Brevet FR2620203A1 — publié le 19890310

La présente invention est relative, d'une manière générale, aux systèmes de chauffage pour locaux et pour l'eau, et plus particulièrement à l'utilisation avantageuse d'un brûleur ou réacteur du type radiant qui est alimenté par un mélange gaz-air pour satisfaire aux exigences de cha- leur et d'eau chaude. Pour amener la température intérieure d'un local, notamment d'une habitation, à un niveau confortable, il est courant d'utiliser des brûleurs à mélange gaz-air com- O me sources de chaleur et de faire passer l'air qui entre dans le local dans un échange thermique avec les brQleurs, comme indiqué dans le Brevet américain 4 261 326. L'effica- cité de ce système de l'art antérieur est déterminée prin- cipalement par le rendement des brûleurs, lequel n'est pas particulièrement remarquable. En utilisant le même carbu- rant, c'est-à-dire un mélange gaz-air, mais sans faire ap- pel à un processus de combustion comportant une flamme"ou- verte" du brûleur ou analogue, on a constaté qu'il était possible d'augmenter considérablement l'efficacité de l'échange de chaleur vers l'air délivré pour le chauffage, de même que pour satisfaire aux besoins d'eau chaude, et d'obtenir de nombreux autres avantages remarquables. D'une manière générale, un but de l'invention est de fournir un système de chauffage de local au gaz fonction- nant de manière efficace et surmontant les inconvénients ci-dessus et d'autres de l'art antérieur. Plus particuliè- rement, un but de l'invention est d'éviter l'inefficacité d'un brûleur à gaz présentant une flamme ouverte comme source de chaleur, et d'utiliser au contraire un système de chauffage à gaz du type radiant, comme indiqué par exem- ple dans le Brevet américain 3 217 701. Pour parvenir à ce perfectionnement, le système de chauffage est d'abord uti- lisé pour chauffer de l'eau qui, à son tour, chauffe l'air et, en dépit de cet échange de chaleur à deux étages, le rendement du système de chauffage est encore un perfection- nement appréciable par rapport aux systèmes de chauffage de locaux utilisant des brûleurs à flamme ouverte. Un système de chauffage au gaz, notamment pour lo- caux tels que des habitations, ou analogue, atteignant les buts et donnant les avantages de la présente invention comporte trois constituants principaux, à savoir le brûleur radiant ci-dessus sous la forme spécifique d'un dispositif de combustion au gaz de forme cylindrique, un souffleur d'air, et un circuit en boucle fermée de circulation d'eau pour l'échange de chaleur à travers celui-ci. De manière additionnelle, un premier serpentin du circuit en boucle fermée est disposé pour entourer le dispositif de combus- tion de gaz de forme cylindrique de manière à transférer la chaleur de celui-ci à l'eau en circulation. Un second serpentin dans ce circuit est situé en aval du premier ser- pentin et il est placé sur le trajet de l'air provenant du souffleur d'air. De cette manière, il se produit un trans- fert de chaleur entre l'eau précédemment chauffée et l'air qui sort du souffleur et qui entre dans le local. La brève description ci-dessus, de même que d'au- tres buts, caractéristiques et avantages de la présente in- ventionseront mieux compris en référence à la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation actuelle- ment préféré, mais non limitatif, de la présente invention, la description étant faite en référence au dessin annexé dans lequel: Fig. 1 est une vue latérale schématique d'un sys- tème de chauffage au gaz selon la présente invention; et Fig. 2 est une vue partielle en plan de la partie de chauffage d'air du système de la Fig. 1. On sait déjà, par exemple par le Brevet améri- cain 3 217 701, auquel on pourra se référer, qu'une source de chaleur optimale pouvant être utilisée dans un échange de chaleur avec un fluide en circulation, par exemple de l'eau ou analogue, de manière à chauffer un local d'habita- tion ou autre, est un élément de combustion qui est décrit en détail et illustré dans ce Brevet. Plus particulière- ment, comme indiqué dans la description de ce document, il existe une littérature considérable de Brevets qui décrit les techniques de fabrication et d'utilisation pour un élé- ment poreux de combustion. Ainsi, ce Brevet indique qu'une