Brevet FR2570475A1 — publié le 19860321

La présente invention concerne une chaudière à condensation à très haut rendement. Elle s'applique notamment à toute installation de chauffage à fluide caloporteur circulant en circuit fermé à usage domestique ou industriel. Dans les chaudières de type classique, la chaudière en tant que telle comporte un corps de chaudière muni d'un brûleur et une tubulure jouant le rôle d'échangeur de chaleur entre les gaz ou fumées issus de la combustion du combustible et un fluide caloporteur. Dans ce type de chaudière, la température des fumées à la sortie de la tubulure est de l'ordre de 2500C. Le rendement de telles chaudières défini comme le rapport de la puissance perdue par le combustible brûlé à la puissance totale fournie par ce combustible est de l'ordre de 80 à 85 pour un rendement maximum thermique de 107 sur pouvoir calorifique inférieur. On rappelle que le pouvoir calorifique inférieur est défini comme le pouvoir calorifique compte non tenu de la chaleur latente de la vapeur d'eau produite par la combustion. La puissance perdue par le combustible brûlé est sensiblement proportionnelle à la différence de température entre la température d'entrée des fumées dans l'échangeur ou tubulure et la température de sortie de l'échangeur de ces mêmes fumées. Pour se prémunir des risques de corrosion de la tubulure ou échangeur et de la chaudière, risques inhérents à la condensation des vapeurs d'acide sulfurique contenues dans les fumées, la température des fumées à la sortie de la tubulure est fixée très au-dessus de 1700C, point de rosée de l'acide sulfurique à la pression atmosphérique. Ainsi, la température de 2500C choisie permet elle une marge de sécurité suffisante par rapport à la température de 1700C. Des systèmes de régulation de la température du fluide caloporteur en sortie de l'échangeur sont utilisés dans la technique habituelle actuelle. Mettant en jeu de simples vannes trois ou quatre voies destinées à assurer une régulation de température du fluide caloporteur ces systèmes ne permettent pas une régulation efficace et précise correspondante des températures de fumée à la sortie de l'échangeur ou tubulure, ce qui explique la faiblesse relative de la valeur maximale du rendement effectivement atteint compte tenu de la marge de sécurité nécessaire. Un objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'une chaudière à condensation dans laquelle une régulation précise et efficace de la température des fumées en sortie de l'échangeur est effectuée. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'une chaudière a très haut rendement de 94 à 95 sur PCI du fait de cette régulation. Encore un autre objet de la présente invention est, en outre, la mise en oeuvre de chaudières à condensation dont le rendement final est de l'ordre de 105. La chaudière à condensation à très haut rendement pour installation de chauffage objet de l'invention comporte un corps de chaudière muni d'un brûleur. Un fluide caloporteur de l'installation de chauffage est susceptible de circuler dans le corps de chaudière. La chaudière comporte, en outre, une tubulure constituant moyens échangeurs de chaleur parcourus par le fluide caloporteur aptes à amener les fumées issues de la combustion à une température voisine et légèrement supérieure au point de rosée de la vapeur d'acide sulfurique contenue dans les fumées. Un circuit de régulation de la température des fumées à la sortie de l'échangeur à la température légèrement supérieure à la température de point de rosée de l'acide sulfurique permet d'éviter la condensation des vapeurs d'acide sulfurique contenues dans les fumées au niveau de l'échangeur. D'autres caractéristiques techniques et détails de réalisation de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe longitudinale, la chaudière objet de l'invention - la figure 2 représente un détail de réalisation d'un des éléments du circuit de régulation - les figures 3a et 3b représentent un autre détail de réalisation d'un des éléments du circuit de régulation - la figure 4 représente un mode de réalisation particulier de l'invention relatif à la tubulure ou échangeur - les figures 5 et 6 représentent un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, et - la figure 7 est un diagramme explicatif du fonctionnement du mode de réalisation de l'invention tel que représenté sur les figures 5 et 6. Sur la figure 1, la chaudière objet de l'invention comporte un corps de chaudière 1. Ce corps de chaudière comporte un brûleur 2 et est par exemple du type à doubles parois entre lesquellesun fluide caloporteur 3 de l'installation de chauffage peut circuler. La chaudière comporte en outre des moyens échangeurs de chaleur 4 parcourus par le fluide caloporteur. Ces moyens