Brevet FR2533671A1 — publié le 19840330

La présente invention a trait à un générateur d'eau chaude plus communément appele chaudière et utilisé pour la production d'eau chaude, afin d'en tirer de l'énergie calorifique. A une haute température et à forte pression, cette chaudière produit de la vapeur d'eau afin d'en tirer une plus gran-de énergie calorifique, transformable en énergie mécanique ou en vue autre utilisation industrielle. A cet effet, un échange thermique s'opère entre de l'air, chargé des gaz de combustion provenant du brasier d'un foyer, et de l'eau circulant à l'intérieur d'un échangeur. Cet échange thermique est obt-enu au moyen d'une chambre à feu coopérant- avec l'échangeur contenant l'eau et adoptant de préférence la forme d'un cylindre dans lequel sont agencés - un support-foyer sur lequel reposent les combustibles en ignition, - un conduit d'évacuation assurant le tirage des gaz de combustion, - une arrivée d'air de combustion apportant l'oxygène nécessaire à la combustion du foyer, - une alimentation en combustibles destinée à approvisionner le foyer, - un cendrier pour l'évacuation des déchets de la combustion, situé sous le support-foyer. Le foyer d'une telle chaudière fonctionne de la maniere suivante. L'air portant l'oxygène nécessaire à la combustion pénètre dans le foyer par dessous le brasier, et les gaz brûlées, constitués par ce qui reste d'air et par les produits de la combustion, sont dirigés à travers le brasier, vers le conduit d'évacuation. Ces gaz brûlés pénètrent ensuite dans une chambre dite à fumée comportant l'échangeur afin de réchauffer l'eau circulant à l'intérieur, avant d'être déversés dans l'atmosphè- re9 via une cheminée. A la suite du perfectionnement de la technologie des métaux et de la rationalisation de l'utilisation de la chaleur produite par les combustibles, les chaudières modernes produisent sans difficultés d l'eau chaude ou de la vapeur d'eau à une pression très élevée, ceci sous le contrôle d'appareils de sécurité (soupape), d'appareils de contrôle (manomètre, thermomètre, indicateurs de niveau), d'appareils d'analyse des fumées qui assurent le bon déroulement de la combustion. Ce déroulement est souvent perturbé à l'intérieur de la chambre à feu au niveau du support-foyer. En effet, les orifices de ce dernier, qui est constitué généralement d'une grille, ont tendance à être encombrés par les déchets de la combustion et à hêtre souvent colmatés par le mâchefer résultant de la combustion du combustible. Ce problème est d'autant plus remarquable lorsque la chaudière est alimentée en combustibles fragmentaires (granulés, paille, pellets, déchets, etc...). On comprend dès lors que le passage de l'air de combustion sous le foyer à travers le brasier est gene par l'obstruction de ces orifices. Il en résulte alors une perturbation notable des courants de tirage engendrés dans le conduit d'évacuation pour assurer une bonne combustion du foyer, perturbation qui influence de manière négative le rendement de la chaudière. Faisant le bilan de cet état de fait, le demandeur a imaginé un support-foyer mobile faisant évoluer les combustibles entre leur alimentation et le cendrier, sans opposer de résistance mécanique au passage des gaz de combustion. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le susdit support-foyer mobile est formé d'un treillis en métal réfractaire insensible aux températures généralement relevées dans cette chaudière, treillis adoptant la forme d'une bande sans fin tendue entre deux rouleaux dont l'un est moteur et l'autre de renvoi. Ainsi, la vitesse de rotation du rouleau moteur, commandée par des moyens d'entralnement appropriés, détermine la vitesse de défilement de la bande sans fin et, par voie de conséquence, la vitesse d'avancement des combustibles entre leur alimentation et l-eur rejet dans le cendrier.En outre, l'utilisation d'un treillis en métal réfractaire présente de grands avantages, et parmi ceux-ci - un banc de combustion régulier sur toute la longueur de la bande supérieure porteuse des combustibles et tendue entre les deux rouleaux, - une grande surface porteuse des combustibles en ignition, - un dégagement total des déchets de la combustion, y compris les mâchefers pouvant s'introduire dans les mailles du treillis, lorsque ce dernier aborde la ligne courbe autour du rouleau moteur. