Brevet FR2553869A1 — publié le 19850426

-1 L'invention concerne une chaudière à condensation pour chauffage à fluide caloporteur et plus particulièrement une chaudière à gaz pour chauffage central à eau chaude. Le rendement d'une chaudière à fluide caloporteur est fonc5 tion des performances du brûleur et de celles de l'échangeur qui doit transférer les calories,dégagées par la combustion,au fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est en général de l'eau qui est, après avoir été chauffée, dirigée vers les appareils de chauffage (radiateurs, tuyauteries noyées dans le sol) pour retourner ensuite vers l'échan10 geur. Dans ce type de chaudière lorsque les performances de l'échangeur sont élevées, il se produit des phénomènes de condensation, surtout si la température de l'eau de retour des appareils de chauffage eskbasseo En conséquence, il est nécessaire de prévoir le collectage 15 et l'évacuation des condensats ainsi formés. Les chaudières classiques présentent généralement un brûleur disposé sous l'échangeur, ce qui est particulièrement gênant étant donné les risques de chutes des condensats sur la flamme C'est pourquoi certaines autres chaudières présentent un brûleur disposé latéralement. L'invention a pour objet une disposition particulièrement simple et rationnelle des trois éléments principaux d'une telle chaudière ainsi qu'une conception originale de ces trois éléments. Une chaudière selon l'invention permet d'obtenir une bonne combustion, un collectage et une évacuation faciles des condensats, sans 25 perturbation de la flamme par ces derniers, et un très bon rendement. Une chaudière selon l'invention est remarquable en ce que le brûleur est revenversé dans la partie haute de la chaudière, de manière à fournir une flamme dirigée vers le bas dans une chambre de combustion sous laquelle est aménagé l'échangeur thermique qui présente une surfa30 ce d'échange décroissante du haut vers le bas et possède une arrivée de fluide à chauffer dans sa partie basse et une sortie de fluide chauffé dans sa partie haute, tandis qu'un collecteur des condensats et des gaz de combustion est disposé sous l'échangeur. Cette disposition particulièrement simple permet avantageuse- -2 ment de recueillir les condensats par gravité dans le bas de la chaudière sans risque de perturber la flamme. En outre la forme préconisée pour l'échangeur est particulièrenent efficace puisque l'échangeur présente une surface d'échange qui décroit en même temps que la température et donc du volume des gaz chauds. Selon un mode de réalisation dans lequel l'échangeur est formé par un ou plusieurs tubes ou portions de tubs munis éventuellement d'ailettes et dans lesquels circule le fluide à chauffer, le ou 10 les tubes ou portions de tubes sont disposés en étage de manière à présenter une longueur de circulation de fluide par étage décroissante vers le bas Avantageusement dans ce cas, chaque étage de l'échangeur est formé par un ou plusieurs tubes ou portions de tubes parallèles entre eux et de même longueur dont le nombre et/ou la longueur varient d'un étage à l'autre tandis qu'il communiquent entre eux-de manière telle que le fluide circule dans tous les tubes ou portions de tubes d'un étage avant de passer à l'étage suivant, l'étage ayant le plus petit nombre et/ou la plus petite longueur de tubes étant tourné vers 20 le collecteur des condensats et des gaz de combustion. Selon un mode de réalisation préféré, lorsque tous les tubes ou portions de tubes de l'échangeur présentent la même longueur, ce nombre varie d'un étage au suivantde la même valeur d'au moins une unité. De préférence aussi, lorsque l'échangeur est formé par un ou plusieurs tubes, la communication d'un tube à l'autre pour chaque étage et la communication d'un étage à l'autre sont assurées par deux collecteurs munis de canaux qui sont raccordés de manière étanche avec les deux extrémités de chaque tube, l'un des collecteurs étant pourvu 30 de l'arrivée de fluide de l'échangeur et l'autre collecteur ou le même de la sortie de fluide. Avantageusement un déflecteur entoure au moins partiellement l'échangeur, sa forme étant adaptée à celle de ce dernier, de manière à diriger les gaz de combustion vers ledit échangeur et les conden35 sats vers le collecteur. -3 Selon un mode de réalisation, la