Brevet FR2574167A1 — publié le 19860606

"Chaudière à récupérateur à condensation" La présente invention concerne une chaudière à récupérateur à condensation formée d'un ensemble jumelé constituée, d'une part, d'un sous-ensemble échangeur de chaleur comprenant un bloc-foyer, un échangeur de chaleur proprement dit et, d'autre part, d'un sous-ensemble récupérateur de chaleur à condensation. On connaît de multiples types de chaudières à condensation. Ces différentes chaudières peuvent se classer schématiquement suivant deux catégories à savoir les chaudières à un échangeur et les chaudières à deux échangeurs. Les chaudières à un échangeur se composent d'un foyer et d'un échangeur de chaleur (fumées/eau) dans lequel circule de l'eau arrivant à très basse température de façon à provoquer la condensation. Ainsi, la totalité de la chaudière doit être réalisée en acier inoxydable pour éviter la corrosion. De telles chaudières sont coûteuses du fait de la réalisation en acier inoxydable ou plus généralement en un matériau résistant à la corrosion. Le second type de chaudières à condensation se compose d'un premier sous-ensemble constitué par un échangeur c'est-a-dire comprenant un foyer et un échangeur de chaleur proprement dit et un second sous-ensemble récupérateur compose d'un échangeur placé en aval du premier échangeur. Dans les chaudières connues, le récupérateur est placé derriere le sous-ensemble échangeur. Dans de telles chaudières, seul le récupérateur est en acier inoxydable ou plus généralement en un matériau résistant à la corrosion alors que l'échangeurqui est traversé par de l'eau à température élevée, dans tous les cas supérieure à la température de rosée, est réalisé en acier ordinaire pour chaudière. Comme le sous-ensemble récupérateur est placé derrière le sous-ensemble échangeur, l'encombrement du sous-ensemble récupérateur doit être très faible. Cela limite la surface de son échangeur surtout dans le cas d'un échangeur à tubes lisses. I1 est possible de remédier en partie a cet inconvénient en utilisant un échangeur à tubes munis d'ailettes. Dans ce cas, on rencontre d'autres difficultés telles que l'encrassage des ailettes et des amorces d'attaque de la corrosion. En définitive, ce second type de chaudiere à condensation n'a pas le rendement thermique qu'elle devrait avoir. De plus, dans le sous-ensemble récupérateur, l'échangeur est constitué par deux bottes à eau reliées par des tubes horizontaux et les fumées circulent verticalement, c'est-à-dire en croisant les tubes. Toutefois, étant donné les problèmes d'encombrement, il n'est pas possible d'avoir un écoulement des fluides à contre courant. La présente invention pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et se propose de créer une chaudière permettant d'améliorer considérablement le rendement de la combustion en épuisant les gaz de combustion pour les rejeter à une température très en dessous du point de rosée notamment pour abaisser la température de sortie des gaz pratiquement à celle de l'eau du circuit de refroidissement sans nécessiter les investissements des chaudières classiques en tôle d'acier inoxydable. A cet effet, l'invention concerne une chaudiere du type ci-dessus, caractérisée en ce que ces deux sous ensembles sont juxtaposés l'un à côté de l'autre et le sous ensemble échangeur de chaleur à deux parcours est composé d'un foyer parcouru par les gaz de combustion d'avant en arrière et d'un échangeur de chaleur proprement dit parcouru d'arrière en avant avec la sortie des fumées près de la façade avant, le sous-ensemble récupérateur étant formé d'un échangeur avec une entrée de gaz près de l'avant et une sortie de gaz près de l'arrière. Une telle chaudière est particulièrement avantageuse car elle respecte l'encombrement entre la face avant et la face arrière d'une chaudière classique tout en permettant de développer latéralement le sousensemble récupérateur, c'est-à-dire d'augmenter la surface de l'échangeur pour arriver à une récupération plus efficace de la chaleur. Ainsi globalement, on a tant au niveau de l'échangeur de chaleur qu'au niveau du récupérateur de chaleur un effet d'échange à contre courant sans pour autant modifier la disposition habituelle des entrée et sortie d'eau. De plus, les entrées et sorties des fluides (entrées d'eau, sorties d'eau, entrée de l'air comburant et du combustible, sortie des fumées) se trouvent aux emplacements habituels de ces entrées et sorties d'une chaudière, ce qui ne modifie parles habitudes dans le cas de l'installation d'une chaudière neuve ou facilite le remplacement d'une chaudière ancienne par une chaudière selon l'invention. