Brevet FR2598937A1 — publié le 19871127

L'invention concerne notamment un procédé pour assécher,.avant leur évacuation à la cheminée, des fumées "humides" produites Lors d'une réaction chimique, telle que notamment une réaction de combustion au niveau d'une chaudière. L'invention est notamment destinée à être utilisée avec une chaudière à gaz du type à condensation. On sait que la réaction de combustion du gaz naturel produit une quantité importante de vapeur d'eau 10 à teneur non négligeable en acides. Aussi, les fumées issues de la chaudière et qui circulent vers la cheminée à travers un conduit d'évacuation, sont corrosives et chargées en humidité. Si la température de la paroi de ce conduit ou de la cheminée est inférieure au point de 15 rosée des fumées, une partie de La vapeur d'eau contenue dans ces dernières se condense sur les parois, ce qui est particulièrement néfaste à leur tenue mécanique et peut entraîner des dégradations importantes de leur structure. A la sortie des chaudières traditionnelles, la température des fumées évacuées est suffisamment élevée pour qu'en général elle soit supérieure à la température de paroi du conduit, et ce malgré le refroidissement relativement important subi par ces fumées, notamment au niveau de la cheminée. Cependant, une condensation peut parfois se produire, en particulier lorsque les conditions climatiques sont défavorables. Dans une chaudière du type à condensation, les produits de combustion ou "fumées" sont refroidis afin récupérer une partie de la chaleur latente de la vapeur d'eau qu'elles contiennent. Aussi, les fumées qui sont évacuées sont saturées en humidité et d'autant plus susceptibles de condenser dans le conduit ou la cheminée, en les détériorant. Afin d'éviter cet inconvénient, la technique connue prévoit différentes solutions. Tout d'abord, on peut protéger le conduit ou la cheminée contre les effets néfastes de la condensa10 tion en introduisant à l'intérieur de ce conduit un tube étanche que l'on raccorde à la sortie de la chaudière et qui se substitue à l'ancien conduit pour L'évacuation des produits de combustion. Ces tubes doivent, comme on le comprend, présenter une bonne tenue à La corrosion 15 chimique des condensats acides. En outre, iL convient de s'assurer que la nouvelle section du conduit de substitution reste suffisante pour évacuer Les fumées. Lorsque tel n'est plus le cas, il faut avoir recours à une extraction mécanique. Cette solution, bien qu'efficace dans un certain nombre de cas, se révèle coûteuse et-difficiLte à mettre en oeuvre, notamment lorsque La hauteur ou La longueur des conduits est importante. Une autre solution proposée par la technique 25 consiste à enduire l'intérieur du conduit d'évacuation des fumées d'un mortier spécial suffisamment hydrofuge, de façon à constituer une sorte de chemisage du conduit. Cependant, la mise en oeuvre de cette solution est délicate, coûteuse et n'est pas toujours réalisable. On peut aussi, pLutôt que chercher à protéger le conduit, envisager de déshumidifier ou d'assécher les fumées "humides" avant de les évacuer dans ce conduit de façon qu'elles ne puissent s'y condenser. A cet effet, on peut notamment prévoir d'utiliser l'évaporateur d'une 35 pompe à chaleur. Cependant, pour que cette solution soit efficace et permette effectivement d'assécher en partie les fumées dans les cas les plus défavorables (c'est- à-dire notamment lorsque l'enthaLpie des fumées est élevée et la température extérieure basse), iL faut que L'énergie thermique transmise à l'évaporateur constitue une part non négligeable de la puissance déLivrée par Le brOleur de la chaudière. Dans ce cas, la puissance utile délivrée par la pompe à chaleur représente une part importante de la puissance installée, ce qui nécessite de profondes modifications dans le fonctionnement de l'installation de chauffage, par exemple au niveau de la régulation ou encore au niveau d'un court-circuitage éventuel du récupérateur. Par ailleurs, de façon à permettre une bonne évacuation des fumées qui sortent asséchées,mais à température relativement basse de la pompe à chaleur, il faut prévoir, de façon générale, un surchauffeur