Brevet FR2525745A1 — publié le 19831028

La présente invention se rapporte à un générateur formant chaudière à condensation en particulier pour le chauffage d'eau chaude sanitaire ou le chauffage central. De façon générale, le générateur conforme à l'invention est du type comprenant un brûleur à gaz placé à la partie supérieure de la chaudière, au moins un échangeur formé d'une nappe de tubes placés en-dessous, au moins un récupérateur de chaleur à condensation des fumées placé sur le circuit d'échappement des fumées, et un circuit d'éjection des fumées à l'atmosphère. Les demandeurs ont déjà décrit, au Certificat d'Addition 78 17480 du 12 juin 1978 (numéro de publication 2 428 795), un générateur de chaleur du type général susmentionné. L'objet de la présente invention est de perfectionner ce genre de générateurs en modifiant essentiellement la chambre de combustion à la partie supérieure de laquelle est disposé un brûleur approprié permettant, par rapport au générateur de la génération précédente, de - rendre la chaudière plus compacte en abaissant notablement la hauteur de la chambre de combustion, - faciliter la construction et l'assemblage du générateur, - augmenter la fiabilité de fonctionnement du générateur, - augmenter le rendement de fonctionnement, plus particulièrement en régime habituel d'utilisation, - rendre la fabrication plus économique en permettant notamment l'utilisation de piècesde construction courante. A cet effet, et conformément à l'invention, le foyer de la chaudière qui est en pression comporte a sa partie haute, entourant les flammes de combustion sortant du brûleur, et le long de chaque paroi interne du foyer, un rideau de tubes superposés parcourus par le fluide caloporteur provenant de l'dchan- geur de chaleur placé sur le circuit des produits de combustion. De cette façon, une grande quantité de la chaleur des produits de combustion est récupérée par ces tubes placé au-dessus de l'échangeur, ce qui permet de réduire à puissance égale le volume de l'échangeur et d'abaisser notablement la hauteur de la chambre de combustion. Selon une autre caractéristique importante de 'invention, le brûleur est du type à prémélange air/gaz comportant une boîte dont la partie inférieure est en céramique perforée s'étendant sur sensiblement toute la surface supérieure du foyer et dont la paroi supérieure est inclinée allant en se rétrécis- sant iorsqu'on s'éloigne de l'entrée d'admission du mélange combustible/comburant. En utilisant un tel brûleur de type nouveau, on obtient à la partie supérieure de la chambre un volume de flammes courtes bien stabilisées parfaitement adaptées au fonctionnement du nouveau foyer avec possibilité de fonctionnement dans toutes les positions. D'autres caractéristiques, objers et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement l'aide de la description qui va suivre, faite en leferenc- aux dessins annexés dans lesquels - la figure I montre t", que schématique un générateur de chialeur formant chaudière à condensation conforme à l'invention la la figure 2 montre en coupe-élévation et plus en détail une chaudière construite selon l'invention - la figure 3 montre schématiquement le brûleur utilisé en partie haute de la chaudiere et son alimentation ;; - la figure 4 montre en coupe et schématiquement la conformation ou brûleur - ia fleure o montre une plaquette unitaire en céramique utilisée pour constituer le brûleur - la figure 6 montre en vue perspective avec arrachement comment est constituée la partie inférieure du brûleur ; - la figure 7 montre en coupe la face inférieure du brûleur ; - la figure 8 montre, comme la figure 2, une variante d'un générateur de chaleur assurant seulement le chauffage du fluide caloporteur - la figure 9 montre1 comme les figures 2 et 8, une autre variante d'un générateur de chaleur, assurant le chauffage du fluide caloporteur et le préchauffage de l'eau chaude sanitaire. En se reportant tout d'abord à la figure 1, un générateur de chaleur formant chaudière a condensation L conforme à l'invention comprend essentiellement à sa partie supérieure un brûleur 2 ali menté en gaz par un conduit 3 et en air de combustion par un conduit 4. Le brûleur est du type à prémélange, c'est-à-dire que le mélange d'air et de gaz de combustion est effectué dans la botte 5 préalablement à la combustion qui s'efffectue en-dessous et à l'extérieur de la face inférieure 5 du brûleur.La construction et la ccnstitution du brûleur apparattront plus clairement plus loin. Le