Brevet FR2557677A1 — publié le 19850705

"Chaudière de chauffage à basse température, notamment pour les domaines des puissances moyennes et élevées. L'invention a pour objet une chaudière de chauffage à basse température, notamment pour les domaines de puissance moyenne et élevée, constituée d'un caisson su périeur de passage d'eau avec une chambre de combustion et d'un caisson inférieur de passage d'eau au-dessous duquel est disposée la chambre collectrice de gaz de fumées, les deux caissons, munis de raccords de fluide caloporteur, étant reliés l'un à l'autre par des tubes d'écoulement, des tubes de tirage de gaz chaud qui vont à la chambre collectrice de gaz de fumées, étant disposés dans les tubes d'écoule- ment. Pour économiser l'énergie primaire (pétrole/gaz), il est connu depuis longtemps d'agencer les chaudières de chauffage de manière qu'elles puissent fonctionner avec une température dite flottante ou en tant que chaudières à basse température. Les dispositions particulières qui sont prises actuellement pour permettre un tel mode de fonctionnement consistent à rendre les éléments soumis à l'action du ga dans une large mesure résistants à l'attaque du condensat ou à veiller le mieux possible à ce qu'il ne se forme que peu ou pas de condensat. De telles disposi- tios vont de l'émaillage à la réalisation de surfaces de chauffe dites à double coque en passant par les corps de garniture en fonte et l'utilisation d'aciers spéciaux.Pour les chaudières de chauffage situées dans le domaine des faibles puissances, la dépense supplémentaire liée à de telles dispositions est justifiée et supportable. Cependant, cela n'est plus vrai sans problèmes pour les grosses chaudières situées dans des domaines de puissances moyennes et élevées. En conséquence, l'invention a pour but de créer une chaudière de chauffage prévue pour l'usage indi qué dans le préambule et notamment pour les domaines des puissances moyennes et élevées, dans laquelle on puisse se passer des dispositions particulières du type indiqué concernant la sécurité vis-à-vis du condensat. On se propose également de réaliser la chaudière avec le plus faible volume possible pour le fluide caloporteur, l'ensemble de la chaudière ayant une conception de base simple en permettant la régu-lation de la température. La chaudière doit aussi pouvoir etre aisément réalisée en étant divisée suivant son plan vertical médian longitudinal. A cet effet, l'invention concerne une chaudière de type ci-dessus caractérisée en ce que les tubes d'écoulement sont raccordés par leurs embouchures d'arrivée au caisson supérieur et par leurs embouchures de sortie au caisson inférieur, en ce que le raccord d'aller de fluide caloporteur est disposé sur le caisson inférieur de passage d'eau et le raccord de retour de fluide caloporteur est disposé sur le caisson supérieur de passage d'eau au-dessus de la chambre de combustion, les deux raccords étant reliés par une conduite de dérivation munie d'un organe de réglage tel que papillon tournant, pompe à débit variable ou similaire. Des dispositions indiquées dans la suite permettent d'obtenir des modes de réalisation avantageux de l'invention. La considération qui est à la base de l'invention consiste à ne pas évacuer le fluide caloporteur, pouvant être chauffé rapidement autour de la chambre de combustion, directement vers le haut à partir de cette zone à travers l'allér de la chaudière, mais à empocher cette évacuation dans une certaine mesure et à provoquer un écoulement vers le bas en écoulement parallèle aux gaz chauds et dans le même sens. Le réglage par la conduite de dérivation veille alors à ce qu'un excès d'eau de retour relativement froide reparte directement à travers l'aller,sans possibilité de refroidissement de la chaudière . Il est ainsi possible de fabriquer l'ensemble de la chaudière avec des tôles usuelles pour chaudières, sans que l'on ait à recourir aux dispositions mentionnées précédemment en ce qui concerne la résistance vis à-vis du condensat. La condition pour cela réside dans la disposition, pour ainsi dire anormale des raccords d'aller et de retour et dans la disposition des embouchures d'entrée des tubes d'écoulement dans le caisson supérieur et des embouchures de sortie de ces tubes à partir du caisson inférieur. La chaudière du type indiqué dans le préambule est conforme