Brevet FR2621107A1 — publié le 19890331

"Chaudière au gaz à condensation, notamment pour chauffage central" La présente invention concerne une chaudière, plus particulièrement une chaudière pour installation de chauffage central, au gaz à condensation. Toutes les chaudières de chauffage central en acier sont soit des générateurs thermiques cylindriques horizontaux, soit des générateurs à corps cubique vertical. Dans les chaudières cylindriques horizontales, la flamme se développe dans une chambre de combustion cylindrique qui la conduit de l'avant de la chaudière jusqu'à l'arrière, où les gaz entrent dans une chambre dite "de retour de flamme" parce que les gaz y changent de direction pour se déplacer en sens inverse de celui de la chambre de combustion. Les gaz parcourent alors un faisceau de tubes de fumées qui conduit ces gaz de l'arrière de la chaudière vers l'avant, où ils entrent dans une boîte à fumée dans laquelle est logé un serpentin destiné à récupérer la chaleur de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées des gaz, et les gaz refroidis sont évacués dans l'atmosphère. Dans certaines chaudières de ce type, les gaz sont repris dans la boîte à fumée située à l'avant de la chaudière, pour être conduit par un deuxième faisceau de tubes de fumées vers une autre boîte à fumée prévue à l'arrière de la chaudière. Dans les chaudières à corps cubique vertical, la flamme descend verticalement dans une chambre de combustion cubique, pour aboutir dans une chambre de retour de flamme inférieur où le sens de circulation des gaz est inversé. Les gaz remontent alors pour aboutir dans une boîte à fumée où se trouve le serpentin accomplissant la condensation des fumées de gaz. Ainsi, dans toutes les chaudières de chauffage central au gaz à condensation, on trouve actuellement des circuits de flammes et de gaz avec sens de circulation inversés deux ou trois fois dans des chambres de retour de flamme. En raison des changements multiples de sens de circulation ces chaudières présentent, sur les différentes parties de leurs circuits de gaz; des différences de températures des parois d'échange qui sont génératrices de tensions inégales, lesquelles peuvent provoquer de dangereuses menaces de ruptures si des dispositifs amortisseurs ou compensateurs de déformations ne sont pas prévus ou sont inefficaces. En outre, la fabrication des chambres de retour de flamme, avec des parois planes à assembler, impose des soudages angulaires à réaliser manuellement en position ; ces chambres de retour de flamme demeurent donc des structures délicates dans lesquelles se localisent les incidents. Enfin, dans le cas d'immeubles importants il est nécessaire, avec les actuelles chaudières de chauffage central au gaz à condensation, de prévoir une vaste chaufferie en sous-sol, capable de recevoir plusieurs chaudières installées les unes à côté des autres, en diminuant ainsi l'espace disponible sous les immeubles pour le garage des automobiles. La présente invention a pour but de fournir une chaudière de chauffage central au gaz à condensation, de grande puissance, conçue spécialement pour des immeubles importants et notamment pour des immeubles de très grande hauteur, qui élimine l'ensemble des inconvénients précédemment exposés, la nouvelle conception ici proposée supprimant le circuit en zig-zag et les boîtes de retour de flamme, et permettant d'installer facilement cette chaudière à l'extérieur de l'immeuble. A cet effet, I'invention a pour objet une chaudière au gaz à condensation, notamment pour chauffage central, qui comprend essentiellement quatre corps disposés les uns à la suite des autres selon un même axe et réunis en un ensemble monobloc, avec - un premier corps au centre duquel est fixé l'ouvreau d'un brûleur à gaz, ce premier corps étant délimité par deux plaques parallèles et par une paroi latérale - un deuxième corps constituant une chambre de combustion, délimité par l'une des plaques précitées et par une autre plaque qui lui est parallèle, ainsi que par une paroi latérale parcourue par un premier fluide à chauffer - un troisième corps constituant un corps de chauffe, délimité par la dernière plaque mentionnée et par une autre