brûleur 2 est entouré de chaque côté de la chaudière par un rideau 7 de tubes parcourus par le fluide caloporteur constitué habituellement par l'eau à chauffer dont le départ chaud est indiqué en 8 et le retour froid en 9. Les tubes 3 sont alimentés quant à eux à la sortie de l'echangeur-recuperateur de chaleur 10 placé sur le circuit des fumées circulant selon les flèches il en étant aspirées éventuellement par un extracteur de fumées 12, lorsque la chaudière fonctionne.L'échangeur-récupérateur de chaleur 10 peut être d'un type décrit par exemple au certificat d'addition susmentionné 78 17480 formé de tubes superposés 13, 14, 15 ailetés ou non avec interposition avantageusement de tôles d'acier 16 perfores formant chicanes améliorant le coefficient d'échange thermique. En dessous des deux rideaux 7 de tubes d'échange placés en partie haute de la chaudière sont disposés des caissons 18 entourant la chambre 17 étanche de la chaudière. Ces caissons sont formés dans le volume d'une double paroi interieure 19 et extérieure 20 de la chaudière. L'air de combustion est soufflé par le conduit 4 dans la botte 5 de prémélange-du brûleur 2 au moyen d'un ventilateur 21 d'air aspiré et par conséquent préchauffé dans les caissons 18. De cette façon, on améliore le rendement de fonctionnement de la chaudière, on évite que ses parois extérieures soient portées à haute température et on supprime les pertes de chaleur par rayonnement. En régime normal de fonctionnement de la chaudière avec des retours d'eau 9 à relativement basse température (vers 30 ou 400 par exemple), la plus grande partie de la chaleur latente de condensation des fumées est abandonnée sur la nappe des tubes inférieure 15, l'eau de condensation étant rejetée par écoulement libre à l'égout par un conduit 22 prévu en partie basse du générateur. On notera que cette construction permet, la chaudière étant chaude, et le brûleur ayant été commandé à l'arrêt, d'éviter toute perte de chaleur par balayage dû au tirage statique de la chaudière, celle-ci n'étant soumise à aucun tirage statique lorsque l'extracteur 12 est arrêté. Au contraire, dans une chaudière classique, lors de l'arrêt des brûleurs, le tirage naturel continue à fonctionner et refroidit la chaudière en pure perte en entraînant à la cheminée de grandes quantites de chaleur qu'il faudra redélivrer à l'installation lors d'un démarrage suivant. On se reportera maintenant à la figure 2 montrant de façon plus précise un mode de réalisation de la construction. Selon l'exemple illustré, les rideaux 7 de tubes sont constitués par trois tubes à section circulaire 23 superposés, soudés de façon étanche les uns aux autres ; le tube supérieur 23 est coiffé d'un profilé en U renversé 24, soudé par-dessus lui, tandis que le tube inférieur 23 est également coiffé d'un tube profilé 25 en U soudé par dessous lui ; les deux tubes 24 et 25 sont irrigués corme les tubes 23. Cet ensemble peut alors venir se poser par-dessus liéchangeul- de chaleur 10, qui est constitué comme indiqué cénéralemen ci-dessus au moyen de tubes 13, 14, 15 et de chicanes 16 reçus dans un boîtier dont on aperçoit les joues en 26.L'échangeur 10 quant à lui vient se poser sur des tubes carrés 27 qui le reçoivent prévus dans le bAti du générateur. La paroi interne 19 de la chaudière part de la base jusqu'd la partie supérieure du foyer. Dans le mode de réalisation illustre, ia paroi incef est réunis par s~aa entre les deux tubes supérieurs 23 du rideau 7 avec interposition d'ondulations formant soufflet de déformation 28 dont le rôle sera expliqué ci-après. On note en 18 le volume des caissons de préchauffage d'air entre l'enveloppe interne 19 et l'enveloppe externe 20 de la chaudière, ce préchauffage provenant du rayonnement des joues 26. A la partie supérieure de la chaudière, on aperçoit le brûleur 2 monté dans son encadrement 29 et qui est pressé de façon étanche sur la face supérieure du profilé 24 avec interposition d'un joint d'étanchéité (non repéré). Quatre vérins 20 disposés aux quatre coins de la face supérieure de la chaudière assurent le placage de l'ensemble du cadre 29 et des tubes 23, 25 contre les joues 26 et sa bonne portée sur l'échangeur 10. Le joint de déformation 28 permet d'absorber les déplacements correspondants et par suite la bonne étanchéité de la chambre 17 de combustion. Tous les tubes 23, 24, 25 sont évidemment parcours par l'eau qui est chaufée dans l'appareil. Selon la mode de réalisation illsutré à la figure 2, le gé nérateur comprend