Brevet FR2559243A1 — publié le 19850809

La présente invention concerne les chaudières destinées à assurer la montée en température d'un fluide caloporteur pouvant être utilisé des fins diverses et, plus généralement, dans une installation de chauffage de locaux. Pour assumer la fonction ci-dessus, on a déjd proposé un grand nombre de solutions techniques pour réaliser des chaudieres susceptibles de ònctionner à partir d'énergies multiples, telles que le gaz, le charbon, le fuel et l'électrícite. De nombreuses solutions techniques présentent des incon- vénients tenant la consommation élevde d'énergie devant être consentie pour assurer la montée et le maintien en température du fluide caloporteur. De tels problèmes naissent, généralement, d'une insuf- fisance d'isolation ou, encore et, plus généralement, d'un mauvais rendement de.combustion et d'un échange thermique insatisfaisant entre le foyer et le fluide caloporteur. D'autres solutions proposées sont particulièrement en comburantes et, surtout, incapables de pouvoir fonctionner avec l'un quelconque de plusieurs combustibles predetermines. Dans de nombreux cas, également, les chaudières connues présentent l'inconvénient de provoquer, en certains points au moins de leur structure, des oxydations conduisant à la détérioration de l'un au moins des éléments les constituant. De telles oxydations naissent, en général, d'une hétérogénéité ou mauvaise répartition des températures internes entre deux faces d'un matériau constituant l'interface entre deux circuits de circulation différents, savoir, celui du fluide caloporteur et celui des gaz ou fumées résultant de la combustion. La présente invention vise à remedier aux inconvénients ci-dessus en proposant une nouvelle structure de chaudière de chauffage d'un fluide caloporteur. L'objet de l'invention est de proposer une chaudière de faible encombrement, susceptible de transformer l'une quelconque de plusieurs énergies disponibles pour assurer la montée en temperature et le maintien d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau. Un autre objet de l'invention est de proposer une nouvelle structure de chaudière permettant l'obtention d'un bon rendement de transformation de l'énergie utilisée, un travail général à basse température et l'absence de corrosion des éléments la constituant et, plus particulièrement, de ceux responsables de l'rechange thermique entre le circuit de gaz ou fumées et le circuit de circulation du fluide caloporteur. Pour atteindre les buts ci-dessus, l'objet de l'invention est caracterisé en ce qu'il comprend - un foyer constitué par une enveloppe comportant une paroi perimetrique fermée conductrice, une paroi arriere réfractaire et une façade au moins en partie ouverte pour l'adaptation d'un brûleur, cette enveloppe délimitant dans l'enceinte, par son volume interne, en partie le circuit de gaz et fumées et entre sa face externe et l'encein- te, en partie, le circuit de fluide, - et un échangeur constitué sous la forme d'un barillet porté par l'enceinte et l'enveloppe et délimitant une capacité d'échange thermique en relation avec le circuit de fluide et contenant des tubes internes en relation, par une extré mité, avec le circuit de gaz et fumées et, par l'autre, avec une boîte collectrice raccordée à une cheminée d'évacuation. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. I est une coupe-élévation de la chaudière conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale, prise selon la ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe, prise selon la ligne III-III de la fig. 2. La fig. 4 est une vue transversale, prise sensiblement selon la ligne IV-IV de la fig. 1. La fig. 5 est une coupe, analogue a la fig. 3, mais prise selon la ligne V-V de la fig. 2. Selon les fig. I à 3, la chaudiere conforme a l'invention comprend une enceinte 1 constituée par une double paroi retenant un revêtement réfractaire ou isolant 2. La façade 3 de l'enceinte I délimite une ouverture d'accès 4 qui est fermée par une porte foyere 5 pivotante, équipée d'un joint périphérique d'étanchéité 6. Le volume interne délimité par l'enceinte 1 est, en partie, occupé par un foyer 7 constitué par une enveloppe 8 de section droite transversale verticale oblongue, tel que cela ressort de la fig. 2. L'enveloppe 8 est fixée, par tout moyen convenable, a lSen- ceinte 1, en étant adaptee à l'ouverture d'accès 4. L'enveloppe 8 comporte une face avant entièrement ouverte et une face arrière Sa constituée par une paroi, par exemple métallique, munie sur sa face interne d'un revêtement réfractaire 9. La paroi arrière s'étend d > distance de la paroi correspondante la de l'enceinte I avec laquelle elle délimite un caisson 10. L'enveloppe 8 est, en partie, emboitée par sa demi-section cylindrique inférieure