sont constitués par une tubulure ou un réseau de tubes et sont susceptibles d'amener les fumées issues de la combustion à une température voisine et légèrement supérieure à la température de point de rosée de la vapeur d'acide sulfurique contenue dans les fumées de combustion. Un choix appropri; des paramètres d'échange thermique entre le fluide caloporteur et les fumées permet de maintenir la température des fumées en sortie de l'échangeur à une valeur légèrement supérieure à 1700C. Un calcul par ordinateur permet l'optimalisation de cet échange thermique à partir des paramètres tels que la longueur de chaque tube, le coefficient d'échange thermique, la vitesse et le débit d'écoulement de fluide caloporteur et des fumées. Du fait de la régulation de la température de sortie des fumées au-deld du point de rosée de l'acide sulfurique et,en conséquence, de la non condensation de ces vapeurs d1acide,la tubulure et le corps de chaudière peuvent être constitués en des matériaux tels que l'acier permettant en cela des économies de fabrication par rapport à des matériaux comme l'acier inoxydable ou même lafonte laquelle nécessite un traitement de fonderie supplémentaire. La chaudière conformément à l'invention comprend en outre des moyens-de régulation de la température des fumées à la sortie de l'échangeur 4. Le circuit constitutif des moyens de régulation comporte des moyens 7 de mesure de la température des fumées disposés au voisinage de la sortie des fumées de l'échangeur 4, une prise et un circuit de fluide caloporteur branchés au voisinage de la sortie 5 du fluide caloporteur de l'échangeur 4. La prise et le circuit de fluide caloporteur permettent de réintroduire dans le corps de chaudière 1 une fraction de ce fluide caloporteur afin de contrôler dans l'échangeur la température du fluide caloporteur 3 et des fumées. La prise et le circuit de fluide caloporteur comprennent, en outre, une bouteille casse-pression 6 alimentant en fluide caloporteur à partir de la sortie 5 de l'échangeur 4 une pompe ou accélérateur 8 alimentant elle-même le corps de chaudière 1 en fluide caloporteur par l'intermédiaire d'un barboteur 9 et assurent ainsi le bouclage du circuit de régulation. La pompe ou accélérateur 8 est pilotée par les moyens 7 de mesure de température de fumées par l'intermédiaire d'un circuit de commande électronique 10. Le circuit de régulation ainsi réalisé permet donc la régulation de la température des fumées par l'intermédiaire de la régulation de la température du fluide caloporteur. A la sortie de l'échangeur 4 une bote à fumées 11 permet la récupération des fumées en vue de leur évacuation. Le circuit de régulation ainsi décrit permet une régulation de la température de sortie des fumées de l'échangeur avec une précision de + 5 OC. Une description détaillée des éléments constitutifs des moyens de régulation sera donnée ci-après par la description des figures 2 et 3a, 3b. Ainsi que représenté figure 2, la bouteille cassepression 6 est, de préférence, constituée par une colonne 60 comportant quatre orifices d'entrée-sortie 61,62,63,64 et soupape de sécurité et purgeur d'air en extrémités 65 et66. Les entrée-sortie 61 et 64 en vis-à-vis par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de la colonne sont reliées respectivement à la sortie 5 du fluide caloporteur de l'échangeur 4 et à l'entrée générale EG du circuit de chauffaqe. Les entrée-sortie 62,63 également en vis-à-vis par rapport à l'axe longitudinal de la colonne sont respectivement reliées à la sortiedu retour général RG de l'installation de chauffage et à la pompe ou accélérateur 8. La température d'entrée du fluide caloporteur à l'orifice d'entrée 61 est sensiblement maintenue à une valeur de 70"C par le circuit de régulation et la température d'entrée du fluide caloporteur issue du retour général RG sur l'orifice d'entrée 62 est de l'ordre de 450C. Du fait de la différence de température du fluide caloporteur au niveau des deux entrées et,en conséquence, de la différence de densité correspondante, il n'y a pratiquement pas, dans la colonne 60, de mélange de fluide caloporteur de densités différentes, le fonctionnement de la bouteille casse-pression relativement à l'installation de chauffage étant pratiquement indépendant du fonctionnement de la bouteille casse-pression relativement au circuit de régulation. Sur la figure 2, on a représenté cette absence de mélange par une ligne en traits interrompus 67. La structure de la bouteille casse-pression ainsi décrite permet, en conséquence, un pilotage quasi indépendant de la pompe ou accélérateur 8 en fonction de la seule température mesurée par les moyens 7 déjà décrits et la régulation par introduction du fluide caloporteur à température plus basse issu du retour général