en outre un récupérateur de chaleur 31 disposé sur le circuit des fumées en-dessous de l'échangeur de chaleur 10. Ce récupérateur 31 est alimenté en 32 par l'eau de ville, l'eau chaude sanitaire sortant préchauffée du récupérateur 31 en 32'. L'échangeur-récupérateur de chaleur 31 est avantageusement d'un type à plaques en acier inoxydable décrit dans une demande de brevet antérieure déposée par les mêmes demandeurs sous le numéro 82 04169 en date du 12 mars 1982. En-dessous de l'échangeur 31, est prévue une plaque perforée 35 permettant d'adapter la perte de charge des produits de combustion à travers l'échangeur 31 pour obtenir le meilleur rendement. En 9 à la même figure, on aperçoit l'entrée des retours froids du fluide caloporteur pénétrant dans l'échangeur 10 comme indiqué ci-dessus. On se reportera maintenant aux figures 3 à 7 illustrant la conformation du brûleur 2. Comme il a été mentionné précédemment, le brûleur est constitué essentiellement par une boite 5 à prémélange d'air et de gaz, comportant une face perforée 6 inférieure en céramique. La boite 5 est alimentée en air comburant par le conduit 4 et en gaz combustible par le conduit 3. Le mélange air/gaz est assuré en proportions constantes par l'organes de commande 36 de l'électrovanne de gaz 35 en comparant en permanence la pression de gaz relevée en 37 et la pression d'air relevée en 38 sur les conduits respectifs 3 et 4 d'alimentation de gaz et d'air préchauffé. Le mélange peut être parfait en pilotant également l'organe de commande 36 par une prise de pression 39 du mélange dans la boite 5. La modulation du brûleur se fait enfin au moyen d'un servomoteur 40 qui commande le positionnement d'un volet 41 assurant un mélange plus ou moins riche à la boite 5. Comme mentionné ci-dessus, la grille perforée 6 du brûleur est constituée en un matériau céramique réfractaire poreux. De préférence, et comme on le voit plus clairement aux figures 5 et 6, la face 6 est constituée de plaquettes de ceramique 42 perforées de nombreux trous, assemblées entre elles par des tiges filetées 43 et montées dans un cadre métallique par e-xemple en acier inoxydable 44. Exemplairement, chaque plaquette peut avoir une dimension de l'ordre de 100 mm x 45 mm pour une épaisseur de 14 mm, chaque plaquette pouvant dispenser une puissance de l'ordre de 6 thermies/heure, soit 6,96 kW. Pour une chaudière de 150 kW, on pourra donc utiliser 22 plaquettes. De façon à obtenir une combustion à l'extérieur de la boite 5, et non à l'intérieur de la céramique comme c'est le cas des brûleurs à infrarouges classiques utilisant un tel ma tériau, on alimente la boite 5 avec une pression suffisante de prêmélange. D'autre part, et comme il apparait plus clairement à la figure 4, la paroi superieure 5 est non pas parallèle à la plaque inférieure en céramique mais inclinée, allant en se rétrécissant lorsqu'on 'éloigne de l'entrée d'admission 45 de prémélange. L'angle &alpha; J.i-it avantageusement un angle d'environ 110 avec la même face inférieure amant le tapis des plaquettes 42. En effet, si l'on ne prend pa cette précaution, dans la partie de la boite 5 éloignée de l'admission du prémélange 45, on aura une trop faible pression de prémélange avec possibilité d'inflammation à l'intérieur de la boite, ce qui conduirait à une détérioration du brûleur. De façon à éviter en cas de rupture d'une plaquette 42 tout retour de flamme, l'orifice 45 dgadmtssion du gaz de prémélange dans la boite est en outre entouré par un manchon en tôle perforée assurant une meilleure homogénéité du mélange et faisant office d'anti-retour. En 46, on note en outre la présence de déflecteurs dans les angles du bottier du brûleur destinés à obtenir un fonctionnement silencieux et assurant une meilleure répartition de la pression du mélange air/gaz sur tonte la surface interne du réfractaire. Ce brûleur permet d'obtenir une bonne surface de chauffe, homogène , bien stabilisée et a surate flammes dans la région supérieure de )a chaudière, permettant simultanément de réduire la hauteur du générateur en augmentant donc notablement sa compacité. Ce brûleur est conçu pour obtenir une modulation de la puissance délivrée de 20% à 100%, On se reportera maintenant au mode de réalisation illustré 3 la figure 8. On notera simplement que cette installation est tout-à-fait semblable à celle lîlsutrée à la figure 2, à ceci pres que l'échangeur-récupérateur de chaleur 31 a eté omis , ce qui supprime la possibilité de préchauffage de l'eau chaude