Brevet FR2694382A1 — publié le 19940204

La présente invention concerne un système de chaudière à basse température à panneaux radiants catalytiques pour la production de chaleur pour utiliser l'énergie thermique par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur.Ce système est conçu en relation avec le brevet d'invention ,demande n"91 11083 déposé en France le 02 09 91 au nom de CHAUSSONNET Pierre. Traditionnellement la production de chaleur est obtenue dans une chaudière par combustion de produits combustibles par l'intermédiaire d'un bruleur ,le transfert thermique s'effectuant par rayonnement de la flamme et convexion des gaz de combustion et enlèvement de l'énergie transférée à l'aide d'un fluide caloporteur circulant dans des tubes ou des plaques d'échange. Traditionnellement les températures de flammes sont très élevées pour obtenir un rayonnement intense et favoriser l'échange thermique.En contre partie il est nécéssaire de sélectionner soigneusement les matériaux en contact avec la flamme,de bien calorifuger les parois extérieures et de contrôler les apports d'air au bruleur pour limiter la formation des NOx Le dispositif selon l'invention permet d'atténuer ces impératifs en favorisant l'échange thermique par une combustion catalytique à température modérée pouvant varier par exemple dans certains cas entre 350 et 700 e C cette plage étant donnée à titre indicatif et ne constituant pas une limite du système. Le système est caractérisé en ce qu'il comporte-une enceinte constituant le corps de la chaudière sur laquelle sont fixés les panneaux radiants catalytiques.A l'intérieur de l'enceinte, des plaques d'échange dans lesquelles circulent le fluide caloporteur sont soumises au rayonnement de la face rayonnante des panneaux radiants catalytiques. Le système est caractérisé en ce que les plaques d'échange forment avec les parois de l'enceinte des carneaux de circulation des gaz de la combustion catalytique qui, à la sortie de ces carneaux, sont envoyés sur un faisceau tubulaire dont les tubes sont parcourus par le meme fluide caloporteur afin de récupérer la chaleur latente des gaz de la combustion catalytique . Le système est caractérisé en ce que les tubes du faisceau tubulaire de récupération de la chaleur latente des gaz de la combustion catalytique servent à préchauffer le fluide caloporteur avant son entrée dans les plaques d'échange où il sera chauffé complémentairement par rayonnement des panneaux radiants catalytiques. Le système est caractérisé en ce que les panneaux radiants catalytiques sont alimentés ,en amont de la face rayonnante ,par un mélange air primaire et combustible ce dernier pouvant par exemple être du gaz naturel ou encore du fioule ou encore de l'alcool ,cette énumération n'étant pas limitative. Le système est caractérisé en ce que le mélange air primaire -combustible est refroidi en permanence en amont des panneaux radiants catalytiques par une circulation du fluide caloporteur de la chaudière avant son entrée dans le faisceau tubulaire, ou encore par un fluide indépendant. Le système est caractérisé en ce que la température des plaques d'échange chauffées par rayonnement des panneaux radiants est maintenue, par régulation du débit du fluide caloporteur , à une valeur telle que leur rayonnement vers les panneaux radiants n'induise pas la mise en température du mélange air primaire-combustible à une valeur pouvant provoquer son auto-inflammation en amont de la face Le système est caractérisé en ce que les gaz de la combustion catalytique passent sur les tubes de préchauffage, en aval des plaques d'échange ,soit par convexion naturelle soit par convexion forcée. En accord avec les conditions détaillées ci-dessus le système selon l'invention offre les avantages suivants:Il est applicable aux combustibles liquides ou gazeux dans une gamme de puissance thermique très large pouvant aller de quelques kW à plusieurs MW par mise en série et en parallèle des panneaux radiants catalytiques et des plaques d'échange,il n impose pas la mise en place d'une structure d'isolation en briques réfractaires ,la quantité d'air nécéssaire à la combustion catalytique est aux conditions stoechiométrique ce qui, en conjonction avec la température modérée de la combustion catalytique , évite la production de NOx pout en garantissant un bon rendement de récupération thermique. Pour faciliter la compréhension du système selon l'invention il est représenté dans les planches 1/3,2/3,3/3, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs des formes préférées de réalisation industrielle: Les planches 1/3 et 3/3 coupe XX représentent schématiquement une chaudière comportant 2 plaques d'échange 7 et un faisceau tubulaire 8 incorporé.De part et d'autre de l'ensemble que constituent les plaques d'échange et le faisceau sont disposés les panneaux radiants catalytiques 3 disposés sur les dessins de façon symétrique.Les plaques d'échange et les parois de l'enceinte portant les panneaux radiants constituent des carneaux 2 dans lesquels les gaz de la combustion circulent pour pénétrer dans le corps de chauffe 1 où se trouve le faisceau tubulaire 8.Les gaz de la combustion sont envoyés,après passage dans le faisceau tubulaire et refroidissement , vers l'extérieur de la chaudière par l'ouverture repère E .Les panneaux catalytiques 3 sont enfermés dans les boites 4 et sont alimentés en mélange air primaire combustible par des canalisations représentées schématiquement par la tubulure 5.Les canalisations d'alimentation 5 