Brevet FR2515312A1 — publié le 19830429

"Installation de récupération de chaleur pour chaudière a eau chaude et chaudière à vapeur avec foyer 3 gaz" Dans le cas d'installations de chaudières, il est connu de récupérer une partie de la chaleur évacuée dans les gaz de combustion en prévoyant un appareil de chauffage préalable de l'eau d'alimentation (êcosomiseur), dans le courant des gaz de combustion en aval de la chau dière, De cette manière, une partie de la chaleur des gaz de combustion ou fumées est transmise à l'eau d'alimentation de la chaudière et la température des gaz d'évacuation est ainsi abaissée.Dans ce cas, les gaz d'évacuation ne sont que partiellement refroidis parce que la quantité de chaleur qu'ils contiennent est plusieurs fois supérieure a la capacité d'absorption de chaleur de l'eau d'alimentation. I1 en résulte qu'une proportion encore importante de la chaleur des gaz est évacuée inutilisée dans la cheminée de l'installation. Dans le cas d'appareils de préchauffage de l'eau d'alimentation du type à circuit ouvert, il est nécessaire que l'eau d'alimentation soit dégazée, ce qui a lieu généralement avec un dégazeur a cascade. Dans cet appareil, l'eau d'alimentation s'écoule vers le bas par des cascades et elle est ainsi dégazée par évaporation de vapeur vers le haut. Pour ce dégazage, on utilise soit de la vapeur vive, soit au moins de la vapeur d'évacuation. La température s'élève alors à environ 1080C afin que soit réalisé un dégazage effectif. Par cette opération, la chaleur des gaz d'évacuation ne peut être transmise à l'eau d'alimentation que dans le domaine de température supérieure à 1200C, car, pour assurer cette transmission elle-même, une certaine chute de température est encore nécessaire. Ces conditions limitent la récupération de chaleur à un domaine de température relativement restreint et les gaz vont dans la cheminée avec une quantité de chaleur restante encore considérable. I1 est bien possible de connecter, à la suite de ce réchauffeur d'eau d'alimentation, encore un réchauffeur d'air. Mais, avec le mode de construction fréquemment utilisé pour des chaudières à eau chaude et à vapeur, comme chaudières horizontales à trois circuits, cela aurait pour conséquence que le réchauffeur d'air serait disposé à l'extrémité coté cheminée de la chaudière, de telle sorte que l'air de combustion réchauffé devrait être ramené jusqu'au brûleur, à l'autre extrémité de la chaudière, à une distance non négligeable, nécessitant des conduites d'air de dimensions importantes. I1 en est de même dans le cas ou les gaz d'évacuation de la chaudière sont amenés tout d'abord à un réchauffeur d'air. I1 se produit alors l'inconvénient supplémentaire que le domaine des températures des gaz d'évacuation supérieures à 120 jusqu'à 1600C ne pourrait pas être utilisé parce que l'accroissement de température de l'air de combustion doit être limité à des valeurs inférieures à 1000C (dans des cas particuliers à 1500C) en raison du brûleur monté à la suite. Dans le cas d'une chaudière ayant une pression de 10 bars, on ne peut, de cette manière, récupérer qu'environ 1/3 de la chaleur contenue dans les gaz d ' évacuation. La présente invention a pour but de réaliser une installation de récupération de la chaleur, pour chaudière. a eau chaude ou à vapeur, qui permette, avec un encombrement nécessaire aussi réduit que possible, une utilisation accrue de la valeur calorifique du carburant mis en oeuvre. Dans ce but, l'invention a pour objet une installation de récupération de chaleur caractérisée en ce qu'elle comprend un préchauffeur d'air pour l'air de combustion, qui est constitué comme un échangeur de chaleur gaz-liquide, dont l'arrivée d'eau est raccordée à la partie eau de la chaudière, un organe de commande influençant le débit de courant d'eau étant intercalé dans la conduite de liaison entre la chaudière et le préchauffeur d'air, cet organe étant actionné par un organe de réglage, lequel reçoit ses signaux de réglage d'un régulateur qui présente un palpeur de température dans la conduite d'air de combustion entre le préchauffeur d'air et le brûleur de la chaudière. Au moyen du réchauffeur d'air, qui est alimenté par l'eau de la chaudière, l'air de combustion est préchauffé à une température qui, d'une part est très favorable à la combustion, et qui, d'autre part, protège le brûleur et autres pièces du foyer contre les dégradations thermiques. A travers