Brevet FR2628829A1 — publié le 19890922

La présente invention concerne un dispositif pour le chauffage d'un liquide, tel en particulier que de L'eau contenu dans un ballon de stockage. Il existe aujourd'hui de nombreuses installations utilisant différents dispositifs de chauffage pour ta production d'eau chaude sanitaire dans Les immeubles d'habitation, ainsi que divers dispositifs pour Le chauffage de liquides pour des besoins industriels. Parmi ces installations, un certain nombre utilise un corps de chauffe comprenant un échangeur de chaleur dans lequel circulent des produits de combustion issus d'un brûleur à gaz. Plus précisément, certaines de ces installations sont telles que le ballon de stockage du liquide à chauffer comporte un orifice pour Le montage, à son niveau, d'un brûleur à gaz alimenté en gaz combustible et en air comburant et qui communique, à L'intérieur du ballon, avec un échangeur de chaleur dans lequel circulent, en échange thermique avec Le liquide à chauffer, les fumées de combustion produites par ledit brûleur avant leur évacuation vers un collecteur d'échappement débouchant à L'extérieur du ballon. Dans Le domaine industriel, ce type d''instalation peut notamment être appliqué sur des chaudières pour la production d'eau chaude, d'eau surchauffée (c'est-a-dire dont la température est au moins égale à 1100C) et/ou de vapeur. Sur nombre de ces chaudières, le ballon de stockage et de mise en température du liquide à chauffer se présente sous la forme d'une cuve sensiblement cylindrique circulaire fermée à ses deux extrémités par des calottes au niveau de chacune desquelles est ménagée une chambre fermée. Le liquide à chauffer est stocké dans le ballon, entre Les chambres et le brûleur qui est monté vers l'une des extrémités du ballon se prolonge, à l'intérieur de celui-ci et à travers l'une desdites chambres, par un q long foyer dans lequel les fumées produites par le brûleur vont circuler en premier échange thermique avec le liquide à chauffer, avant de déboucher dans La chambre opposée sur laquelle s'ouvre le foyer. Les fumées qui se répartissent dans cette chambre sont ensuite canalisées à l'intérieur d'une multitude de tubes de relativement faible diamètre qui relient, à travers le ballon, les deux chambres, de manière que les fumées circulent une seconde fois en échange thermique avec le liquide, après quoi elles sont évacuées vers le collecteur d'échappement. Sur de telles chaudiéres, la multiplication des canaux d'échange thermique qui circulent au sein du liquide posent de nombreux problèmes et en particulier - des problèmes de tenue à la corrosion et d'entartrage notamment des tubes de recirculation des fumées, - de tenue mecanique de ces tubes dont les soudures au niveau de Leurs Liaisons avec les chambres d'extrémités sont relativement fragiles - et de maintenance, laquelle s'avère particulièrement délicate compte tenu des difficultés d'accès aux différents éléments internes de La chaudière. (A ce sujet, on imagine aisément les problèmes qui surviennent lors d'un remplacement de foyer ou de quelques uns des tubes de recirculation). L'invention a pour objet de résoudre ces difficultés. A cet effet, elle propose un dispositif qui se caractérise en ce que l'échangeur de chaleur fumees/liquide à chauffer se présente sous La forme d'un tube-échangeur unique qui, avec le brûLeur à gaz précité, est disposé de telle manière qu'ils s'étendent tous deux à l'intérieur d'une enveloppe fictive cylindrique d'axe sensiblement confondu avec celui de l'orifice, au niveau duquel est monté le brûleur, et de diamètre au moins légèrement inférieur a celui de ce même orifice qui est dimensionné pour permettre le montage ou le retrait à traverslui du brûleur et du tube -échangeur, dans ou hors dudit ballon. Ainsi, on va pouvoir accroître nettement la compacité du corps de chauffe brùleur/tube-échangeur et faciliter grandement l'accessibilité à ces pièces dont le démontage aisé va simplifier de façon particulièrement appréciable les opérations d'entretien et de maintenance, et notamment le détartrage périodique nécessaire du corps de chauffe. Selon l'invention, le tube-échangeur unique précité se presentera de préférence sous l'aspect d'un serpentin à coudes multiples dont l'extrémité d'admission des fumées de combustion