la spire formée par la collerette 7 sont espacées verticalement et latéralement. Elles délimitent une fente radiale 10 débouchant à l'exté- rieur ,pénétrant à l'intérieur du disque et constituant passage de fumées .Chaque disque est réalisé en fonte ou en toute autre matière,métallique ou réfractaire,susceptible de résister à la corrosion et à la température régnant dans la chambre d'échange et de combustion.En outre,dans la forme d'exécution représentée,chaque disque présente, en direction du brûleur,une face concave 11 formant une sorte de voûte assymétrique. L'ensemble du tube d'échange spiralé 2 est disposé à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique 12 qui est séparée par une couche de matériau d'isolation thermique 13,d'une enveloppe cylindrique extérieure 14. L'enveloppe intérieure 12 est solidaire à ses extrémités de deux parois transversales,respectivement 15,munie d'un orifice 16 pour le passage du brûleur 3,et 17.Cette dernière paroi 17 est raccordée à un conduit 18 de sortie des fumées communiquant lui-même avec la tubulure de sortie des fumées qui peut être axiale ou latérale. L'enveloppe extérieure 14 est mu- nie ,à ses extrémités,de parois transversales 19. Dans sa partie comportant les spires jointives,la tubulure d'échange 2 est isolée de l'enveloppe intérieure 12 par une autre couche 20 de matériau d'isolation thermique Avantageusement,le bord périphérique de la collerette 7 de chaque disque vient en contact avec l'enveloppe intérieu re 12 pour assurer un bon centrage du tube spiralé 2 et de l'enveloppe,tout en assurant le calibrage des passages de fumées délimités par les fentes radiales 80 Lorsque la chaudière est en fonctionnement,1e rayonnement calorifique de la flamme 23 du brûleur 3 sollicite directement la partie du tube d'échange 2 ayant des spires jointives et délimitant la chambre de combustion,tandis que les gaz de combustion passent à travers les ailettes 8 du premier disque 6 de la chambre d'échange,ailettes qui leur communiquent un mouvement tnurbillonnaire,aug- mentent la longueur de leur déplacement dans la chambre d'échange C et favorisant les échanges ealorifiques avec le tube d'échange 2.Le nombre de disques et la disposition de ceux-ci sont déterminés en fonction des caractéristiques de la chaudière et notamment de la contrepression acceptable pour le bon fonctionnement du brûleur 3. Pour certaines applications,comme montré aux figures I et 2,chaque disque est traversé dans sa partie centrale par un alésage 24 qui est incliné par rapport à l'axe du disque et excentré par rapport à son centre,de manière à engendrer un mouvement tourbillonnaire axial,comme représenté par les flèches 25 à la figure 1.Dans ces conditions,les différents disques de l'empilage de disques sont décalés angulairement,de manière que les alésages 24 ne soient pas disposés les uns au-dessous des autres. Grâce à ces disques,les gaz de combustion et fumées décrivent un parcours sinueux au cours duquel ils cèdent leur chaleur aux disques et au tube d'échange 2 La chaudière ainsi réalisée présente de nombreux avantages.Ainsi,grâce au recours à un tube d'échange spiralé contenant un volume de fluide thermique bien inférieur à celui d'un ballon traditionnel,l'inertie thermique de ce fluide est considérablement réduite.Par ailleurs, grâce à sa structure générale,cette chaudière présente un encombrement très réduit voisin de celui d'une chaudière traditionnelle à gaz de même puissance .En outre,l'inertie thermique de son corps de chauffe peut être adaptée à tous les cas pouvant être rencontrés,c'est-à-dire être très faible ou très forte ,en intervenant sur le diamètre et la longueur du serpentin (2),sur le nombre des éléments d'échange,de meme que sur la forme,la répartition,l'épaisseur et la matière de ceux-ci. De plus,cette chaudière peut fonctionner avec un haut rendement et à de très basses températures de fumées ,grâce au recours à des matériaux inoxydables ou insensibles à la corrosion pour constituer le tube d'échange 2 et les disques 6,sans que cela intervienne de manière très sensible sur son coût final,compte tenu de la faible quantité de ces matières mises en oeuvre. Enfin,tout en étant de construction très simple,elle peut être facilement démontée pour l'entretien ou le dépannage, est beaucoup moins onéreuse que les chaudières traditionnelles,grâce à une utilisation rationnelle de ses matériaux constitutifs et,par son principe constructif,elle est insensible aux problèmes mécaniques de dilatation qu'elle fonctionne en régime continu ou intermittent. La forme