Brevet FR2552858A1 — publié le 19850405

DISPOSITIF D'EVACUATION DANS L'AIR AMBIANT DES PRODUITS DE COMBUSTION D'UNE CHAUDIERE A CONDENSATION. La présente invention a pour objet un dispositif d'évauation dans l'air ambiant des produits de combustion d'une 05 chaudière à condensation, dans lequel au moins un tronçon aval du conduit d'évacuation des produits de combustion est coaxial au conduit d'admission de l'air comburant nécessaire au brûleur. Une chaudière à condensation vise à utiliser au maximum l'énergie de combustion du gaz, en refroidissant le plus possible 10 les fumées provenant de la combustion On sait en effet que le rendement d'une chaudière est d'autant meilleur que la température de sortie des produits de combustion est plus basse et que donc la quantité de chaleur emportée par ces fumées est plus faible. Compte tenu du fait que les produits de combustion contiennent du 15 gaz carbonique et de l'eau, dans une chaudière à condensation, on vise à abaisser la température des produits de combustion audessousde la température de rosée afin de permettre une condensation d'une partie de l'eau contenue dans ces produits de combustion et libérer par là-m 9 me de la chaleur récupérable. 20 Dans une chaudière à condensation, la surface de l'échangeur entre les fumées et l'eau à chauffer est augmentée, ou un deuxième échangeur récupérateur entre les fumées et l'eau à chauffer est adjoint à l'échangeur principal La température de sortie des produits de combustion reste par construction un peu 25 supérieure à la température d'entrée de l'eau à réchauffer (eau sanitaire ou venant d'un circuit des radiateurs) Par suite, les produits de combustion sont souvent évacués de la chaudière à une température telle qu'une partie de l'énergie totale théoriquement récupérable est perdue. Par ailleurs, les produits de combustion étant refroidis jusqu'à saturation au moment de leur rejet dans l'atmosphère, ce rejet s'accompagne, dans une atmosphère relativement froide, d'un panache de vapeur de plusieurs mètres de longueur qui est particulièrement inesthétique lorsque le point de sortie des 35 fumées est situé sur un mur d'habitation par exemple. 2 2552858 La présente invention vise précisément à atténuer et même supprimer un tel panache de vapeur lors du re Jet, dans l'atmosphère, des produits de combustion tout en assurant une amélioration du rendement de la chaudière pour une température 05 donnée d'eau de circulation, ou, pour un même rendement, en relevant de plusieurs degrés la température de cette eau. Ces buts sont atteints grâce à un dispositif d'évacuation dans l'air ambiant des produits de combustion d'une chaudière à condensation du type mentionné en tête de la description, 10 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de renvoi vers l'extérieur d'une fraction de l'air capté dans ledit conduit d'admission, en ce que le tronçon aval du conduit d'évacuation des produits de combustion, le tronçon coaxial du conduit d'admission et les moyens de renvoi vers l'extérieur d'une fraction de l'air 15 capté définissent un premier échangeur de chaleur et en ce qu'il comprend en outre des moyens de dilution des produits de combustion avec ladite fraction de l'air capté, lesdits moyens de dilution étant situés au voisinage de la bouche d'aspiration de l'air comburant et de re Jet des produits de combustion dans l'air 20 ambiant. Avantageusement, les moyens de renvoi vers l'extérieur d'une fraction de l'air capté comprennent un tube central coaxial au tronçon aval du conduit d'évacuation des produits de combustion et le conduit d'admission de l'air comburant entoure ledit tronçon aval du conduit d'évacuation des produits de combustion. De façon plus particulière, le premier échangeur de chaleur comprend ledit tube central, un tube intermédiaire en métal bon conducteur de la chaleur qui constitue ledit tronçon aval du conduit d'évacuation des produits de combustion, un tube 30 extérieur constituant ledit conduit d'admission d'air comburant et des ailettes longitudinales s'étendant radialement de part et d'autre du tube intermédiaire. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens de dilution comprennent un carénage gaufré disposé 35 à la sortie du tube central, entre celui-ci et le conduit 3 2552858 d'évacuation des produits de combustion, pour permettre à la fraction d'air renvoyée vers l'extérieur de pénétrer dans la zone de circulation des produits de combustion. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, lesdits 05 moyens de dilution comprennent un venturi de mélange formé à la sortie du conduit d'évacuation des produits de combustion et agissant sur les deux faces du jet gazeux annulaire constitué par les produits de combustion, de manière à permettre l'entraînement par aspiration de l'air renvoyé par le tube central. Selon une autre caractéristique avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend en outre un second échangeur de chaleur entre les produits de combustion issus de la chaudière et l'air comburant réchauffé dans le premier échangeur de chaleur, et le second échangeur de chaleur est du type à ruissellement d'eau pour 15 saturer de vapeur l'air tiède de combustion déjà réchauffé. Des moyens sont associés au premier échangeur de chaleur, au voisinage de la sortie du conduit d'évacuation des produits de combustion, pour recueillir les condensats formés dans ce dernier et les renvoyer dans le second échangeur de chaleur pour constituer l'eau de ruissellement destinée à saturer de vapeur l'air de combustion préchauffé. De façon plus particulière, le second échangeur de chaleur comprend un tube extérieur constitué par une partie du conduit d'amenée d'air au brûleur de la chaudière, et un tube intérieur 25 coaxial constitué par une partie du conduit d'évacuation des gaz de combustion, la face externe du tube intérieur est recouverte d'un matériau poreux et hygrophile permettant à l'eau de condensation de ruisseler et le tube intérieur est constitué d'un métal bon conducteur de la chaleur et est garni intérieurement 30 d'ailettes longitudinales. Selon une caractéristique particulière, un ventilateur de circulation est disposé à l'extrémité du premier échangeur de chaleur sur le trajet du conduit d'admission de l'air et les moyens de séparation entre l'air comburant destiné au brûleur et 35 la fraction d'air destinée à constituer l'air de dilution sont situés à la sortie du ventilateur. Selon une application avantageuse de l'invention, le premier échangeur de chaleur et les moyens de dilution associés sont disposés à l'emplacement d'une ventouse reliant la chaudière 05 à l'atmosphère extérieure, sur une façade de bâtiment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue en coupe montrant une section du premier échangeur de chaleur, selon la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe montrant une section du 15 second échangeur de chaleur, selon la ligne III-III de la figure 1, la figure 4 est une vue en coupe montrant une section d'un premier mode de réalisation de moyens de dilution, selon la ligne IV-IV de la figure 1, la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un second mode de réalisation de l'invention. On voit sur la figure 1 un dispositif conforme à l'invention qui comporte une conduite 9, 19 d'évacuation des gaz de combustion d'une chaudière 100, et une conduite 1,3,4 d'alimentation de la chaudière 100 en air comburant L'extrémité inférieure de la conduite verticale 9 est raccordée à un orifice 102 de la chaudière 100 tandis que l'extrémité 32 du tronçon horizontal aval 19 de la conduite d'évacuation des produits de combustion débouche dans l'atmosphère à travers une ouverture 201 30 de la paroi 200 du bâtiment o se trouve la chaudière 100 La conduite 1 d'admission d'air comburant présente une première partie horizontale qui prend naissance par son extrémité libre 31 à travers l'ouverture 201 et entoure le tronçon horizontal aval 19, puis débouche par son extrémité 2 dans un ventilateur 6 qui 35 renvoie, par une conduite 3 et une conduite verticale 4 entourant 2552858 la conduite 9 d'évacuation des gaz de combustion, de l'air qui pénètre par un orifice 101 de la chaudière pour alimenter le brûleur à air soufflé incorporé dans celle-ci. A la sortie du ventilateur 6, une conduite de dérivation 05 prolongée par un tronçon horizontal 18 situé de façon coaxiale au centre du tronçon de conduite 19, renvoie une partie de l'air capté par l'orifice