source de chaleur optimale consiste en un élément poreux de combustion qui, dans la pratique, est alimenté avec un gaz combustible qui est conduit sous pression à travers la pa- roi poreuse dudit élément. Il en résulte que la surface ex- térieure de l'élément maintient une réaction de combustion sur la couche de surface extérieure périphérique de celui- ci, ou à son voisinage, pour que cette couche de surface extérieure soit incandescente. LO Il est également indiqué dans ce Brevet que, lors du fonctionnement de cet élément de combustion, il se pro- duit à partir de celui-ci un échappement de gaz chaudsquipos- sedent suffisamment d'énergie sous la forme de chaleur de convection,et également sous la forme d'une chaleur directe de radiation provenant de la couche de surface extérieure de l'élément de combustion. Compte tenu de ce qui précède, la présente inven- tion fournit un système de chauffage au gaz à haut rende- ment, notamment pour locaux, en utilisant l'élément de com- O bustion ci-dessus. Plus particulièrement, et en référence à la Fig. 1, l'élément de combustion 10 est en communica- tion avec une source de combustible gaz-air 12, ce combus- tible étant amené sous pression dans l'élément de combus- tion 10 et à travers la structure poreuse de sa paroi pour qu'il sorte en direction radiale, comme indiqué individuel- lement et collectivement par les flèches 14. Comme indiqué en détail dans le Brevet américain ci-dessus, le fonctionnement de l'élément de combustion 10 comporte l'allumage du gaz de combustion 12 avec pour ré- D sultat que, à la périphérie de la surface de l'élément 10 ou à son voisinage, il se produit la réaction de combustion citée qui se manifeste par une incandescence. Par consé - quent, les gaz d'échappement 14 qui circulent radialement se trouvent à une température élevée avec laquelle il est hautement désirable d'effectuer un transfert de chaleur vers tout fluide situé au voisinage. De plus, la chaleur engendrée par la surface incandescente du dispositif 10 constitue une source efficace de chaleur par radiation pour tout transfert de chaleur à un fluide et/ou à la surface d'un échangeur de chaleur situé au voisinage. Conformément à la présente invention, il est par conséquent prévu un circuit en boucle fermée 16 dans le- quel circule de l'eau sous l'effet d'une pompe 18. Dans la direction 20 de l'écoulement provoqué par la pompe 18, la boucle fermée 16 présente, en aval de la pompe 18, un premier serpentin 22 qui est constitué par des spires héli- coidales, désignées individuellement et collectivement en 24, ces spirespcomme montré clairement sur la Fig. 1, étant disposées en superposition l'une sur l'autre, comme montré par le point de contact 26, l'agencement étant fait sui- vant l'axe longitudinal du dispositif de combustion 10 de forme cylindrique. Il en résulte que l'eau circulant dans l'enroulement 22 est en échange de chaleur sur toute la longueur du dispositif de combustion 10 à mesure qu'elle circule dans les spires 24 du serpentin 22. Plus particulièrement, les gaz chauds qui provien- nent du dispositif 10 traversent et entourent toutes les spires hélicoidales 24 du serpentin 22. Ces gaz chauds transfèrent leur chaleur restante par convection et sont en contact avec le serpentin 22 grâce à un écoulement tur- bulent, essentiellement de nature hélicoidale, provoqué par la forme du serpentin 22 et la grande surface qu'il présente. Un bouchon 100 est situé centralement à la par- tie inférieure du serpentin 22 pour contribuer à l'écoule- ment tourbillonnaire et il force les gaz de combustion à circuler autour des spires inférieures restantes 24 du ser- pentin 22 pour extraire une quantité maximale de chaleur du gaz. Les produits et les condensats provenant des gaz de combustion refroidis sortent de la chambre 48 du ser- pentin par une conduite 50 d'évacuation. Dans la pratique, on a constaté qu'un second échangeur de chaleur n'est pas nécessaire pour condenser les produits effluents de maniè- re à obtenir un haut rendement d'échange thermique. L'eau qui sort du serpentin 22 d'échange de chaleur, pour aller dans la conduite 28, traverse une vanne ouverte 30 puis elle circule suivant un trajet ondulé défi- ni par un second serpentin 32 d'échange de chaleur, la conformation de ce