le réchauffeur d'air, le courant d'eau qui le traverse est refroidi pratiquement jusqu'à la température de l'air extérieur.Dans le parcours qui suit de cette eau à travers le réchauffeur à circulation forcée qui est traversé par les gaz d'évacuation de la chaudière, d'une part, l'eau est réchauffée à une température voisine de sa température d'ébullition et, d'autre part, les gaz sont refroidis à -la température voisine de la température d'entrée de l'eau, c'est-à-dire à labtempérature de l'air extérieur. I1 est ainsi retiré des gaz d'évacuation la totalité de l'énergie thermique, de telle sorte que pratiquement la totalité de la valeur calorifique du carburant mis en oeuvre est utilisée. Le rendement total de la chaudière peut ainsi être accru par rapport aux installations traditionnelles, selon la grandeur et la pression de la chaudière, de quelques pour cent. Du fait que le courant de l'eau dérivé de la chaudière et dirigé à travers le réchauffeur d'air est réglé en dépendance de la température de l'air de combustion réchauffé, cet air de combustion est préchauffé toujours à la méme température la plus favorable de sorte que la combustion dans la chambre du brtleur reste aussi bonne dans toutes les conditions de charge de la chaudière. Mais, en outre, l'importance du courant d'eau dérivé de la chaudière, et ainsi la quantité de chaleur contenue, sont adaptés exactement au besoin de chaleur pour le préchauffage de l'air de combustion. Enfin, on obtient ainsi une quantité de courant d'eau froide dans le réchauffeur à circulation forcée qui correspond à la quantité de courant d'air de combustion et ainsi également à la quantité de gaz d'évacuation. Ce circuit présente donc un comportement de régulation très stable. La disposition de palpeurs de température dans la conduite d'air de combustion réchauffé, et la commande de la quantité de courant d'eau chaude directement avant le réchauffeur d'air présente l'avantage d'un parcours de réglage très court avec un temps de réponse très court ou inversement, un temps mort très court. I1 en résulte que l'ensemble du système s'adapte très rapidement à une charge modifiée de la chaudière, de telle sorte que, même dans le cas de fréquents changements de charge, l'installation de chaudière peut être exploitée avec un rendement optimal presque permanent. L'installation de récupération de chaleur présente encore un autre avantage. Gr ce au-fort refroidissement des gaz d'évacuation jusqu'au voisinage de la température extérieure, la plus grande partie de l'eau contenue sous forme de vapeur dans les gaz est condensée, de sorte que le carburant est un gaz contenant de l'hydrogène. Ce condensat entraîne également avec lui du dioxyde de carbone éventuellement contenu dans les gaz et ce condensat faiblement acide peut entre utilisé pour neutraliser de l'eau alcaline. Cela intervient notamment dans l'industrie des boissons parce qu'elle produit également des eaux d'évacuation alcalines qui doivent être de toute manière amenée à une valeur admissible de pH avec une dépense d'énergie et d'argent qui n'est pas négligeable. Suivant un mode de réalisation, la pompe de circulation prévue dans la conduite de liaison entre la chaudière et le préchauffeur d'air peut être mise en circuit et hors circuit par le régulateur. De cette manière, l'énergie d'entraînement pour la pompe est économisée lorsque, en raison d'une suppression de la charge de la chaudière, l'air de combustion préchauffé et la circulation d'eau ne sont pas nécessaires au moins temporairement. En même temps, la pompe et le moteur sont épargnés. L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé, qui est reproduit en partie schématiquement et en partie comme schéma par blocs. Cette installation de récupération de chaleur fonctionne en commun avec une chaudière à vapeur 1. Mais, de la même manière, elle pourrait être appliquée à une chaudière pour eau chaude et à une chaudière à tubes d'eau. La chaudière à vapeur 1 comprend une partie eau 2 et une partie vapeur 3. Elle est pourvue d'une amenée d'eau d'alimentation 4, qui est raccordee à une installation de préparation d'eau d'alimentation, non représentée. Elle présente en outre une conduite de vapeur 5 d travers laquelle la vapeur est distribuée aux emplacements d'emploi, dans lesquels elle est soit consommée, soit, après abandon de sa chaleur, ramenée en tout ou partie à la chaudière. La chaudière à vapeur 1 présente