d'entrée annulaire 31 vers un dispositif 16 de dilution de l'air avec les gaz de combustion avant le rejet de ceux-ci dans l'atmosphère par la bouche 32. Dans le mode de réalisation de la figure 1, à la sortie du ventilateur 6, le tronçon de conduite 3 servant à l'alimentation en air du brûleur forme un venturi 5 au niveau duquel il aspire la quantité de gaz combustible nécessaire qui est délivrée par un conduit d'alimentation 7. Le dispositif représenté sur la figure 1 définit essentiellement un premier échangeur de chaleur 10 et un second échangeur de chaleur 20. Le premier échangeur de chaleur 10 est constitué essentiellement par le tronçon horizontal 1 du tube d'admission 20 d'air qui débouche dans l'atmosphère en définissant une ouverture annulaire 31, par le tronçon horizontal 19 du conduit d'évacuation des produits de combustion et par le tronçon horizontal 18 de la conduite de renvoi d'une fraction de l'air capté par l'orifice annulaire 31, ces trois tronçons de tube étant coaxiaux Dans l'échangeur de chaleur 10, le tube intermédiaire 19 est constitué en un métal bon conducteur de la chaleur et porte sur ses deux faces des ailettes longidutinales 15 qui sont réparties sur toute la périphérie du tube 19 (voir figure 2). L'intervalle le plus externe 11 délimité par le tube externe horizontal 1 et le tronçon horizontal du tube médian 19 sert à l'entrée de l'air frais qui est progressivement échauffé par les ailettes L'espace annulaire 12 délimité par le tronçon horizontal du tube médian 19 et le tube interne 18 sert à la sortie des fumées humides provenant du conduit 9, qui se 35 refroidissent en condensant une partie de leur vapeur Les 6 2552858 condensats formés-sont recueillis par un collecteur 13. L'air qui s'est réchauffé dans l'espace annulaire externe 11 de l'échangeur 10 est repris par le ventilateur 6 Une partie de cet air sec et réchauffé est renvoyée par la conduite de dérivation 8 dans le tube central 18 de l'échangeur 10 à la sortie duquel il se mélange avec les produits de combustion issus de l'espace 12 grâce à un carénage gaufré 16 de forme générale tronconique (figure 4) qui relie l'extrémité du tube interne 18 à la sortie du tube d'évacuation des fumées 19 et permet un brassage 10 efficace de l'air et des fumées qui facilite la dilution des produits de combustion dans l'air et, du fait que le mélange des produits de combustion s'effectue avec de l'air tiède et sec empêche la formation d'un panache de vapeur d'eau à l'extérieur du mur 200. Le deuxième échangeur de chaleur 20 comprend essentiellement un tube vertical extérieur 4 raccordé au tronçon de conduite 3 et le tube vertical interne 9 d'évacuation des produits de combustion Ce dernier est en métal bon conducteur de la chaleur et est garni intérieurement d'ailettes longitudinales 20 21, 23 (figure 3) sur lesquelles se produit une condensation partielle Les condensats retombent dans la chaudière d'o ils sont évacués à l'égo 6 t. La face externe du tube interne 9 est recouverte d'un matériau poreux et hygrophile 24 L'eau de condensation de l'échangeur 10 recueillie par la gouttière 13 est dirigée par la canalisation 14 au sommet de l'échangeur 20 sur la face externe du tube central 9, o elle ruisselle doucement en formant une lame d'eau chaude mince et continue, ce qui contribue à enrichir en humidité l'air réchauffé dans l'échangeur 10 qui circule entre les 30 tubes externe 4 et interne 9 de l'échangeur 20 L'eau éventuellement en excès dans l'échangeur 20 est recueillie et séparée du flux de mélange air-gaz humide et va rejoindre les trop pleins 22 Le mélange air-gaz réchauffé et humidifié va ensuite directement au brûleur de la chaudière. En résumé, le dispositif de la figure 1 comporte deux 7 2552858 échangeurs air/fumées distincts 10 et 20 sur le parcours des fumées après le dernier échangeur fumées/eau situé dans la chaudière 100 L'échangeur final 10 sert à réchauffer de l'air frais en refroidissant les fumées pour abaisser le plus possible 05 leur teneur en eau L'air réchauffé est repris par le ventilateur de circulation 6, à la sortie duquel une partie est renvoyée, par les conduits 8; 18, directement vers la sortie pour diluer les fumées refroidies tandis que l'autre partie est mélangée au gaz de combustion et va au brûleur après avoir traversé l'échangeur 20. 