chambre de combustion est latéralement entourée par une chemise de fluide qui est munie, d'une part, d'une entrée raccordée avec la sortie de fluide aménagée dans la partie haute de l'échangeur et, d'autre part, d'une sortie de flui5 de, tandis qu'une cloison est prévue dans ladite chemise, entre son entrée et sa sortie, afin d'assurer une circulation du fluide entre ladite entrée et ladite sortie. L'invention prévoit également, sans être limitée à cette disposition, que le brûleur présente une arrivée d'air qui communique 10 avec une chambre de mélange dans laquelle le gaz combustible est injecté par une canalisation centrale d'alimentation tandis qu'une prise d'air secondaire entoure la chambre de mélange et qu'une chicane et une grille assurent la communication entre la chambre de mélange et la chambre de combustion. Dans ce cas, et de préférence, l'arrivée d'air du brûleur est disposée tangentiellement à un pot circulaire au centre duquel est aménagée la chambre de mélange qui est pourvue d'une ouverture centrale à travers laquelle arrive l'air et passe la canalisation d'alimentation en gaz combustible. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, d'une chaudière à gaz, à eau chaude, et qui se réfère au dessin annexé dans lequel: la figure 1 montre schématiquement l'intérieur d'une chau25 dière selon l'invention, la figure 2 montre schématiquement une coupe selpn un plan perpendiculaire à la figure 1 passant par un tube de chaque étage de l'échangeur la figure 3 est une coupe schématique horizontale de l'é30 changeur, pratiquée au niveau de son étage le plus près du brûleur, la chaudière étant représentée tournée dans le sens de la figure 2, la figure 4 est une coupe schématique horizontale pratiquée entre l'échangeur et le brûleur, la chaudière étant représentée 35 tournée dans le sens de la figure 2. -4 Il y a lieu de noter tout d'abord que les dessins, pour permettre de mieux comprendre l'invention,sont des schémas qui ne correspondent pas toujours à la réalité, comme il sera précisé ciaprès. La figure 1 montre une chaudière munie de trois éléments principaux: un brûleur 1, un échangeur 2 et un collecteur 3 destiné à recueillir les condensats et les gaz de combustion. Le brûleur 1, disposé dans la partie haute de la chaudière comporte un pot 4 dans lequel arrive tangentiellement de l'air par 10 une arrivée 5. Au centre du pot 4 est aménagée une chambre de mélange 6 pourvue d'une ouverture centrale 7 par laquelle passent, d'une part, l'air qui arrive en 5 et, d'autre part, une canalisation 8 d'alimentation en gaz combustible La canalisation 8 est pourvue de trous 9 15 permettant l'injection du gaz dans la chambre 6. Autour de la chambre 6 un ou des passages 10 sont prévus tandis qu'une chicane 11 et une grille 12 sont aménagées sous ladite chambre, des électrodes respectivement d'allumage 13 et de contrôle de flamme par ionisation 13 ' étant en outre prévues au voisinage de 20 la grille 12. Le brûleur ainsi décrit fonctionne de la manière suivante. L'air comburant arrive en 5 tangentiellement dans le pot 4 avant de parvenir dans la chambre 6 o l'air se mélange avec le gaz combustible provenant des trous 9 de la canalisation 8. Le mélange d'air et de gaz peut ainsi traverser la grille 12 après le passage de la chicane 11 et être enflammé au moyen de l'électrode 13, tandis que de l'air-secondaire arrive par les passages 10. Il est clair qu'ainsi le brûleur fournit une flamme annu30 laire 14 dirigée vers le bas. La flamme 14 brûle dans une chambre de combustion 15, dite froide, limitée latéralement par une chemise d'eau 16 dont il sera question ci-après et par l'échangeur 2. L'échangeur 2 est formé par plusieurs tubes 17 identiques 35 et parallèles entre eux, qui sont pourvus d'ailettes (comme le montre les figures 2 à 4) et qui sont disposés horizontalement en plusieurs -5 étages. L'étage le plus bas comporte ici deux tubes et chaque étage comporte à chaque fois un tube de plus que l'étage précédent, soit 2, 3, 4 et 5 tubes (en partant du bas vers le haut), Les deux extrémités de chaque tube sont raccordées à deux collecteurs 18 et 19 (figures 2 et 3) formés de plaques épaisses qui sont munis intérieurement de canaux tels que 20 raccordés de manière étanche audits tubes, d'une arrivée d'eau 21 (figures 1 et 