à l'intérieur d'un logement délimité par un fond 11 en tôle fixé par des plages latérales lia à l'enceinte I pour s'étendre à distance de la base 12 de l'enceinte. L'intervalle ménagé est occupé par un remplissage isolant. Les plages ila s'étendent depuis la façade de l'enceinte jusqu'a la paroi8aseulement. L'emboîtement de la demi-section inférieure de l'enveloppe 8 est assuré de façon à laisser subsister, par rapport au logement du fond 11, un intervalle 13 de faible largeur, sensiblement constante. Deux bords latéraux 14 s'élèvent dans les zones séparant le logement 11des plages lla pour s'étendre parallèlement aux faces correspondantes sensiblement verticales de l'enveloppe 8. La disposition, telle qu'illustrée par les fig. 1 et 2, permet de constater que l'enveloppe 8 délimite un volume V1 interne propre fermé, indépendant du volume V de l'enceinte et accessible par ouverture de la porte 5. ta partie supérieure du volume V1 contient un échangeur de chaleur 15 constitué sous la forme d'un barillet porté par les paroisarrière 8a-la qu'il traverse. Le barillet est fixé sur ces parois par soudure et s'étend en porte-à-faux, selon une direction inclinée descendante sur, sensiblement, toute la longueur du foyer. L'échangeur 15 comprend une paroi périphérique 16 qui délimite une capacité d'échange cylindrique 17 traversée par des tubes échangeurs axiaux 19 s'ouvrant aux deux extrémités fermées du barillet.Les tubes 18 s'ouvrent, par conséquent, par l'une de leurs extrémités dans le volume V1 et, par leur autre extrémité, située à l'extérieur de la paroi la, l'intérieur d'une botte à fumées ou collecteur 19 amovible, susceptible d'être raccordé à une cheminée d'évacuation non représentée. La porte 5 (fig. 1 et 4) comporte, dans sa partie inférieure, un massif saillant 20 en matiere réfractaire. Le massif saillant 20 entoure la demi-section circulaire de l'extrémité du barillet interne l'enveloppe 8, de façon à délimiter avec ce dernier et à l'intérieur du volume V1, en quelque sorte, une chambre de combustion 21, deux passages latéraux 22, une chambre 23 entre la face interne de la porte située en retrait du massif et l'extrémité correspondante de l'échangeur 15 et un espace semi-annulaire 24 entre le dessus du barillet et le dessus de l'enveloppe 8. La chambre 23 assume, en communiquant avec les passages latéraux 22 et l'espace semi-annulaire 2, une fonction de collecteur d'admission des gaz et fumées pour leur cheminement l'intérieur des tubes 18 les conduisant jusqu'au collecteur de sortie 19. Les passages latéraux 23 peuvent être, au moins en partie, fermés par des déflecteurs-séparateurs 25, de façon a limiter la section utile de passage et a la situer à proximité de la paroi arrière 8a. Ainsi, la construction ci-dessus permet, au moyen d'un brûleur B, par exemple du type a fuel, d'assurer la combustion dans le foyer 21 et de faire circuler les gaz dans le sens de la fleche F1 pour lécher le barillet 16 et assurer, dans un premier temps, une montée en température de la paroi périphérique 16. Les gaz et fumées de combustion sont astreints à s'élever par les sections utiles des passages latéraux 22 pour, ensuite, obligatoirement, emprunter l'espace 24 en léchant ainsi la paroi 16 du barillet. Les gaz sont ensuite collectés par la chambre 23 pour emprunter les tubes 18 qui subissent, également, une montée en température et conduisent les gaz dans la bote d'évacuation 19. Le volume V1 définit ainsi un circuit de circulation de gaz et fumées. Le barillet 15 est, de préférence, réalisé en une matitre émaillée sur toutes les surfaces, de manière à présenter une très bonne résistance à la corrosion. Le barillet 15 présente, dans sa partie traversant le caisson carrière 10, des trous 261 et 262 faisant communiquer ce caisson avec la capacité 17. L'intervalle 13, le caisson 10 et la partie supérieure du volume V, représentent, ainsi, un circuit de circulation d'un fluide caloporteur pouvant être prélevé et ramené par l'intermédiaire de tubulures de raccordement 27. Lors du fonctionnement du bruleur B, la partie inferieure de l'enveloppe 8 subit une forte montée en température qui est transmise à la lame d'eau occupant l'intervalle 13. Cette lame monte très vite en température et s'élève verticalement selon F2, le long des parois latérales de l'enveloppe 8, lesquelles sont ainsi chauffées sur leur face extérieure au volume V1 à une température voisine de celle des faces internes. Cette disposition permet de supprimer les risques de condensation par hétérogénéité des tempe ratures sur les deux faces des parois qui forment interfaces entre les deux circuits différents. La partie supérieure du volume V est divisée (fig. 1, 2 et 5) par une cloison déflectrice-séparatrice 28 en deux chambres superposées 29 et 