Brevet FR2526922A1 — publié le 19831118

1. La présente invention concerne une chaudière à combustible solide du type à tube foyer rayonnant ainsi qu'un procédé pour transformer une chaudière à combustible liquide ou gazeux en une telle chau- dière. L'augmentation importante du prix des combus- tibles liquides ou gazeux a redonné de l'intérêt aux combustibles solides On a donc cherché à développer à nouveau les chaudières à combustibles solides ou à permettre la transformation des chaudières exis- tantes à combustibles liquides ou gazeux en chaudières à combustibles solides. Dans le brevet FR-A-895 629 (correspondant au brevet US-A-2 554 092) M C K de Poray a déjà décrit une chaudière à combustible solide et à combustion étagée comprenant un foyer primaire dans lequel s'a- morcent les réactions de combustion et un tube foyer dans lequel s'achèvent les réactions de combustion, après introduction d'air secondaire Le tube foyer est entouré par une surface de chauffe et les gaz de combustion évacués par l'extrémité du tube foyer passent dans l'espace annulaire compris entre le tube foyer et la surface de chauffe La surface de chauffe est ainsi chauffée, à la fois par rayonnement et par convection. Par ailleurs, dans le brevet FR-A-1 020 525, M.C K de Poray a décrit une chaudière comportant un foyer primaire dans lequel s'amorcent les réactions de combustion et un foyer secondaire a diffuseur ré- fractaire dans lequel s'achèvent les réactions de combustion après introduction d'air secondaire. 2. Le foyer secondaire est prolongé par un tube foyer métallique Comme dans le précédent brevet, l'échange thermique a lieu à la fois par rayonnement et par convection. Les chaudières décrites dans ces documents présentent, toutefois, certains inconvénients qui sont liés, notamment, au fait que les gaz de combus- tion sont renvoyés totalement et directement dans la direction de l'entrée du tube foyer. Ainsi, l'uniformisation de l'échange thermique, grâce au tube foyer rayonnant de combustion secon- daire, se trouve limitée par la convection des gaz de combustion dans la direction de l'entrée du tube foyer o la température est déjà la plus élevée par suite du rayonnement prépondérant du tube foyer dans cette partie. De plus, les gaz quittant le tube de combus- tion secondaire n'ont pas une structure homogène et n'ont donc pas une température homogène -Ceci est préjudiciable à la bonne répartition des transmis- sions calorifiques et des contraintes dans la sur- face de chauffe. Par ailleurs, lorsqu'on cherche à transfor- mer des chaudières existantes à foyer horizontal, et à adapter la technique décrite ci-dessus, on se heurte à des difficultés lorsque, comme cela est fréquent, la circulation des gaz de combustion le long des surfaces de chauffe est inverse et il faut donc prévoir des dispositifs coûteux pour inverser le sens de circulation des gaz. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en fournissant une chaudière perfec- tionnée et un procédé pour transformer aisément un grand nombre de chaudières existantes en chaudières à combustible solide. 3. La présente invention a ainsi pour objet une chaudière à combustible solide du type comprenant un foyer primaire dans lequel s'amorcent les réac- tions de combustion, un foyer secondaire prolongé par un tube rayonnant dans lequel s'achèvent les réactions de combustion, une surface de chauffe disposée autour du tube rayonnant et des moyens pour faire passer les gaz de combustion sortant du tube rayonnant dans l'espace annulaire compris entre le tube rayonnant et ladite surface de chauffe, - caractérisée en ce que le tube rayonnant de combustion secondaire se compose de deux chambres coaxiales, la première chambre se terminant par un convergent qui dirige les gaz de combustion vers la seconde chambre et la seconde chambre étant fermée à son extrémité et ayant à son entrée un diamètre supé- rieur à celui de l'extrémité dudit convergent de façon à délimiter avec cette extrémité une ouver- ture annulaire par laquelle sont évacués les gaz de combustion injectés dans la seconde chambre et en ce que sont prévus des moyens pour faire circuler les gaz ainsi évacués dans l'espace annulaire compris entre ladite surface de chauffe et la seconde cham- bre. La présente invention a également pour objet un procédé