2) et d'une sortie d'eau 22, lesdits canaux étant tels que l'eau qui arrive par 10 21 et ressort par 22 circule entre temps comme le montre schématiquement la figure 1 en passant dans tous les tubes de chaque étage et en passant successivement d'un étage à l'autre, les canaux 20 des collecteurs étant représentés,pour une meilleure compréhension, sur la figure 1, tandis que la circulation de l'eau est indiquée par des fléches 15 (la circulation de l'eau dans le dernier étage étant plus particulièrement visible sur la figure 3). Les tubes 17 présentent ici tous la même longueur de telle sorte que la forme générale de l'échangeur est celle d'un prisme droit trapézoldal Il est clair toutefois que l'étage le plus bas pourrait 20 n'avoir qu'un tube (prisme droit triangulaire), que la longueur et le nombre des tubes pourraient varier d'un étage à l'autre (forme troncpyramidale), ou que seule la longueur des tubes pourrait varier. En outre, le nombre d'un étage à l'autre peut évidemment varier de plus d'une unité Enfin, au lieu d'avoir des tubes raccordés 25 aux collecteurs 18 et 19, il est envisageable naturellement d'utiliser un seul tube, chaque étage étant alors formé par une ou plusieurs portions de tubes. La figure 1 montre en outre, un déflecteur 23, formant un système de chicanes et qui est aménagé de manière à venir en partie 30 au contact ou au voisinage des ailettes des tubes 17 extérieurs, à l'exception bien sûr du dessus des tubes du dernier étage et en ménageant au moins un passage 33 sous les tubes du premier étage. La sortie d'eau 22 de l'échangeur prévue dans l'un des collecteurs en regard de l'extrémité de l'un des deux tubes extérieurs 35 du dernier étage est raccordée par une canalisation 25 à une arrivée 24 de la chemise d'eau 16, cette dernière étant pourvue d'une sortie 26. -6 Pour faciliter la compréhension des dessins, l'entrée 24 et la sortie 26 de la chemise d'eau 16 sont représentées sur les figures 1 et 2 de chaque côté, alors que la figure 4 montre qu'en réalité cette arrivée 24 et cette sortie 26 sont aménagées au voisinage 5 l'une de l'autre, du même côté que l'arrivée 21 et la sortie 22 de 1 ' échangeur, c'est-à-dire ici sur la même face avant de la figure 1. La chemise d'eau 16 est pourvue d'une cloison 27 qui sépare l'entrée 24 et la sortie 26, de manière à permettre une circulation d'eau entre ladite entrée et ladite sortie. Le collecteur 3 (figure 1) disposé sous l'échangeur 2, présente une sortie 28 pour les gaz de combustion et dans sa partie basse, un conduit 29 d'évacuation des condensats, muni d'un siphon 30. Le fonctionnement de la chaudière décrite ci-avant est simple à comprendre L'arrivée d'eau 21 est branchée sur la conduite 31 15 de retour chauffage, c'est-à-dire qu'elle communique avec l'eau sortant des appareils de chauffage (radiateurs par exemple) L'eau circule dans l'échangeur comme décrit ci-avant pour ressortir en 22, entrer en 24 dans la chemise 16 et en ressortir en 26 pour déboucher dans une canalisation 32 de départ chauffage. L'eau qui circule dans l'échangeur 2, est ainsi chauffée par les gaz chauds provenant de la chambre de combustion 15, cette dernière étant en outre refroidie par la chemise d'eau 16. Les gaz de combustion sont avantageusement canalisés vers l'échangeur par le déflecteur 23 et aboutissent dans le collecteur 3 pour sortir parune sortie 28 tandis que les condensats tombent par gravité dans le collecteur 3 en étant éventuellement dirigés aussi par le déflecteur 23 Les condensats sont ensuite évacués par la canalisation 29. Il est clair que la forme même de l'échangeur, comme le mon30 tre la figure 1, procure de bons échanges thermiques et une récupération facile des condensats. Il est clair également que le mode de réalisation décrit peut subir de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention qui est remarquable par la disposition des éléments et par les caractéristiques de ces éléments étant entendu que la forme et la conception de l'échangeur peuvent être tout autres, du moment que la surface d'échange est décroissante du haut vers le bas. -7 En outre, si l'invention concerne plus spécialement une chaudière à gaz, il est bien sûr possible d'utiliser un brûleur au fuel, à vaporisation par exemple, la nature des matériaux choisis étant alors adaptée à ce type de brûleur. 