RG. En régime permanent, le débit de la pompe ou accélérateur 8 est nécessairement faible, l'équilibre à la température de consigne étant atteint. Conformément au dispositif décrit figure 3a, le circuit de commande électronique 10 est un circuit à commande proportionnelle en vitesse de rotation de la pompe 8 en fonction de l'écart de température entre la température mesurée par les moyens 7 et la température de consigne théorique voisine de 1700C. A titre d'exemple, les moyens 7 de mesure de la température sont constitués par une thermistance. De préférence, ces moyens 7 sont disposés de façon à mesurer la température de sortie du fluide caloporteur. Dans ce cas, la plage de mesure de température du fluide caloporteur est comprise entre 65"C et 750C pour une température d'équilibre de 700C. Les moyens de mesure 7 peuvent également être placés de façon à mesurer directement la température des fumées en sortie de l'échangeur 4.Dans ce cas, une adaptation du signal délivré par ces moyens de mesure permet. également la commande de la pompe ou accélérateur 8. Les moyens de mesure 7 délivrent un signal représentatif de la température mesurée au circuit de commande électronique 10. Sur la figure 1, la liaison entre les moyens de mesure 7 de circuit de commande électronique 10 et la pompe 8 représentent schématiquement toutes les connexions nécessaires à la commande en vitesse de la pompe ou accélérateur 8 en fonction de l'écart de température. A titre d'exemple non limitatif, le circuit de commande électronique 10 tel que représenté figure 3a comprend un amplificateur différentiel 101 recevant sur une première entrée une tension de référence Vref représentative de la température de consigne et sur une deuxième entrée le signal délivré par les moyens de mesure de température 7 représentatifs de la température de sortie du fluide caloporteur ou de la température de sortie des fumées. L'amplificateur différentiel 101 délivre un signal différence à un comparateur 102 sur une première entrée. Une deuxième entrée du comparateur 102 reçoit un signal en forme de rampe de tension délivré par un générateur de rampe 103 synchronisé sur la tension de secteur.Le comparateur 102 délivre,à la colncidence de la rampe de tension et du signal délivré par l'amplificateur 101 ,une impulsion de commande à un circuit de commutation 104. Le circuit de commutation 104 est de préférence un circuit de commutation à thyristor. Le circuit de commutation 104 comporte, à titre d'exemple, une logique de commande 1041 d'un thyristor 1042, les électrodes de commutation du thyristor 1042 étant connectées à l'enroulement d'excitation 106 de la pompe ou accélérateur 8. La logique de commande 1041 peut par exemple être constituée par un circuit bascule de type bi-stable recevant sur une première entrée le signal délivré par le comparateur 102 et sur une deuxième entrée un signal de synchronisation délivré par le circuit de synchronisation 105. Sur la figure 3a, le circuit de synchronisation 105 est alimenté par le secteur et délivre des impulsions de synchronisation au générateur de rampe 103 et au circuit de commutation à thyristor 104 ou plus précisément à la logique de commande 1041.- Le fonctionnement du dispositif décrit figure 3a sera maintenant expliqué à l'aide des schémas 1,2,3,4 de la figure 3b représentatifs des divers signaux mis en jeu. Le schéma 1 de la figure 3b représente la tension de secteur alimentant le circuit de synchronisation 105, le schéma 2 de la figure 3b représente les impulsions de synchronisation délivrées par le générateur de synchronisation 105.Ainsi que représenté sur ce schéma 2, les impulsions de synchronisation délivrées par le circuit 105 sont obtenues au passage par zéro de la tension de secteur. tes circuits correspondants classiques ne seront pas décrits car étant considérés comme connus de la technique. Le signal de synchronisation délivré au générateur de rampe 103 déclenche le signal de rampe délivré par ce générateur ainsi que représenté sur le schéma 3 de la figure 3b. Lorsque la coïncidence du signal de rampe et du signal délivré par l'amplificateur différentiel 101 est détectéepar le comparateur 102, l'impulsion de commande délivrée par le comparateur 102 déclenche à la fois la commutation de la logique de commande 1041 et la remise à z6- ro RAZ du générateur de rampe 103 ainsi que représenté également schéma 3 de la figure 3b. La logique de commande 1041 permet la commande de l'angle de conduction e du thyristor 1042 et donc la commande en vitesse de la pompe 8. Selon un mode de réalisation particulier de la chaudière objet de l'invention représentée figure 4 dans le cas où le brûleur 1 monté sur le corps de chaudière est un brûleur à gaz, les moyens échangeurs chaleur 4 sont