Brevet FR2672113A1 — publié le 19920731

La présente invention concerne un chauffe-eau à ac- cumulation chauffé par un brûleur avec un tube à fumée, une isolation thermique extérieure et un serpentin en hé- lice. Un tel chauffe-eau est connu par exemple du DE-GM 82 08 266 Dans cet appareil, le tube à fumée, fait dans un matériau conducteur de chaleur, est entouré d'un ser- pentin dont le pas d'hélice augmente avec la distance vis- à-vis du brûleur disposé en bas. Cette solution comporte l'inconvénient que pendant les arrêts du brûleur le contenu du chauffe-eau se refroi- dit par l'effet du tube à fumée, ce qui se traduit par des pertes sensibles D'autre part, ce refroidissement néces- site, en dehors des temps de consommation d'eau chaude pour le chauffage ou d'eau sanitaire, la remise répétée en marche du brûleur, ce qui se traduit par une importan- te consommation d'énergie et, en conséquence, par une émis- sion accrue de polluants. La présente invention a pour but d'éviter ces incon- vénients en proposant un chauffe-eau du type sus-mention- né qui évite ces inconvénients en assurant un chauffage rapide et en évitant largement des pertes par refroidis- sement. Conformément à l'invention, ce but est atteint par ce qu'à l'intérieur du tube à fumée il est prévu un échan- geur de chaleur relié au serpentin en hélice logé dans le chauffe-eau, et que le chauffe-eau est muni le long du tube à fumée d'une isolation thermique. Grâce à cette conception, le chauffage de l'eau est obtenu très rapidement par l'échangeur de chaleur dispo- 2 - sé dans le tube à fumée En même temps, du fait de l'iso- lation thermique le long du tube à fumée, le refroidisse- ment de l'eau dans le chauffe-eau durant les arrêts du brûleur est largement évité Faute de besoins en chaleur pour le chauffage de locaux ou la préparation d'eau sani- taire, cela se traduit par des arrêts prolongés du brû- leur, ce qui a pour conséquence que, par rapport au temps de service total, le nombre des phases de mise en marche du brûleur est minimisé, phases qui sont caractérisées par de fortes émissions de polluants C'est donc seulement le volume relativement petit de l'échangeur de chaleur dis- posé dans le tube à fumée, qui subit un refroidissement notable Mais comme, grâce à l'isolation thermique le long du tube à fumée, la poussée verticale durant la mar- che du brûleur est importante, la résistance de l'échan- geur de chaleur et de l'antiretour de fumée à l'écoulement des gaz peut aussi être importante de sorte que le courant d'air pendant l'arrêt du brûleur est faible, ce qui ra- lentit le refroidissement du contenu de l'échangeur de chaleur. En outre, la disposition de l'échangeur de chaleur dans le tube à fumée présente l'avantage d'un chauffage rapide de son contenu, ce qui permet aussi le prélèvement de quantités d'eau importantes. De plus, grâce à l'isolation thermique, des besoins en chaleur relativement importants peuvent être couverts avec une puissance relativement faible du brûleur, puis- sance qui ne doit pas être modulée C'est d'ailleurs im- portant pour des raisons visant la protection de l'envi- ronnement, un brûleur marchant à charge constante pouvant normalement être réglé de façon optimale en ce qui concer- ne l'émission de polluants En outre, cette solution se traduit par un rendement annuel très élevé, comme l'expé- rience le montre. Suivant une autre caractéristique de l'invention, 1 ' échangeur de chaleur disposé dans le tube à fumée peut ê- -3 - tre conçu en forme de serpentin en hélice, ce qui simpli- fie largement la construction. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il peut être prévu que le tube à fumée présente à son bout inférieur regardant le brûleur, un évidement servant de chambre de combustion o est logé le brûleur, et dont les parois ne sont pas calorifugées. De cette façon, il y a outre le chauffage du conte- nu du chauffe-eau par l'échangeur de chaleur, un chauffa- ge direct du chauffe-eau par les faces bien que relative- ment petites de l'évidement du tube à fumée, ce qui con- tribue à accélérer le chauffage du contenu du chauffe-eau. Pour diminuer encore davantage l'émission de pollu- ants, il est prévu que le brûleur est conçu comme brûleur à mélange préalable dont la chambre de mélange est reliée à une conduite de gaz et une conduite