et/ou une extraction 15 mécanique. Cette solution est donc difficilement applicable sur les installations de chauffage déjà existantes et demeure, compte tenu de la taille importante de la pompe à chaleur et des modifications à apporter à l'ins20 tallation, particulièrement onéreuse. Le procédé de l'invention vise à pallier les différents inconvénients susmentionnés que la technique n'a pas réussi à résoudre de manière satisfaisante. Aussi, selon l'invention, on prévoit, pour assécher 25 avant leur évacuation à la cheminée, des fumées "humides" produites dans une chaudière, - de faire circuler un débit d'air extérieur, admis à une température inférieure à celle des fumées, en échange thermique avec lesdites fumées au voisinage 30 de leur sortie de la chaudière, - de recycler et d'envoyer, vers la cheminée, une partie au moins dudit air extérieur qui vient d'être chauffé, - et de mélanger lesdites fumées partiellement 35 déshydratées avec ledit air recyclé. Selon une caractéristique importante de l'inven- tion, Lors dudit échange thermique entre les fumées et L'air extérieur, on condense une partie de La vapeur d'eau contenue dans ces fumées, et on élimine les condensats formés. Ainsi, de façon à éviter tout risque de condensa5 tion au niveau des conduits et/ou de la cheminée, non seulement on condense par échange thermique une partie de la vapeur d'eau contenue dans les fumées, mais de plus, on diminue la teneur en eau résiduelle des fumées partiellement déshydratées en Les diluant avec une partie de l'air 10 qui a servi à leur déshydratation et qui a donc été chauffé. Le mélange air recyclé/fuméesainsi obtenu présente une température sèche et une température de rosée telles qu'il peut être évacué vers la cheminée pratiquement sans risque de condensation. Selon une autre caractéristique de l'invention, après avoir fait circuler le débit d'air extérieur en échange thermique avec les fumées, et préalablement au mélange de L'air recyclé avec les fumées partiellement déshydratées, on fait circuler ce même air recyclé en nouvel échange thermique avec lesdites fumées. De cette façon on éLève à nouveau la température de l'air qui va être dilué avec les fumées asséchées, ce qui permet d'améliorer l'efficacité thermique de l'installation. L'invention concerne également une installation 25 pour la mise en oeuvre du procédé et qui comprend: - au moins un premier échangeur placé sur le circuit d'évacuation des fumées et dans lequel circule en échange thermique, d'une part un débit d'air admis de l'extérieur, et d'autre part, les fumées issues de 30 la chaudière; - et un circuit de recyclage d'une partie au moins du débit d'air ayant traversé le premier échangeur, ce circuit de recyclage étant relié, d'une part, au niveau de la sortie d'air dudit premier échangeur, et d'autre 35 part, sur le circuit d'évacuation des fumées, en aval de la sortie des fumées de ce même premier échangeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement de la description qui va suivre faite en référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels: - la figure 1 illustre de façon schématique le circuit de l'installation de chauffage de l'invention; - la figure 2 présente un mode de réalisation des deux échangeurs de l'invention. En se référant, tout d'abord, à la figure 1, on voit illustré le schéma du dispositif de l'invention, 10 repéré 1, et destiné à assécher, avant leur évacuation à la cheminée, des fumées "humides" produites, dans ce cas, au niveau de la chambre de combustion d'une chaudière 3. Le dispositif d'assèchement 1 comprend, notamment un circuit d'évacuation 2 des fumées issues du brûleur 15 d'une chaudière 3 ainsi que deux échangeurs thermiques 4, 5, disposés en série sur le circuit d'évacuation 2. Ce dispositif peut fonctionner avec tout type de chaudière. Cependant, comme on le sait, les problèmes de condensation acides sont d'autant plus sensibles, au niveau des conduits d'évacuation des fumées et/ou de la cheminée dans le cas o l'on utilise une chaudière à gaz du type à condensation. En effet, les fumées qui sont évacuées ont une température de sortie chaudière relativement basse 25 et sont