une chambre à flamme 6 et un faisceau de tuyaux de fumée 7. La chaudière est représentée au dessin, dans un but de simplification, comme chaudière à un seul réseau, mais en réalité, de telles chaudières sont constituées à trois réseaux. Sur l'extrémité de la chambre à flamme 6 qui est opposée au faisceau de tubes à fumée 7 est prévu un brûleur à gaz 8 dont les éléments accessoires tels que l'amenée de gaz carburant et l'organe de commande sont montés dans un boîtier 9. Au faisceau de tubes de fumée 7 se raccorde une conduite de gaz d'évacuation 11 dans laquelle est inséré un réchauffeur à circulation forcée 12, auquel est raccordée une chambre de sortie 13 pourvue d'un raccord d'échappement 14 qui est orienté horizontalement pour être protégé contre la pénétration d'eau de pluie. A l'extrémité inférieure de la chambre de sortie 13 est disposée,en son point le plus bas, une sortie de condensat 15, à travers laquelle est évacué le condensat qui se précipite dans la chambre. Ce condensat est soit évacué avec les autres eaux usées, soit utilisé pour la neutralisation d'eaux usées -alcalines en raison de sa teneur en acide carbonique. En amont du brûleur à gaz 8 est montée une soufflante d'air de combustion 14, qui est entraînée par un moteur électrique. Dans la conduite à air de combustion 17 qui va au brûleur 8, est disposé un organe de commande 18, lequel est actionné par une installation de régulation, montée dans le boîtier 9 ou dans un autre endroit, qui est destinée à régler la quantité du courant d'air de combustion en fonction du besoin du brûleur 8, en dépendance de la charge de la chaudière 1. Dans la conduite d'air de combustion 17, est monté un préchauffeur d'air 19, qui est constitué comme un échangeur de chaleur entre gaz et liquide qui est ali menté avec de l'eau de la chaudière. En conséquence, son arrivée d'eau 21 est reliée, par une conduite 22, à la partie eau 2 de la chaudière 1. Dans cette conduite de liaison 22, est monté un organe de commande 23 avec lequel peut être influencée la quantité d'eau introduite à travers la conduite. Cet organe de commande 23 est actionné par un organe de réglage 24, qui peut être constitué comme un moteur de réglage de position électrique, hydraulique ou pneumatique. L'organe de réglage 24 reçoit ses signaux de réglage d'un régulateur 25, lequel est pourvu d'un palpeur de température 26, qui est disposé dans la conduite d'air de combustion 17, au voisinage du brûleur 8.Dans la conduite de liaison 22 pour l'amenée d'eau chaude au préchauffeur d'air 19, est en outre montée une pompe de circulation 27 qui peut être mise en circuit ou hors circuit suivant les besoins par le régulateur 25. La sortie d'eau 28 du préchauffeur d'air 19 est raccordée à l'entrée d'eau du réchauffeur à courant forcé 12, dont la sortie d'eau 31 est ramenée par une conduite de retour 32, à la chaudière 1 où elle débouche dans sa partie vapeur 3. En fonctionnement de la chaudière 1, l'air de combustion pour le brûleur 8 est aspiré par la soufflante 16 à partir de l'air extérieur, et est refoulé vers le brûleur 8, à travers le préchauffeur d'air 19. L'énergie thermique pour le chauffage de l'air de combustion est prélevée sur l'eau de la chaudière, dont une partie est extraite, comme eau de circulation et introduite dans le préchauffeur d'air 19. Dans le préchauffeur 19, cette eau se trouve refroidie jusqu'à la température de l'air de combustion aspiré, c'est-a-dire jusqu'à une. température voisine de celle de l'air extérieur. Dans le réchauffeur à circulation forcée 12, cette eau en circulation est à nouveau réchauffée jusqu'au voisinage de son point d'ébullition qui dépend de la pression de service de la chaudière à vapeur 1.Dans ce processus, les gaz d'évacuation de la chaudière qui ont été dirigés à travers le réchauffeur à circulation forcée 12 ont été ramenés à une température voisine de la température d'entrée de l'eau, qui correspond sensiblement à la température extérieure. L'eau de circulation réchauffée dans ce réchauffeur à circulation forcée 12 est ramenée dans la chaudière 1, avec la fraction de vapeur qu'elle contient, par la conduite de retour 32. Grâce à cette disposition des divers éléments de l'installation et à leur mode de fonctionnement, il est possible de disposer le réchauffeur d'air 19 à proximité directe du brûleur 8 de sorte que la conduite d'air de combustion de diamètre relativement grand peut être réalisée