d'air, toutes deux munies d'organes d'étranglement commandés par un régula- teur commun, l'air de combustion étant amené par un tuyau qui enveloppe le tuyau d'évacuation des gaz en aval du tu- be à fumée Le brûleur est raccordé au tuyau d'alimenta- tion en air par une conduite, et le tuyau d'évacuation des gaz est équipé de préférence d'un ventilateur. Pour augmenter le rendement, il est prévu, suivant une autre caractéristique de l'invention, que dans le tu- yau d'évacuation des gaz, prolongeant vers l'extérieur le tube à fumée, un échangeur de chaleur est disposé en amont de l'échangeur de chaleur dans le tube à fumée, vu dans le sens d'écoulement de l'eau, et raccordé à un retour d' eau de chauffage. Il est ainsi possible d'utiliser la chaleur des gaz sortant du tube à fumée pour le chauffage de l'eau circu- lant dans l'échangeur de chaleur logé dans le tube à fu- mée, ce qui augmente le rendement du chauffe-eau. Dans ce contexte, il peut de plus être prévu une col- lerette tronconique percée par un tube reliant les deux échangeurs de chaleur, l'un à l'autre, ce qui fait nai- -4- tre une fente annulaire, ladite collerette se rétrécissant vers le bas Sous cette collerette est disposé un enton- noir muni d'un tube d'évacuation, et au-dessus de l'ouver- ture dudit entonnoir, le tube de raccordement entre les échangeurs de chaleur est conçu en forme de siphon pour l'éviter. Cela permet d'évacuer de façon très simple l'eau de condensation pouvant résulter d'un refroidissement éner- gique des gaz brûlés, et d'éviter ainsi de façon sûre sa pénétration dans le tube à fumée. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu que le tuyau d'évacuation des gaz en aval du tu- be à fumée est entouré au moins par endroits par un tuyau d'air s'étendant vers l'extérieur, le tuyau d'évacuation étant muni le long des parties enveloppées par le tuyau d'air, sur ses faces intérieure et extérieure, de nervu- res Le tuyau d'air est relié à des canalisations servant à l'aération de locaux, de préférence à l'aide d'un ven- tilateur, des canalisations d'évacuation étant branchées sur le tuyau d'évacuation des gaz par une conduite o est disposé de préférence un organe d'étranglement réglable. Il est ainsi possible d'utiliser le chauffe-eau éga- lement pour le chauffage de locaux, l'air frais arrivant de l'extérieur étant chauffé par les nervures du tuyau d' évacuation. Dans ce cas, il peut de plus être prévu que l'orga- ne d'étranglement installé dans la conduite de raccorde- ment des canalisations d'évacuation et un ventilateur dis- posé dans le tuyau d'évacuation sont commandés ensemble par un régulateur commun. Cela permet une régulation optimale de l'aération du local. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu une valve dans la conduite reliant la sortie de l'échangeur de chaleur dans le tube à fumée à l'entrée du serpentin en hélice dans le chauffe-eau, la sortie dudit serpentin étant reliée, par l'intermédiaire d'une autre valve, à la sortie de l'échangeur de chaleur disposé dans le tube à fumée Les deux valves sont commandées par le même régulateur. Toutes ces mesures permettent une utilisation opti- male du chauffe-eau C'est ainsi que, faute de besoins en eau sanitaire, le circuit de chauffage peut fonctionner exclusivement à l'aide de l'échangeur de chaleur instal- lé dans le tube à fumée, le serpentin dans le chauffe-eau étant hors fonction, ce qui évite largement des pertes de chaleur De plus, il est possible d'assurer ainsi sans dif- ficultés la préparation d'eau sanitaire même si la tempé- rature d'alimentation du circuit de chauffage doit être supérieure à la température maxi admise pour la prépara- tion de l'eau sanitaire Dans ce cas, il est possible de faire alimenter le circuit de chauffage exclusivement par l'échangeur de chaleur dans le tube à fumée, les valves étant réglées en conséquence Il est aussi possible de cou- vrir les besoins en chaleur pour l'eau de chauffage par le chauffe-eau si les températures d'alimentation sont in- férieures à la température maxi dudit chauffe-eau, ce qui permet de réduire le nombre des cycles de fonctionnement du brûleur, et par là l'émission de polluants. Ci-après, l'invention est décrite plus en détail avec les figures du dessin à l'appui, qui montrent: Fig 1, une première réalisation du