Brevet FR2527317A1 — publié le 19831125

La présente invention porte sur une chaudière à gaz ou à combustible liquide pour la production d'eau chau- de ou de vapeur qui est capable, en différentes tailles, de satisfaire la demande de chaleur dans tous les domaines d'emploi, c'est-à-dire la demande de chaleur domestique et celle des établissements publics et industriels. Plus particulièrement, l'invention porte sur une chaudière comportant une chambre de combustion horizontale sensiblement cylindrique délimitée et entourée par un tube- foyer constitué d'une série de tubes annulaires placés à la suite les uns des autres et destinés à transporter un flui- de caloporteur approprié, de préférence de l'eau, ces tubes annulaires étant tenus ensemble par des bandes entretoises annulaires Chacun des tubes annulaires est relié à la fois à une chambre de distribution située au-dessous de la chambre de combustion et à une chambre collectrice placée au-dessus de la chambre de combustionhorizontale A l'ex- trémité avant de la chambre de combustion peut être placé un dispositif de chauffe connu, c'est-à-dire un br Gleur à gaz ou à combustible liquide, ce brûleur ayant une flamme dont l'axe est sensiblement aligné avec l'axe de la chambre de combustion cylindrique. Deux types fondamentaux de structures de chaudières sont très utilisés aux fins précitées Le premier est le système de chaudière dit à tambour horizontal La capacité de ce type de chaudière est limitée par ses qualités de résistance mécanique Pour les hautes capacités, on utilise donc plus fréquemment des chaudières du deuxième type, dit "à parois multitubulaires". Les chaudières à tambour horizontal connues ont des inconvénients qui, dans la plupart des cas, l'emportent sur les avantages Leurs principaux inconvénients mécani- ques et thermiques sont les suivants: La chambre d'eau est entourée d'une double envelop- pe de dimensions importantes constituée d'anneaux cylindri- ques, de plaques d'extrémité bombées et de disques sensi- blement plans servant de cloisons. t 52731 ? La réalisation et le maintien d'une surpression interne croissante et d'une puissance accrue nécessitent l'emploi de parois assez épaisses Or, on sait que l'épais- seur de paroi nécessaire croît linéairement avec la pres- sion interne et le diamètre dans le cas des anneaux cylin- driques tandis que la croissance est plus progressive dans le cas des cloisons planes, de sorte que les possibilités d'augmentation de la puissance sont limitées. Une plus grande épaisseur de paroi signifie un plus faible coefficient de transmission de chaleur Par conséquent, la température superficielle des parois chauf- fées sera notablement plus élevée. Une diminution des caractéristiques de transmis- sion de chaleur et une température superficielle plus éle- vée entraînent une diminution de la durée de vie. Il y a une distribution inégale et instable de la charge thermique à la surface de la chambre de combustion le long de l'axe du jet de flamme, de sorte que certaines zones de la surface sont surchauffées tandis que d'autres restent au-dessous de la charge thermique optimale. En raison de la grande épaisseur de paroi mention- née ci-dessus, la consommation spécifique de matériaux de construction rapportée à la capacité de la chaudière est re- lativement élevée et ainsi, l'utilisation des matériaux est très inférieure aux valeurs optimales, ce qui entraîne des dépenses d'investissement élevées et également des inconvé- nients de nature technologique. La circulation du fluide caloporteur N 'est pas adaptée à la charge thermique Il y a un écoulement strati- fié des fumées qui sortent de la chambre de combustion et entrent dans le convecteur De ce fait, la température des fumées est supérieure aux valeurs admissibles dans certai- nes zones et inférieure aux valeurs admissibles dans d'au- tres zones, ce qui entraîne respectivement des pertes ther- miques plus élevées et une corrosion accrue. Les inconvénients en matière de résistance méca- nique découlent de la structure elle-même Les caractéris- tiques de chauffe comme la charge thermique inégale de la chambre de combustion résultent en partie des caractéristi- ques du foyer Elles dépendent cependant aussi du