produites par le brûleur seca située sensiblement dans le prolongement de ce brûleur et dont L'extrémité opposée d'évacuation de ces memes fumées débouchera, à travers l'orifice du ballon, sur le collecteur d'échappement Ainsi, tout en maintenant L'avantage de la compacte, on pourra atteindre des rendements thermiques au moins comparables à ceux des installations connues à tubeséchangeurs multiples. Outre le dispositif que l'on vient de présenter, l'invention concerne également un ballon formant réservoir pour un liquide devant y etre chauffé et qui se caractérise en ce qu'il est équipé du dispositif sus-mentionné. En outre, l'invention se rapporte à l'application de ce dispositif sur une chaudière pour la production et ta fourniture d'eau surchauffée, à une température supérieure ou égale à 1100C environ et/ou de vapeur d'eau, ou éventuellement sur un ballon pour la production d'eau à une température inférieure à 1100C environ. L'invention apparaitra plus clairement de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés présentés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique extérieure de face avec arrachement d'une chaudière pour La production d'eau surchauffée/ vapeur équipée du dispositif de L'invention, - La figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue extérieure de côté de la chaudière dans le sens de La flèche III de la figure 1 - et la figure 4 est une vue schématique extérieure de face d'un ballon de production d'eau chaude, a usage sanitaire ou industriel, équipé du dispositif de chauffage de l'invention. Si l'on se reporte tout d'abord à la figure 1, on voit il lustrée une chaudière comprenant une cuve ou ballon 1 thermiquement isolé pour la production et le stockage d'eau surchauffée et/ou de vapeur. Le ballon 1 comporte, tel qu'illustré, un cylindre 2 sensiblement circulaire allongé d'axe horizontal fermé par deux calottes d'extrémité 3, 4 hémisphériques. En partie inférieure de l'une des calottes 4, est ménagé un large orifice (repéré 5 à la figure 3) équipé d'une virole 6 à bride 7 sur laquelle est monté de façon étanche, par L'intermédiaire d'une plaque vissée sur la bride, un brûleur à gaz schématisé en 8. En 9 et 10, ont été représentées respectivement les arrivées de gaz combustible et d'air comburant pour l'aLimentation du brûleur. Bien entendu, le type de brûleur utilisé variera en fonction de l'application choisie et donc notamment de la température à atteindre et du volume de liquide à chauffer. Ceci étant, différents essais ont montré que les brûleurs, objet des demandes françaises de brevet FR-86 15556 et FR-86 15557 déposées le û7 novembre 1986 par le service national dit GAZ DE FRANCE, étaient tout à fait adaptés pour équiper des cuves destinées à la projuction d'eau chaude ou d'eau surchauffée à L'usage notamment industriel. Pour de plus amples détails sur ces brûleurs, on pourra se reporter de façon utile aux demandes en question. A l'intérieur du ballon 1, la chambre de combustion du brûleur 8 s'ouvre, dans son prolongement, sur un tube-échangeur 11 dans lequel vont circuler les fumées de combustion produites par le brûleur, avant d'etre évacuées à L'extérieur du ballon par une courte cheminée formant collecteur d'échappement 12 vertical pouvant être équipée d'un silencieux (non représenté). Tel qu'illustré, le brûleur 8 sera de préférence monté sensiblement horizontalement et Le tube-échangeur 11 s'étendra à l'intérieur du ballon, sur la plus grande partie de sa Longueur L, de manière à favoriser les échanges thermiques entre les fumées qui circuleront à L'intérieur du tube 11 et l'eau à chauffer. Intéressons-nous maintenant également à la figure 2 pour voir clairement illustrées non seulement La forme en serpentin à coudes multiples mais surtout La disposition du tube-echangeur 11 qui, avec le brûleur 8,s' étend à l'intérieur d'une enveloppe fictive cylindrique d'axe 13a sensiblement confondu avec celui de l'orifice 5 et de diamètre d au moins légèrement inférieur à celui D de ce meme orifice qui est dimensionné pour permettre le montage ou le retrait aisé, à travers lui, de l'ensemble du corps de chauffe, c'est-à-dire tant du brûleur 8 que du tubeéchangeur 11 (voir en outre figure 3). Figures 1 et 2, on a schématisé en 13 par des traits fantomes, l'enveloppe fictive en