chauffe-eau con- formément à l'invention, Fig 2, une autre réalisation du chauffe-eau confor- mément à l'invention, Fig 3, un détail d'une autre réalisation du chauffe- eau conformément à l'invention, Fig 4, un autre exemple de réalisation d'un chauffe- eau conformément à l'invention. Dans le chauffe-eau 8 suivant la fig 1, il est pré- vu un tube à fumée 3 central muni à son bout inférieur d' une chambre de combustion 2 formée par un évidement du tu- be 3 et o est disposé le brûleur 1 asservi par un régu- lateur 18 auquel il est relié par une ligne 42. Le chauffe-eau 8 est recouvert extérieurement d'une isolation thermique 21, aussi bien sur son pourtour que sur ses faces frontales. Dans l'intérieur du chauffe-eau 8 est installé un serpentin en hélice 7 qui entoure le tube à fumée 3 et qui est relié à un échangeur de chaleur 6 muni àvec une couche catalytique, également en forme de serpentin-en hélice, qui est disposé dans la partie supérieure du tube à fumée 3. Le long du tube à fumée 3, le chauffe-eau 8 est mu- ni en outre d'une isolation thermique 20 évitant large- ment, à l'arrêt du brûleur Hâla transmission de chaleur vers l'intérieur du tube à fumée 3 Seules les parois de la chambre de combustion 2 ne sont pas calorifugées, mais peuvent l'être aussi - Au-dessus du tube à fumée 3, il est prévu un tuyau d'évacuation des gaz 22 qui perce la face frontale 43 et se prolonge vers l'extérieur Dans ce tuyau est installé un ventilateur 23 Ledit tuyau est de plus enveloppé par un tuyau d'alimentation en air 24 qui se prolonge aussi vers l'extérieur, à travers un mur 44 Par une conduite , le tuyau d'alimentation 24 est relié à une chambre de mélange 26 du brûleur 1, dans laquelle débouche aussi un tuyau de gaz 27. Aussi bien dans la conduite 25 que dans le tuyau de gaz 27 est prévu un organe d'étranglement 28 respective- ment 29 qui sont actionnés par des moteurs 62 reliés par la ligne 42 au régulateur 18. L'échangeur de chaleur 6 communique avec le retour d'une installation de chauffage 46 qui-comporte une pompe de circulation 14 et un dérivation 13 branché sur un distributeur 3-voies 15 raccordé d'une part au tuyau d'a- limentation 11 des radiateurs 12 de l'installation de chauf- fage 46, et de l'autre, au serpentin en hélice 7 dans le chauffe-eau Le cas échéant, ce distributeur peut être -7- remplacé par deux électrovalves. L'arrivée d'eau dans le chauffe-eau 8 est marquée par 9, son prélèvement étant fait par un tuyau 10 avec ro- binet de prise d'eau 47, après chauffage de l'eau sanitai- re dans le chauffe-eau 8 par l'eau chauffée par l'échan- geur de chaleur 6 et circulant dans le serpentin 7. Le brûleur 1 est commandé en fonction de la tempé- rature de l'eau sanitaire dans le chauffe-eau 8, mesurée par une sonde thermométrique 16 En cas de prélèvement d' eau sanitaire, qui entraîne une baisse de la température dans le chauffe-eau 8, le circuit de chauffage est fermé par l'intermédiaire du dérivation 13, le distributeur 3-voies étant commandé en conséquence par le régulateur 18 qui agit aussi sur la pompe de circulation 14 et qui est relié à ces deux organes. L'exemple de réalisation suivant la fig 2 diffère de celui de la fig 1 par ce que l'amenée d'air de combus- tion-se fait-à partir du local o-est installé-l'ensemble. De plus, il est prévu dans le tuyau d'évacuation des gaz 22 un échangeur de chaleur 30 supplémentaire qui communi- que avec le retour 45 de l'installation de chauffage. Cet échangeur de chaleur 30 est disposé, vu dans le sens d'écoulement de l'eau, en amont du serpentin 6, qui, dans le tube de fumée 3, sert de premier échangeur de cha- leur, et est relié à celui-ci par la conduite 31 qui per- ce une collerette 32 formant ainsi une fente annulaire 33. Au-dessous de cette collerette 32, la conduite 31 est ré- alisée en forme de siphon pour passer à côté d'un enton- noir 35 qui comprend un tube d'évacuation 36 qui perce le tuyau d'évacuation 22 et aboutit à un collecteur 48 pour l'eau de condensation L'ouverture de la collerette 32 est plus petite que celle de l'entonnoir 35 pour garantir l'é- vacuation sûre de l'eau de condensation. L'exemple de réalisation suivant la fig 3 comporte aussi un tuyau d'air 24 qui enveloppe le tuyau d'évacua- tion 22 qui est muni, sur ses faces intérieure et extéri- eure, de nervures 40 et 40 ' pour assurer la transmission de la chaleur des gaz brûlés à l'air d'alimentation. Dans ce cas, le tuyau d'air 24 est relié par une con- duite 36 qui comporte un ventilateur 38, à des canalisa- tions pour l'aération d'un local 48 Les canalisations d' évacuation correspondantes sont reliées au tuyau d'évacua- tion 22 par une conduite 37 équipée d'un organe d'étran- glement 39. Il est prévu un actionneur 41 qui, en fonction de la température dans le local 48 à climatiser, mesurée par une sonde thermométrique 49, agit sur le moteur 23 ' du venti- lateur 23 et le moteur 42 de l'organe d'étranglement 39 par l'intermédiaire de lignes 51 et 52, la sonde thermo- métrique 49 étant reliée par une ligne 50 audit actionneur 41 qui fait partie du régulateur 18. Dans l'exemple de réalisation suivant la fig 4, il est prévu, au-dessus du tube à fumée 3, un antiretour de fumée 4 qui précède une tubulure 5 en amont du tuyau d'é- vacuation des gaz 22. De plus, dans cet exemple de réalisation, la sortie du serpentin 7 reliée au tuyau d'alimentation ( 11) de 1 ' installation de chauffage, dans lequel est disposé le dis- tributeur 15, communique par une conduite 58 avec la sor- tie de l'échangeur de chaleur 6 installé dans le tube à fumée 3, ladite conduite 58 comportant une électrovalve 57 commandée par le régulateur 18 par une ligne 56 De plus, l'entrée du serpentin 7 est précédée directement par une autre électrovalve 54 reliée par une ligne 55 au ré- gulateur 18 qui la commande Une conduite 58 débouche en amont de l'électrovalve 54 dans la conduite 53 qui relie la sortie de l'échangeur de chaleur 6 dans le tube de fu- mée 3 à l'entrée du serpentin en hélice 7. Les deux électrovalves 54 et 57 permettent une adap- tation optimale aux conditions de service données. C'est ainsi que par exemple le brûleur 1 peut être mis en marche grâce à un montage prioritaire pour le chauf- 8 - -9-_ fage du chauffe-eau si la température dans ledit chauffe- eau est inférieure à une valeur limite inférieure préré- glée pour la température du chauffe-eau, l'installation de chauffage 46 étant mise en circuit par l'action du dis- tributeur 3-voies 15, jusqu'à ce qu'une valeur limite su- périeure de la température du chauffe-eau soit atteinte. A cette fin, l'électrovalve 54 est ouverte, et l'électro- valve 57, fermée. Il en résulte un circuit d'eau à partir de l'échan- geur de chaleur 6 dans le tube à fumée 3, qui continue à travers l'électrovalve 57, le serpentin 7, le distributeur et la pompe de circulation 14 pour retourner à l'échan- geur de chaleur 6, ce qui permet de chauffer rapidement le contenu du chauffe-eau 8. Dans ce cas, le brûleur 1 ne se met en marche, fau- te de besoins en chaleur pour le chauffage de locaux ou de l'eau sanitaire, qu'au moment o la température du chauffe-eau est inférieure à la limite inférieure préré- glée respective. Durant la période de chauffage de locaux, deux cas peuvent se présenter: 1 La température d'alimentation tv nécessaire dans le tuyau 11 conformément au diagramme de chauffage est supérieure à la valeur limite supérieure préréglée sur le générateur de signaux de consigne 61 pour la température du chauffe-eau: Dans ce cas, l'électrovalve 57 est fermée par l'ac- tion du régulateur 18, et l'électrovalve 54 est ouverte, de sorte que le chauffe-eau 8 respectivement le serpentin 7 est court-circuité et le circuit de chauffage est ali- menté exclusivement par l'échangeur de chaleur 6 dans le tube à fumée 3. 2 La température d'alimentation tv est inférieure à la valeur limite supérieure de la température du chauf- fe-eau: Dans ce cas, l'électrovalve 57 est ouverte et l'élec- -I 2672113 trovalve 54, fermée Il en résulte un circuit d'eau qui part de l'échangeur de chaleur 6 pour passer par le ser- pentin 7, le distributeur 15, l'installation de chauffa- ge 46 et la pompe de circulation 14, les besoins en cha- leur étant d'abord couverts par le chauffe-eau 8 qui se refroidit en conséquence Dans des installations de chauf- fage b t, le brûleur 1 ne démarre qu'au moment o la tem- pérature du chauffe-eau est inférieure à la valeur limi- te inférieure préréglée également sur le générateur de si- gnaux de consigne 61 Pour des températures d'alimentation plus élevées, il faut un signal ou une fonction (p ex con- cernant la valeur limite inférieure de la