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le sous-ensemble échangeur est réalisé en acier noir et le sous-ensemble récupérateur est réalisé en acier inoxydable. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble jumelé est logé dans une jaquette unique d'isolation thermique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le sous-ensemble échangeur de chaleur comprend un foyer en forme de conduit cylindrique situé dans la partie inférieure de ce sous-ensemble échangeur, l'extrémitéavant de ce conduit recevant le brtleur et l'extrémité arrière étant reliée par un passage à une première boite de détente reliée par une batterie de tubes à une seconde boIte de détente située du côté de l'avant de ce sous-ensemble, cette deuxième boite de détente étant reliée à une boite d'évacuation des fumées arrivant dans le plan de jonction avec le sous-ensemble récupérateur. Ces caractéristiques permettent avantageusement de combiner le sous-ensemble échangeur de chaleur avec le sous-ensemble récupérateur de chaleur, caractérisé en ce qu'il est constitué par une bote à eau arriere et une boite à eau avant reliées par une -batterie de tubes et des cloisons subdivisant transversalement par rapport aux tubes la chambre de récupération pour former des chicanes obligeant les gaz à refroidir à couper plusieurs fois le faisceau de tubes, donnant un effet global de contrecourant (fumées/eau) tout en maintenant un écoulement perpendiculaire aux tubes. Grâce à cette structure du sous-ensemble récupérateur, celui-ci a de préférence une longueur équivalente à celle de l'ensemble échangeur comprenant le foyer. En d'autres termes, cela permet d'avoir des tubes de longueur relativement importante susceptibles d'être cloisonnés pour faire parcourir aux fumées un parcours croisant plusieurs fois les tubes tout en donnant un écoulement globalement à contre-courant. On a ainsi un échange à contre-courant, ce qui améliore l'écart moyen logarithmique de température entre les fumées et le fluide caloporteur (eau) tout en maintenant une circulation perpendiculaire aux tubes, ce qui crée un effet de turbulence en aval des tubes favorisant la convexion et, par suite, le coefficient d'échange. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le fond du volume occupé par la batterie de tubes et les cloisons formant des chicanes, est incliné pour recueillir et évacuer les eaux de condensation en sortie. Cette surface inclinée constituant le fond permet d'éviter que les condensats ne séjournent dans cette partie du récupérateur de chaleur en les forçant à s'écouler vers la sortie pour être évacués. Cela est d'autant plus important qu'il est prévu, suivant une autre caractéristique, que le dernier parcours des fumées dans le récupérateur de chaleur à condensation se fait de haut en bas. I1 est particulièrement intéressant que le dernier parcours des fumées dans le récupérateur de chaleur à condensation se fasse de haut en bas, pour entraîner les gouttelettes de condensat vers le bas et surtout éliminer la pellicule de condensat qui se forme à la surface des tubes et en réduit le coefficient d'échange thermique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, dans le sous-ensemble échangeur, les gaz de combustion circulent de l'avant vers l'arrière au niveau du foyer puis de l'arrière vers l'avant dans la batterie de tubes et dans le sous-ensemble récupérateur, les gaz de combustion circulent de l'avant vers l'arrière de haut en bas et de bas en haut en croisant les batteries de tubes de bas en haut et de haut en bas dans les volumes délimités