5 Enfin, de très nombreux aménagements non décrits, sont évidemment prévus tels que: vise-flamme, détecteur de débit, circulateur de chauffage, ventilateur etc. -8 REVENDICATIONS 1) Chaudière à condensation pour chauffage à fluide caloporteur, comportant un brûleur ( 1) et un échangeur thermique ( 2) à circulation de fluide, chaudière caractérisée en ce que le brûleur ( 1) est renversé dans la partie haute de la chaudière, de manière à fournir une flamme dirigée vers le bas dans une chambre de combustion ( 15) sous laquelle est aménagé l'échangeur thermique ( 2) qui présente une surface d'échange décroissante du haut vers le bas et possède une arrivée ( 21)1 de fluide à chauffer dans sa partie basse et une sortie ( 22) de fluide chauffé dans sa partie haute, tandis qu'un collecteur 10 ( 3) des condensats et des gaz de combustion est disposé sous l'échangeur. 2) Chaudière selon la revendication 1, dont l'échangeur est formé par un ou plusieurs tubes ( 17) ou portions de tubes munis éventuellement d'ailettes et danslesquels circule le fluide à chauf15 fer, caractérisée en ce que le ou les tubes ( 17) ou portions de tubes sont disposés en étage, de manière à présenter une longueur de circulation de fluide par étage décroissante vers le-bas. 3) Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque étage de l'échangeur est formé par un ou plusieurs tubes 20 ( 17) ou portions de tubes parallèles entre eux et de même longueur dont le nombre et/ou la longueur varient d'un étage à l'autre tandis qu'ils communiquent entre eux de manière telle que le fluide circule dans tous les tubes ou portions de tubes d'un étage avant de passer à l'étage suivant, l'étage ayant le plus petit nombre et/ou la plus 25 petite longueur de tubes étant tourné vers le collecteur ( 3) des condensats et des gaz de combustion. 4) Chaudière selon la revendication 3 dont tous les tubes ( 17) ou portions de tubes de l'échangeur présentent la même longueur, caractérisée en ce que le nombre de tubes ou portions de tubes varie 30 d'un étageau suivant toujours de la même valeur d'au moins une unité. ) Chaudière selon l'une-des revendications 2 à 4 dont chaque étage de l'échangeur est formé par un ou plusieurs tubes ( 17), caractérisée en ce que la communication d'un tube à l'autre pour chaque étage et la communication d'un étage à l'autre sont assurées par -9 deux collecteurs ( 18,19) munis de canaux ( 20) qui sont raccordés de manière étanche avec les deux extrémités de chaque tube, l'un des collecteurs ( 19) étant pourvu de l'arrivée ( 21) de fluide de l'échangeur et l'autre collecteur ou le même de la sortie ( 22) de fluide. 6) Chaudière selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un des déflecteur ( 23) entoure au moins partiellement l'échangeur ( 2) , sa forme étant adaptée à celle de ce dernier, de manière a diriger les gaz de combustion vers ledit échangeur et les condensats vers le collecteur ( 3). i O O 7) Chaudière selon l'une des revendications 1 a 6, caracterisée en ce que la chambre de combustion ( 15) est latéralement entourée par une chemise de fluide ( 16) qui est munie, d'une part, d' une entrée ( 24) raccordée avec la sortie ( 22) de fluide aménagée dans la partie haute de léchangeur et, d'autre part, d'une sortie ( 26) de fluide, tandis qu'une cloison ( 27) est prévue dans ladite chemise, entre son entrée et sa sortie, afin d'assurer une ciculation de fluide entre ladite entrée et ladite sortie. 8) Chaudière à gaz selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le brûleur présente une arrivée d'air ( 5) qui 20 communique avec une chambre de mélange ( 6) dans laquelle le gaz combustible est injecté par une canalisation centrale d'alimentation ( 8) tandis qu'une prise d'air secondaire ( 10) entoure la chambre de mélange et qu'une chicane ( 11) et une grille ( 12) assurent la communication entre la chambre de mélange ( 6) et la chambre de combustion ( 15)o 9) Chaudière selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'arrivée d'air ( 5) du brûleur est disposée tangentiellement à un pot circulaire ( 4) au centre duquel est aménagée la chambre de mélange ( 6) qui est pourvue d'une ouverture centrale ( 7) à travers laquelle arrive l'air et passe la canalisation d'alimentation ( 8) en 30 gaz combustible.