fortement chargées en vapeur d'eau, laquelle vapeur va avoir tendance à se condenser et ainsi détériorer les conduits ou la cheminée si ceux-ci ne sont pas protégés. C'est pourquoi, le dispositif d'assèchement des fumées conforme à la présente invention est, en parti30 culier, destiné à être utilisé avec une chaudière à gaz et à condensation. Avant de décrire de façon plus détaillée l'installation de l'invention, on notera, que l'on a représenté, sur les figures, les sens d'écoulement des fumées 35 et de l'air, respectivement en traits pleins et en traits tiretés. Par ailleurs, on a repéré figure 1 l'amont et l'aval du dispositif de l'invention. Au voisinage de Leur sortie de La chaudière 3, les fumées humides traversent Les échangeurs 4 et 5, en circulant conformément au mode de réalisation illustré à La figure 1, d'abord dans l'échangeur air/fumées 4 (dit deuxième échangeur parce que disposé en second sur le chemin de circulation de l'air), puis dans l'échangeur, également air/fumées, 5 (dit premier échangeur parce que disposé en premier sur Le chemin de circulation de l'air). Cependant, si les conditions de fonctionnement 10 et de rendement thermique le nécessitent, cet ordre peut être inversé; les fumées issues de la chaudière rencontrant, alors, d'abord l'échangeur 5, puis l'échangeur 4. Eventuellement on pourrait même ne prévoir que le seul échangeur 5. Au niveau de cet échangeur 5, on fait circuler, 15 avantageusement, au moyen d'un ventilateur 11, situé vers l'entrée d'air 15, les fumées en échange thermique avec un débit important d'air admis de l'extérieur à une température inférieure à la température de ces mêmes fumées. En fait, cette température d'admission sera, de façon 20 générale, inférieure à la température de rosée de ces fumées. Au cours de cet échange thermique, les fumées chauffent le débit d'air extérieur admis, tandis que une partie de La vapeur d'eau contenue dans les fumées se 25 condense sur les parois de L'échangeur. Les condensats formés sont alors éLiminés et évacués en 14. Vers la sortie d'air 25 de l'échangeur 5, une partie de l'air extérieur qui vient d'être chauffé est 30 récupéré en 7 pour être recyclé, dans un circuit 6, de façon à être envoyé vers La cheminée 10. Cet air recyclé débouche en 8 en aval des échangeurs sur Le conduit 2 d'évacuation des fumées et se mélange à ces dernières qui viennent d'être partiellement déshydratées. 35 L'aspiration et le tirage de L'instaLlation sont, notamment, assurés, ou facilités, par le ventilateur 13 disposé sur le conduit 2. Avantageusement, ce ventilateur 13 ne fonctionne que lorsque la chaudière 3 est en marche. En d'autres termes son fonctionnement est interrompu à L'arrêt du brûleur. De cette façon on évite de refroidir par circu5 Lation d'air le conduit d'évacuation 2 des fumées ainsi que la cheminée 10 entre les cycles de chauffage, ce qui est thermiquement défavorable. Préalablement à ce mélange, l'air recyclé circule à nouveau en échange thermique avec les fumées dans l'échan10 geur 4. Cet échangeur 4 sert essentiellement à élever la température de l'air recyclé, lequel a déjà été préchauffé dans l'échangeur 5, au niveau duquel s'est effectué essentiellement la déshydratation des fumées. De cette façon, on dilue les fumées, (en 8), avec de l'air chaud et relativement sec, ce qui permet de réduire, de façon sensible la teneur en eau résiduelle de ces fumées déjà partiellement déshydratées, et ce avant leur évacuation à la cheminée. Comme on le comprend, si les fumées issues de la chaudière 3 rencontrent d'abord l'échangeur 4, l'air recyclé qui y circule sera porté à une température plus élevée que si ce même échangeur 4 est disposé en second sur le circuit des fumées après l'échangeur 5. Avantageusement, les fumées circulent sans discontinuité d'un échangeur à l'autre, les deux échangeurs 4, 5 étant disposés l'un à la suite de l'autre. Il est à noter que l'air extérieur qui a circulé dans l'échangeur 5 mais qui n'est pas recyclé pour être 30 dilué avec les fumées, peut être avantageusement renvoyé au moins en partie vers la chaudière 3 par l'intermédiaire du conduit 9. Si tel est le cas, on réalise un préchauffage de