10 Dans l'échangeur 20, les fumées brutes cèdent une partie de leur chaleur qui sert à vaporiser l'eau recueillie dans l'échangeur 10 afin d'enrichir en humidité l'air déjà réchauffé Ceci permet d'améliorer le rendement pratique de la chaudière en relevant de plusieurs degrés la température de rosée des fumées Il se produit 15 une certaine auto- régulation dans le fonctionnement en cascade des deux échangeurs par le transfert d'énergie de l'un à l'autre sous la forme de l'eau condensée, puis re-vaporisée Naturellement, les parties d'échangeur dont la paroi externe est à une température supérieure à celle de l'ambiance doivent être calorifugées. 20 A titre d'exemple de fonctionnement, si l'air atmosphérique extérieur introduit par la bouche 31 est à une température de l'ordre de 00 C et si les produits de combustion sortent de la chaudière par l'orifice 102 à une température de l'ordre de 55 C, on pourra disposer entre l'échangeur 10 et 25 l'échangeur 20 de produits de combustion à une température de l'ordre de 48 C et d'air sec à environ 35 C L'air sec qui servira à diluer les produits de combustion au niveau du dispositif 16 sera ainsi à une température voisine de celle des produits de combustion re Jetés dans l'atmosphère, ce qui évitera 30 de façon sûre la formation d'un panache de vapeur Par ailleurs, au niveau de l'orifice 101 d'accès au brûleur, l'air carburé et saturé d'eau conserve une température de l'ordre d'environ C et contribue à une augmentation du rendement global par élévation de la température de rosée des fumées. Le dispositif de la figure 1 peut cependant subir de 8 2552858 nombreuses variantes Par exemple, l'air sortant du ventilateur et allant vers le brûleur peut passer d'abord par l'échangeurhumidificateur 20 avant d'être mélangé au gaz de combustion; on minimise ainsi les transformations à apporter à certains modèles 05 de chaudières existants. La figure 5 montre un second mode de réalisation du dispositif de dilution des produits de combustion dans l'air, qui s'adapte à la sortie d'un échangeur 10 tout à fait analogue à l'échangeur 10 de la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 5, le tronçon aval 19 du conduit d'évacuation des produits de combustion se prolonge par un venturi de mélange 36 présentant un col 35, qui est raccordé sur la face extérieure de l'extrémité de conduit 19 Le conduit 19 d'évacuation des produits de combustion présente lui-même une extrémité convergente 34 se terminant au niveau du col de venturi Le tube central 18 par lequel est renvoyée une fraction de l'air capté par la bouche 31, après réchauffement dans l'échangeur , se termine également par une partie convergente 37, o débouchent plusieurs tubes à section profilée 33 permettant à une 20 partie de l'air tiède de passer sur la face externe du convergent 34 De la sorte, l'ensemble 36 formant venturi de mélange agit sur les deux faces du Jet gazeux annulaire constitué par les produits de combustion et l'énergie cinétique de ces produits de combustion est utilisée pour aspirer l'air tiède de dilution issu du tube 25 central 18 Ce dispositif s'adapte directement sur une chaudière existante, sans autre modification qu'une augmentation de la puissance du ventilateur On élimine ainsi le panache, mais sans affecter le rendement de la chaudière. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 5, les 30 condensats formés dans l'échangeur 10 peuvent être simplement dirigés par la gouttière 13 dans le fond du conduit 1 pour être ensuite évacués à l'égout avec les condensats de la chaudière. 9 2552858 REVENDICATIONS 1 Dispositif d'évacuation dans l'air ambiant des produits de combustion d'une chaudière à condensation, dans lequel au moins un tronçon aval ( 19) du conduit ( 9) d'évacuation des produits de 05 combustion est coaxial au conduit ( 1) d'admission de l'air comburant nécessaire au brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 8,18) de renvoi vers l'extérieur d'une fraction de l'air capté dans ledit conduit d'admission ( 1), en ce que le tronçon aval ( 19) du conduit ( 9) 10 d'évacuation des produits de combustion, le tronçon coaxial du conduit d'admission ( 1) et les moyens ( 18) de renvoi vers l'extérieur d'une fraction de l'air capté définissent un premier échangeur de chaleur ( 10) et en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 16; 36) de dilution des produits de combustion avec ladite 15 fraction de l'air capté, lesdits moyens de dilution ( 16; 36) étant situés au voisinage de la bouche d'aspiration ( 31) de l'air comburant et de rejet ( 32) des produits de combustion dans l'air ambiant. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce 20 que les moyens ( 8,18) de renvoi vers l'extérieur d'une fraction de l'air capté comprennent un tube central ( 18) coaxial au tronçon aval ( 19) du conduit ( 9,19) d'évacuation des produits de combustion et en ce que le conduit ( 1) d'admission de l'air comburant entoure ledit tronçon aval ( 19) du conduit d'évacuation 25 ( 9, 19) des produits de combustion. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur ( 10) comprend ledit tube central ( 18), un tube intermédiaire ( 19) en métal bon conducteur de la chaleur qui constitue ledit tronçon aval du conduit ( 9) 30 d'évacuation des produits de combustion, un tube extérieur ( 1) constituant ledit conduit d'admission d'air comburant et des ailettes longitudinales ( 15) s'étendant radialement de part et d'autre du tube intermédiaire ( 19). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 35 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de dilution comprennent 2552858 un carénage gaufré ( 16) disposé à la sortie du tube central ( 18), entre celui-ci et le conduit ( 19) d'évacuation des produits de combustion, pour permettre à la fraction d'air renvoyée vers l'extérieur de pénétrer dans la zone de circulation des produits 05 de combustion. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second échangeur de chaleur ( 20) entre les produits de combustion issus de la chaudière et l'air comburant réchauffé dans le premier échangeur 10 de chaleur ( 10), et en ce que le second échangeur de chaleur ( 20) est du type à ruissellement d'eau pour saturer de vapeur l'air de combustion déjà réchauffé. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que des moyens ( 13, 14)sont associés au premier échangeur de chaleur ( 10), au voisinage de la sortie du conduit d'évacuation des produits de combustion, pour recueillir les condensats formés dans ce dernier et les renvoyer dans le second échangeur de chaleur ( 20) pour constituer l'eau de ruissellement destinée à saturer de vapeur l'air de combustion préchauffé. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second échangeur de chaleur ( 20) comprend un tube extérieur ( 4) constitué par une partie du conduit d'amenée d'air au brûleur de la chaudière ( 100) et un tube intérieur ( 9) coaxial constitué par une partie du conduit ( 9,19) d'évacuation des gaz de combustion, en ce que la face externe du tube intérieur ( 9) est recouverte d'un matériau poreux et hygrophile ( 24) permettant à l'eau de condensation de ruisseler et en ce que le tube intérieur ( 9) est constitué d'un métal bon conducteur de la chaleur et est garni intérieurement d'ailettes longitudinales ( 21,23). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un ventilateur de circulation ( 6) est disposé à l'extrémité du premier échangeur de chaleur ( 10) sur le trajet du conduit ( 1,2,3) d'admission de l'air et en ce que les moyens ( 8, 18) de séparation entre l'air comburant destiné au 35 brûleur et la fraction d'air destinée à constituer l'air de il 2552858 dilution sont situés à la sortie du ventilateur ( 6). 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de dilution comprennent un venturi de mélange ( 36) formé à la sortie du conduit ( 19) d'évacuation des produits de combustion et agissant sur les deux faces du Jet gazeux annulaire constitué par les produits de combustion, de manière à permettre l'entraînement par aspiration de l'air renvoyé dans le tube central ( 18). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 10 à 9, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur ( 10) et les moyens de dilution ( 16; 36) associés sont disposés à l'emplacement d'une ventouse reliant la chaudière ( 100) l'atmosphère extérieure, sur une façade de bâtiment.