à celle suivant le brevet des E.U.A. NO 4 271 789. Cependant, cette chaudière fonctionne précisément dans un sens opposé au but poursuivi, c'est-à-dire en tant que chaudière à pouvoir calorifique ou chaudière à condensat. En d'autres termes, dans cette chaudière, tout est agencé pour refroidir autant que possible les gaz chauds et pour provoquer la formation d'un condensat. Du fait du guidage du fluide caloporteur prévu dans cette chaudière, à savoir du bas vers le haut, et du refroidissement particulier de la surface de transmission de chaleur qui en résulte, cette chaudière de chauffage antérieurement connue ne convient pas pour résoudre le problème posé. Etant donné qu'avec la solution conforme à l'invention, seule l'eau de retour relativement froide est introduite tout en haut au dessus de la chambre de combustion, cette eau peut se répartir immédiatement sur la zone la plus chaude de la chaudière, elle peut se réchauffer et s'écouler ensuite, en principe de façon anormale, vers le bas dans les enveloppes des tubes dadbles.En tout cas, l'eau est alors déjà considérablement réchauffée car l'hy pothèse de base est que 60% environ de la chaleur produite par le brûleur est déjà absorbée dans le caisson supérieur. Il est alors essentiel que, dans la zone des raccords des tubes de tirage des gaz chauds à la chambre de combustion horizontale, le fond de la chambre de combustion soit incliné à partir des embouchures des tubes pour que, dans cette zone à forte charge thermique, il ne puisse pas se former des bulles de vapeur dans l'eau et pour que l'eau chauffée puisse s'écouler sur les surfaces inclinées. La même chose est aussi valable pour la couverture de la chambre collectrice des gaz de fumées, mais seulement pour que l'on puisse raccorder dans de bonnes conditions les tubes d'écoulement et les tubes de tirage de gaz chauds aux tôles correspondantes du caisson. La condition d'un tracé incliné vers chaque embouchure des tubes de tirage de gaz chauds de la zone correspondante de la paroi de la chambre de combustion est évidemment aussi remplie par une paroi de chambre de combustion cylindrique. Mais il est plus avantageux de pré- voir une disposition de cette zone avec des surfaces planes inclinées vers le bas en forme de V. En effet, il est alors facile de raccorder les tubes qui s'étendent alors, en raison du raccordement incliné du caisson inférieur, en convergeant vers le caisson supérieur. Un point essentiel pour l'agencement conforme à l'invention est aussi, en s'écartant également de la chaudière à condensat anterieurement connue, que la chambre de combustion soit disposée de manière que son axe longitudinal soit horizontal. En effet, cette disposition rend possible l'amenee de l'eau de retour par le haut et son écoulement vers le bas dans une large mesure uniforme. On dispose également pour les tubes de tirage de gaz chauds d'une grande surface de raccordement par rapport à l'aire de la section de la chambre de combustion. Dans les chaudières de chauffage connues avec brtleurs à soufflage d'air, les zones arrières extrêmes des tubes de tirage de gaz chauds, c'est-à-dire les zones les plus rapprochées de la chambre collectrice de gaz de fumées, sont exposées au risque de corrosion par point de rosée. Avec l'agencement conforme à l'invention, l'eau qui s'écoule vers le bas dans les intervalles entre les tubes de tirage de gaz chauds et les tubes d'écoulement est chauffée toujours davantage lors de son écoulement vers le bas. Etant donné qu'une conduite de dérivation est disposée entre la tubulure d' arrivée et la tubulure de retour de la chaudière, cette conduite étant munie d'un organe de réglage, par exemple sous forme d'un papillon tournant, d'une pxge à débit variable et donc réglable ou d'un organe similaire regle par un détecteur de chaleur dispose dans la partie inférieure, à l'ex- trémité des tubes de tirage de gaz chauds, on peut assurer la régulation de la température de la chaudière de façon continue à une valeur de consigne déterminée, dans la zone inférieure qui est la zone critique. On peut ainsi se passer, de façon complète et avantageuse, d'un melange en retour qui, autrement, est usuel et doit être monté avant la chaudière. Il s'écoule toujours dans la chaudière juste assez d'eau de retour de chauffage pour que celle-ci soit chauffée à une