traversent une boite de refroidissement 6 alimentée en fluide caloporteur qui entre dans la boite au repère A et sort au repère B pour alimenter ensuite ,dans notre représentation, le faisceau tubulaire 8 au repère C. Le fluide de refroidissement des tubulures du mélange combustible peut ne pâs être celui de la chaudière et constituer un réseau indépendant. Le faisceau tubulaire est raccordé aux plaques d'échange pour assurer la continuité du circuit du fluide caloporteur qui, après l'échauffement complémentaire par le rayonnement des panneaux radiants,sort de la chaudière au repère D. Selon la représentation schématique des planches 1/3 et 3/3 les plaques d'échange sont fixées par joints et boulonnage sur le corps de la chaudière qui dans notre représentation est dessiné en 3 parties distinctes,2 parties semblables repère 9 et la partie 10 du corps de chauffe ,chacune pouvant être réalisée, sans que ce soit limitatif, en tôles embouties .L'ensemble du corps de la chaudière est calorifugé Les planches 2/3 et 3/3 coupe YY représente une chaudière comportant l'ensemble des éléments constitutifs précédents mais où le corps de chauffe est représenté à l'extérieur de la chaudière.La chaudière dans cette représentation ne comporte qu'une plaque d'échange Le corps dé chauffe 1 est réalisé comme un appareil séparé,dans notre représentation en 2 coquilles semblables 10 relié à la chaudière par les canalisations d'alimentation en fluide caloporteur repère B et C d'une part et par le conduit de fumées repère E' d'autre part. Les plaques d'échange 7,le faisceau tubulaire 8,la boite de mélange 4 sont pourvus de prises de température non représentées pour contrôler l'évolution des températures lors des échanges thermiques et faciliter la régulation du débit du fluide caloporteur dans le circuit que constitue l'ensemble plaques d'échange 7 et faisceau tubulaire 8. Le débit du fluide caloporteur est assuré,contrôlé et régulé par les moyens habituels de l'industrie pour que la température du mélange air primaire- combustible à la tubulure 5 ne dépasse par la valeur d'auto-inflammation. Revendications 1-Système de chaudière à basse température à panneaux radiants à combustion catalytique caractérisé en ce qu'il utilise l'énergie de rayonnement des panneaux radiants 3 pour chauffer un fluide caloporteur circulant dans des plaques d'échange 7 et la chaleur latente des gaz de la combustion catalytique pour chauffer un faisceau tubulaire 8 de récupération dans lequel circule le fluide caloporteur qui après son passage dans le faisceau tubulaire passe dans les plaques d'échange 2-Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les plaques d'échange 7 dans lesquelles circule le fluide caloporteur forment avec les parois qui portent les panneaux radiants 3 des carneaux 2 qui canalisent les gaz de la combustion catalytique. 3-Système selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce queleas plaques d'échange 7 sont refroidies par le passage du fluide caloporteur pour réduire le rayonnement de ces plaques vers les panneaux radiants catalytiques pour éviter un échauffement du mélange air primaire- combustible en 4 qui pourrait provoquer l'auto inflammation. 4-Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mélange air primaire-combustible est refroidi de façon permanente en amont des panneaux radiants catalytiques par circulation, dans l'enceinte 6, d'un fluide de refroidissement pour éviter l'auto inflammation. 5-Système selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les gaz de la combustion catalytique circulent dans un corps de chauffe 1 où est placé un faisceau tubulaire de récupération 8 dans lequel circule le fluide caloporteur, qui alimente les plaques d'échange 7, pour la récupération de la chaleur latente des fumées. 6-Système selon les revendications 1 , 2 et 5 caractérisé en ce que le faisceau tubulaire de récupération 8 de la chaleur latente des fumées est incorporé à la chaudière pour ne faire qu'un seul appareil compact. 7-Système selon les revendications 1,2,et 5 caractérisé en ce que le faisceau tubulaire de récupération 8 de la chaleur latente des fumées n T est pas incorporé à la chaudiére et est placé dans un appareil distinct relié à la chaudière par les canalisations de circulation du fluide caloporteur et les tubes de fumées. 8-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le corps de la chaudière est réalisé en coquilles 9 et 10 permettant la mise en place des plaques d'échange 7 par liaison par joints et boulons. 9-Système selon llune quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les gaz de la combustion catalytique circulent dans le corps de chauffe 1 du faisceau tubulaire 8 par convexion naturelle. 10-Système selon llune quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les gaz de la combustion catalytique circulent dans le corps de chauffe 1 du faisceau tubulaire 8 par convexion forcée. 11-Système selon llune quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les températures des panneaux radiants 3, des plaques d'échange 7 et des faisceaux tubulaires 8 de récupération thermique sont mesurées par les moyens habituels de T industrie. 12-Système selon llune quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lloptimisation des échanges thermiques est obtenue par régulation du débit du fluide caloporteur dans le circuit constitué par les plaques échange 7 et le faisceau tubulaire 8 en relation avec les températures admissibles au niveau des faces rayonnantes des panneaux radiants