type de brûleur utilisé Il existe des relations semblables en ce qui concerne la dissipation de chaleur. Les techniques de mesure améliorées mises au point ces dernières années ont permis une détermination plus pré- cise de la distribution de l'énergie de rayonnement thermi- que dans la chambre de combustion Auparavant, l'inégalité de la charge thermique des surfaces chauffées ne pouvait pas être mesurée C'est pourquoi pour les chaudières de construction classique, la bonne utilisation de l'énergie de rayonnement thermique n'a pas été étudiée avec suffisam- ment de soin, de sorte que son problème n'a pas encore été résolu pour les chaudières connues du type en question L'emploi maintenant très répandu de méthodes et d'appareils de mesure fonctionnant dans l'infrarouge a permis une ana- lyse plus approfondie de la distribution de la chaleur dans la chambre de combustion et l'utilisation industrielle des résultats obtenus. On a trouvé que pour faire des chaudières ayant des caractéristiques de chauffe et thermiques optimales, il fal- lait utiliser une chambre de combustion ayant une section circulaire variable autour de l'axe du jet de flamme Le dia- mètre de cette section doit être adapté à la variation du rayonnement thermique le long de l'axe de la flamme Des chaudières ayant des caractéristiques thermiques et de du- rabilité optimales ont été conçues selon ce principe Ce- pendant, l'expérience a montré que ces inconvénients appa- raissaient avec elles dans le domaine de la construction. Bien qu'une charge thermique sensiblement égale de toutes les surfaces chauffées ait été réalisée avec ces chaudières grâce à leur section variable, les constructeurs utilisant la technologie, le matériel et l'outillage de construction classiques se plaignent qu'un changement et un renouvelle- ment de toute leur technologie et tout leur matériel se- raient beaucoup trop compliqués et trop chers. 4 2527317 Un but de la présente invention est de fournir une chaudière du type à tambour horizontal qui ait des caracté- ristiques de chauffe et thermiques au moins aussi optimales que celles que présentent les chaudières connues récemment mises au point à chambre de combustion de section non uni- forme et qui, en même temps, ne présentepas les inconvénients précités de ces chaudières connues. Un autre but plus particulier de l'invention est de fournir une nouvelle chaudière du type 'à tambour horizontal améliorée dont la chambre de combustion ait une section cir- culaire uniforme et dans laquelle une charge thermique spé- cifique des surfaces chauffées sensiblement égale le long de l'axe du jet de flamme soit réalisée. L'invention atteint pleinement ces buts et d'autres en fournissant une nouvelle chaudière à gaz ou à combustible liquide améliorée pour la production d'eau chaude ou de va- peur qui comporte une chambre de combustion horizontale sen- siblement cylindrique délimitée et entourée par un tube- foyer constitué d'une série de tubes annulaires placés à la suite destinés à transporter un fluide caloporteur approprié, de préférence de l'eau, ces tubes annulaires étant tenus en- semble par des bandes entretoises annulaires et chacun d'- eux étant relié à la fois à une chambre de distribution si- tuée au-dessous de la chambre de combustion et à une chambre collectrice placée au-dessus de la chambre de combustion, 1 '- amélioration consistant en ce qu'au moins une partie des tu- bes annulaires ont des sections intérieures différentes et/ou sont placés à la suite de façon à avoir des espacements iné- gaux dans la direction de l'axe de la chambre de combustion cylindrique. On a trouvé qu'il était avantageux que les sections intérieures et/ou les espacements des tubes annulaires for- mant un tube-foyer sensiblement cylindrique autour de la cham- bre de combustion varient linéairement avec le rayonnement thermique effectif ou la densité effective de flux de chaleur le long de l'axe de la chambre de combustion, cet axe étant sensiblement aligné avec celui du jet de flamme du brûleur à gaz ou à kérosène utilisé. Etant donné que la sécurité et la sûreté de fonc- tionnement et la durabilité nécessitent qu'aucune des sur- faces chauffées ne soit surchauffée ou sous-chauffée, il a été