température minimale regelée et déterminée. Ce qui constitue "l'excès" d'eau de retour est directement envoyé dans la conduite d'aller de la chaudière par la conduite de dériva- tion. Cette conception permet également, sans dispositif supplémentaire pour évite la corrosion par point de rosée des tubes de tirage de gaz chauds, d'équiper la chaudiere d'un brûleur à deux étages ou de brûleurs à régulation modulée. Lorsque le brûleur fonctionne avec un faible débit de combustible, le papillon d'étranglement est régle en consequence dans la conduite de dérivation, de sorte ge l'eau de la chaudière ne prend pas une température trop basse et que les gaz de combustion ou les gaz dhauds ne peuvent pas se condenser sur des parois de chaudière trop froides. Par le réglage de la température de la chaudière, on évite un trop fort refroidissement de la chaudière, même en cas de variation de charge, c'est-à-dire lorsque le débit de combustion varie. On évite ainsi également un trop fort refroidissement des gaz chauds. Pour que la longueur des tubes d'écou- lement et des tubes de gaz chauds ne soit pas trop grande et pour que la hauteur de la chaudière permette de la loger dans des chambres de chauffe de hauteur normale, on utilise de préférence pour les tubes de tirage de gaz chauds des tubes comportant des parois façonnées en forme d'hélice. De tels tubes sont en soi connus. Suivant un mode de realisation avantageux, les tubes d'écoulement sont, avec les tubes de tirage de gaz chauds, incurvés par rapport à la verticale médiane de la chaudière, tout en conservant leur raccordement perpendiculaire avec le caisson ou les parois de chambres correspondantes. Cela conduit, notamment lorsqu'on utilise des tubes de tirage de gaz chauds à parois façonnées, à une forte turbulence et à l'homogénéisation des gaz chauds en écoulement. En raison de la disposition horizontale de la chambre de combustion, on a aussi la possibilité d'équiper cette chambre de combustion de brûleurs sur les deux côtés et de disposer le cas échéant une cloison au milieu. On peut en outre, simplement par un allongement approprié des deux caissons, en conservant les dimensions en hauteur et en largeur de l'ensemble de la chaudière, prévoir sans problème un plus grand nombre de tubes ascendants de trop plein et de tubes d'écoulement de gaz chauds pour s'adapter aux conditions de puissances. Des chaudières selon l'invention sont représentées à titre d'exemples de réalisation non limitatifs sur les figures ci-jointes, dans lesquelles - la figure 1 est une coupe transversale d'une chaudière de chauffage - la figure 2 est une coupe longitudinale de la chaudière de chauffage représentée sur la fig. 1 - la figure 3 est une coupe transversale d'une chaudière de chauffage suivant une autre forme de réalisation - la figure 4 est une coupe transversale d'une chaudière de chauffage divisée dans le sens longitudinal - la figure 5 est une vue de dessus de la chaudière divisee suivant la fig. 4. Comme on peut le voir sur la fig. 1 et la fig. 2, la chambre de combustion 5 est, comme le caisson 4 qui la constitue, disposée horizontalement. Le raccord de retour 2 est monté à l'emplacement le plus élevé du caisson 4 ; ce raccord est relié par une conduite de dérivation 7 au raccord d'aller 1 disposé sur le caisson inférieur 3 de passage de l'eau. En ce qui concerne l'introduction et la distribution du retour sur la chambre de combustion 5 vers le bas, on peut évidemmfflnt prdwoir à l'intérieur du caisson su périeur 4 des éléments de répartition ou prévoir, de façon similaire, plusieurs raccords 2 en fonction de la longueur de la chambre de combustion. Dans l'exemple de réalisation représenté, le fond 8 de la chambre de combustion est constitue avec des éléments qui sont plans mais inclinés au centre vers le bas, c'est-à-dire en forme de V. De la sorte, dans cette zone à charge thermique élevée, l'eau chaufféepeut d'une part s'écouler vers le bas et il ne peut pas se former de bulles de vapeur. D'autre part, les tubes 9 de tirage de gaz chauds peuvent être raccordés perpendiculairement à de simples ouvertures circulaires pratiquées dans le fond 8. La meme chose est valable pour le fond 12 du caisson 4 Les tubes de tirage de gaz chauds 9 comportent des parois 9' façonnées en forme d'hélice et remplissent presque complètement les tubes d'écoulement 