par les cloisons formant des chicanes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les tubes de I'échangeur sont des tubes lisses. De tels tubes lisses sont d'une fabrication plus simple que les tubes à ailettes, résistent mieux à la corrosion, ne s'encrassent pas et cela sans préjudice du rendement de l'échange thermique. De façon plus particulière, le circuit d'eau de l'échangeur proprement dit ainsi que le circuit d'eau du récupérateur de chaleur, sont des circuits indépendants au niveau de leurs sous-ensembles respectifs. Cela donne une grande latitude d'utilisation de ces deux circuits d'eau qui peuvent néanmoins être combinés en série, en parallele, être associés à des circuits d'eau différents ou être reliés l'un à l'autre par des échangeurs de chaleur. La réalisation de la chaudière sous la forme de deux ensembles juxtaposés latéralement, c'est-à-dire suivant un plan longitudinal, facilite également les questions de transport et d'installation d'une telle chaudiere. Cela se répercute au niveau du poids des pieces à transporter, de l'encombrement pour le passage des portes, les escaliers de cave, etc... La jaquette isolante qui entoure les deux sous-ensembles, constituant la chaudière, est elle formée de parties de tôle garnies de revêtement isolant, parties de tôle qui sont indépendantes les unes des autres et ne sont réunies qu'au montage autour de la chaudière. Enfin, l'accessibilité à la chaudière est donnée par les différentes portes réalisées tant au niveau de l'échangeur ou du récupérateur qu'au niveau de la jaquette isolante. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue de côté d'ensemble de la chaudière, selon l'invention, - La figure 2 est une vue de la face avant de la chaudière selon la figure 1, - La figure 3 est une vue de la face arrière de la chaudière selon la figure 3, - La figure 4 est une coupe longitudinale du sous ensemble échangeur de chaleur de la chaudière selon l'invention, - La figure 5 est une coupe transversale correspondant au plan de coupe V-V pour la moitié gauche et au plan de coupe V'-V' pour la partie droite selon la figure 4, - La figure 6 est une coupe longitudinale du sousensemble récupérateur de chaleur selon l'invention, - La figure 7 est une vue de la face avant du sous-ensemble récupérateur de chaleur de la figure 6, - La figure 8 est une vue de la face arrière du sous-ensemble de la figure 6, - La figure 9 est une vue de détail de la cloison à tubes avant ou arrière du sous-ensemble, selon la figure 6. Selon les figures 1, 2 et 3, la chaudière 1 qui repose sur un socle 2, est enfermé dans une jaquette isolante 3. Sur sa face avant A, elle est munie d'une porte 4 équipée du brûleur schématisé par une flèche 5. Cette porte 4 débouche dans le foyer du sous-ensemble 9 échangeur de chaleur décrit ultérieurement. Au niveau de la face arrière B (figures 1 et 3), la chaudière comporte un piquage d'entrée d'eau 6 du circuit d'eau du sous-ensemble échangeur 9, circuit dont la sortie se fait par le piquage 7. Sur la face arrière (B), il est également prévu un regard 8 pour surveiller la flamme du foyer. Le premier sous-ensemble de la chaudière est matérialisé par l'accolade 9 alors que le second sousensemble de la chaudière est matérialisé par l'accolade 10 (ces accolades apparaissent aux figures 2 et 3). Le second sous-ensemble 10 de la chaudière comporte, au niveau de la face arrière B (figures 1 et 3) une sc de fumées 11, une entrée d'eau 12 du circuit de ce second sous-ensemble dont la sortie d'eau 13 se trouve en partie haute et vers l'avant. La face avant A est munie de deux portes isolantes 14 et 15 et la face arrière de deux portes isolantes 16, 17. Les portes de la face avant 14, 15, 16, 17 donnent accès aux parties avant et arrière, supérieures des sousensembles échangeur et récupérateur. Les sous-ensembles 9, 10 seront décrits de façon détaillée ci-après en se reportant respectivement aux figures 3, 4 pour le sous-ensemble 9 et aux figures 6 à 9 pour le sous-ensemble 10. Selon les figures 4 et 5, le sous-ensemble échangeur de chaleur 9 se compose d'un foyer 20 constitué