prévu au lieu d'une chambre de combustion de section circulaire non uniforme, un tube-foyer sensiblement cylin- drique constitué de tubes annulaire de section intérieure au moins en partie non uniforme pour la circulation du flui- de caloporteur et de bandes entretoises annulaires de lar- geur au moins en partie non uniforme placées entre ces tubes. Ainsi, le courant de fluide caloporteur est adapté à la char- ge thermique distribuée inégalement le long de l'axe de la chambre de combustion, c'est-à-dire le long de l'axe du jet de flamme; Dans les zones à plus forte charge thermique se trouvent des tubes annulaires de plus grande section inté- rieure, c'est-à-dire à plus grand diamètre d'écoulement du fluide caloporteur, pourvus entre eux de bandes entretoises plus petites Ainsi, on a pu conserver une valeur constante pour le diamètre moyen du tubefoyer formant la chambre de combustion tout en assurant dans les zones à transmission de chaleur intense un transport de chaleur également intense par une circulation accrue. La chaudière de l'invention est facile à construi- re et les inconvénients associés aux structures antérieures connues sont entièrement éliminés Une autre caractéristi- que avantageuse de cette chaudière est que tous ses éléments en surpression sont des tubes L'avantage réside en ce que des tubes à paroi relativement mince sont suffisants pour résister aux surpressions admissibles dans la pratique La puissance peut être augmentée, car cela ne nécessite qu'une très faible augmentation de l'épaisseur de paroi des tubes. Un tube-foyer constitué de tubes annulaires à paroi mince tenus ensemble par des bandes annulaires soudées entre eux fournit une transmission de chaleur très intense améliorée. On a une température égale de toutes les surfaces chauffées prévues qui est peu supérieure à celle du fluide caloporteur. Il en résulte une plus grande sécurité de fonctionnement et une durabilité accrue En outre, la consommation de ma- 252731 ? 7 tériaux de construction, le poids et la taille de la chau- dière de l'invention rapportés à sa puissance sont très fa- vorables. Comme indiqué plus haut, l'expérience des chaudiè- res connues du type à tambour horizontal a montré que les fumées de différentes températures avaient une configura- tion d'écoulement stratifiée constituée de strates paral- lèles superposées qui ne tendent pas à se mélanger Il peut- en résulter des inconvénients comme une corrosion précoce, etc L'invention propose de placer un élément de con- traction à l'extrémité arrière de la chambre de combustion, de préférence en mettant un dernier tube annulaire de sec- tion aplatie ovale sur le tube-foyer formant la chambre de combustion, cet élément de contraction étant suivi d'une chambre de changement de direction à section en U destinée à dévier le courant de fumées d'environ 900 par rapport à l'axe horizontal de la chambre de combustion Par la suite, le courant de fumées après avoir été dévié d'environ 900 traverse un comvecteur placé sur son trajet La configu- ration stratifiée de l'écoulement des fumées est ainsi dé- truite et les fumées sont mélangées Par conséquent,le con- vecteur reçoit un courant de fumées qui ne présente pas de différences notables de température et a une chaleur àpeu près également distribuée Quand le brûleur est bien réglé, les fumées sortant du convecteur ont une température supé- rieure au point de rosée et voisine de la valeur admise. Ce sont les conditions fondamentales d'une tendance minima- le à la corrosion et d'un rendement thermique élevé. part Les exigences ci-dessus dépendent aussi beaucoup d'- une/de la température du fluide caloporteur et d'autre part de celle des surfaces placées sur le trajet des fumées. Par conséquent, dans les réalisations de la chaudière de l'invention dans lesquelles de l'eau chaude est produite par un fluide caloporteur ayant une température inférieu re à 1000 C dans le conduit de retour, il est prévu une chambre de changement de direction à section en U ouverte en haut De plus, le convecteur est placé sur le trajet du courant de fumées de façon à être situé entre des chambres à courants croisés d'abord montées en série avec les tubes d'eau du convecteur et ensuite connectées