Brevet FR2694074A1 — publié le 19940128

La présente invention concerne une chaudière équipée d'un échangeur massique et thermique comportant un chemin de fumées séparé du chemin de l'air comburant par une paroi d'échange poreuse, perméable à l'eau de condensation pour permettre, par le passage des condensats de fumées dans la veine d'air comburant et le refroidissement des fumées, d'humidifier et de réchauffer l'air comburant. Une telle chaudière comporte de manière usuelle un foyer constituant la source de gaz chauds (fumées) alimentant un échangeur pour fournir la chaleur à l'utilisateur (circuit de chauffage central, installation de préparation d'eau sanitaire, etc). En aval de cet échangeur se trouve un échangeur massique et thermique traversé par les fumées ainsi que par l'air comburant pour récupérer de l'énergie sous forme de chaleur et d'humidité sur les fumées et réchauffer et humidifier l'air comburant. II existe différents types de chaudières à condensation utilisant ce principe de récupération d'énergie. Certaines chaudières comportent un double circuit de circulation de liquide, I'un placé sur la sortie des fumées, I'autre sur l'entrée de l'air comburant, ces deux circuits échangeant les liquides d'humidification et de condensation qui servent en même temps de fluide caloporteur. De telles chaudières ont été décrites dans la demande de brevet FR-A2446460 et dans la demande de brevet FR-A-2508616. Ces chaudières à condensation à double circuit ont été simplifiées dans leur construction par la réunion des deux circuits en un seul échangeur dit massique et thermique. Cet échangeur est traversé par une ou plusieurs veines de fumées (gaz chaud et humide) ainsi que par une ou plusieurs veines d'air comburant (air frais et relativement sec). Les fumées et l'air comburant échangent la chaleur à travers des parois poreuses perméables à l'eau de condensation. Cette eau de condensation des fumées traverse les parois et humidifie l'air comburant. En fait, les condensats migrent à travers les parois poreuses sous l'effet de la capillarité tout en réalisant I'étanchéité des parois par rapport aux fumées et à l'air comburant circulant sur les deux faces d'une paroi poreuse. Ces chaudières à échangeur massique et thermique sont avantageuses pour leur rendement et leur structure relativement simple. Leur fonctionnement est sans problème particulier dans la mesure où ces chaudières fonctionnent en continu . Par contre, en cas de fonctionnement discontinu, avec des périodes d'arrêt, la chaudière ainsi que l'échangeur massique et thermique restent traversés par un débit d'air résultant de la circulation et de l'aspiration naturelles. Ce débit d'air qui traverse l'échangeur massique à la fois du côté de l'air et du coté des fumées, sèche les parois poreuses séparant le chemin des fumées de celui de l'air comburant.Or, lorsque ces parois de séparation, qui sont souvent constituées par des toiles, ne sont plus humides, elles deviennent très perméables aux gaz, si bien qu'au redémarrage de la chaudière, les fumées (gaz brûlés) risquent d'être aspirées plus ou moins à travers les parois poreuses pour revenir dans le foyer. Une telle remise en circulation, relativement aléatoire, empêche la bonne combustion et peut provoquer une extinction de la flamme, d'autant plus que, dans ces conditions, I'échangeur massique et thermique ne peut plus jouer le moindre rôle de récupération d'énergie car il n'y a plus réellement ni échange thermique entre les fumées et l'air comburant, ni échange d'humidité. Or les chaudières de chauffage central et de préparation d'eau sanitaire ont pratiquement toutes un fonctionnement discontinu, avec des arrêts plus ou moins longs suivant les époques de l'année. Dans l'état actuel de la technique, seules les chaudières industrielles à fonctionnement continu ou quasi continu peuvent être équipées d'un échangeur massique et thermique de récupération d'énergie et bénéficier ainsi d'un meilleur rendement. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et propose une chaudière à échangeur massique et thermique susceptible de fonctionner de manière discontinue tout en conservant toutes les propriétés et tous les avantages d'une chaudière à échangeur massique et thermique. A cet effet, I'invention concerne une chaudière correspondant au type défini ci-dessus caractérisée en ce qu'elle comporte un bac humidificateur placé sur le chemin des fumées en amont de l'échangeur massique et thermique. Lorsque la chaudière est arrêtée, I'éventuelle circulation d'air par tirage naturel à travers l'échangeur massique et thermique, le foyer, I'échangeur principal de la chaudière, puis de nouveau i'échangeur massique et thermique, n'assèche nullement les parois de cette échangeur massique et thermique, puisque en sortie d'échangeur principal, en aval du foyer, cet air s'humidifie dans le bac humidificateur.ll dépose une partie de son humidité sur les parois poreuses de l'échangeur massique et thermique sans en prélever de l'humidité. Cette paroi poreuse reste ainsi toujours une séparation étanche entre le chemin de l'air comburant et celui des fumées. Le fonctionnement de l'échangeur massique et thermique reste ainsi conservé intégralement.Dès que la chaudière redémarre, L'échange massique et thermique se fait instantanément entre les fumées et l'air comburant sans que les fumées ne puissent être aspirées à travers la paroi poreuse et ainsi injectées dans le foyer. Dans ces conditions, il est possible de faire fonctionner la chaudière de chauffage central ou de préparation d'eau chaude, c'est à dire une chaudière ayant un fonctionnement discontinu, tout en bénéficiant des avantages importants de rendement d'une chaudière à échangeur massique et thermique. Suivant une variante d'exécution de l'invention, le bac humidificateur est relié au conduit de récupération de l'eau condensée en excès de l'échangeur massique et thermique. Dans les conditions usuelles d'utilisation d'une chaudière, la combustion dans le foyer produisant de l'humidité, il y aura toujours excédent de condensat dans l'échangeur massique et thermique et cet excédent sera d'abord recueilli dans le bac humidificateur avant que le trop-plein de ce dernier ne soit évacué. Pour permettre un fonctionnement normal de l'installation même après un temps d'arrêt prolongé pendant lequel de l'air de tirage naturel, particulièrement sec, aurait réussi à vider la réserve d'eau du bac humidificateur , on peut prévoir sur celui-ci un remplissage automatique commandé électroniquement, par exemple par un flotteur (selon un système de type chasse d'eau). La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement sur la figure 1 annexée. la figure 1 montre schématiquement une chaudière selon l'invention équipée d'un échangeur massique et thermique. Selon l'invention, la chaudière se compose d'un foyer 1 équipé d'un brûleur 2 recevant l'air comburant par une conduite 3 sortant d'un échangeur massique et thermique 4. L'échangeur massique et thermique 4 comporte des chemins 41 de passage d'air comburant et des chemins 42 de passage des fumées. Les chemins 41 et 42 sont séparés par des parois poreuses 43 imprégnées de l'eau de condensation des fumées. Cette eau traverse les parois 43 pour humidifier l'air comburant. Cet échangeur massique et thermique 4 est alimenté, par une conduite 5 en air comburant dont le débit est contrôlé par un organe de régulation 6. Cet organe de régulation ajuste le débit de l'air au besoin de la combustion souhaitée dans le foyer (demande calorifique). Le condensat récupéré dans l'échangeur principal 9 est généralement collecté par la conduite 19 pour être envoyé ensuite dans l'échangeur massique et thermique 4. En sortie de foyer 1, les fumées traversent une conduite 7 équipée d'un ventilateur 8, pour passer dans un échangeur principal 9, figuré par un serpentin et qui fournit la chaleur de combustion à l'utilisateur, tel qu'un circuit de chauffage central et/ou un circuit de préparation d'eau chaude sanitaire. En sortie de l'échangeur principal 9, les fumées passent par la conduite 10, pour traverser le bac humidificateur il. En sortie du bac il, les fumées ainsi humidifiées arrivent par le conduit 21 dans l'échangeur massique et thermique 4, d'où les fumées sont évacuées par la conduite 12 vers le conduit de fumées. Lorsque la chaudière fonctionne, les fumées, chargées de vapeur d'eau, ne prélèvent pas d'eau du bac humidificateur 11, mais peuvent éventuellement lui en céder.Par contre, lorsque la chaudière est arrêtée, elle n'est traversée que par l'air circulant sous l'effet du tirage naturel Le débit d'air à faible teneur en vapeur d'eau, qui peut être réchauffé par le passage dans le foyer 1 et dans l'échangeur principal 9, se sature dans le bac humidificateur 11. Le débit de cet air étant en général assez faible, notamment en raison de l'arrêt du ventilateur 8, les dimensions du bac peuvent être relativement réduites. Dans le cas le plus simple, le bac humidificateur 11 fonctionne par simple contact entre la surface de l'eau et la veine d'air. Suivant les cas, il est possible, si nécessaire, d'augmenter l'efficacité de l'échange par des mèches ou d'autres moyens à effet capillaire partiellement immergés, augmentant la surface d'échange eau/air. L'échangeur