13. Ainsi, malgré la limitation de l'ensemble de la chaudière à une hauteur acceptable, on a de longs parcours d'échange de chaleur aussi bien pour les gaz chauds que pour le fluide caloporteur. Ces deux fluides s'écoulent dans le même sens vers le bas en direction du caisson 3, ce qui est essentiel. Dans la zone inférieure 14, critique du point de vue du condensat, il ne peut pas se produire de chute de température susceptible de provoquer le formation d'un condensat. La tôle de fond 11 et la tôle de couverture 10 de la chambre collectrice d'eau 15 du caisson 3, au-dessous de laquelle est placée la chambre collectrice de gaz de fumées 16 munie d'un raccord d'écoulement de gaz chauds 16', sont disposées avec une inclinaison simplifiant le raccord des tubes. L'ensemble est entouré par une enveloppe en caisson usuelle 17 munie d'un isolant thermique intérieur, non représenté. Dans la conduite de dérivation 7 est disposé un organe de réglage 6, par exemple sous forme d'un papillon tournant commandé par un moteur à partir d'un détecteur de température 18, ce papillon s'approchant d'autant plus de sa position de fermeture que les besoins de chaleur sont plus grands. Mais, comme déjà mentionné, l'organe de réglage 6 peut aussi être constitué par une pompe de circulation à débit variable. Etant donné que l'ensemble de la chaudière se réchauffe très rapidement lorsque le brûleur 19 est remis en activité, à savoir du haut vers le bas avec un volume total d'eau extrment faible contenu dans la chaudière et aussi avec un "frond chaud" du fluide caloporteur progressant très rapidement vers le bas, il ne se forme pas de condensat dans la zone 14, normalement critique, des tubes 9. Cette zone ne peut donc pas être refroidie de façon critique pour le condensat. Du reste, on peut aussi prévoir sans problème une conduite de dérivation 16" non refroidie et à section relativement grande avec un volet de fermeture 23, cette conduite allant de la chambre de combustion 5 à l'évacuation 16 des gaz de fumées. Cette conduite reste ouverte jusqu'à ce que le "front chaud" du fluide caloporteur ait atteint la zone critique 14 (Fig. 2). L'ensemble des lignes en trait interrompu de la fig. 2 met en évidence la possibilité de disposer deux brûleurs 19 d'un caté et de l'autre de la chambre de combustion 5 traversant alors le caisson 4. Une paroi de séparation ou cloison appropriée 20 est alors judicieusement disposée dans la chambre de combustion 5. La figure 3 represente un exemple de réalisation dans lequel les tubes d'écoulement 13 et les tubes de tirage de gaz chauds 9 présentent un tracé incurvé. Ce tracé provoque non seulement une plus forte turbulence des gaz chauds dans la zone incurvée, mais permet aussi une plus forte inclinaison du fond de la chambre de combustion, sans que la chaudière doive être plus large dans la zone inférieure qu'à l'emplacement du caisson supé- rieur 4. En d'autres termes, le tracé des tubes 13 reste a l'intérieur de la projection verticale des deux caissons 3, 4. Etant donné, comme on peut le voir à partir de ce qui précède, que ltensemble de la chaudière est absolument symétrique, on peut aussi envisager, sans complication, de diviser la chaudière en direction longi tudinale suivant son plan vertical médian 21 et de placer l'une contre l'autre les deux moities I, Il constituant des blocs. Les volumes de passage d'eau doivent alors être fermé et les surfaces de joint des blocs assemblés I, II doivent être rendues étanches de façon appropriée . Le raccordement de l'aller et du retour ne pose pas de problème car on peut prévoir sans difficulté des raccords en forme de culottes 22 sur les caissons ou avec les conduites (voir fig. 4 et fig. 5). A cet égard, on pourrait aussi effectuer une division transversale de la chaudière sans nuire à son fonctionnement. On notera que, de manière préférentielle, les tubes d'écoulement (13) et les tubes de tirage de gaz chauds (9) placés dans les tubes d'écoulement sont disposés ltun derrière l'autre suivant au moins deux rangées voisines. D'une manière générale, tous les éléments de construction de la chaudière, à savoir les caissons (3, 4), la chambre de combustion (5), les tubes d'écoulement (13) avec les tubes de tirage de gaz chauds (9) et la conduite de dérivation (7) sont constitués avec des tôles de chau dière usuelles. REVENDICATIONS 