à la chambre collectrice. De cette manière, les fumées ne passent pas devant des sur- faces à température notablement inférieure, de sorte que la possibilité d'atteinte du point de rosée et par suite la tendance à l'apparition d'une corrosion sont en grande par- tie éliminées. Dans les réalisations conçues pour la production d'eau chaude ou de vapeur dans lesquelles la température du fluide caloporteur mesurée dans le conduit de retour est supérieure à 1000 C, l'invention prévoit une chambre de chan- gement de direction à section en U ouverte en bas, et un convecteur est placé sur le trajet du courant de fumées au- dessous de chambres à courants croisés qui sont connectées à la chambre de distribution située dessous. Dans les réalisations préférées de la chaudière de l'invention conçues pour la production de vapeur avec un fluide caloporteur à plus de 1201 C dans le conduit de retour, la structure peut être semblable à celle qui est décrite ci-dessus Il s'est cependant révélé avantageux de placer un réchauffeur d'eau d'alimentation après le convecteur sur le trajet du courant de fumées, et il est opportun que ce réchauffeur soit relié à la chambre d'eau d'un bouilleur. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide d'exemples de réalisation préférés de la nouvelle structure de chaudière représentés sur les dessins, sur lesquels: Fig 1 est une coupe longitudinale verticale d'une chaudière de production d'eau chaude conforme à l'invention. Fig 2 est une coupe de cette chaudière suivant la ligne A-A de la figure 1. Fig 3 est une coupe de la même chaudière suivant la ligne B-B de la figure l. Fig 4 est une coupe longitudinale verticale d'une autre réalisation préférée d'une chaudière conforme à l'in- vention destinée à la production de vapeur, et Fig 5 est une coupe de cette chaudière de produc- tion de vapeur suivant la ligne C-C de la figure 4, qui montre aussi schématiquement un tambour. Comme le montrent les figures 1 à 3, une réalisa- tion préférée de la chaudière de production d'eau chaude comporte, selon l'invention, un tube-foyer 1 autour de sa chambre de combustion horizontale sensiblement cylindrique. Ce tube-foyer 1 est constitué d'une série de tubes annulai- res 2 placés à la suite et tenus ensemble par des bandes entretoises annulaires 3 Les diamètres intérieurs et par conséquent les sections intérieures des tubes annulaires 2 ainsi que la largeur des bandes entretoises annulaires 3, c'est-à-dire les espacements des tubes annulaires juxtapo- sés 2, sont, mesurés dans la direction de l'axe du tube- foyer 1, au moins en partie différents Ces sections et/ou ces espacement varient de manière telle qu'ils dépendent des valeurs prévues du rayonnement thermique et/ou de la densité de flux de chaleur et soient convenablement adaptés à elles, les deux variant le long de l'axe du jet de flam- me, qui est sensiblement aligné avec celui du tube-foyer 1. L'extrémité avant du tube-foyer 1 est pourvue d'une porte avant 4 qui constitue en même temps un support pour un brû- leur à gaz ou à kérosène et a pour cela une bride annulai- re 5 A l'extrémité arrière du tube-foyer 1 est placé un élément de contraction 6 qui-est de préférence constitué d'un tube annulaire aplati de façon à avoir une section sen- siblement ovale Des éléments de contraction 6 constitués d'une série de tubes annulaires 2 de plus petit diamètre que le tube-foyer 1, c'est-àdire que les tubes annulaires 2, peuvent naturellement aussi être utilisés dans d'autres réalisations L'élément de contraction 6 est suivi d'une chambre de changement de direction 7 à section en U qui sert de chambre de mélange pour le courant de fumées stra- tifié en le déviant vers le haut d'environ 900 par rapport à l'axe horizontal du tube-foyer 1 La chambre de change- ment de direction 7 est constituée de tubes d'eau en U 8 tenus ensemble par des bandes de tôle Son extrémité fermée faisant face à l'élément de contraction 6 est pourvue d'une porte 9 destinée au nettoyage et à la visite. Les tubes annulaires 2 du tube-foyer sont reliés par des tubulures 10 à une chambre de distribution placée sous le tube-foyer 1, et par des tubulures 17 à une cham- bre collectrice 18 située au-dessus du tube-foyer 1 La chambre