de très faible longueur.Inversement, le réchauffeur à circulation forcée 12 peut être disposé aussi proche que possible de la sortie des gaz d'évacuation de la chaudière et ces gaz refroidis peuvent être évacués à l'air libre avec un parcours aussi réduit que le permettent les conditions particulières de l'installation. Gracie à cette disposition et au fonctionnement des divers éléments, la conduite de liaison 22 et la conduite de retour d'eau 32, dans lesquelles l'eau de circulation se trouve à une température très élevée et qui par conséquent doivent être pourvues d'une isolation, peuvent être également très courtes. Pour la liaison entre le -préchauffeur d'air 19 et le réchauffeur à circulation forcée 12, il suffit de prévoir une conduite d'eau froide dont la section transversale est considérablement inférieure à la section qui serait nécessaire pour une conduite destinée à de l'air de combustion réchauffé et qui devrait en outre être pourvue d'une isolation thermique.Le parcours de cette conduite d'eau froide peut, d'autre part, être adapté aux conditions locales particulières, beaucoup plus facilement qu'il ne serait possible avec une conduite d'air de grand diamètre.- La description ci-dessus et les revendications qui suivent se rapportent à un foyer de chaudière à gaz parce que, dans ce cas, se rencontrent les moindres difficultés relatives à la condensation des fractions de vapeur d'eau contenues dans les gaz d'évacuation, dans le réchauffeur à circulation forcée et dans la chambre de sortie.Cependant, l'invention est également applicable à des chaudières pour eau chaude ou pour vapeur qui sont chauffées avec des combustibles liquides et/ou solides, dans le cas où leurs gaz d'évacuation ne dégagent pas de produits de condensation ayant un effet de corrosion pour les parties d'installation montées à la suite, ou dans le cas ot les parties d'installation montées à la suite peuvent être constituées, d'une manière économiquement acceptable, en matériaux résistant à la corrosion. Dans le cas où la pression de service de la chaudière est tellement faible que son eau ne se trouve pas à la température désirée pour le réchauffage de l'air, cette eau peut être d'abord dirigée à travers un surchauffeur, monté à l'intérieur ou à l'extérieur de la chaudière dans le courant des gaz d'évacuation du foyer. Au lieu de l'eau chaude de chaudière, dans le sens le plus étroit du terme, il est possible d'amener au préchauffeur d'air, de l'eau d'alimentation n'ayant pas encore traversé la chaudière lorsque celle-ci, lors de son dégazage ou dans un surchauffeur monté à la suite, a atteint la température désirée pour l'entrée dans le préchauffeur d'air. De manière analogue, il est possible d'utiliser, au lieu de l'eau de la chaudière, un condensat qui, dans le cas d'un système à circuit fermé, doit, de toute façon être ramené dans la chaudière, ou qui, dans un système à circuit ouvert, se trouve produit, et qui suivant son état, convient pour le préchauffage de l'air, ou est rendu convenable par exemple par surchauffe. R E~V E N D I C A T I O N S 1 ) Installation de récupération de chaleur pour chaudière à eau chaude ou à vapeur avec foyer à gaz caractérisé en ce qu'elle comprend un préchauffage d'air (19) pour l'air de combustion, qui est constitué comme un échangeur de chaleur gaz-liquide, dont l'arrivée d'eau (21) est raccordée à la partie eau (2) de la chaudière (1), un organe de commande (23) influençant le débit de courant d'eau étant intercalé dans la conduite de liaison (22) entre la chaudière (1) et le préchauffeur d'air (19), cet organe étant actionné par un organe de réglage (24) lequel reçoit ses signaux de réglage d'un régulateur (25) qui présente un palpeur de température (26) dans la conduite d'air de combustion (27) entre le préchauffeur d'air (19) et le brûleur (8) de la chaudière (1), la sortie d'eau (28) du préchauffeur d'air (19) étant raccordée à l'entrée d'eau (29) d'un réchauffeur à circulation forcée (12) qui est traversé par au moins une fraction des gaz d'évacuation de foyer de la chaudière (1), la sortie (31) de ce réchauffeur (12) étant ramenée à la chaudière, et une pompe de circulation (27) étant montée dans la conduite de liaison (22) entre la chaudière (1) et le préchauffeur d'air (19). 20) Installation de récupération de chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe de circulation (27), qui est montée dans la conduite de liaison