plaque qui lui est parallèle, ainsi que par une paroi latérale, avec un faisceau de tubes de fumées reliant les deux plaques parallèles - un quatrième corps, délimité par l'une de ces plaques et par un couvercle pourvu de trous pour l'évacuation des gaz brûlés, ainsi que par une paroi latérale, et renfermant au moins un serpentin parcouru par un autre fluide à chauffer et servant à la condensation de la vapeur d'eau des gaz brûlés - des moyens pour l'arrivée et le départ du fluide à chauffer parcourant la paroi latérale du deuxième corps et l'intérieur du troisième corps, ainsi que pour l'arrivée et le départ du fluide parcourant le ou les serpentins du quatrième corps ; et - des moyens pour évacuer, hors du quatrième corps, I'eau de condensation des gaz brûlés. Dans une telle chaudière, formée par la réunion de plusieurs corps réunis suivant un même axe, la flamme des gaz en combustion et les fumées du gaz brûlé forment un flux continu rectiligne, qui se déplace uniformément depuis l'ouvreau du brûleur jusqu'au(x) serpentin(s) de condensation, donc d'une façon totalement différente de celle réalisée dans toutes les chaudières de chauffage central existantes, dans lesquelleslefluxdes flammes et des gaz suit un trajet en zig-zag imposé par les boîtes de retour de flamme qui inversent deux ou trois fois le sens de circulation.Ainsi, dans la chaudière selon l'invention, les dilatations différentes des corps successifs, engendrées par des températures variables du flux des flammes et des fumées selon l'endroit considéré, s'ajoutent les unes aux autres librement sans créer des contraintes dangereuses dans la structure, et sans nécessiter des dispositifs de compensation comme dans les chaudières traditionnelles. Les quatre corps de la chaudière objet de l'invention peuvent être disposés suivant un axe vertical, le premier corps recevant le brûleur étant situé en position inférieure. Dans ce cas, le corps inférieur est le seul corps fixé à un support, les trois autres corps qui le surmontent n'étant fixés à aucun support de manière à pouvoir se dilater librement vers le haut. Une telle disposition verticale de la chaudière objet de l'invention permet, par ailleurs, de l'implanter en occupant une surface de sol minimale, soit à l'extérieur d'un immeuble ce qui supprime toute chaufferie dans le sous-sol de l'immeuble, soit dans une chaufferie verticale libérant un maximum d'espace dans le sous-sol de l'immeuble. Selon une autre possibilité, les quatre corps de la chaudière sont disposés suivant un axe horizontal, par exemple le long de la façade d'un immeuble. Dans ce cas, seul un corps extrême de la chaudière, de préférence le premier corps recevant le brûleur, est fixé à un support ; les trois autres corps sont montés sur des glissières parallèles à l'axe de la chaudière, de manière à permettre une libre dilatation de la chaudière sur toute sa longueur. Dans une forme de réalisation de l'invention, le premier corps de la chaudière comporte une virole extérieure soudée sur les bords de ses deux plaques parallèles, ainsi qu'une virole centrale dans laquelle est fixé l'ouvreau du brûleur à gaz ; la plaque qui est limitrophe du deuxième corps comporte des orifices de communication avec la paroi latérale du deuxième corps, tondis qu'une tuyauterie extérieure est raccordée à la virole extérieure du premier corps pour le départ du premier fluide chauffé. Selon une forme particulière d'exécution, le deuxième corps de la chaudière. constituant la chambre de combustion, a sa paroi latérale formée par des tubes d'eau parallèles à l'axe de la chaudière, entre lesquels sont soudés des fers plats, les tubes d'eau étant raccordés, par une extrémités, aux orifices de communication de la plaque qui est limitrophe du premier corps et, par leur autre extrémité, à des orifices de communication correspondants de la plaque qui est limitrophe du troisième corps. Dans une variante, le deuxième corps de la chaudière a sa paroi latérale formée par deux tôles cylindriques coaxiales, réunissant les deux plaques extrêmes de ce deuxième corps et délimitant entre elles une lame d'eau continue de forme annulaire. Dans les deux cas précédents, la paroi latérale du