l'air de combustion du brûleur de la chaudière, ce qui est thermodynamiquement favorable. Le débit d'air restant qui n'a pas été recyclé (en 6), ni éventuellement renvoyé vers la chaudière (3), est de préférence canalisé dans un conduit 17 qui peut notamment déboucher ou circuler dans un local à chauffer. A titre d'exemple non limitatif, on peut prévoir que le débit d'air recyclé est sensiblement équivalent au débit des fumées produites par la chaudière, tandis que le débit d'air extérieur admis dans l'échangeur 5 est égal à environ cinq à dix fois le débit de ces mêmes fumées. Toutefois, on notera que le débit d'air extérieur capté correspond avantageusement sensiblement au 10 moins au débit nécessaire, d'une part à la dilution des fumées en aval des échangeurs et, d'autre part, à la combustion au niveau du brûleur de la chaudière. En d'autres termes, on adaptera le débit d'air extérieur aux conditions de fonctionnement désirées et recherchées. En particulier, on notera qu'un volet 16, disposé sur le conduit de recyclage 6 permet de faire varier et de régler le débit d'air de dilution. Si les conditions de mise en place de l'installation, ainsi que les conditions climatiques sont défavora20 bles, il peut être nécessaire de recourir à l'utilisation d'un surchauffeur 12 disposé sur le conduit 2 en aval des échangeurs 4, 5 et du raccordement 8. En effet, l'installation de "deshydratation" des fumées, conforme à l'invention est notamment destinée à être utilisée sur des installations 25 complètes de chauffage préexistantes, et ce sans nécessiter de modifications importantes et fondamentales de cellesci. Aussi, il est possible, en particulier, que les caractéristiques géométriques des conduits existants ne permettent pas, si la température extérieure est particulièrement basse, de réduire suffisamment les risques de condensation. Dans ce cas on surchauffera avantageusement le mélange dilué air recycLé/fumées partiellement deshydratées, notamment au moyen du surchauffeur 12. On pourrait aussi, par exemple, envisager de faire passer les fumées à proximité du brûleur 35 de la chaudière. Comme on le comprend, l'installation de l'invention disposée en amont du surchauffeur permet, de toute façon, de diminuer l'importance de cette surchauffe. Si l'on se reporte maintenant à la figure 2, on voit un mode de réalisation et de construction des deux échangeurs 4, 5 de l'invention. Tel qu'illustré, ces deux échangeurs sont disposés en série l'un en dessous de l'autre, les fumées circulant sans discontinuité de l'un à l'autre entre une admission 22 ménagée vers le sommet de l'échangeur 4 et une évacuation 32 formée vers la base de l'échangeur 5. On note qu'avantageusement les fumées circulent à contre courant de la circulation d'air dans ces échangeurs (air extérieur ou air recyclé). Cette réalisation "en pile" des deux échangeurs permet de ne prévoir qu'une évacuation 14 des condensats 15 située vers la base de l'échangeur 5 (si celui-ci est disposé en second sur le circuit des fumées). En outre, bien que la déshydratation partielle des fumées s'effectue essentiellement au niveau de l'échangeur 5 par échange avec le débit d'air le plus important, si une première condensation des fumées survenait au niveau de l'échangeur 4, du fait de conditions particulières de fonctionnement de l'installation, les condensats formés ruisselleraient sur les parois extérieures 23 communes aux deux échangeurs et seraient éliminés et récupérés en 14. Ces deux échangeurs peuvent être notamment fabriqués en matériau polymère. De cette façon, on peut réaliser un ensemble compact de faible encombrement à efficacité élevée et venant s'insérer facilement entre la sortie de la chaudière 30 et le carneau de raccordement à la cheminée. A titre d'exemple non limitatif, on va maintenant présenter quelques résultats d'essais qui ont été menés avec l'installation de l'invention et qui sont résumés dans le tableau suivant: pn ON 0% Ln Cu o6 o61, _ _______oZZ oZZ o61 o 6 Z oC oS'Z o s'Zz o6Z oZú ogS ZZ olú o98ú 'DO o9l oS'91 oS1, oZI oOI oS91. o91 oZú oSú oú'7 oZú o6ú oSZ oZZ Os 1. oSZ ____SZ o8Z ________o 8Z ________0 o L oS'02 oS'6L oL oúZ o S Ioz