de transformation d'une chaudière à combus- tible liquide ou gazeux comportant une surface de chauffe cylindrique et des tubes de fumée dont l'en- trée est à l'opposé du foyer en une chaudière à com- bustible solide, caractérisé en ce que l'on dispose dans l'espace entouré par ladite surface de chauffe un tube rayonnant de combustion secondaire dans le- quel sont introduits les gaz provenant de la combus- tion primaire d'un combustible solide, le tube rayon- nant de combustion secondaire se composant de deux 4. chambres coaxiales, la première chambre se termi- nant par un convergent qui dirige les gaz de com- bustion vers la seconde chambre et-la seconde cham- bre étant fermée à son extrémité et ayant à son entrée un diamètre supérieur à celui de l'extrémité du d it c anv e r ge nt de façon à délimiter avec cette extrémité une ouverture annulaire par laquelle sont évacués les gaz de combustion injectés dans la seconde chambre et en ce que l'on dispose des moyens pour faire circuler les gaz ainsi évacués dans l'es- pace annulaire compris entre ladite surface de chauffe et la seconde chambre, en direction de l'en- trée des tubes de fumée. L'invention est exposée ci-après plus en dé- tail à l'aide de dessins représentant seulement des modes de réalisation. Sur ces dessins: la Fig 1 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation d'une chaudière suivant l'in- vention; la Fig 2 est une vue en coupe verticale d'un orifice d'entrée d'un tube rayonnant de combustion secondaire utilisé dans la présente invention; la Fig 3 est une vue en coupe verticale d'une chaudière selon l'invention alimentée par un foyer à grille. La chaudière 1 représentée sur la Fig 1 est une chaudière à foyer horizontal Elle comprend une surface de chauffe cylindrique à axe horizontal 2 qui se raccorde à l'extrémité opposée à son entrée 3 par une boîte de fumée 4 à des tubes de fumée 5 parallèles à la surface de chauffe 2 Les tubes de fumée 5 communiquent avec une enceinte frontale 6 munie d'une cheminée 7 Dans l'espace délimité par la surface de chauffe 2 est disposé coaxialement un 5. tube rayonnant composé d'une première chambre cylin- drique 8 se terminant par un convergent 9 et d'une deuxième chambre cylindrique 10 dont l'extrémité située dans la boîte à fumée 4 est fermée par une paroi 11 Les deux chambres 8 et 10 sont coaxiales et contiguës L'extrémité 12 du convergent 9 de la chambre 8 a un diamètre inférieur au diamètre de la chambre 10, de façon à délimiter entre l'extrémité 12 du convergent 9 et l'entrée de la chambre 10 une ouverture annulaire 13. A l'entrée du tube rayonnant est disposée une chambre de mélange 14 à paroisréfractairescom- portant un conduit 15 d'admission de gaz provenant d'un foyer primaire non représenté, le conduit 15 ayant le même axe que le tube rayonnant, ainsi qu'un conduit 16 d'admission d'air secondaire débouchant tangentiellement dans la chambre de mélange 14 Le débit d'air secondaire entrant dans la chambre 14 est réglé par un dispositif de réglage 17 disposé dans le conduit 16. Entre la chambre de mélange 14 et la chambre cylindrique 8 proprement dite est disposé un diffu- seur réfractaire 18 de forme cylindrique. Iles parois de la chambre 8 peuvent être cons- tituées par un tube métallique protégé intérieure- ment par un revêtement réfractaire ou par un tube semi-réfractaire de type carbure de silicium carbo- randum résistant bien aux températures élevées et aux chocs thermiques. Quant aux parois de la chambre 10, elles peuvent être métalliques, la paroi 11 pouvant compor- ter un revêtement réfractaire. Les parois des chambres 8 et 10 peuvent être composées d'éléments longitudinaux à ailettes exté- rieures servant de support tout en augmentant leur 6. résistance mécanique et la transmission de chaleur. En outre, un obturateur annulaire 19 obture le passage annulaire 20 existant entre la surface de chauffe 2 et le tube rayonnant composé des chambres 8 et 10 au niveau de l'extrémité de la chambre 8 proprement dite. Le fonctionnement de la chaudière représentée sur la Fig 1 est le suivant Des gaz combustibles provenant d'un foyer primaire de type semi-gazogène sont introduits par le conduit 15, tandis que de l'air secondaire est introduit par le conduit 16 tangentiellement dans la chambre de mélange 14 Le mélange gazeux en