serpentin étant illustrée sur la Fig.2. On expliquera ci-après la raison pour laquelle on fait passer l'eau préalablement chauffée dans le serpentin 32 d'échange de chaleur, mais on indiquera déjà que cette eau retourne vers l'entrée de la pompe 18 à travers une conduite de retour 33 en vue de sa recirculation. Un souf- fleur d'air 34 d'une structure conventionnelle et d'un mo- de de fonctionnement bien connu est situé sous le serpen- tin 32 d'échange de chaleur; l'air frais 36 qui provient du local est aspiré par le souffleur 34 et il est délivré sous pression à la sortie 38 du souffleur, comme indiqué par les flèches 40. Conformément à l'invention, le second serpentin 32 d'échange de chaleur est situé sur le trajet de l'air 40 sortant du souffleur 38. Il en résulte que l'air sortant 40 est en échange de chaleur avec l'eau préa- lablement chauffée qui circule dans le serpentin 32 d'échan- ge de chaleur, avec pour résultat que la température de cet air augmente et que cet air chauffé traverse, comme montré par les flèches 42, l'ouverture de sortie 44 d'une envelop- pe 46 renfermant le souffleur 34 et l'échangeur 32. Il est à noter qu'une enveloppe isolée 48 entoure l'échangeur 22 pour confiner les gaz chauds d'échappement à la proximité de l'échangeur 22, ce qui augmente l'échan- ge de chaleur se produisant entre le dispositif de combus- tion 10 et l'eau circulant dans. -le serpentin. De plus, l'alimentation 12 en gaz et en air pour le brûleur 10 est fournie par un souffleur 101. Plus particulièrement, le souffleur 101 prélève l'air de combustion à partir d'un conduit 104 en communi- cation avec l'extérieur. Le combustible gazeux est fourni à travers une conduite 103 à partir d'une source qui est également située à l'extérieur, l'alimentation en combus- tible se faisant à travers une vanne 102 de régulation de pression et de coupure. Comme indiqué précédemment, les produits et les condensats provenant des gaz de combustion refroidis sont dirigés dans la conduite 50. L'extrémité de sortie de la conduite 50 est également à l'extérieur, comme indiqué en , et ainsi l'unité de chauffage est complètement fer- mée et à l'abri de fuites de tous gaz nocifs ou toxiques vers le local traité par le système. Le dispositif de combustion 10, outre sa fonction de source de chaleur pour l'air qui est amené à circuler dans le local, sert également comme source de chaleur pour l'eau chaude de consommation du local. A cet effet, il est prévu un second circuit à boucle fermée 52 formé par une conduite 54 partant juste en amont de la vanne 30 et portant une vanne d'arrêt 56. Le retour de la boucle fer- mée 52 est constitué par une conduite 58; un enroulement d'échange de chaleur est monté entre les conduites 54 et 58 et il est immergé dans de l'eau 62 à chauffer con- tenue dans un réservoir 64 et destinée à être consommée dans le local. Le volume d'eau 62 est alimenté en eau froide à travers une entrée 66 et l'eau est extraite sous pression à travers une sortie 68. En supposant que la vanne 56 est ouverte, l'eau préalablement chauffée qui sort du serpentin 22, ou au moins une partie de cette eau, se dirige vers la conduite 54 et le serpentin 60 avant de retourner à la pompe par la conduite 58. Quand elle tra- verse le serpentin 60 d'échange de chaleur, l'eau chauf- fée élève la température de l'eau 62 se trouvant dans le réservoir 64 pour fournir ainsi de l'eau chaude de consom- mation pour le local ou analogue. L'élément de combustion 10 permet ainsi de chauffer l'air et l'eau pour le local en étant intégré dans un système de combustion fonctionnant de manière efficace. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation, non plus qu'au mode d'application, qui ont été décrits; on pourrait au contraire concevoir diverses variantes sans sortir pour autant de son cadre. REVENDICATIONS 1. Système de chauffage au gaz, notamment pour locaux, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison: un échangeur de chaleur constitué par un dispositif poreux(10) de combustion au gaz de forme allongée agencé pour présen- ter une surface incandescente et une source de gaz de com- bustion chaud sortant radialement de celui-ci sur toute la longueur de sa forme allongée; une source d'eau à uti- liser dans un échange de chaleur avec lesdits