30. La cloison 28 laisse subsister, par rapport à la paroi périphérique cylindrique interne 31 de l'enceinte 1, deux passages latéraux 32 s'étendant, sensiblement parallelement à un plan vertical médian P passant par l'axe longitudinal du foyer 7. Ainsi, à supposer que les tubulures 271 soient raccordées au retour de l'installation de chauffage, la fraction de fluide caloporteur7 en partie refroidie, est ramenée à la base de la chambre 29 et passe dans la chambre 30 par les passages latéraux 32. Le fluide refroidi chemine ainsi latéralement avant d'être infléchi par les plages lla pour être remonté,. par l'effet de la lame ascensionnelle issue de l'intervalle 13, le long de la surface extérieure de l'enveloppe 8. I1 en résulte un réchauffement progressif sans refroidissement de l'enveloppe 8. Par transfert horizontal, une partie de cette fraction emprunte aussi le caisson 10 où elle subit un réchauffement. Cette partie pénàtre,- ensuite, dans la capacité 17 où elle se réchauffe par contact avec la paroi 16 du barillet et la paroi des tubes 18.Cette fraction réchauffée sort par le trou 262 pour être dirigée vers la partie supérieure de la chambre 30. La paroi séparatrice déflectrice 29 comporte, dans sa zone centrale, une ouverture 33 bordée par une collerette 44 faisant saillie à l'intérieur de la chambre 29. L'ouverture centrale 33 permet de ramener dans la chambre 29 la fraction réchauffée du fluide caloporteur qui peut, ainsi, être de nouveau prélevé par les tubulures 272 supérieures. La collerette 34 est prévue pour faire saillie dans la chambre .29, de maniere à s'opposer à tout risque de circulation de la fraction de fluide refroidi vers l'ouverture 33 et obliger ainsi cette fraction à s'écouler dans la chambre 30 par. les passages latéraux 32. La délimitation de deux circuits de circulation différentes, pour les gaz et fumées et pour le fluide caloporteur, ainsi que l'obligation de faire suivre à ce dernier un cheminement imposé en provoquant un réchauffement progressif de la fraction de fluide caloporteur ayant dissipé ses calories dans l'installation d'utilisation, permet de maintenir un foyer ou corps de chauffe à une température homogène constante sur les deux faces représentant l'interface des deux circuits de circulation etde limiter ainsi les risques de corrosion dans le temps. En outre, l'obligation faite aux fumées et gaz de sui vre un- cheminement non ir-ec-t-rnamene ces ces gaz à lécher la paroi de ltéchangeur 15, ainsi que celle des tubes l8. Les gaz abandonnent ainsi à ces parois une partie importante des calories qui sont prélevées ensuite par la circulation du fluide caloporteur dans la capacité d'échange 17. I1 en résulte un bon rendement de l'énergie consommée et un transfert maximal des calories produites au fluide caloporteur. I1 s'ensuit qu'il devient possible de maintenir le fluide caloporteur à une température relativement basse, tout en disposant d'un corps de chauffe maintenu à température élevée lors de la combustion, sans risque d'oxydation ou de dépôt de soufre par hétérogénéité de températures sur les deux faces d'une des parois constitutives de ce corps de chauffe. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que l'échangeur 15 est réalisé pour comporter des surfaces émaillées) de manière à éviter tout dépôt ultérieur d'imbrûlés susceptibles de conduire à une perforation de la paroi constitutive. La présence de la paroi séparatrice déflectrice 28 permet de ménager une chambre 29, sensiblement indépendante de la chambre inférieure 30 et d'éviter, ainsi, en coopération avec les passages latéraux 32 et l'ouverture centrale 33 bordee de la collerette 34, un contact immédiat entre la fraction de fluide caloporteur refroidie et l'enveloppe 8. Cette enveloppe 8 est ainsi maintenue dans de bonnes conditions de fonctionnement à une température homogène constante qui favorise encore une longue durée de vie par absence de contraintes de dilatation brutale et de risques d'oxydation. La paroi séparatrice 28 présente > par ailleurs, un autre intérêt, car elle permet, le cas échéant, comme montre par la fig. 1, d'utiliser la chambre 29 pour placer des résistances plongeuses 33 permettant l'utilisation de l'énergie électrique. Ainsi, en cas de nécessité et de substitution momentanée d'energie, il devient possible de faire fonctionner la chaudiere en limitant, à la valeur minimale, la déperdition de calories prélevées par la partie du fluide caloporteur occupant là chambre inférieure 30. I1 en résulte un rendement amélioré, sans contrainte apportée thermiquement au corps de chauffe ou foyer momentanément inutilisé. La porte 5 peut, éventuellement, aussi, permettre l'adaptation d'un bruleur à gaz, de type atmosphérique, qui est alors disposé à l'intérieur de la chambre de combustion 