question qui présente ici une section sensiblement circulaire. Si l'on se reporte également à la figure 3 on remarque que l'extrémité d'admission îîa des fumées se situe sensiblement dans le prolongement de La chambre de combustion du brûleur 8 et que l'extrémité îîb d'évacuation de ces memes fumées de combustion débouche, à travers l'orifice 5 sur le collecteur 12 d'échappement. Cet orifice 5 et la plaque 15 d'obturation qui le recouvre vont donc etre traversés de façon étanche par le corps du brûleur 8 et par le tube-échangeur 11 au niveau de son extrémité d'évacuation îlb. De cette façon, si l'on désire par exemple procéder à un détartrage du tube-échangeur, il suffira de retirer la plaque 15 et de dégager Le brûleur et le tube, lequel pourra etre alors disposé en appui sur une sorte de chariot coulissant sur des rails maintenus sur la paroi en regard du ballon (non représenté). Eventuellement, si cela s'avère nécessaire, on pourrait prévoir au niveau de la jonction entre l'extrémité d'évacuation îîb du tube-échangeur et le collecteur 12, un manchon de liai son (non représenté) qui permettrait de separer ces deux pièces, de manière par exemple à pouvoir intervenir sur le collecteur sans avoir à sortir l'échangeur. Comme on L'a déjà dit, les figures 1 à 3 auxquelles on vient de faire référence sont des illustrations schématiques d'une chaudière destinée à la production et à La fourniture d'eau surchauffée et/ou de vapeur. On entend généralement par "eau surchauffée" une eau dont la température de chauffage est supérieure ou égale à 110-C environ. Mais ce chauffage peut atteindre 2000C, voire 250'C. Pour une bonne compréhension de l'application de l'invention à ce type d'installation, on a repéré figure 1, en 16, l'arrivée d'eau froide à chauffer, laquelle est admise en partie basse du ballon au niveau d'un orifice d'admission 16a. Dans la mesure où la chaudière illustrée est susceptible de produire de la vapeur, laquelle est collectée en 17a au sommet du ballon pour être distribuée vers tout type d'installation connu par une conduite 17, on a repéré en 18 par une ligne horizontale en traits mixtes, le niveau maximal pouvant être atteint par l'eau surchauffée dans laquelle est immergé le tube-échangeur 11. En dessous du niveau d'eau 18, on a repéré en 19a l'orifice de soutirage de L'eau surchauffée laquelle est distribuée à travers une conduite 19. Reportons-nous maitenant à La figure 4 ou est illustré un ballon 20 de production d'eau chaude c est-à-dire d'eau chauffée à une tempera.ure inférieure à environ 1100C, par accumulation totale ou partielle. De façon classique, le ballon 20 comprend un corps 21 cylindrique sensiblement circulaire d'axe vertical fermé à ses deux extrémités par des calottes hémisphériques 22, 23. L'eau froide à chauffer est admise à travers une conduite 24 vers la base du ballon, tandis que l'eau chaude peut être soutirée à travers une conduite 25 d'évacuation, montée vers Le sommet de ce même ballon, de façon à jouer sur le principe de la stratification des températures. Conformément à l'invention, la mise en température de l'eau est assurée, en partie basse du ballon, par le brûleur à gaz 26 alimenté en 27 en gaz combustible et en 28 en air comburant, et par le tube-échangeur 29. Comme dans l'application précédente, le brûleur à gaz et Le tube-échangeur de chaleur baignent dans le liquide à chauffer et s'étendent a l'intérieur d'un cylindre fictif dont le contour a été schématisé en 30, ayant pour axe horizontal celui de l'orifice 31 qui a été ménagé dans la paroi cylindrique du corps du ballon et à travers lequel ont été montés le brûleur 26 et le tube 29. Bien entendu, le diamètre de l'enveloppe fictive cylindrique 3(1 est là encore au moins légèrement inférieur au diamétre d'entrée de l'orifice 31 sur lequel est montée, faisant saillie vers l'extérieur du ballon, la virole 32 équipée de sa bride. Au fond de la calotte inférieure 23, on a repéré en 34, le canal de vidange du ballon. Citons maintenant quelques chiffres, à titre d'exemple non limitatif. Sur un tel ballon pour La production et la fourniture d'eau chaude industrielle d'une contenance d'environ 20 à 25.000 litres, un brûleur à gaz de 300 ka. de puissance, tel que celui ayant fait l'objet de la demande française FR-86 15557 précitée, pourrait