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, l'arrivée d'air de combustion est située à l'extrémité de la bande sans fin où les déchets de la combustion tombent dans le cendrier. Le demandeur a en effet constaté que l'avancement des combustibles en ignition à contre-courant du flux d'air de combustion donnait une combustion de meilleure qualité. La diffusion de l'air de combustion à travers le foyer peut être améliorée en bordant le susdit treillis de deux gaines, s'étendant également sur toute la largeur de la bande sans fin et connectées en entrée à la susdite arrivée d'air de combustion. Des lumières ménagées le long des deux gaines dans leurs parois situées entre les deux bandes inférieure et supérieure font diffuser l'air de combustion . latéralement sur toute la longueur de la bande sans fin, sous la bande supérieure porteuse. Bien évidemment, cette admission latérale d'air de combustion par rapport à la bande sans fin peut être facilement combinée avec une admission selon une direction longitudinale, comme cela est décrit un peu plus loin dans la description appuyée sur les dessins. De meme, le bordage du treillis par ces deux gaines permet d'éviter un débordement des combustibles sur les côtés. Avantageusement, ce problème de débordement est complètement résolu en disposant des flasques inclinés par rapport aux plans desdites bordures que forment ces gaines et articulés dans des plans inclines par rapport à l'horizontale. Ces fiasques ont pour rôle d'éviter une accumulation de combustibles sur les bords du treillis. Afin de faciliter le montage, le démontage, et l'entretien du susdit support-foyer mobile ce dernier, comprenant l'ensem- ble de la bande sans fin et les gaines, est avantageusement monté amovible à l'intérieur de la chambre à feu. De plus, le fonctionnement de la chaudière de l'invention peut être automatisé en coordonnant la vitesse de défilement de la bande sans fin, la quantité de combustibles fournis par leur alimentation et le volume d'air de combustion admis par son arrivée, ceci dans le but d'assurer une bonne combustion du foyer, en fonction des courants de tirage engendrés dans le conduit d'évacuation et nécessaires au réchauffement de ltéchan- geur dans lequel circule l'eau dont on désire élever le degré de température. Les caractéristiques et les avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui suint d'un exemple de réalisatíon concrète, choisi pour Illustrer les concepts fondamentaux de l'invention mais nullement limitatif de ses nombreuses variantes d'exécution et d'ap plicatior. Cette description est annexée de dessins sur lesquels - la figure 1 est une vue en -perspective partiellement écorchée d'une chaudière conforme à la présente invention. - la figure 2 est une vue en perspective d'un détail du dessin de la figure l. Cette chaudière, référencée 1 dans son ensemble et illus trée à la figure 1, comprend classiquement une chambre à feu la a cylindrique coopérant avec une deuxième chambre lb surmontant la première et débouchant dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'une cheminée 2. La chambre lb, dite chambre à fumée, est parcourue par les gaz brûlés formés dans la chambre à feu 1 et admis par un a conduit 3, dit d'évacuation desdits gaz. Ces derniers, dont le parcours est illustré par des flèches noires G, réchauffent à l'intérieur de la chambre à fumée lb un échangeur 4 constitué d'un faisceau tubulaire dans lequel circule de l'eau dont le circuit est symbolisé par les flèches E. Ainsi, une transmission de chaleur s'effectue des gaz G à l'eau E évoluant à l'intérieur de l'échangeur 4, ceci à travers les parois de ce dernier. Ce type de chaudière dite "à tubes horizontaux" a été choisie et représentée dans sa conception la plus simple, afin d1 illustrer dans son ensemble le fonctionnement d'une chaudière et de mieux mettre en évidence les caractéristiques de l'invention. A l'intérieur de la chambre à feu cylindrique 1 , est installé le foyer de la chaudière 1, foyer qui produit les gaz nécessaires au réchauffement de l'eau E circulant dans 1' échan- geur 4. Ce foyer est mis en oeuvre par l'arrangement et la combinaison des organes suivants - un support-foyer 5 sur lequel reposent des combustibles fragmentaires 6 (paille, déchets, pellets, granulés, etc...), - une arrivée d'air de combustion, dont le parcours dans la chambre à feu 1 