collectrice 18 est réunie à la partie inférieure 12 a d'une chambre avant à courants croisés 12 qui est for- mée de deux parties 12 a, 12 b placées l'une au-dessus de l'autre et est reliée par des tuyaux de jonction horizon- taux 13 à une chambre arrière à courants croisés égale- ment formée de deux parties 14 a, 14 b, cette fois réunies. Le ou les tubes annulaires formant l'élément de contraction 6 sont aussi connectés à la partie inférieure 12 a de la chambre à courants croisés 12, tandis que les deux branches montantes de tous les tubes d'eau en U 8 sauf le dernier sont connectées aux tuyaux de jonction 13 Les deux bran- ches du dernier tube d'eau 8 sont jointes directement à la partie inférieure 14 a de la chambre arrière à courants croisés Les parties supérieures 14 b et 12 b des chambres à courants croisés sont reliées par des tubes d'eau à ailet- tes 15 dont l'ensemble forme un convecteur 16 pour l'uti- lisation du reste de la chaleur transportée par le courant de fumées sortant Comme la température du fluide calopor- teur venant d'arriver de la chambre collectrice 18 et pas- sant dans les tuyaux et conduits du convecteur 16 est pro- che de la température la plus haute mesurable dans tout le circuit, les fumées ne peuvent pas se refroidir au-dessous du point de rosée, ce qui provoquerait une corrosion faci- le et rapide Si les tubes d'eau 15 sont de grand diamètre, spécialement sur les chaudières de grande capacité, il s'est révélé avantageux de les faire sans ailettes L'eau qui a été chauffée dans la chaudière part de la partie su- périeure 12 b de la chambre avant à courants croisés 12 par une tubulure 19 tandis que les fumées, après avoir traver- sé le convecteur 16, partent du système par une tubulure 20. autre, Les figures 4 et 5 montrent une/réalisation préfé- rée de la chaudière de l'invention Cette réalisation est conçue spécialement pour la production de vapeur, mais sa structure générale est tout à fait semblable à celle de la réalisation décrite précédemment représentée sur les fi- gures 1 à 3 Une des différences est que la chaudière de production de vapeur est équipée d'un bouilleur 21 Une deu- xième différence est que la chambre de changement de direc- tion 7 de cette chaudière est retournée, c'est-à-dire a sa partie ouverte en bas La raison en est que dans les chau- dières à vapeur, les fumées qui partent sont nettement plus chaudes que dans les chaudières de production d'eau chaude. Par conséquent, il faut les mettre en contact avec un flui- de caloporteur à plus basse température afin d'obtenir un meilleur rendement et de réduire les pertes de chaleur au minimum Donc, la chambre avant à courants croisés 12 est jointe à la chambre de distribution 11, de sorte que la chambre à courants croisés 14 et les tuyaux de jonction 13 sont placés en bas Les chambres à courants croisés 12 et 14 ne comportent qu'une seule partie et ne sont pas correc- tées au convecteur 16, qui est placé derrière elles, plus précisément au-dessous d'elles Le convecteur 16, en revan- che, est relié par des conduits de retour 22 et des conduits de départ 23 au bouilleur 21 qui est lui-même relié à la chambre collectrice 18 par un conduit de départ 25 et à la chambre de distribution I 1 par un conduit de retour 24 Le convecteur 16 est ici placé de façon que ses tubes soient in- clinés d'au moins 150 sur l'axe (horizontal) du tube-foyer 1. Pour l'utilisation de la chaleur résiduelle des fumées qui partent, un réchauffeur d'eau d'alimentation sem- blable au convecteur 16 est placé au-dessous de celui-ci. Une pompe amène l'eau d'un réservoir (non représenté) à ce réchauffeur De là, l'eau réchauffée est amenée dans la chambre d'eau du bouilleur 21 par un tuyau ayant une extré- mité perforée connecté à la partie inférieure du bouilleur 21. REVENDICATIONS 1 Chaudière à gaz ou à combustible liquide pour la production d'eau chaude ou de vapeur, comportant une chambre de combustion horizontale sensiblement cylindrique délimitée et entourée par un tube-foyer ( 1) constitué d'u- ne série de tubes annulaires ( 2) placés à la suite desti- nés à transporter un fluide caloporteur approprié, de pré- férence de l'eau, ces tubes annulaires étant tenus ensem- ble par des bandes entretoises annulaires ( 3) et chacun d'eux étant relié à la fois à une chambre de distribution ( 11) située au-dessous de la chambre de combustion et à une chambre collectrice ( 18) placée au- dessus de la chambre de combustion, caractérisée par le fait qu'au moins une par- tie des tubes annulaires ( 2) ont des sections intérieures différentes et/ou sont placés à la suite de façon à avoir des espacements inégaux dans le direction de l'axe de la chambre de combustion cylindrique. 