constitués par une tubulure dans laquelle chaque tube présente une section ovalisée ou obtenue par écrasement. La section obtenue par écrasement est représentée grossie en figure 4a. Dans le cas d'un brûleur à gaz, cette configuration est rendue possible du fait de l'absence de suie due à la combustion. Le matériau utilisé pour les tubes dans ce cas peut être par exemple l'acier inoxydable. L'écrasement des tubes de la tubulure a pour effet d'augmenter le coefficient d'échange global entre fluide caloporteur et fumées. Dans ce cas également le corps de chaudière présentant une tubulure verticale peut être inversé de façon à ce que la sortie des fumées soit dirigée vers le bas. Selon un mode de réalisation préférentiel représenté figure 5, la chaudière objet de l'invention comporte en outre en sortie des fumées de l'échangeur 4,c'est-àdire plus précisément en sortie de la boîte à fumées 11 r un échangeur-économiseur de chaleur 12 entre fumées et fluide caloporteur. L'entrée 120 et la sortie 121 du fluide caloporteur sont reliées en bipasse sur le retour général RG du fluide caloporteur de l'installation de chauffage. Sur la figure 5, cette liaison est représentée en traits discontinus et peut être assurée par des conduites flexibles. Une vanne de sécurité est également prévue sur la conduite de retour général de chauffage RG entre les prises d'entrée et sortie de l'échangeur 12. L'échangeur 12 est, de préférence, un échangeur à très grande surface d'échange constitué par exemple par un tube à ailettes dans lequel les fumées ont une température d'entrée de 1700C et une température de sortie de l'ordre de 450C. Dans l'échangeur 12, les températures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur sont de l'ordre de 400C et comprises entre 440C et 450C respectivement. Le tube à ailettes 41 de l'échangeur 12 est representé en section figure 6.Il comporte --un tube en cuivre 410 revêtu d'un revêtement de nickel 402 lui-même protégé par une couche de vernis silicone 430 ou de polytétrafluoroéthylène (PIFE). Les températures d'entrée et de sortie du fluide calopor teur au niveau de l'échangeur 12 déjà citées permettent l'abaissement correspondant de la température des fumées et la condensation dans l'échangeur 12 des 2/3 de la vapeur d'eau produite par la combustion. La chaudière objet de l'invention munie de son échangeur-économiseur permet d'atteindre un rendement global de 105 par rapport au rendement maximum théorique possible dans le cas d'un brûleur à fioulégal à 107,6. L'utilisation d'un échangeur-économiseur 12 tel que décrit ne pourrait être envisagé avec une chaudière de type classique dont la température de sortie des fumées est de l'ordre de 2500C en raison du risque de détériora tion du vernis protecteur des tubes à ailettes. En effet, du fait de l'abaissement de température de sortie des fumées à 1700C, le métal des tubes à ailettes et, en conséquence le vernis , restent sensiblement à une tempé rature voisine de celle du fluide caloporteur, ce qui ne serait pas le cas avec une température de sortie des fumées de 2500C. Le fluide caloporteur utilisé dans l'installation de chauffage peut être l'eau ou tout fluide thermique normalement commercialisé connu sous le nom de ADX et vendu sous la marque déposée"GILOTHERME" ou ESSO 500, ESSO 650 vendu sous la marque déposée "ESSOTHERME". On a ainsi décrit une chaudière à condensation pour l'installation de chauffage à très haut rendement. Les augmentations de rendement obtenues dues essentiellement à la récupération de la majeure partie (5:7,6) de la chaleur latente par la combustion sont significatives. Ces augmentations de rendement sont estimées pouvoir permettre dans le cas d'une chaudière de 70 kw une économie globale annuelle de 10 000 FF sur le coût de consommation. REVEND I CAT IONS 1. Chaudière à condensation à très haut rendement pour installation de chauffage comportant un corps de chaudière (1) muni d'un brûleur (2), corps de chaudière (1) dans lequel est susceptible de circuler un fluide caloporteur (3) de l'installation de chauffage, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre des moyens échangeurs de chaleur (4) parcourus par le fluide caloporteur aptes à amener les fumées issues de la combustion à une température voisine et légèrement supérieure à la température de point de rosée de la vapeur d'acide sulfurique contenue dans lesdites fumées et des moyens de régulation (5,6,7,8,9) de la température des fumées à la sortie dudit échangeur à ladite température légèrement supérieure à la température de point de rosée de l'acide sulfurique en vue d'éviter la condensation des vapeurs d'acide sulfurique contenues dans les fumées au niveau de l'échangeur. 