d'exécution représentée à la figure 3 se différencie de la précédente par le fait que l'élément d'échange est constitué par une nappe cylindrique 30 formée par de la paille métallique entrecroisée insérée entre les spires du serpentin. Cette nappe qui,dans la forme représentée,déborde à l'intérieur de la chambre d'échange,peut également déborder à l'extérieur pour venir au contact de l'enveloppe intérieure 12n Cette nappe est solidaire d'un fond 32 constituant le fond de la chambre d'échange et obturant le serpentin dans sa partie opposée à la chambre de combustion.Ainsi,les gaz de combustion provenant de la chambre de combustion C sont obligés de traverser la nappe 30 ou le fond 32 avant de venir au conduit de sortie des fumées.En traversant la paille de fer,ils cèdent à celle-ci une partie de leur pouvoir calorifique qui est alors transmis au tube d'échange 2,en contact intime avec cette paille de fer.Cet élément d'échange 30-32 est tout particulièrement intéressant dans le cas où sont recherchées une très faible inertie thermique de la chambre d'échange et une faible contrepression dans la chambre de combustion. Cette chaudière peut être utilisée en position verticale,comme représentée dans les deux formes d'exécution, ou en position horizontale.Elle peut être utilisée pour élever la température de tout fluide,liquide ou gazeux parcourant le tube d'échange 2 et pour constituer source de chaleur principale ou source d'appoint dans une installation de chauffage. -RETENDICATIONS- 1-Chaudière de petite puissance calorifique pour installations de chauffage du type comportant un brûleur axial (3) et une sortie de fumées (18),axiale ou latérale, caractérisée en ce que son corps de chauffe est Composé, d'une part,d'un tube d'échange (2) enroulé en spirale pour former un serpentin raccordé à une entrée et à une sortie d'eau,serpentin dont l'axe longitudinal (x-x') est coaxial à celui du bru leur (3) et dont les spires sont jointives dans la partie correspondant à la chambre de combustion (C), mais sont espacées dans la zone (2) d'échange thermique avec les fumées et,d'autre part,d'au moins un élément d'échange(6-30) qui,intercalé entre au moins deux spires espacées du serpentin ,est apte à absorber une partie de l'énergie calorifique des fumées pour la transmettre au serpentin. 2-Chaudière selon la revendication 1,caractérisée en ce que le serpentin (2) du corps de chauffe est disposé à l'intérieur d'une enveloppe tubulaire intérieure (12) séparée d'une enveloppe tubulaire extérieure (14) par une couche (13) de matériau d'isolation thermique,ce serpentin (2) étant lui-m8me isolé de l'enveloppe intérieure (12) dans sa partie formant chambre de combustion (C),par une couche (20) de matériau d'isolation thermique0 3-Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,caractérisée en ce que la zone d'échange thermique (C) comprend plusieurs éléments d'échanges constitués chacun par un disque turbulateur (6) muni d'une collerette périphérique en spirale (7) s'insérant dans l'intervalle entre deux spires du serpentin (2) et comportant des ouvertures radiales (8)de passage des fumées délimitant des ailettes (9). 4-Chaudière selon la revendication 3,caractérisée en ce que chaque disque(6)présente en direction du brûleur (7) une face concave (11). 5-Chaudière selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4,caractérisée en ce que les extrémités (7a-7b) de la collerette en spirale (7) du disque (6) délimitent une fente radiale (10) débouchant à l'extérieur et pénétrant à l'intérieur du disques 6-Chaudière selon l'une quelconque des revendications 3 à 5,caractérisée en ce que chaque disque 6) est traversé,dans sa partie centrale,par un alésage (24),incliné et excentré,apte à donner un mouvement tourbillonnaire aux fumées0 7-Chaudière selon les revendications 1 et 2 et l'une quelconque des revendications 3 à 6,caractérîsée en ce que chaque disque turbulateur (6) est en contact,par sa périphérie,avec l'enveloppe intérieure (12) de la chaudière pour assurer le centrage du serpentin t2) et le calibrage des passages de fumées (8-10). 8-Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,caractérisée en ce que l'élément d'échange est constitué par une nappe cylindrique (30) de pailles métalliques entrecroisées insérée entre les spires du serpentin (2),en contact étroit avec celles-ci et débordant au moins à l'intérieur de ce serpentin,cette nappe étant solidaire d'un fond (32),de même nature qu'elle,obturant le serpentin (2) dans sa partie qui,opposée à la chambre de combustion (C),forme sortie des fumées.