tout à fait convenir. Dans ce cas, on pourrait alors utiliser un tubeéchangeur de chaleur de section circulaire ayant un diamétre interne d'environ 80 à 90 mm et une longueur de serpentin d'environ 18 à 20 m. Le diamètre de l'enveloppe fictive à l'intérieur de laquelle doivent être contenus le brûleur et le tube-échangeur serait alors d'environ 450 à 500 mm, tandis que le diamètre de l'orifice d'accès ménagé dans La paroi cylindrique du ballon serait de l'ordre de 600 à 650 mm. Des essais menés ont mont ré que la température de soutirage de L'eau en partie haute du ballon atteignait environ 95 à 105'C et que la température de sortie des fumées était d'environ 140 à 150C, avec un rendement de l'ordre de 93 %. On notera que de manière à améliorer encore le rendement, on pourrait prévoir dans certains cas et notamment sur une telle installation pour La production d'eau chaude industrielle, de condenser les fumées avant leur évacuation vers le collecteur d'échappement. Pour l'évacuation des condensats formés, on prévoira alors de préférence une conduite de mise à l'égout repérée 35 à la figure 4 et disposée, à l'extérieur du ballon, au niveau du coude et en partie inférieure du collecteur d'échappement 33 sur lequel débouche le tube 29. La seule prévision à ce niveau d'un simple conduit d'évacuation des condensat s s'est en pratique avérée suffisante, dans la mesure où Les bruleurs à gaz prévus dans l'invention pour ce type d'installations sont à air soufflé et que la pression de cet air est suffisante pour qu'il entraine avec lui les résidus de condensation jusqu'au collecteur. Dans ce qui précède, on aura noté que l'on a fait uniquement référence à des installations dans lesquelles le liquide à chauffer ou à surchauffer était de l'eau. Bien entendu, l'invention ne se limite pas strictement à ce type particulier de liquide mais pourrait etre éventuellement appliquée au chauffage d'autres liquides. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le chauffage d'un liquide, tel en particulier que de l'eau, contenu dans un ballon de stockage, lequel comporte un orifice (5, 31) pour le montage, à son niveau, d'un brûleur à gaz (8, 26) alimenté en gaz combustible et en air comburant et qui communique, à l'intérieur dudit ballon (1, 20), avec un échangeur de chaleur dans lequel circulent, en échange thermique avec le liquide à chauffer, les fumées de combustion produites par ledit brûleur avant leur évacuation vers un collecteur (12, 33) d'échappement débouchant à l'extérieur du ballon, caractérisé en ce que Ledit échangeur de chaleur se présente sous la forme d'un tube-échangeur unique (11, 29) qui, avec ledit brûleur, est disposé de telle manière qu'ils s'étendent tous deux à l'intérieur d'une enveloppe fictive (13, 30) cylindrique d'axe sensiblement confondu avec celui de L'orifice (5, 31) précité et de diamètre au moins légèrement inférieur à celui de ce même orifice qui est dimensionné pour permettre le montage ou le retrait, à travers lui, du brûleur et du tube-échangeur, dans ou hors dudit ballon. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit tube-échangeur (11, 29) est un serpentin à coudes multiples dont une extrémité (1 la) d'admission des fumées de combustion se situe sensiblement dans le prolongement du brûleur et dont l'extrémité opposée (1 lb) d'évacuation de ces mêmes fumées debouche, à travers ledit orifice du ballon, sur le collecteur d'échappement. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le brûleur (8, 26) et le tubé-échangeur (11, 29) sont montés en partie inférieure du ballon. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit tube échangeur (11, 29) étant un condenseur de déshydratation partielle des fumées de combustion, il est prévu une conduite (35) d'évacuation des condensats formés, disposée à L'extérieur du ballon, en partie inférieure du collecteur (33) d'échappement. 5. Ballon formant réservoir pour un Liquide devant y être chauffe caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à une chaudiére (1) pour la production et la fourniture d'eau surchauffée à une température supérieure à 1100C environ et/ou de vapeur d'eau. 7. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à un ballon pour la production et la fourniture d'eau chaude à une température inférieure à 11OC environ.