o 96 L oSZZ _______olZ oSú 0o9 _______oSS oSú oSg o09 % LOL % 90L %Sl'O Io % OL % ZOL % ZOL % SOI % OOL % S'96 4D G o81, o+tZ o9 tú oZú oZú D oS' L w a o81 oOú oS9 0 009 o 09 ________4D - O: o81 L I-------t o1,1, I-------1 oz,I-------1 I o- -I, o1,1, 1 1 oZ DoZIae; oZl) o" L oOS O o09 _______1) 179 DogZ.9o0o s j aj4 i Dans ce tableau: - tae: représente La température d'admission de L'air extérieur, - t r.ch: représente la température de retour d'eau à la chaudière, - 7ch: correspond au rendement de la chaudière, - tfe: représente la température des fumées en sortie chaudière (ou entrée premier échangeur sur le circuit des fumées), - tfs: représente la température des fumées en sortie du second échangeur sur le circuit des fumées, - ta1: représente la température de l'air extérieur après passage dans l'échangeur 5 "de déshydratation", - ta2: représente la température de l'air recy15 clé en sortie de l'échangeur 4 de "réchauffage", - tre: représente la température de rosée, du méLange air recyclé/fumées partiellement déshydratées, - te: correspond à la température du mélange air recyclé/fumées partiellement déshydratées, et - tem: représente la température limite du mélange air recyclé/fumées au dessus de laquelle le mélange ne peut se condenser sur les parois de la cheminée d'évacuation. Il est à noter que ces essais ont été réalisés en diluant un débit Q de fumées, partiellement déshydratées 25 en sortie des échangeurs 4, 5, avec un débit sensiblement équivalent Q d'air recyclé. La puissance utile de la chaudière était, dans ce cas, d'environ 500 kW, la hauteur de la cheminée à section circulaire sensiblement égale à 20 m et son diamètre 30 de l'ordre de 400 mm. En outre, cette cheminée était extérieure et maçonnée. En outre, on notera, en complément au tableau ci-dessus, qu'à une température d'admission de l'air extérieur tae d'environ -7 C, la température de rosée des fumées 35 au voisinage de l'entrée du premier échangeur rencontré par ces fumées est de l'ordre de 50 C, et que la teneur en eau de ces mêmes fumées est d'environ 100 gr par kilogramme de fumées sèches. De plus, en sortie des deux échangeurs, mais avant dilution, la température de rosée est alors d'envi5 ron 27 C, tandis que La teneur en eau a chuté à 24 gr par kilogramme de fumées sèches. L'efficacité des échan*geurs "assécheurs" est donc d'environ 76 %. Après dilution de ces fumées avec l'air de recyclage, la température de rosée des fumées est d'environ 10 17 C et la teneur en eau sensiblement égale à 12 gr par kilogramme de fumées sèches. On arrive donc à une efficacité de 88 Z; c'est-à-dire que l'on a éliminé 88 gr d'eau sur les 100 gr contenus à l'admission dans un kilograme de fumées sèches. IL apparait donc clairement que la diminution du risque de condensation des fumées "humides" produites par la chaudière est obtenue, d'une part, par déshydratation partielle au niveau de l'un et/ou l'autre échangeur 4, 5, et, d'autre part, par dilution de ces fumées partiel20 lement déshydratées avec l'air chaud recycle. Bien que la description de l'invention n'ait été faite qu'en référence à une réaction de combustion s'effectuant au niveau d'un brûleur de chaudière à combustible gazeux produisant des "fumées humides", on peut tout 25 à fait envisager, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser un combustible solide et/ou liquide, ou encore appliquer le procédé et le dispositif de l'invention pour assécher des "fumées" ou mélanges gazeux produits lors d'une réaction chimique quelconque au niveau d'une chambre 30 de réaction. Dans un tel cas, la récupération dans les conduits 9 et/ou 17 de l'air admis de l'extérieur et non recyclé en 6 après sa circulation dans l'échangeur 5, dépend, comme on le comprend, des conditions nécessaires au dérou35 lement de La réaction chimique en question. Cet air peut être alors tout simplement évacué. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour assécher, avant leur évacuation à la cheminée, des "fumées humides" produites lors d'une réaction chimique dans une chambre (3), caractérisé en ce que: - on fait circuler un débit d'air extérieur, admis à une température inférieure à celle des fumées, en échange thermique avec lesdites fumées au voisinage de leur sortie de la chambre (3), - on recycle et on envoie vers la cheminée (10) 10 une partie au moins dudit débit d'air extérieur qui vient d'être chauffé, - et on mélange lesdites fumées partiellement déshydratées avec ledit air recyclé. 2. - Procédé selon la revendication 1, carac15 térisé en ce que lors dudit échange thermique entre les fumées et l'air extérieur, on condense une partie de la vapeur d'eau contenue dans les fumées et on élimine les condensats formés. 3. - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, après avoir fait circuler ledit débit d'air extérieur en échange thermique avec lesdites fumées, et préalablement au mélange dudit air recyclé avec lesdites fumées partiellement déshydratées, on fait circuler ce même air recyclé en nouvel échange 25 thermique avec lesdites fumées. 4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on réalise d'abord l'échange thermique entre l'air recyclé et les fumées puis dans une étape suivante, l'échange thermique entre 30 ces mêmes fumées partiellement déshydratées et ledit air extérieur. 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on admet un débit d'air extérieur égal à environ 5 à 10 fois le débit 35 des fumées, tandis que l'on recycle et que l'on mélange un débit d'air sensiblement égal au débit de ces mêmes fumées. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on récupère et on envoie vers la chambre (3) une partie au moins du débit d'air extérieur qui n'a pas été recyclé. 7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on surchauffe ledit mélange air recyclé/fumées partiellement déshydratées, avant son évacuation à La cheminée. 8. - Installation pour La mise en oeuvre du 10 procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 du type destiné à assécher, avant leur évacuation à la cheminée, des fumées "humides" produites lors d'une réaction chimique dans une chambre (3), caractérisée en ce qu'elle comprend: - au moins un premier échangeur (5) placé sur le circuit (2) d'évacuation des fumées et dans lequel circule, en échange thermique, d'une part un débit d'air admis de l'extérieur, et d'autre part, lesdites fumées issues de la chambre (3), et un circuit (6) de recyclage d'une partie au moins du débit d'air ayant traversé ledit premier échangeur (5), ledit circuit (6) de recyclage étant relié d'une part au niveau de la sortie d'air (25) du premier échangeur (5) et d'autre part, sur le circuit (2) d'évacuation des 25 fumées, en aval de la sortie (32) des fumées de ce même premier échangeur. 9. - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit premier échangeur (5) forme essentiellement condenseur en déshydratant partiellement 30 les fumées en échange thermique avec ledit débit d'air extérieur admis à une température inférieure à celle des fumées, ledit premier échangeur (5) comportant, en outre, une conduite (14) d'évacuation des condensats formés. 10. - Installation selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractériséee en ce qu'elle comprend un second échangeur thermique (4) servant essentiellement à élever la température de l'air recyclé et qui est disposé à la fois sur ledit circuit (2) d'évacuation des fumées et sur le chemin dudit circuit (6) de recyclage d'air. 11. - Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que lesdits deux échangeurs (4, 5) sont disposés en série, l'un en dessous de l'autre, les fumées circulant sans discontinuité d'un échangeur à l'autre à contre courant de la circulation d'air. 12. - Installation selon l'une quelconque des 10 revendications 8 à 11, caractérisée en ce que ledit circuit (6) de recyclage d'air comprend au moins un volet (16) de réglage du débit d'air recyclé. 13. - Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend 15 un surchauffeur (12) disposé sur le circuit (2) d'évacuation des fumées. 14. - Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisée en ce qu'on prévoit, pour la circulation de l'air et/ou des fumées au moins un ventilateur (11, 13) dont le fonctionnement est interrompu lorsque la réaction chimique au niveau de la chambre (3) est interrompue.