par un conduit cylindrique horizontal, allant de la face avant A à la face arrière B de ce sous-ensemble 9. Ce foyer 20 est fermé à l'avant par la porte 4 équipée du brûleur non représenté. A sa partie arrière, le foyer 20 débouche dans un passage 21 vertical, relié à une première botte de détente 22 située du côté arrière B, au-dessus de l'extremité arrière du foyer 20. Cette première botte de détente 22 est reliée par une batterie de tubes 23 à une seconde botte de détente 24 placée à l'avant. Cette botte de détente 24 est reliée à une botte d'évacuation 25 dont ia bride 26 se trouve dans le plan de jonction avec le sous-ensemble récu pérateur de chaleur 10 qui sera décrit ultérieurement. Le foyer 20 comporte une lyre de dilatation 27 et le regard de flamme 8. La première botte 22 et la seconde botte 24 sont munies respectivement sur la face arrière B et la face avant A d'une porte 27, 28 permettant si nécessaire le nettoyage des bottes 22, 24 et des tubes 23. L'ensemble du foyer 20, des bottes 22, 24 et de la batterie de tubes 23 est entouré par une enceinte 29 délimitant le volume dans lequel circule l'eau à réchauffer entre le piquage d'entrée 6 situé a la base de ce sous-ensemble 9 du coté de la face arrière B et un piquage de sortie 7 situé en partie haute à l'avant A au niveau de la boîte d'évacuation 25. L'enceinte 29 est elle-meme entourée comme indiqué ci-dessus d'une enceinte d'isolation thermique commune avec l'autre sous-ensemble 10. La circulation des gaz de combustion dans le foyer 20, la botte 22, les tubes 23, la botte 24 ainsi que la botte d'évacuation 25 se fait suivant la flèche F, d'avant en arrière dans le foyer 20 et d'arrière en avant dans l'échangeur formé par les parties 22, 23, 24. La figure 5 montre plus particulièrement la forme cylindrique du foyer 20 et des boîtes 22, 24 ainsi que la répartition des tubes 23 et les pieds 30. La partie formée par le foyer 20 et l'échangeur 22, 23, 24 est entourée d'une chemise d'eau délimitée par l'enceinte 29. Les parties constituant le sous-ensemble 9 sont de préférence réalisées en tôle d'acier noir ou acier de qualité chaudière. Les gaz chauds de combustion sont refroidis par échange de chaleur jusqu'a une température de l'ordre de 2000C à 1800C et même 1500C au niveau de la botte de sortie 25. Les figures 6, 7, a, 9 montrent le sous-ensemble 10 récupérateur de chaleur à condensation. Ce sous-ensemble récupérateur 10 se présente sous la forme d'un caisson parallélépipédique constitué par deux plaques a tubes 31, 32 reliées entre elles par une batterie de tubes lisses 33 traversant des cloisons 34 transversales par rapport aux tubes 33. Les cloisons 34 découpent l'intervalle entre les plaques a tubes 31, 32 pour former des chicanes de façon à faire circuler les gaz chauds sensiblement perpendiculairement aux tubes 33 dans le sens montant et le sens descendant comme cela est indiqué par la flèche G. Ce volume formant la chambre de récupération est subdivisé parties cloisons dont le nombre est choisi en fonction de considérations de thermigueet d'écoulement des fluides. I1 est à remarquer toutefois qu'il est nécessaire que la dernière partie du parcours des fumées ainsi définie par les cloisons soit un parcours descendant. En effet, a cet endroit du parcours, les gaz sont déjà très refroidis et les condensats se déposent sur les tubes. I1 est donc intéressant d'entratner par effet mécanique des gaz descendants, le film de condensats des tubes car ce film réduit l'échange thermique. Ce volume est fermé sur les cotés par des tôles enveloppes 35, une tôle inférieure 36, inclinée et une tôle supérieure 37. Sur toute la périphérie, les côtés de cette enveloppe comportent une lyre de dilatation 38. Les gaz chauds sont acheminés par une boite d'arrivée 39 reliée à la boîte d'évacuation des gaz 25 du sous-ensemble 9 ; cette botte d'arrivée 39 est fixée à la partie supérieure avant du récupérateur 10, sur la plaque 31. La sortie des gaz se fait par un conduit 40 situé en partie inférieure et à l'arrière de ce sous-ensemble récupérateur 10. Le circuit de l'eau se compose de la tubulure