Brevet FR2543663A1 — publié le 19841005

CHAUDIèRE DE CHAUFFAGE A CONDENSATION. L'invention concerne une installation perfectionnée de chauffage à l'aide d'une chaudière à condensation. Comme on le sait, une chaudière à condensation est une chaudière dans laquelle on refroidit les fumées issues du foyer en-dessous de leur température de rosée (voisine par exemple de 70"C pour les combustibles gazeux), de manière à condenser la vapeur d'eau pour récu pérer l'énergie qu'elle transporte. Ce type de chaudière est surtout adpaté aux combustibles gazeux. En revanche, avec les combustibles liquides, tels que le gasole, du fait de la présence d'oxydes d'azote et de soufre, les condensats sont agressifs et la présence de suie dans les -fumées,jointe à cette plus grande agressivite chimique, occasionne des difficultés technologiques supplémentaires. Dans les chaudières à condensation actuellement utilisées, la condensation des produits de combustion s'effectue,soit sur une paroi,soit par contact direct avec un liquide. Comme on le sait, un échangeur de chaleur est un dispositif dans lequel on dispose une paroi entre deux fluides, de manière à faire passer la chaleur d'un fluide à l'autre fluide et ce, généralement, sans les mélanger. Pour provoquer la condensation dans les échangeurs à parois, on est généralement obligé de surdimensionner liéchangeur de manière à obtenir un refroidissement plus efficace des fluides. I1 importe également de prendre des précautions pour que les condensats formés à la surface de l'échangeur puissent s'évacuer sans nuire à l'effica- cité de l'échange. Par ailleurs, la perte de charge du circuit des gaz de combustion se trouve souvent accrue par rapport à un appareil classique.C'est pourquoi les chaudières domestiques à gaz qui fonctionnent normalement avec un brûleur à air induit ne peuvent pas être transformées en chaudière à condensation sans un.e modification importante, notamment du brûleur, de manière à vaincre une contre-pression plus élevée, ou par l'adjonction d'un ventilateur d'extraction, ce qui entraîne un surcoût appréciable. Bref, les échangeurs à parois, notamment du type à tubes ou à plaques, sont relativement peu adaptés aux petites unités telles que celles de chauffage domestique. Dans un autre procédé, on a proposé de mettre en contact direct l'eau à chauffer avec les produits de combustion. Pour ce faire, on asperge les fumées avec de l'eau envoyée à contre courant et on renvoie alors l'eau ainsi chauffée directement dans le circuit de chauffage. Cela fait appel à des appareillages complexes qui économiquement sont seulement adaptés à des réalisations industrielles de grande puissance, c'est-à-dire de l'ordre de 100 KW et plus. Ces appareils permettent d'atteindre d'excellents rendement thermiques à condition que l'eau de chauffage soit à basse température, c'est-à-dire à environ 40CC. En outre, à l'inverse des appareils à paroi d'échange, il s'agit là d'une condition impérative, car dans le cas contraire, c'est l'eau de chauffage qui serait vaporisée, de sorte qu'au lieu de récupérer de l'énergie on en perdrait Ainsi, les deux solutions de condensation connues à ce jour, ne sont pas parfaitement adaptées au chauffage domestique. L'invention pallie ces inconvénients. Elle vise à réunir les avantages des procédés énumérés ci-dessus, à savoir rendement élevé quelles que soient les conditions d'utilisation et niveau de température du circuit d'utilisation assez haut pour pouvoir utiliser un réseau classique de radiateurs et ce avec un appareillage suffisamment simple pour que son utilisation soit rentable, même dans une chaudière domestique, et enfin la possibilité de faire appel à des combustibles liquides ou gazeux, ce que l'on ne savait pas obtenir jusqu'alors. Cette installation perfectionnée de chauffage par chaudière à condensation, du type comprenant : - un foyer avec son système de refroidissement relié au réseau de chauffage par un circuit départ et un circuit retour du fluide caloporteur - un circuit d'évacuation des fumées de combustion relié au foyer et à la cheminée, se caractérise en ce qu'elle comprend en outre - un échangeur à condensation à contact direct comportant un circuit de liquide intermédiaire disposé sur le circuit d'évacuation des fumées et traversé par lesdites fumées - et un échangeur à parois placé d'un côtéRsur le circuit du liquide interme- diaire de l'échangeur à contact direct, connecté à la sortie et à l'entrée de cet échangeur à contact direct, de l'autre côté, sur le circuit retour du fluide caloporteur du réseau du chauffage Avantageusement, en pratique - la chaudière est une chaudière domestique à gaz ou à fuel refroidi par le fluide caloporteur du chauffage - l'échangeur à contact direct se présente sous la forme d'une colonne comprenant essentiellement de haut en bas une évacuation des fumées