massique et thermique 4 peut comporter, comme cela est représenté, un trop plein 13. Ce trop plein peut être relié, comme cela est représenté sous la référence 14, au bac humidificateur 11. Par ailleurs, le bac 11 peut être muni d'un moyen de détection de niveau 15, qui commande l'alimentation en eau du bac par l'intermédiaire d'un organe de commande 16 disposé sur un conduit d'alimentation en eau 22. L'organe de détection 15 peut être électronique ou électrique (par exemple des électrodes). Il peut également s'agir d'un dispositif mécanique tel qu'un flotteur de type chasse d'eau. Comme la figure 2 le montre schématiquement, il est également possible d'alimenter le bac humidificateur 1 1 à travers l'échangeur massique et thermique 4 par une entrée 17 d'eau qui traverse l'échangeur en humidifiant autant que faire se peut ses parois poreuses, I'excès d'eau arrivant au bac humidificateur 11 par le trop-plein 14. L'alimentation en eau par l'entrée 17 peut être commandée par l'organe de commande 16 en fonction de l'indication fournie par le moyen de détection de niveau 15. Le bac humidificateur 11 peut être également alimenté par raccordement au condensat issu de l'échangeur 9 par le conduit 18, L'excédent d'eau collectée dans le bac humidificateur 11 pouvant ensuite être envoyé à l'échangeur massique et thermique 4 à sa partie inférieure par son trop-plein 14, ou à sa partie supérieure par le conduit 20, pour contribuer à l'humidification des plaques et aux transferts de chaleur et de masse lorsqu'il y a combustion. Dans un autre mode de réalisation représenté schématiquement par la figure 3, le bac humidificateur peut être constitué de la partie inférieure de l'échangeur principal 9, dont l'eau de condensation constituera la réserve permanente d'eau. Lorsque la chaudière fonctionne, les fumées, chargées de vapeur d'eau, ne peuvent provoquer l'assèchement des parois poreuses 43 lors de leur passage dans l'échangeur massique et thermique 4. Par contre, lorsque la chaudière est arrêtée, I'air circulant sous l'effet du tirage naturel s'humidifie lors de son passage dans l'échangeur principal servant notamment dans ce cas de bac humidificateur. Si, après un temps d'arrêt prolongé la nécessité d'un apport d'eau est revelée par le moyen de détection de niveau 15, une alimentation automatique en eau peut être assurée par l'organe de commande 16 disposé sur un conduit d'alimentation en eau 22 comme déjà décrit précédemment. En cas d'excès d'eau condensée dans la réserve de l'échangeur principal 9, le trop plein pourra être deversé dans l'échangeur massique 4 par la conduite 19. L'ensemble de ces dispositifs est représenté sur la figure 4 REVENDICATIONS 1- Chaudière équipée d'un échangeur massique et thermique (4) comportant au moins un chemin pour les fumées (42) et au moins un chemin pour l'air (41) comburant séparés par au moins une paroi d'échange poreuse (43), perméable à l'eau de condensation pour permettre le passage des condensats des fumées dans la veine d'air comburant, chaudière caractérisée en ce qu'elle comporte un bac humidificateur (11) placé sur le chemin des fumées (10) en amont de l'échangeur massique et thermique (4). 2- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bac humidificateur (11) est relié au trop-plein (14) de l'échangeur massique et thermique (4). 3- Chaudière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le bac humidificateur (11) comporte un moyen de remplissage (16) avec un contrôle de niveau (15). 4- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le remplissage du bac humidificateur (11) se fait successivement par la conduite (17), à travers l'échangeur massique et thermique (4) et par le trop -plein (14) de cet échangeur (4). 5- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bac humidificateur (11) est alimenté par raccordement au condensat issu de l'échangeur principal (9) par le conduit.(1 8). 6- Chaudière selon l'une des revendications 3 et 5, caracterisée en ce que ltexcedent d'eau collectée dans le bac humidificateur (11) est envoyé à la partie supérieure de l'échangeur massique et thermique 4 par le conduit 20. 7- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le fond de l'échangeur principal (9) est utilisé comme bac humidificateur (11). 8- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4 et 7, caractérisée en ce que le condensat de l'échangeur principal (9) est envoyé dans l'échangeur massique et thermique (4) par la conduite (19). 9- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit bac humidificateur (11) comporte des moyens capillaires partiellement immergés pour accroître la surface d'échange.