cours de réaction traverse le dif- fuseur réfractaire 18, qui active les réactions de combustion et pénètre dans la chambre 8 dont les parois rayonnent vers la surface de chauffe 2. Les gaz sont accélérés dans le convergent 9 et sont dirigés à grande vitesse vers le fond de la chambre 10 Les gaz sont refoulés par la paroi 11 et renvoyés vers l'ouverture annulaire 13 et débouchent dans l'espace annulaire 20 existant entre la surface de chauffe 2 et le tube rayonnant Ces gaz sont à nouveau renvoyés dans une direction contraire par l'obturateur annulaire 19, c'est-à-dire vers la boite à fumée 4, puis ils passent dans les tubes à fumée 5 avant d'atteindre la chambre 6 et la cheminée 7. Grâce à la présente invention, on obtient une transmission plus uniforme de la chaleur, à la fois par rayonnement et par convection Ainsi, le rayonnement parconvection ne concerne que la partie arrière des tubes rayonnants de combustion secon- daire, qui est précisément celle o la transmission par rayonnement est la plus faible, puisque sa tem- pérature est moins élevée. 7. De plus, le trajet complexe des gaz à l'in- térieur de la chambre 10 permet d'obtenir un bras- sage intense qui assure une structure homogène et donc une température homogène des gaz, ce qui réduit les contraintes dans les surfacesde chauffe. Il est à noter également que le sens de circulation des gaz le long de la surface de chauffe 2 est le même que celui qui existe dans de nom- breuses chaudières horizontales de type classique à combustible quelconque, et notamment à combus- tible gazeux ou liquide Il est donc possible de transformer aisément une chaudière à combustible liquide ou gazeux comportant des tubes de fumée dont l'entrée est à l'opposé du foyer en une chau- dière à combustible solide selon la présente inven- tion. On a représenté sur la Fig 2 une variante de l'entrée d'un tube rayonnant selon la présente invention Cette entrée comporte une tuyère 21 de même axe que celui de la chambre 8, pour l' in- troduction d e gaz provenant d'un foyer primaire. A l'extrémité de la tuyère 21, sont disposés des orifices périphériques 22 d'aspiration d'air secon- daire qui communiquent avec une chambre périphé- rique 23 reliée à un conduit 24 d'admission d'air secondaire Les orifices 22 débouchent tangentiel- lement dans un venturi 25 contigu à la tuyère 21. Après son col 26, ce venturi s'élargit brutalement provoquant ainsi une recirculation périphérique du mélange gazeux entrant et permettant l'accrochage et le développement convenable de la flamme La cham- bre 8 de combustion doit avoir une longueur L suffi- sante pour que le phénomène de recirculation s'y développe bien. 8. Les parois de la tuyère 21 et du venturi 25 peuvent être notamment constituées de matériau ré- fractaire. Par ce dispositif, on améliore le mélange des gaz provenant du foyer primaire et de l'air secondaire, provoquant dans le venturi 25 à la fois une accélération des gaz, mais également un tourbil- lon des gaz dans ce venturi On peut ainsi obtenir une combustion totale au sein de la chambre 8. On a représenté sur la Fig 3 une chaudière selon l'invention avec un foyer à grille Cette chaudière comporte un foyer 27 dans lequel est dis- posée une grille en gradins 28, alimentée par gravité à partir d'une trémie 29 en combustible solide L'air est amené par un conduit 30 disposé sous la grille 28 Au bas de la grille est disposé un racloir 31 pour faire tomber les cendres dans un cendrier 32 rempli d'eau. Les gaz sortant de ce foyer primaire-entrent dans un tube rayonnant selon la présente invention par un dispositif analogue à celui représenté sur la Fig 2, c'est-à-dire comportant notamment une tuyère 21 et un venturi 25 débouchant dans une chambre 8. Comme dans le cas de la Fig 1, la chambre 8 est terminée par un convergent 9 qui débouche dans une chambre 10 Les gaz de combustion qui sont renvoyés vers le fond de la chaudière dans la boîte de fumée 4 passent dans les tubes à fumée 5, puis dans l'enceinte 6 Un ventilateur 33 aspire les fumées et les envoie, pour leur plus grande partie, par un conduit 34 vers une cheminée 35 Un conduit 36 muni d'une vanne 37 permet de renvoyer une partie des fumées dans le conduit 30 d'admission d'air primaire Des vannes 38 et 39 permettent, en outre, de régler 9. respectivement les débits