deuxième corps est ainsi le siège de la circulation d'un flux d'eau pulsée, de sens inverse du flux des gaz en combustion, ce qui engendre un échange thermique rationnel et optimum, absolument différent de celui des chaudières de chauffage central existantes, dans lesquelles la chambre de combustion cylindrique ou cubique en tôle d'acier est immergée dans une masse d'eau turbulente sans circulation imposée sous forme d'un flux de liquide pulsé. Avantageusement, le troisième corps de la chaudière selon l'invention a sa paroi latérale constituée par au moins deux portions de cylindre assemblées entre elles par des soudures parallèles à l'axe de la chaudière, ladite paroi latérale se prolongeant jusqu'au couvercle précité pour constituer aussi la paroi latérale du quatrième corps, une tuyauterie extérieure se raccordant à cette paroi latérale vers une extrémité du troisième corps, pour l'arrivée du premier fluide à chauffer. Dans une forme de réalisation particulière, le quatrième corps de la chaudière selon l'invention renferme au moins deux serpentins pour le chauffage de l'autre fluide et la condensation de la vapeur d'eau des gaz brûlés, le couvercle du quatrième corps étant pourvu de trous nombreux répartis sur pratiquement toute son étendue, de manière à ce que la totalité des serpentins, qui servent par exemple à la production d'eau chaude sanitaire, soit léchée par les gaz évacués ; le couvercle est de préférence fixé de manière démontable, pour permettre l'accès aux serpentins. Dans le cas d'une chaudière à disposition verticale, les tubes de fumées verticaux du troisième corps présentent de préférence, à leurs extrémités supérieures, une importante surlongueur au-dessus de la plaque horizontale séparant ce troisième corps du quatrième corps, de manière à former un bac récepteur de l'eau de condensation des gaz brûlés, sans que cette eau se déverse dans les tubes de fumées. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, une forme d'exécution de cette chaudière, ainsi qu'une variante Figure l représente, en coupe verticale, une chaudière de chauffage central au gaz à condensation conforme à l'invention Figure 2 est une vue en coupe verticale similaire à figure l, montrant une variante de cette chaudière Figure 3 est une vue en coupe horizontale de la chaudière de figure 1, selon la ligne 111-1114 Figure 4 est une autre vue en coupe horizontale de cette chaudière, suivant la ligne IV-IV de figure l. La figure I représente schématiquement, et en coupe verticale, une chaudière conforme à la présente invention qui est constituée par un ensemble cylindrique monobloc, formé par la réunion de quatre corps superposés désignés par les repères 1,2,3 et 4, qui sont disposés suivant un même axe vertical 5 et soudés entre eux. Dans cette chaudière à disposition verticale, seul le corps inférieur l est fixé sur le lieu d'implantation de la chaudière, situé de préférence en plein air près d'une façade d'immeuble. Le restant de la chaudière, c'est-à-dire les deux corps intermédiaires 2 et 3 et le corps supérieur 4, n'est fixé à aucun support et peut se dilater librement vers le haut. Le corps inférieur l, de forme cylindrique, possède une faible hauteur comparativement à son diamètre. Il est délimité par- deux plaques horizontales circulaires 6 et 7, réunies l'une à l'autre par une virole 8 soudée sur les bords de ces deux plaques 6 et 7, lesquelles sont aussi étayées entre elles par une série d'entretoises verticales 9 fixées par soudage. Dans leurs parties centrales, les deux plaques circulaires 6 et 7 comportent des ouvertures centrées sur l'axe 5 et ayant leurs bords réunis par une autre virole 10 dans laquelle est fixé l'ouvreau d'un brûleur à gaz, non représenté. Cette virole 10 possède un diamètre lui permettant aussi de servir de trou d'homme. Une tuyauterie extérieure 11, raccordée latéralement à la première virole 8, sert de sortie pour l'eau chauffée, selon la flèche 12, et constitue ainsi le départ vers l'lnstallatlon de chauffage central. La plaque circulaire supérieure 7 comporte, à sa périphérie, une série d'orifices 13 de forme ronde, pour le raccordement de tubes appartenant au deuxième corps 2 qui sera maintenant