refroidies, . un moyen de dispersion du liquide intermé diaire, un élément central constitué par un moyen, tel que des chicanes, destiné à mettre en contact le liquide intermédiaire qui s'écoule de haut en bas et les fumées chaudes ascen dantes à refroidir, une entrée dans laquelle débouchent les fu mées chaudes issues de la chaudière - le moyen de dispersion du liquide intermédiaire est un pulvérisateur débouchant dans une chambre de pulvérisation placée au sommet de l'élément central et en amont de l'orifice d'évacuation des fumées - l'élément central est constitué par une série de plateaux montés en quinconce sur deux axes parallèles verticaux, de sorte que le liquide intermédiaire qui s'écoule de haut en bas d'un plateau porté par un axe tombe en rideau sur le plateau suivant porté par l'autre axe vertical - l'entrée de la colonne comprend une arrivée tangentielle des fumées chaudes à refroidir, . un pot de décantation du liquide intermédiai re descendant chauffé par les fumées ascen dantes, o une purge pour l'évacuation des condensats, D un circuit départ vers l'échangeur à paroi ; ; - l'échangeur à paroi est du type liquide (intermédiaire)/liquide (eau du réseau de chauffage) - le circuit de liquide intermédiaire reliant le bas de l'échangeur à contact direct, l'échangeur à parois et le haut de l'échangeur à contact direct, comporte une pompe de circulation disposée en aval de l'échangeur à parois et en amont de 1' échangeur direct. En d'autres termes, l'invention combine à la fois le processus du transfert de chaleur seul à travers les parois et le contact direct entre les gaz de combustion et un liquide avec transfert simultané de chaleur et de masse, et ce, dans une structure particulière, puisque - d'une part, le processus de transfert à contact direct s'effectue sur le circuit d'évacuation des fumées - d'autre part, le processus de transfert à travers une paroi de la chaleur récupérée par le contact direct s'effectue sur le circuit retour du réseau de chauffage. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique d'une installation de chauffage central domestique conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique plus détaillée de la partie caractéristique de l'invention. La figure 3 donne le diagramme des températures sur les différents points essentiels de cette installation. La figure 4 est un schéma de principe de l'échangeur à contact direct spécifique de l'invention. La figure 5 montre une forme de réalisation de l'élément central de cet échangeur à contact. La figure 6 est une représentation en coupe d'un détail de l'entrée de cet élément central. En se référant aux figures, l'installation comporte un foyer utilisant un combustible gazeux (1), par exemple de puissance 10 KW. Ce foyer comprend essentiellement - une arrivée d'air (2) ; - et une arrivée de gaz (3). Le brûleur (4) provoque une flamme (5) dans le foyer (6) proprement dit, qui réchauffe sonsystème de refroidissement formé par des tubulures (7) connectées au réseau (9) de chauffage central par le circuit départ (10) et le circuit retour (11-11'). Le foyer (1) comporte face au brûleur (4) une évacuation (8) des fumées. Le circuit d'évacuation des fumées (8) est connecté à un échangeur (12) à contact direct qui est relié par le haut à la cheminée proprement dite (13). L'échangeur à contact direct (12) caractéristique de l'invention se compose essentiellement de trois parties, respectivement - l'entrée (14), - l'élément central (15), - et le moyen de dispersion (16) du liquide intermédiaire (17) (voir figures 2 et 5). Cet échangeur (12) se présente sous la forme d'une colonne au bas de laquelle (voir figures 5 et 6) débouche tangentiellement arrivée des fumées (8) issues du foyer (6). L'entrée (14) est reliée par un convergent (20) et plus exactement par des brides (411 à l'élément central (15). L'ensemble (14-15-16) est réalisé en un matériau résistant aux acides, tel que par exemple en acier inoxydable ou en matière plastique. Dans une forme de réalisation préférée montrée à la figure 4, l'élément central (15) présente deux axes verticaux (21-22) parallèles sur lesquels sont montés en quinconce des plateaux horizontaux 123-24-25XZ6-27)} par exemple au nombre de cinq.Le haut de l'élément central (15) est connecté également par des brides non -représentees, de manière à en faciliter le démontage, à une chambre de pulvérisation (28) dans laquelle débouche la tête d'un pulvérisateur (29) connecté au circuit de liquide intermédiaire (30) destiné à pulvériser le liquide de refroidissement et de récupération (17). L'évacuation (13) vers la cheminée est disposée en aval du pulvérisateur (29). Ainsi, le liquide intermédiaire tel que notamment de l'eau pulvérisée en (29) se répand sur les plateaux et coule en cascade d'un plateau à l'autreXcomme montré à la figure 5, de sorte que le courant de