sanitaire.En conséquence, la hauteur du générateur est diminuée, l'échangeur de chaleur 10 formant également office de récupérateur. Le rendement est cependant un peu moins bon, la récupération de la chaleur latente de condensation étant particulièrement efficace pour effectuer le préchauffage de l'eau chaude sanitaire avec un échangeur du type à plaques tel que 31. On note en 33 le retour du fluide caloporteur de l'installation, tandis que le départ du fluide caloporteur chaud se fait à partir des nappes de tubes 7. Selon la variante de réalisation illustrée à la figure 9, on retrouve une installation de type général décrit ci-dessus avec le brûleur 2, les rideaux de tubes 7 en partie haute, lté- changeur de chaleur à tubes 10 placé en partie basse du foyer et un récupérateur de la chaleur latente de condensation des fumées du type à plaques en acier inoxydable repéré dans son ensemble 50. Le retour du fluide caloporteur froid à l'installation se fait en 9 et le départ du fluide caloporteur chaud se fait en 8. L'entrée d'eau de ville se fait en 10 et la sortie d'eau chaude sanitaire préchauffée se fait en il. Les eaux de condensation sont éliminées par écoulement libre à l'égout en 22 avec un siphon de garde pour l'étanchéité de la chambre de combustion 17. REVENDICATIONS 1. Générateur formant chaudière à condensation en particulier pour le préchauffage d'eau chaude sanitaire et le chauffage d'un fluide caloporteur du type comprenant un brûleur à gaz (2) placé à la partie supérieure de la chaudière, au moins un échangeur (10) formé d'une nappe de tubes placés en-dessous, au moins un récupérateur de chaleur à condensation des fumées (10, 31, 50) placé sur le circuit d'échappement des fumées et un circuit d'aspiratio et d'éjection des fumées (11) à l'atmosphère, ledit générateur étant caractérisé en ce que le foyer en pression (17) de la chù :r comporte à sa partie haute, entourant les flammes de combustion sortant du brpuleur (2) et au moins le long de chaque paroli i::-t?rne eu foyer, un rideau de tubes (7) superposés parcourus par le fuicè caloporteur provenant dudit échangeur (10). 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins sensiblement en-dessous de chaque rideau (7) précité de tubes est ménagé un caisson (18) formé dans le volume d'une double paroi (19, 20) de la chaudière, caissons dans lesquels circule et se préchauffe l'air de combustion avant d'entre amenê au brûleur (2). 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée d'air au brtleur, compresseur, yentilateur ou analogue (21) est disposé en-dessous de la chaudière. 4. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit brûleur (2) est du type à prémélange air/gaz. 5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit brûleur 2) comporte une boite (5) dont la partie inférieure (6) est en céramique perforée s'étendant sur sensiblement toute la surface supérieure du foyer (17) et dont la paroi supérieure (5a) est inclinée allant en se rétrécissant lorsqu'on s'éloigne de l'entre d'admission ( 4b) du mélange combustible/comburant. 6. Genérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la paroi (5a) précitée est inclinée selon un angle de l'ordre de 110 par rapport à la face horizontale inférieure (6) de sortie des gaz de combustion. 7. Générateur selon l'une des revendication 4 à 6, caractérisé en ce que la paroi en céramique (6) précitée est constituée de l'assemblage de plusieurs plaquettes (42) élémentaires enserrées dans un cadre support (44). 8. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte interne (19) du générateur comporte au moins une région en forme de soufflet de déformation (28) permettant le serrage étanche entre les divers composants, nappe de tubes (7) et échangeur (10) enveloppant le foyer (17) de la chambre. 9. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rideau de tubes (7) superposés se termine à son extrémité basse et/ou haute par une section (24, 25) sensiblement rectangulaire en U ou analogue assurant une large portée d'étanchéité avec la section suivante du générateur, section de sortie du brûleur (2) et/ou section d'entrée de l'échangeur (10). 10. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des vérins (30) venant presser le cadre de montage de la nappe d'eau (7) contre les joues (26) de l'échangeur assurent l'étanchéité de la chambre de combustion (17) du générateur. 11. Générateur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la boîte de mélange (5) comporte des déflecteurs (46) anti-bruit.