décrit. En se référant toujours à la figure 1, et aussi à la figure 3, le deuxième corps 2 qui constitue une chambre de combustion cylindrique est délimité à sa base par la plaque supérieure 7 du premier corps l, et à son sommet par une autre plaque horizontale circulaire 14. Cette plaque 14 comporte, à sa périphérie, une série d'orifices 15 de forme ronde, prévus en correspondance avec les orifices 13 de la plaque 7. La paroi latérale cylindrique du corps 2 formant la chambre de combustion comprend une rangée de tubes d'eau verticaux 16, soudés à leurs deux extrémités respectivement aux deux plaques circulaires 7 et 14 et, plus précisément, aux bords des différents orifices 13 et 15 de ces plaques 7 et 14. Entre les tubes d'eau verticaux 16 du corps 2 sont soudés des fers plats 17 qui assurent l'herméticité de la chambre de combustion. La plaque circulaire inférieure 6 du premier corps l peut comporter, elle aussi, une série d'orifices 18 de forme ronde, en correspondance avec les orifices 13 de la plaque supérieure 7 de ce corps 1. Les orifices 18 sont destinés à être obturés par des bouchons 19 en forme de "doigt de gant", qui sont dudgeonnés sur leurs portées et susceptibles d'être démontés pour permettre de procéder au détartrage des tubes d'eau 16 du deuxième corps 2, par exemple à l'aide d'une molette rotative montée sur un flexible. La figure 2, sur laquelle les éléments identiques à ceux décrits précédemment sont identifiés par les mêmes repères, illustre une variante de réalisation du deuxième corps 2. Les tubes d'eau verticaux sont ici supprimés, la paroi latérale du corps 2 étant formée par deux tôles cylindriques coaxiales 20 et 21, délimitant entre elles un espace annulaire vertical formant une lame d'eau continue. Les deux tôles cylindriques 20 et 21 sont soudées d'une part à la plaque circulaire 7, d'autre part à la plaque circulaire 14, et ces deux tôles 20 et 21 sont étayées éventuellement par des entretoises soudées 22. Les orifices respectifs 13 et 15 des plaques 7 et 14 existent aussi dans le cas de cette variante, où ils servent à la communication de la lame d'eau annulaire avec le corps inférieur 1 et avec le troisième corps 3 qui constitue le corps de chauffe. En se référant aux figures 1. 2 et 4, ce troisième corps 3 également cylindrique comprend un faisceau de tubes de fumées verticaux 23, soudés à leur base sur des trous de la plaque circulaire supérieure 14 du deuxième corps 2, et soudés aussi à leur sommet sur des trous d'une autre plaque circulaire 24. L'ensemble des tubes de fumées 23 est entouré par une paroi cylindrique 25, constituée de deux demi-cylindres assemblés l'un à l'autre par deux jonctions soudées 26 diamétralement opposées et parallèles à l'axe 5 de la chaudière, comme le montre la figure 4. Les deux demi-cylindres de la paroi cylindrique 25 reposent sur la plaque circulaire îa à laquelles ils sont aussi soudées.Ces deux demi-cylindres s'étendent, vers le haut, au-delà de la plaque circulaire 24 à laquelle ils sont soudés, de manière à former aussi la paroi latérale cylindrique du- corps supérieur 4 qui sera décrit plus loin. Une tuyauterie extérieure 27, raccordée à la paroi latérale 25 vers le sommet du corps de chauffe 3, constitue le retour de l'eau venant de l'installation de chauffage central, selon la flèche 28, et assure l'injection de l'eau dans la chaudière. Le dernier corps 4, de forme cylindrique, possède comme le premier une faible hauteur relativement à son diamètre. Ce quatrième corps 4 est fermé, à sa partie supérieure, par un couvercle circulaire 29 fixé au sommet de la paroi latérale 25 par boulonnage sur une bride 30 soudée à ladite paroi. A l'intérieur du corps 4 sont placés deux serpentins superposés 31 et 32 en cuivre ou en acier inoxydable, qui sont alimentés en eau froide arrivant en 33 pour assurer simultanément la production d'eau chaude sanitaire, dont le départ est indiqué en 34, et la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées des gaz. Une tubulure extérieure 35, raccordée à la paroi latérale 25 vers la base du corps supérieur 4, assure l'écoulement de l'eau de condensation des gaz brûlés et refroidis. Les extrémités supérieures des tubes