fumée à refroidir pour en récupérer l'énergie arrivant par le bas en (8) traverse ce rideau afin de faciliter l'échange de chaleur. Dans une variante, on peut faciliter l'écoulement des fumées à refroidir dans la colonne et par là réduire les pertes de charges, en appliquant un certain vide dans la colonne, par exemple en utilisant la pression de pulvérisation du liquide intermédiaire pour induire l'écoulement des fumées. L'arrivée des fumées en bas de l'échangeur à contact direct (14) (voir figures 4,5 et 6) comporte outre l'arrivée tangentielle (40) des fumées (8), un départ (31) du circuit liquide intermédiaire et une purge (32). Le départ (31) est disposé de manière à former un pot de décantation (33) pour le liquide intermédiaire descendant réchauffé par les fumées ascendantes. Selon la caractéristique de l'invention, le départ (31) du liquide intermédiaire (17) est connecté avec un échangeur à parois (35) placé - d'un côté sur le circuit (30-31) du liquide intermédiaire (17) de l'échangeur (12) à contact direct et qui est, comme déjà dit, connecté à la sortie (31) et à l'entrée (36) de cet échangeur (12) à contact direct - de l'autre côté de la paroi d'échange (37), sur le circuit retour (11-11') de l'eau du réseau (9) de chauffage central. Une pompe (38) permet d'assurer la circulation du fluide intermédiaire (eau) dans le circuit (31-35-30). Ainsi, selon la caractéristique de l'invention, l'échangeur à parois (35-37) est placé à la fois sur le circuit du liquide intermédiaire (30-31) de l'échangeur à contact direct (12) et d'autre part sur le circuit retour (11) du réseau (9) de chauffage central connecté au foyer (1). Le liquide intermédiaire (17) est ainsi recyclé en permanence sur le pulvérisateur (29), d'où il est projet sous forme de gouttelettes dans l'élément central (15) grâce à la pompe de circulation (38) et l'excès de condensat est éliminé par la purge (32). Pour une chaudière domestique d'un type donné, par exemple de 10 KW, on obtiendra un fonctionnement optimal si la température de l'eau T1 dans le circuit départ (10) est par exemple de 90"C. Après passage dans le réseau, la température T2 retombe à 40"C. C'est la température normale du retour (11) sur la chaudière. Parallèlement, les gaz de combustion évacués en (8) se refroidissent tout d'abord à une température t1 à la sortie du foyer (6), puis à une température t2 à l'entrée de la cheminée (13) et plus précisément à la sortie de l'échangeur à contact direct (12). De son côté, le fluide intermédiaire circule entre les échangeurs respectivement (12) à contact direct et à parois (35). Ce fluide quitte l'échangeur (12) à une température G 1 et traverse (35) dont il sort à une température z 2 Pour minimiser les surfaces d'échange, il est souhaitable que 80 % de la puissance utile soit produite dans le foyer (6) et que le reste, soit 20 , soit transmis par les échangeurs (12) et (35), de manière à obtenir le plus grand écart entre la température humide des gaz de combustion à la sortie (8) du foyer (6) et la température de l'eau à l'entrée (11') du foyer (6). Ainsi, en ayant le plus grand écart, on peut valablement et économiquement réduire les surfaces d'échange et par voie de conséquence diminuer substantiellement le prix de l'installation. On obtient de bons résultats en fixant la température de sortie du liquide intermédiaire de l'échangeur à contact direct (12),dans le circuit (31) à 60- C, alors que, après avoir traversé l'échangeur (35) à parois (37), la température de ce liquide intermédiaire (30) est ramené à 46"C. Là également, grâce à ce niveau de température, on peut réduire la surface de la paroi (37) et par voie de conséquence, le coût de l'échangeur (35). On sait par ailleurs que le rendement global d'une installation est directement lié à 1'enthalpie spécifique de sortie des fumées (8). Si l'on fixe ce rendement à 90 % sur le PCS (pouvoir calorifique supérieur) dans les conditions de fonctionnement, la température limite des fumées à la sertie (12) est ainsi amenée à 49"C pour une combustion de méthane (3) avec un excédent de 30 %. Ces fumées n'étant pas complètement saturées d'eau, la température t2 est légèrement supérieure à cette valeur et selon le dimensionnement de l'échangeur à contact direct (12) varie autour de 50"C. Ainsi, en jouant sur les températures humides des fumées, le débit du liquide intermédiaire et de la température de celui-ci, on peut calculer de manière optimale les dimensions respectives des échangeurs (12) et (35). Ainsi, pour une chaudière de puissance utile 10 KW, on obtient un excellent rendement avec les conditions opératoires suivantes - T1 : 90cC, - T2 : 40 C, - tl : 380 C, - tç : 50oC, 2 - e : 460C, 9 ≈2 : 62"C, - débit du circuit en (10) : 0,05 kg/s, - débit du circuit intermédiaire (30) : 0,03 kg/s. On obtient ainsi une température de retour T3 de l'ordre