21. Dans un tel cas, étant donné la plus faible circulation des gaz et fumées éventuels, il est prévu d'extraire les parois 25, de façon à ouvrir les-passages latéraux 22 et permettre un léchage du barillet 15 en circulation ascensionnelle directe, avant la reprise par la chambre collectrice 23. Une adaptation des conditions de circulation des gaz et fumées peut être réalisée en adaptant des chicanes 25, de longueur réglable, en prévoyant à l'intérieur des tubes 18 des perturbateurs tels que isba. L'invention-n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS I - Chaudière de chauffage d'un fluide caloporteur, du type comprenant une enceinte pourvue au moins localement d'un revêtement thermiquement isolant, un foyer associé à un brûleur, un circuit de circulation des gaz et fumées, un circuit de circulation d'un fluide caloporteur raccordé à une installation d'utilisation et un échangeur de chaleur entre ces deux circuits, caractérisée en ce qu'elle comprend - un foyer (7) constitué par une enveloppe (8) comportant une paroi périmétrique fermée con ductrice, une paroi arrière (8a) réfractaire et une façade au moins en partie ouverte pour l'a daptation d'un brûleur (B), cette enveloppe délimitant dans l'enceinte, par son volume in terne (V1), en partie, le circuit de gaz et fu- mées et entre sa face externe et l'enceinte, en partie, le circuit de fluide, - et un échangeur (15) constitué sous la forme d'un barillet porté par l'enceinte et l'enve- loppe et délimitant une capacité (17) d'échange thermique en relation avec le circuit de fluide et contenant des tubes internes (18) en relation par une extrémité avec le circuit de gaz et fu mées et par l'autre avec une boite (19) collec trice raccordée à une cheminée d'évacuation. 2 - Chaudière selon'la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi arrière (8a) de l'enveloppe (8) est située à distance de la paroi arrière (la) de l'enceinte et en ce que le barillet (15) comporte, dans la partie de sa paroi périphérique s'étendant entre les deux parois, des ouvertures (261, 262) faisant communiquer le circuit de fluide et la capacité (17). 3 - Chaudière selon la revendication I ou 2, caracté- risée en ce que le foyer (7) présente, en section droite verticale, une forme oblongue dont la partie inférieures sensiblement semi-cylindrique, est emboîtée, sans contact de surface9 dans un logement complémentaire présenté par un fond 11, de manière à laisser subsister un intervalle (13) de faible largeur occupé en permanence par une lame circulante de fluide caloporteur. 4 - Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que le logement complémentaire est bordé par deux rebords (14) longitudinaux s'élevant au-dessus du fond (11) et s'étendant entre la façade ouverte et la paroi arriere (8a) de l'enveloppe. 5 - Chaudière selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le barillet tel5) est incliné de façon descendante depuis la paroi arrière de l'enveloppe. 6 - Chaudière selon l'une des revendications 1 à 3 ou 5, caractérisée en ce que le barillet (15) comporte des chicanes dans la capacité d'échange (.17) et des perturbateurs (18a) dans les tubes. 7 - Chaudière selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le barillet, réalisé en métal, est émaillé sur toutes ses faces. 8 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de circulation du fluide caloporteur comporte, dans sa partie située au-dessus de l'enveloppe du foyer, une paroi séparatrice et déflectrice (28) divisant ledit circuit en deux chambres superposées (29 et 30) communiquant entre elles par des fentes latérales (32) autorisant une circulation latérale de réchauffage dans le sens chambre supérieure chambre inférieure et par une ouverture centrale (33) autorisant une circulation de transfert dans le sens chambre inférieure chambre supérieure. 9 - Chaudière selon la revendication 8, caractérisée en ce que la chambre supérieure (29) au moins est en relation avec des tubulures (27) de raccordement à un circuit d'utilisation du fluide caloporteur. 10 - Chaudière selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'enveloppe (8) comporte un devant ouvert fermé par une porte (5) en matière isolante comportant un massif saillant (20) entourant sur sa demi-périphérie inférieure la partie terminale du barillet correspondant aux extrémités des tubes en relation avec le volume interne du foyer, ledit massif délimitant ainsi avec le barillet à l'intérieur du foyer, une chambre de combustion (21), deux passages latéraux (22), un espace supérieur (24) et une chambre collectrice (23). Il - Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ce que les deux passages latéraux (22) entre le barillet et l'enveloppe sont en partie occupés par des déflecteurs séparateurs amovibles (25).