température du chauffe-eau) pour assurer à temps le réchauffage du chauf- fe-eau. il 2672113 R E V E N D I C A T I O N S 1 Chauffe-eau à accumulation chauffé par un brûleur avec un tube à fumée, une isolation thermique exté- rieure et un serpentin en hélice disposé dans ledit tube, caractérisé par le fait qu'à l'intérieur du tube à fumée ( 3) il est prévu un échangeur de chaleur ( 6) relié au serpentin en hélice ( 7) logé dans le chauffe-eau ( 8), et que le chauffe-eau ( 8) est muni le long du tube à fumée ( 3) d'une isolation thermi- que. 2 Chauffe-eau suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur disposé dans le tube à fumée ( 3) est conçu comme serpentin en hé- lice ( 6). 3 Chauffe-eau suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé par le fait que le tube à fumée ( 3) présente à son bout inférieur regardant le brûleur ( 1), un évi- dement servant de chambre de combustion ( 2) o est logé le brûleur ( 1), et dont les parois ne sont pas calorifugées. 4 Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le brûleur ( 1) est con- çu comme brûleur à mélange préalable dont la cham- 12 - bre de mélange ( 26) est reliée à une conduite de gaz ( 27) et une conduite d'air ( 25), les deux conduites ( 25, 27) étant munies d'organes d'étranglement ( 29, 28) commandés par un régulateur commun ( 18). Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que pour l'adduction de 1 ' air de combustion, il est prévu un tuyau ( 24) qui en- veloppe le tuyau d'évacuation des gaz ( 22) en aval du tube à fumée ( 3), le brûleur ( 1) étant raccordé au tuyau d'alimentation en air ( 24) par une condui- te ( 25), et le tuyau d'évacuation des gaz ( 22) étant équipé de préférence d'un ventilateur ( 23). 6 Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que dans le tuyau d'évacua- tion des gaz ( 22), prolongeant vers l'extérieur le tube à fumée ( 3), un échangeur de chaleur ( 30) est disposé en amont de l'échangeur de chaleur ( 6) dans le tube à fumée ( 3) et raccordé à un retour d'eau de chauffage. 7 Chauffe-eau suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est prévu une collerette tronconi- que ( 32) percée par un tube ( 31) reliant les deux é- changeurs de chaleur ( 30, 6), l'un à l'autre, ce qui fait naître une fente annulaire ( 33), ladite colle- rette ( 32) se rétrécissant vers le bas, et un enton- noir ( 35) disposé s-ous cette collerette et muni d'un tube d'évacuation( 36), le tube de raccordement ( 31) étant conçu au-dessus de l'ouverture dudit entonnoir en forme de siphon pour l'éviter. 8 Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le tuyau d'évacuation des gaz ( 22) en aval du tube à fumée ( 3) est entou- 13 - ré au moins par endroits par un tuyau d'air ( 24) s' étendant vers l'extérieur, et que le tuyau d'évacua- tion ( 22) est muni le long de la partie enveloppée par le tuyau d'air ( 24), sur ses faces intérieure et extérieure, de nervures ( 40, 40 '), le tuyau d'air ( 24) étant relié à des canalisations servant à l'aération de locaux, de préférence à l'aide d'un ventilateur ( 38), et des canalisations d'évacuation étant bran- chées sur le tuyau d'évacuation des gaz ( 22) par une conduite ( 37) o est disposé de préférence un organe d'étranglement réglable ( 39). 9 Chauffe-eau suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que l'organe d'étranglement ( 39) instal- lé dans la conduite de raccordement ( 37) des canali- sations d'évacuation et un ventilateur ( 23) disposé dans le tuyau d'évacuation des gaz sont commandés en- semble par un actionneur commun ( 41). Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur ( 6) disposé à l'intérieur du tube à fumée ( 3) est mu- ni d'une couche catalytique au moins sur la partie o sa température s'inscrit dans une plage moyenne, optimale. 11 Chauffe-eau suivant l'une des revendication 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est prévu une valve ( 54) dans une conduite reliant la sortie de l'échan- geur de chaleur ( 6) dans le tube à fumée ( 3) à l'en- trée du serpentin en hélice ( 7) dans le chauffe-eau ( 8), et que la sortie dudit serpentin ( 7) est reliée, par l'intermédiaire d'une autre valve ( 57), à la sor- tie de l'échangeur de chaleur ( 6) disposé dans le tu- be à fumée ( 3), les deux valves ( 57, 54) étant com- mandées par le même régulateur ( 18).