d'entrée 12 située à l'arrière (A), débouchant dans une botte à eau 41, arrière, soudée sur la plaque à tubes 32. Le circuit se compose ensuite de la batterie de tubes 33 et de la botte à eau avant 42 soudée sur la plaque à tubes 31. La sortie du circuit d'eau se fait par la tubulure 43 située au point haut avant du sousensemble récupérateur 10. Ainsi, dans le récupérateur 10, la circulation d'eau et la circulation des gaz se fait à contre-courant. D1 est à remarquer que la cloison inférieure 36 est inclinée de façon à évacuer les eaux de condensation vers le côté arrière qui est équipé d'un tube d'évacuation 44. La figure 9 montre la forme de la plaque à tubes 31 ou 32. REVENDICATIONS 1) Chaudière à récupérateur à condensation formée d'un ensemble jumelé constitué, d'une part, d'un sous-ensemble échangeur de chaleur comprenant un bloc foyer, un échangeur de chaleur proprement dit et, d'autre part, d'un sous-ensemble récupérateur de chaleur à condensation, chaudière caractérisée en ce que ces deux sous-ensembles (9, 10) sont juxtaposés l'un à côté de l'autre et le sous-ensemble échangeur de chaleur (9) à deux parcours est composEdtn foyer (20) parcouru par les gaz de combustion d'avant en arriere et deun échangeur de chaleur proprement dit (22, 23, 24) parcouru d'arrière en avant avec la sortie des fumées près de la façade avant, le sousensemble récupérateur (10) étant formé d'un échangeur (41, 33, 42) avec une entrée de gaz près de l'avant et une sortie de gaz près de l'arrière. 2) Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sous-ensemble échangeur (9) réalisé en acier noir et le sous-ensemble récupérateur (10) est réalisé en acier inoxydable. 3) Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble jumelé est logé dans une jaquette unique (3) d'isolation thermique. 4) Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sous-ensemble échangeur de chaleur (9) comprend un foyer (20) en forme de conduit cylindrique situé dans la partie inférieure de ce sous-ensemble échangeur (9), l'extré- mité avant de ce conduit (20, 4) recevant le brûleur et l'extrémité arrière étant reliée par un passage (21) à. une première botte de détente (229 reliée par une batterie de tubes (23) à une seconde botte de détente (24) située du côté de l'avant (A) de ce sous-ensemble (9), cette deuxième botte de détente (24) étant reliée à une botte d'évacuation des fumées (25) arrivant dans le plan de jonction avec le sous-ensemble récupérateur (10). 5) Chaudière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sous-ensemble (10) récupérateur de chaleur à condensation est constitué par une boite à eau (41) arrière et une botte à eau (42) avant reliées par une batterie de tubes (33) et des cloisons (34) subdivisant transversalement par rapport aux tubes (23) la chambre de récupération, pour former des chicanes obligeant les gaz a refroidir à couper plusieurs.fois le faisceau de tubes (23) donnant un effet global de contre-courant (fumées/eau) tout en maintenant un écoulement perpendiculaire aux tubes. 6) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le fond (36) du volume occupé par la batterie de tubes (33) et les cloisons (34) formant des chicanes, est incliné pour recueillir et évacuer les eaux de condensation en sortie (44). 7) Chaudière selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisée en ce que dans le sous-ensemble échangeur (9), les gaz de combustion circulent de l'avant vers l'arrière au niveau du foyer (20) puis de l'arrière vers l'avant dans la batterie de tubes (23) et dans le sous-ensemble. récupérateur (10), les gaz de combustion circulent de l'avant vers l'arrière, de haut en bas et de bas en haut en croisant les batteries de tubes (23) de bas en haut et de haut en bas dans les volumes délimités par les cloisons formant des chicanes (34). 8) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le dernier parcours des fumées dans le récupérateur de chaleur (10) à condensation se fait de haut en bas 9) Chaudière selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que les tubes (33) de l'échangeur (41, 33, 42) sont des tubes lisses.