de 50"C. Ainsi, par rapport à une chaudière à condensation du même type ayant sensiblement le même rendement, au lieu d'avoir une température départ de l'ordre de 60 C, on peut monter jusqu'à la température T1 de l'ordre de 90cC, ce qui, par voie de conséquence, permet d'utiliser des radiateurs (9) de taille beaucoup plus réduite. Comme par ailleurs, dans l'échangeur (12), on travaille en contact direct, on peut indifféremment fonctionner avec un foyer (1) à combustible liquide ou gazeux, ce que l'on ne savait pas faire jusqu'alors en chauffage domestique, car dans ces chaudières domestiques, à fuel notamment, la condensation sur paroi n'était pas possible, car les imbrûlés solides encrassaient rapidement ces parois. Ainsi, dans l'invention, on combine les avantages des échangeurs directs et des échangeurs à parois en utilisant toutefois ces échangeurs dans une structure particulière, couplée avec le circuit de retour du chauffage. Cette combinaison, outre sa structure particulière, est originale! car contrairement à l'art antérieur, elle s'effectue sur des niveaux de température de même ordre. Cette combinaison est avantageuse car - elle permet de travailler avec une température de départ T1 la plus élevée possible, ce qui permet d'utiliser sur le circuit de chauffage (9) des radiateurs faiblement surdimensionnés - et d'autre part, le retour T2 s'effectue à une température assez faible, ce qui est excellent pour obtenir un bon rendement de chauffage et un échange le meilleur possible. De la sorte, l'invention présente de nombreux avantages pour les installations de chauffage, notamment de chauffage domestique. REVENDICATIONS 1/ Installation perfectionnée de chauffage par chaudière à condensation, du type comprenant - un foyer (1) avec son système de refroidissement (7) relié au réseau (9) de chauffage par un circuit départ (10) et un circuit retour (11-11') du fluide caloporteur - un circuit d'évacuation (8) des fumées de combustion relié au foyer (1) et à la cheminée (13), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre - un échangeur (12) à condensation à contact direct, comportant un circuit (30-31) de liquide intermédiaire disposé sur le circuit (8-13) d'évacuation des fumées et traversé par lesdites fumées - et un échangeur (35) à parois (37) placé d'un côté, sur le circuit (30-31) du liquide intermédiaire-de l'échangeur (12) à contact direct, connecté à la sortie (31) et à l'en trée (36) de cet échangeur (12) à contact direct, de l'autre côté, sur le circuit retour (11 11') du fluide caloporteur du réseau (9) de chauffage 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chaudière (1) est une chaudière domestique à gaz ou à fuel refroidie par le fluide caloporteur du chauffage. 3/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur (12) à contact direct se présente sous la forme d'une colonne comprenant essentiellement de haut en bas - une évacuation (13) des fumées refroidies, - un moyen (29) de dispersion du liquide intermédiaire, - un élément central (15) constitué par un moyen (23-27) destiné à mettre en contact le liquide intermédiaire qui s'écoule de haut en bas et les fumées chaudes ascendantes à refroidir - une entrée (14) dans laquelle débouchent les fumées chaudes (8) issues du foyer (1). 4/ Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le moyen de dispersion du liquide intermédiaire est un pulvérisateur (29) débouchant dans une chambre de pulvérisation (28) placée au sommet de l'élé- ment central (15) et en aval de l'orifice d'évacuation (13) des fumées refroidies. 5/ Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément central (15) est constitué par une série de plateaux (23-27) montés en quinconce sur deux axes (21-22) parallèles verticaux de sorte que le liquide intermédiaire qui s'écoule d'un plateau porté par un axe tombe en rideau sur le plateau suivant porté par l'autre axe vertical. 6/ Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'entrée (14) de la colonne formant l'échangeur (12) comprend - une arrivée (40) tangentielle des fumées chaudes (8) à refroidir, - un pot de décantation (33) du liquide intermédiaire descendant chauffé par les fumées ascendantes, - une purge (32) pour l'évacuation des condensats, - un circuit de départ (31) vers l'échangeur à parois (35). 7/ Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'échangeur (35) à parois (37) est du type liquide (intermédiaire)/liquide (eau du réseau 9 de chauffage). 8-/ Installation selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisée en ce que le circuit (30-31) du liquide intermédiaire reliant le bas (33) de l'échangeur (12) à contact direct, l'échangeur (35) à parois (37) et le haut (36) de l'échangeur à contact direct (12) comporte une pompe de circulation (38) disposée en aval de l'échangeur à parois (35) et en amont de l'échangeur direct (12).