de fumées 23 du corps 3 présentent une importante surlongueur L au-dessus de la plaque circulaire 24, comme le montrent les figures 1 et 2, ce qui permet à la plaque 24 et à une partie de la paroi latérale 25 de constituer un bac récepteur de l'eau de condensation des gaz brûlés, sans que celle-ci se déverse dans les tubes de fumées 23, le déversement étant fonction de l'implantation du départ de la tubulure 35. Le couvercle circulaire 29 est percé de nombreux trous 36 destinés à uniformiser le flux des gaz à leur sortie, de manière que l'ensemble des serpentins 31 et 32 soit léché par les gaz, le démontage du couvercle 29 (voir plus haut) permettant la visite des serpentins 31 et 32. Le couvercle 29 est surmonté d'un chapiteau conique 37, lui-même prolongé par une cheminée 38, pour l'évacuation des gaz ayant traversé les trous 36 du couvercle 29. L'évacuation des gaz est assurée au moyen d'un ventilateur-extracteur mécanique, non représenté. L'ensemble de la chaudière précédemment décrite est entouré par une enveloppe calorifuge, non représentée, pouvant être elle-même décorée extérieurement par une peinture. En cours de fonctionnement de la chaudière, le flux des flammes et des gaz se déplace de façon continue, sans changement de direction, successivement dans les corps 2,3 et 4, en engendrant dans chacun d'eux une température des parois différente et par conséquent des dilatations distinctes qui s'ajoutent les unes aux autres librement, puisque seul le corps inférieur 1 est fixé dans le cas ici considéré d'une chaudière verticale. La circulation de l'eau pulsée, alimentant l'installation de chauffage central, s'effectue en sens inverse du flux des flammes et gaz, d'abord dans le volume du troisième corps 3, autour des tubes de fumées 23 et entre ces tubes, puis dans la paroi latérale 16,17 ou 2G,21 du deuxième corps, ce qui engendre un échange thermique rationnel et optimum. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette chaudière qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, la disposition verticale de la chaudière n'est pas obligatoire, une chaudière de structure similaire à celle décrite pouvant aussi être disposée horizontalement, auquel cas le point de fixation adopté est de préférence l'extrémité la plus chaude située du côté du corps 1, les autres corps 2,3 et 4 comportant des supports à glissières destinés à laisser la chaudière se dilater librement sur toute sa longueur. Par ailleurs, l'implantation en plein air de la chaudière ne constitue nullement une obligation, cette chaudière pouvant aussi être installée dans une chaufferie incluse dans un immeuble d'importance quelconque, notamment avec une disposition verticale permettant là aussi de libérer le maximum d'espace dans le sous-sol pour les garages. REVENDICATIONS 1. Chaudière au gaz à condensation, notamment pour chauffage central, caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement quatre corps (1,2,3,4) disposés les uns à la suite des autres selon un même axe (5) et réunis en un ensemble monobloc, avec - un premier corps (1) au centre duquel est fixé l'ouvreau d'un brûleur à gaz, ce premier corps étant délimité par deux plaques parallèles (6,7) et par une paroi latérale (8) - un deuxième corps (2) constituant une chambre de combustion, délimité par l'une des plaques précitées (7) et par une autre plaque (14) qui lui est parallèle, ainsi que par une paroi latérale (16,17 ; 20,21) parcourue par un premier fluide à chauffer ; - un troisième corps (3) constituant un corps de chauffe, délimité par la dernière plaque mentionnée (14) et par une autre plaque (24) qui lui est parallèle, ainsi que par une paroi latérale (25), avec un faisceau de tubes de fumées (23) reliant les deux plaques parallèles (14,24) (14,24); - un quatrième corps (4), délimité par l'une de ces plaques (24) et par un couvercle (29) pourvu de trous (36) pour l'évacuation des gaz brûlés, ainsi que par une paroi latérale (25), et renfermant au moins un serpentin (31,32) parcouru par un autre fluide à chauffer et servant à la condensation de la vapeur d'eau des gaz brûlés - des moyens (11,27) pour l'arrivée et le départ du fluide à chauffer parcourant la paroi latérale (16,17 ;; 20,21) du deuxième corps (2) et l'intérieur du troisième corps (3), ainsi que pour l'arrivée et le départ (33,34) du fluide parcourant le ou les serpentins (31,32) du quatrième corps (4) ; et - des moyens (35) pour évacuer, hors du quatrième corps (4), l'eau de condensation des gaz brûlés. 