et la pression des fumées sortant de l'enceinte 6 et les fumées évacuées dans la cheminée 35. Ce recyclage des fumées permet d'éviter la formation de machefer. - 10. REVENDICATIONS 1 Chaudière à combustible solide du type comprenant un foyer primaire ( 27) dans lequel s'a- morcent les réactions de combustion, un foyer secon- daire prolongé par un tube rayonnant dans lequel s'achèvent les réactions de combustion, une surface de chauffe ( 2) disposée autour du tube rayonnant et des moyens pour faire passer les gaz de combustion sortant du tube rayonnant dans l'espace annulaire compris entre le tube rayonnant et ladite surface de chauffe, caractérisée en ce-que le tube rayonnant de combustion secondaire se compose de deux chambres coaxiales ( 8, 10), la première chambre ( 8) se ter- minant par un convergent ( 9) qui dirige les gaz de combustion vers la seconde chambre ( 10) et la se- conde chambre ( 10) étant fermée à son extrémité et ayant à son entrée un diamètre supérieur à celui de l'extrémité dudit convergent de façon à déli- miter avec cette extrémité une ouverture annulaire ( 13) par laquelle sont évacués les gaz de combustion injectés dans la seconde chambre ( 10) et en ce que sont prévus des moyens pour faire circuler les gaz ainsi évacués dans l'espace annulaire ( 20 > compris entre ladite surface de chauffe ( 2) et la seconde chambre ( 10). 2 Chaudière selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les moyens pour faire circuler les gaz dans ledit espace annulaire comprennent un obtu- rateur annulaire ( 191 obturant l'espace entre la première chambre et ladite surface de chauffe 3 Chaudière selon la revendication 1, caracté- risée en ce que lapremière chambre comprend un orifice d'entrée en forme de tuyère ( 21) pour l'introduction des gaz provenant du foyer primaire. 11. 4 Chaudière selon la revendication 3, carac- térisée en ce qu'au voisinage de l'extrémité de la tuyère ( 21) sont disposés des orifices périphériques ( 22) d'aspiration d'air secondaire. 5 Chaudière selon la revendication 4, carac- térisée en ce que les orifices périphériques ( 22) d'aspiration d'air secondaire débouchent dans un venturi ( 25). 6 Chaudière selon la revendication 5, carac- térisée en ce que le venturi ( 25) comporte, après son col ( 26), un élargissement brusque. 7 Procédé de transformation d'une chaudière à combustible liquide ou gazeux comportant une sur- face de chauffe cylindrique et des tubes de fumée dont l'entrée est à l'opposé du foyer en une chau- dière à combustible solide, caractérisé en ce que l'on dispose dans l'espace entouré par ladite sur- face de chauffe un tube rayonnant de combustion secondaire dans lequel sont introduits les gaz pro- venant de la combustion primaire d'un combustible solide, le tube rayonnant de combustion secondaire se composant de deux chambres coaxiales ( 8, 10), la première chambre ( 8) se terminant par un convergent ( 9) qui-dirige les gaz de combustion vers la se- conde chambre ( 10) et la seconde chambre ( 10) étant fermée à son extrémité et ayant à son entrée un diamètre supérieur à celui de l'extrémité dudit convergent de façon à délimiter avec cette extrémité une ouverture annulaire ( 13) par laquelle sont évacués les gaz de combustion injectés dans la seconde chambre ( 10) et en ce que l'on dispose des moyens pour faire circuler les gaz ainsi éva- cués dans l'espace annulaire ( 20) compris entre ladite surface de chauffe ( 2) et la seconde chambre ( 10) en direction de l'entrée des tubes de fumée. 12. 8 Tube rayonnant de combustion secondaire pour chaudière à combustible solide, caractérisé en ce qu'il se compose de deux chambres coaxiales ( 8, 10), la première chambre ( 8) se terminant par un convergent ( 9) et la seconde chambre ( 10) étant fermée à son extrémité et ayant à son entrée un diamètre supérieur à celui de l'extrémité dudit convergent de façon à délimiter avec cette extrémité une ouverture annulaire ( 13). 9 Tube selon la revendication &, caracté- risé en ce que la première chambre ( 8) comprend un orifice d'entrée en forme de tuyère ( 21) et au voisinage de l'extrémité de cette tuyère ( 21) sont disposés des orifices périphériques ( 22) d'aspira- tion d'air secondaire qui débouchent dans un ven- turi ( 25), ce venturi ( 25) comportant après son col( 26) un élargissement brusque.