gaz chauds de combustion; une enveloppe cylindrique(48)présentant une ouverture de sortie(50)à une extrémité; un premier serpentin hélicoidal(22)placé dans l'enveloppe(48)et en- tourant ledit dispositif de combustion(lO)de forme allon- gée, le long de celui-ci, le serpentin(22)étant relié à ladite source d'eau pour la circulation de ladite eau dans le serpentin de manière à établir un échange de chaleur entre lesdits gaz de combustion et ladite eau; un bouchon (10O)placé à l'extrémité de ladite enveloppe cylindrique(48) pour bloquer centralement l'écoulement des gaz de combus- tion dans celle-ci directement vers ladite ouverture de sortie(50)de ladite enveloppe cylindrique(48)de manière à participer à la production d'un mouvement des gaz radiale- ment vers l'extérieur pour qu'ils viennent en contact avec ledit premier serpentin hélicoïdal; et des moyens de pres- sion(lOl)forçant un mélange de gaz et d'air vers ladite surface dudit dispositif de combustion pour maintenir la- dite incandescence sur celui-ci et également pour provo- quer la production de gaz chauds à partir dudit mélange et le mouvement desdits gaz chauds à travers la structure poreuse dudit élément de combustion(lO)radialement vers l'extérieur à partir de celui-ci pour que ces gaz viennent en contact d'échange de chaleur avec ledit premier enroule- ment hélicoidal de manière à augmenter le transfert de cha- leur depuis ladite surface incandescente et lesdits gaz chauds résultants vers l'eau circulant dans ledit premier serpentin hélicoidal(22); un local à chauffer par de l'air chaud et présentant une entrée(44)et une sortie; un souf- fleur d'air(34)présentant une entrée en communication avec ladite sortie du local pour extraite de celui-ci l'air frais et pour faire sortir l'air frais sous pres- sion par une sortie(38)en vue de le faire circuler suivant un trajet en communication avec ladite entrée(44)du local; et un circuit en boucle fermée(28,16,32,33)pour faire cir- culer ladite eau chauffée en vue d'un échange de chaleur subséquent, ledit circuit en boucle fermée comportant le- dit premier serpentin hélicoidal(22)et un second serpen- tin(32)placé en aval dudit premier serpentin hélicoidal et disposé dans le trajet provenant dudit souffleur d'air, de sorte qu'il se produit un échange de chaleur entre la- dite eau précédemment chauffée et ledit air provenant du- dit souffleur et pénétrant ensuite dans ledit local. 2. Procédé de chauffage d'un local ou analogue, en utilisant un dispositif poreux de combustion(lO)de forme allongée comme source de chaleur, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à: confiner ledit dispositif de combustion à une extrémité d'une enveloppe cylindrique(48)présentant une ouverture de sortie(50)à une autre extrémité; interposer un échangeur de chaleur (22)sous la forme spécifique de spires hélicoïdales entou- rant ledit dispositif de combustion dans ladite chambre cylindrique(48); pomper simultanément de l'eau dans ledit échangeur de chaleur (22) et un mélange air-gaz dans le- dit dispositif de combustion (10) pour que ledit mélange air-gaz traverse la structure poreuse de celui-ci jusqu'à parvenir à la surface dudit dispositif de combustion (10) et traverser radialement l'espace situé autour du disposi- tif de combustion pour venir en contact avec lesdites spi- res hélicoidales de l'échangeur de chaleur et être ex- trait à travers ladite sortie de la chambre cylindrique, de sorte qu'il se produit un transfert de chaleur entre, d'une part, la surface incandescente provoquée par ledit mélange gaz-air et ledit mélange airgaz en contact avec lesdites spires hélicoidales, et, d'autre part, l'eau qui est pompée dans lesdites spires; faire passer la- dite eau pompée après ledit échange de chaleur vers un second échangeur de chaleur (32); et faire passer d'abord l'air délivré audit local dans une relation d'échange de chaleur à travers ledit second échangeur de chaleur (32), de sorte que ledit air entrant dans le lo- cal est à une température élevée désirée grâce au rende- ment de transfert de chaleur dans ledit premier échangeur de chaleur (22) du fait de la radiation thermique de la- dite surface incandescente et de la convection thermique du mélange airgaz venant en contact avec lesdites spires hélicoïdales.