2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que ses quatre corps (1,2,3,4) sont disposés suivant un axe vertical (5), le premier corps (1) recevant le brûleur étant situé en position inférieure et étant le seul corps fixé à un support, les trois autres corps (2,3,4) qui le surmontent n'étant fixés à aucun support de manière à pouvoir se dilater librement vers le haut. 3. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que ses quatre corps (1,2,3,4) sont disposés suivant un axe horizontal, seul un corps extrême, de préférence le premier corps (1) recevant le brûleur, étant fixé à un support, les trois autres corps (2,3,4) étant montés sur des glissières parallèles à l'axe de la chaudière, de manière à permettre une libre dilatation de la chaudière sur toute sa longueur. 4. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le premier corps (1) comporte une virole extérieure (8) soudée sur les bords de ses deux plaques parallèles (6,7), ainsi qu'une virole centrale (10) dans laquelle est fixé l'ouvreau du brûleur à gaz, la plaque (7) limitrophe du deuxième corps (2) comportant des orifices (13) de communication avec la paroi latérale (16,17 ; 20,21) du deuxième corps (2), tandis qu'une tuyauterie extérieure (11) est raccordée à la virole extérieure (8) pour le départ du premier fluide chauffé. 5. Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que le deuxième corps (2) a sa paroi latérale formée par des tubes d'eau (16) parallèles à l'axe (5) de la chaudière, entre lesquels sont soudés des fers plats (17), les tubes d'eau (16) étant raccordés, par une extrémité, aux orifices de communication (13) de la plaque (7) limitrophe du premier corps (1) et, par leur autre extrémité, à des orifices de communication correspondants (15) de la plaque (14) limitrophe du troisième corps (3). 6. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le deuxième corps (2) a sa paroi latérale formée par deux tôles cylindriques coaxiales (20,21), réunissant les deux plaques extrêmes (7,14) de ce deuxième corps (2) et délimitant entre elles une lame d'eau continue de forme annulaire. 7. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le troisième corps (3) a sa paroi latérale (25) constituée par au moins deux portions de cylindre assemblées entre elles par des soudures (26) parallèles à l'axe (5) de la chaudière, ladite paroi latérale (25) se prolongeant jusqu'au couvercle précité (29) pour constituer aussi la paroi latérale du quatrième corps (4), une tuyauterie extérieure (27) se raccordant à cette paroi latérale (25) vers une extrémité du troisième corps (3), pour l'arrivée du premier fluide à chauffer. 8. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le quatrième corps (4) renferme au moins deux serpentins (31,32) pour le chauffage de l'autre fluide et la condensation de la vapeur d'eau des gaz brûlés, le couvercle (29) du quatrième corps (4) étant pourvu de trous-(36) nombreux répartis sur pratiquement toute son étendue, ce couvercle (29) étant fixé de préférence de manière démontable. 9. Chaudière selon la revendication 2 et l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que les tubes de fumées verticaux (23) du troisième corps (3) présentent, à leurs extrémités supérieures, une importante surlongueur (L) au-dessus de la plaque horizontale (24) séparant ce troisième corps (3) du second corps (2), de manière à former un bac récepteur de l'eau de condensation des gaz brûlés. 10. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, utilisée comme chaudière de chauffage central, caractérisée en ce qu'elle comporte une circulation d'eau pulsée, alimentant une installation de chauffage central, qui s'effectue en sens inverse du flux des flammes et gaz, d'abord dans le volume du troisième corps (3) autour des tubes de fumées (23) et entre ces tubes, puis dans la paroi latérale (16,17 ; 20,21) du deuxième corps (2).