1 ) Chaudière de chauffage à basse température, notamment pour les domaines de puissance moyenne et élevée, constituée d'un caisson supérieur (4) de passage d'eau avec une chambre de combustion (5) et d'un caisson inférieur (3) de passage d'eau au-dessous duquel est disposée la chambre collectrice de gaz de fumées (16), les deux caissons (3, 4), munis de raccords de fluide caloporteur (1, 2), étant reliés l'un à l'autre par des tubes d'écoulement (13), des tubes de tirage de gaz chauds (9) qui vont à la chambre collectrice de gaz de fumées, étant disposés dans les tubes d'écoulement, caractérisée en ce que les tubes d'écoulement (13) sont raccordés par leurs embouchures d'arrivée (13') au caisson supérieur (4) et par leurs embouchures de sortie (13") au caisson inférieur (3), en ce que le raccord d'aller (1) de fluide caloporteur est disposé sur le caisson inférieur de passage d'eau (3) et le raccord de retour (2) de fluide caloporteur est disposé sur le caisson supérieur de passage d'eau (4) au-dessus de la chambre de combustion (5), les deux raccords (1, 2) étant reliés par une conduite de dérivation (7) munie d'un organe de reglage (6j tel que papillon tournant, pompe à débit variable ou similaire. 2 ) Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tubes de tirage de gaz chauds (9) sont agencés en tant que tubes à parois (9') façonnées en forme d'hélices. 30) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le fond (8) de la chambre de combustion (S) est constitué de deux surfaces inclinées au centre vers le bas, et en ce que les tubes de tirage de gaz chauds (9) sont raccordés perpendiculairement au fond (8) de la chambre de combustion (5) à des ouvertures appropriees desdites surfaces. 40) Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que le fond (12) du caisson supérieur (4) est disposé parallelement au fond (8) de la chambre de combustion (5). 5 ) Chaudiere selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que la tôle de fond (10) et la tole de couverture (11) de la chambre collectrice d'eau (15) sont disposées suivant l'inclinaison du fond (8) de la chambre de combustion et du fond (12) du caisson supérieur. 60) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les tubes d'écoulement (13) et les tubes de tirage de gaz chauds (9) placés dans les tubes d'écoulement sont disposés l'un der rière l'autre suivant au moins deux Irangées voisines. 70) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la chambre de combustion (5) est reliée à l'évacuation des gaz de fumées (16') par une conduite de dérivation (16") munie d'un organe de fermeture réglable (23). 80) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la chambre de combustion (5) traversant le caisson supérieur (4) est munie de brûleurs (19) d'un côté et de l'autre ainsi que d'une paroi de séparation ou cloison (20). 90) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les tubes d'écoulement (13) et les tubes de tirage de gaz chauds (9) sont incurvés dans un plan vertical. 100) Chaudiere selon la revendication 9, caractérisée en ce que les tubes d'écoulement (13) sont disposés, y compris leur partie incurvée, à l'intérieur des projections verticales des deux caissons. 110) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les cais sons supérieur et inférieur (4, 3) ainsi que les tubes d'écoulement (13) avec les tubes de tirage de gaz chauds (9) sont disposés symétriquement par rapport au plan vertical médian (21) de la chaudière. 120) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à il, caractérisée en ce que tous les éléments de construction de la chaudière, à savoir les caissons (3, 4), la charre de combustion (5), les tubes d'écoulement (13) avec les tubes de tirage de gaz chauds (9) et la conduite de dérivation (7) sont constitués avec des tôles de chaudière usuelles. 130) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les caissons (3, 4) sont divisés suivant leur plan vertical médian (21) en deux blocs symétriques (I, II) pouvant etre appliqués l'un contre l'autre, les raccords de fluides avec les caissons (3, 4) étant réalisés avec des raccords tubulaires en forme de culottes (22). 140) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la chambre de combustion (5) est disposée dans le caisson (4) de manière que son axe longitudinal soit horizontal.