2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens échangeurs 14) sont constitués par une tubulure ou-réseau de tubes permettant,par un choix approprié des paramètres d'échange thermique tels que, notamment, longueur de chaque tube, coefficient d'échange thermique, vitesse et débit d'écoulement du fluide caloporteur et des fumées, de maintenir ladite température des fumées en sortie de l'échangeur à une valeur légèrement supérieure à 1700C. 3. Chaudière selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de régulation de température des fumées à la sortie dudit échangeur (4) comportent - des moyens t7) de mesure de la température de fumée diposés au voisinage de la sortie des fumées de l'échangeur (4), - une prise et un circuit de fluide caloporteur branchés au voisinage de la sortie (5) du fluide caloporteur de l'échangeur (4), la prise et ledit circuit de fluide caloporteur étant destiné à réintroduire dans le corps de chaudière une fraction de ce fluide caloporteur afin de contrôler dans l'échangeur la température du fluide caloporteur (3) et des fumées. 4. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que la prise et le circuit de fluide caloporteurs branchés au voisinage de la sortie (5) du fluide caloporteur de l'échangeur (4)sont constitués par une bouteille cassepression (6) dont une première entrée (61) est branchée à la sortie (5) de l'échangeur et dont une première sortie (63) est reliée une pompe ou accélérateur (8), une deuxième entrée (62) de la bouteille casse-pression (6) étant reliée au retour général (RG) de l'installation de chauffage, une deuxième sortie (64) de la bouteille casse-pression (6) étant reliée à l'entrée générale (EG) de l'installation de chauffage, ladite pompe (8) pilotée par les moyens (7) de mesure de température de fumée par l'intermédiaire d'un circuit de commande électronique (10) alimentant en fluide caloporteur (3) le corps de chaudière (1) pour assurer la réintroduction dudit fluide dans ce dernier. 5. Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit circuit de commande électronique (10) est un circuit à commande proportionnelle en vitesse de rotation de la pompe (8) en fonction de l'écart de température entre la température mesurée par les moyens (7) et la température de consigne théorique voisine de 1700C. 6. Chaudière selon la revendication 5, caractérisée en ce que le circuit de commande électronique (10) comprend : - un amplificateur différentiel (101) recevant sur une première entrée une tension de référence représentative de la température de consigne et sur une deuxième entrée un signal représentatif de la température mesurée par les moyens (7) et délivrant un signal différence, - un comparateur (102) recevant sur une première entrée le signal différence délivré par le comparateur (101) et sur une deuxième entrée le signal délivré par un générateur de rampe (103),ledit comparateur délivrant à la coïncidence de la rampe et du signal délivré par l'amplificateur (101) une impulsion de commande, - un circuit de commutation à thyristor (104) comprenant une logique de commande (1041) d'un thyristor (1042), les électrodes de commutation du thyristor (1042) étant connectées à l'enroulement d'excitation (106) de la pompe (8), - un circuit de synchronisation (105) recevant sur une entrée la tension du secteur et délivrant des impulsions de synchronisation au générateur de rampe (103) et au circuit de commutation à thyristor (104). 7. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le brûleur (1) étant un brûleur à gaz les moyens échangeurs de chaleur t4) sont constitués par une tubulure dans laquelle chaque tube présente une section ovalisée ou obtenue par écrasement. 8. Chaudière selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'échangeur (4) et la tubulure ont leur extrémité de sortie des fumées dirigée vers le bas. 9. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre en sortie des fumées de l'échangeur (4) un échangeur économiseur de chaleur (12) entre fumées et fluide caloporteur dont l'entrée (120) et la sortie (121) du fluide caloporteur est reliée en bipasse sur le retour général RG du fluide caloporteur de l'installation de chauffage. 10. Chaudière selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'échangeur (12) est un échangeur à très grande surface d'échange constitué par exemple par un tube à ailettes dans lequel les fumées ont une température d'entrée de 1700C et une température de sortie del'ordre de 450C, les températures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur étant de l'ordre de 400C et comprises entre 440C et 450C respectivement. 11. Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ceque le tube à ailettes est en cuivre et comporte un revêtement de nickel protégé par une couche de vernis silicone ou polytétrafluoroéthylène (PFTE).