est symbolisé par les flèches blanches A, pour a apporter 1' oxygène nécessaire à la combustion des combustibles 6, - le conduit d'évacuation 3, évoqué ci-dessus et qui est prolongé par l'enceinte de la chambre à fumée lb pour communiquer dans l'atmosphère via la cheminée 2,- ensemble assurant le tirage des gaz de combustion G de façon à ce que le foyer reçoive sans cesse de l'air frais A, - une alimentation en combustibles 6 au moyen d'un conduit d'amenée 7, à des fins d'ap-provisi-onnement du foyer, - un cendrier 8 pour l'évacuation et la récupération des déchets de la combustion. Le principe, connu, de fonctionnement de la chaudière 1 équipée des organes ci-dessus énumérés ne sera pas rappelle ci-après car il a déjà été décrit au début du présent mémoire. Seules les caractéristiques originales de mise en oeuvre de l'invention seront détaillées ci-après pour mieux mettre en lumière leurs avantages. Selon une caractéristique principale de l'invention, le support-foyer 5 est mobile et constitué à cet effet d'un treillis en métal réfractaire 9, adoptant la forme d'une bande sans fin tendue entre deux rouleaux dont l'un 9 est moteur et l'au a tre 9 de renvoi. Ainsi, la rotation du rouleau 9 (flèche R) b a commandée par un moteur l & via un engrenage 10 , entraîne un a défilement (flèche D) de la bande sans fin 9, depuis l'alimentation 7 vers le rejet des combustibles 6 dans le cendrier 8.Ce défilement D de la bande 9 assure un déplacement des combustibles de leur alimentation jusqu'à leur rejet et permet notamment comme on l'a dit au début du présent mémoire - un banc de combustion régulier par l'admission d'air frais A dont la régulation sera détaillée un peu plus loin, - une grande surface de combustion que forme la bande supérieure porteuse des combustibles 6, - un dégagement total des déchets de la combustion, y compris des mâchefers pouvant s'introduire dans les mailles du treillis, dégagement coopérant lorsque la bande sans fin 9 amorce la ligne courbe du rouleau moteur 9 a Ce dégagement sera mieux compris en se reportant au dessin de la figure 2 qui représente le rouleau 9 et une partie de la a bande sans fin 9. Selon une- caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la bande sans fin 9 est bordée dans sa partie supérieure par deux gaines il a et 11 , s'étendant également sur toute la largeur de la bande 9 et connectées en entrée à la susdite arrivée d'air de combustion A. La circulation de cet air A à l'intérieur de la chambre à feu 1 est forcée par un venti a lateur 12 dont l'objectif est de propulser ledit air sur la bande 9 selon deux directions. L'une est longitudinale et s'opère directement à travers les ouvertures d'une grille 13 située entre les deux entrées des deux gaines il et il et l'autre est a b latérale au moyen desdites gaines.A cet effet, des lumières 14 a et 14b' ménagées le long des deux gaines il a et llb dans leurs parois situées entre les deux bandes inférieure et supérieure, permettent de diffuser latéralement l'air de combustion A à travers toute la surface de la bande supérieure porteuse des combustibles 6. On comprend dès lors que la combustion et le tirage en seront d'autant plus facilités. Afin d'obtenir une bonne répartition du volume d'air de combustion A d'une part, entre les gaines il et a 11b et, d'autre part, à travers la grille 13, un volet de réglage peut être placé dans l'ourle de sortie du ventilateur 12 pour moduler les différents flux d'air. Avantageusement, les parois intérieures des gaines il et a 11b bordant la bande 9 sont munies de flasques respectivement 15 a et l5b, inclinés par rapport aux plans desdites bordures pour éviter l'accumulation de combustibles sur les bords de la bande 9, et articulés (flèches à double sens F) dans des plans inclinés par rapport à l'horizontale pour supporter les tressautements de ladite bande. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, le fonctionnement de cette chaudière peut être automatisé. Pour ce faire, la rotation R du rouleau 9 que commande le moteur 10 et a qui assure le défilement D de la bande 9, la quantité de combustibles 6 approvisionnés par leur alimentation 7 et le volume d'air de combustion A fourni par le ventilateur 12 selon une direction longitudinale et/ou latérale sur la bande 9, sont coordonnés, dans le but d'assurer une bonne combustion du foyer, en fonction des courants de tirage G engendrés dans le conduit 3, dans la chambre à fumée 1b et dans la cheminée 2. La production des gaz brûlés G servant au réchauffement de l'echangeur 4 et à l'élévation de la température de l'eau circulant à l'inte- rieur, peut être asservie électroniquement par un circulateur et par une sonde de température installés sur le faisceau 4, en fonction du degré que l'on désire obtenir en sortie. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes d'exécution, sans pour cela sortir du cadre de lXinvention. L'invention possède un vaste domaine d'applications industrielles et notamment comme il est dit au début -du présent mémoire, elle s'applique à la production d'eau chaude afin d'en tirer de l'énergie calorifique, transformable éventuellement en énergie mécanique ou en vue d'une autre utilisation industrielle. R E V E N D I C A T I O N S 1. Chaudiere dans laquelle un échange thermique est opéré entre de l'air chargé des gaz de combustion provenant du brasier d'un foyer et de l'eau circulant à l'intérieur d'un échangeur, à des fins de production d'eau chaude, ledit échange thermique étant obtenu au moyen d'une chambre à feu coopérant avec l'échangeur contenant l'eau et adoptant de préférence la forme d'un cylindre dans lequel sont agencés - un support-foyer sur lequel reposent des combustibles en ignition, - un conduit d'évacuation assurant le tirage des gaz de combustion, - une arrivée d'air de combustion, - une alimentation en combustibles, - un cendrier pour l'évacuation des déchets de la combustion, situe sous le support-foyer, ladite chaudière étant CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit support-foyer est mobile et fait évoluer les combustibles entre leur alimentation et leur rejet dans le cendrier. 2. Chaudière selon la revendication 1, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit support-foyer mobile est formé d'un treillis en métal refractaire, adoptant la forme d'une bande sans fin tendue entre deux rouleaux dont l'un est moteur et l'autre de renvoi. 3. Chaudière selon la revendication 1, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE l'arrivée d'air de combustion est située à l'extrémité de la bande sans fin où les déchets de la combustion tombent dans le cendrier. 4. Chaudière selon la revendication 1, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit treillis est bordé le long de ses deux côtés longitudinaux. 5. Chaudière selon les revendications 1, 2, 3 et 4 prises ensemble, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit treillis est bordé par deux gaines, -s'étendant également sur toute la largeur de la bande sans fin et connectes en entrée à la susdite arri vée d ' air de combustion, afin de faire diffuser ce dernier latéralement à travers toute la surface de la bande supérieure porteuse des cbustibles, ceci au moyen de lumières ménagées le long de deux gaines dans leur paroi située entre les deux bandes inférieure et supérieure. 6. Chaudière selon les revendications 2, 4 et 5, CARACTERI SEE PAR LE FAIT QUE les bordures du treillis sont munies de flasques inclinés par rapport aux plans desdites bordures et articulés dans des plans inclinés par rapport à l'horizontale, afin de répartir les combustibles sur la surface du treillis en évitant une accumulation de ceux-ci sur ses bords. 7. Chaudière selon les revendications 1 à 6 prises ensemble, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit support-foyer mobile est monté amovible à l'intérieur de la chambre a feu. 8. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la vitesse de défilement de la bande sans fin, la quantité de combustibles fournie par leur alimentation et le volume d'air de combustion admis par son arrivée sont coordonnés, dans le but d'assurer une bonne combustion du foyer, en fonction des courants de tirage engendrés dans le conduit d'évacuation et nécessaires au réchauff ement de l'échangeur dans lequel circule l'eau dont on désire élever le degré de temperature. 9. Chaudière selon les revendications 3 et 5, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la susdite arrivé d'air de combustion alimente la bande sans fin d'une part, longitudinalement et d'autr-e part, latéralement par l'intermédiaire des deux gaines et, PAR LE FAIT QU'un volet réglable module les volumes d1air de combustion admis longitudinalement et/ou latéralement.