2 Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les sections intérieures et/ou les espace- ments des tubes annulaires ( 2) varient linéairement avec le rayonnement thermique effectif ou la densité effective de flux de chaleur le long de l'axe de la chambre de combus- tion cylindrique. 3 Chaudière selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le tube-foyer ( 1) entourant la chambre de combustion a, à son extrémité arrière, un élé- ment de contraction ( 6) qui est suivi d'une chambre de chan- gement de direction ( 7) destinée à dévier la direction prin- cipale du courant de fumées d'environ 900 par rapport à l'a- xe de la chambre de combustion cylindrique, cette chambre de changement de direction ( 7) ayant une section en U délimi- tée par des tubes d'eau en U ( 8) qui sont connectés à des tuyaux de jonction ( 13) placés horizontalement entre des phambres à courants croisés ( 12, 14), et cette chaudière comportant en outre, sur le trajet du courant de fumées dé- vié un convecteur ( 16) constitué d'une série de tubes d'- eau parallèles ( 15). 12 2527317 4 Chaudière selon la revendication 3 et destinée à la production d'eau chaude, dans laquelle la température du fluide caloporteur mesurée dans un conduit de retour ne dépasse pas 1000 C, caractérisée par le fait qu'elle compor- te une chambre de changement de direction ( 7) à section en U ouverte en haut et un convecteur ( 16) constitué de tubes d'eau ( 15) montés en série avec les chambres à courants croi- sés ( 12, 14), qui sont elles-mêmes connectées à la chambre collectrice ( 18), ce convecteur ( 16) étant placé sur le tra- jet du courant de fumées entre les chambres à courants croi- sés ( 12, 14). Chaudière selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les tubes d'eau ( 15) du convecteur ( 16) sont placés parallèlement à l'axe de la chambre de combustion cy- lindrique. 6 Chaudière selon la revendication 3, destinée à la production d'eau chaude ou de vapeur et dans laquelle la température du fluide caloporteur mesurée dans un conduit de retour est d'au moins 1000 C, caractérisée par le fait qu'el- le comporte une chambre de changement de direction ( 7) à section en U ouverte en bas et un convecteur ( 16) placé au- dessous de chambres à courants croisés ( 12, 14) qui sont join- tes à la chambre de distribution ( 11), ce convecteur ( 16) é- tant placé sur le trajet du courant de fumées et ayant une circulation de fluide caloporteur séparée montée en série avec un bouilleur( 21). 7 Chaudière selon la revendication 6 pour la produc- tion de vapeur, dans laquelle la température du fluide calo- porteur mesurée dans un conduit de retour est d'au moins 1200 C, caractérisée par le fait qu'elle comporte un réchauf- feur d'eau d'alimentation placé après le convecteur ( 16) sur le trajet du courant de fumées, ce réchauffeur étant re- lié à la chambre d'eau du bouilleur ( 21). 8 Chaudière selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisée par le fait que les tubes d'eau ( 15) du convec- teur ( 16) sont inclinés d'au moins 150 sur l'axe de la cham- bre de combustion cylindrique. 9 Chaudière selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait que le bouilleur ( 21) compor- te une chambre d'eau reliée à la chambre de distribution (Il) par un conduit de retour ( 22, 24) et une chambre su- périeure (chambre de vapeur) reliée à la chambre collec- trice ( 18) par un conduit de départ ( 23, 25). Chaudière selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait qu'elle comporte à l'extrémi- té arrière de la chambre de combustion un élément de con- traction ( 6) constitué d'un tube annulaire de section a- platie ovale qui forme l'entrée du courant de fumées dans la chambre de changement de direction ( 7).