Brevet FR2710140A1 — publié le 19950324

La présente invention est relative aux générateurs d'air chaud, et en particulier aux générateurs d'air chaud à usage domestique. On connaît déjà de nombreux générateurs d'air chaud à usage domestique, tels que les sèche-cheveux, sèche-mains, sèche-linge, etc. Ces générateurs d'air chaud sont de petite puissance. Ils fonctionnent à l'électricité. Des générateurs d'air chaud à gaz sont également déjà employés pour des chauffages de volumes importants, et en particulier pour le chauffage de serres ou pour le chauffage industriel: séchage de béton, de céréales ou de céramiques. Ces générateurs à gaz sont de type à dilution directe ou de type à échangeur. Dans la technique de génération d'air chaud par dilution directe, les produits de combustion sont dilués dans l'air à chauffer. Cette technique, énergétiquement très performante (rendement approchant 100 %) est exploitée dans le chauffage des serres ou pour celui de certains bâtiments industriels, lorsque le renouvellement d'air est suffisant pour accepter cette technique. La combustion doit se faire sans générer de quantités importantes d'oxydes de carbone et le taux de gaz carbonique dans l'enceinte chauffée doit être surveillé. Cette technique ne saurait être appliquée pour le chauffage d'espaces habitables. Le renouvellement d'air y est en effet, pour des raisons évidentes d'économie, limité à 1 ou 2 volumes/heure. Dans les générateurs à échangeur, les fumées chauffent l'air par l'intermédiaire de parois d'échange thermique. Il n'y a pas de contact direct entre les fumées et l'air- à chauffer. L'air chauffé peut être ensuite distribué sans précaution particulière dans des locaux d'habitation. Ces générateurs à échangeur présentent néanmoins plusieurs inconvénients. Leurs rendements énergétiques sont relativement modestes (souvent voisins de 70 %). En outre, ces générateurs à échangeur utilisent traditionnellement des brûleurs à flamme bleue et libèrent donc des quantités importantes d'oxyde d'azote. Un but principal de l'invention est de proposer un générateur d'air chaud à gaz du type à échangeur, qui permet de pallier les différents inconvénients précités. Le générateur d'air chaud selon l'invention est d'un rendement amélioré et ne libère qu'un taux très faible d'oxyde d'azote dans l'atmosphère. Egalement, les générateurs à échangeurs connus à ce jour offrent des possibilités de régulation relativement limitées. En effet, toute modification du débit d'air à chauffer peut en principe être compensée par un ajustement de la puissance du brûleur, mais l'évolution des turbulences et des coefficients d'échanges convectifs perturbe la réponse pendant les régimes transitoires. De façon plus générale, les solutions de chauffage connues actuellement pour assurer le confort hygrothermique s'avèrent incapables de faire face à une perturbation. Par exemple, dans une habitation chauffée par radiateurs (qu'ils soient électriques ou alimentés en eau chaude), une modification de consigne ou une perturbation externe telle qu'une ouverture de porte entraine une période plus ou moins longue de nonrespect de la consigne. Il peut se passer plusieurs dizaines de minutes, voire 1 a 2 heures, avant que les conditions de confort soient restaurées. De même la gestion des odeurs et de l'hygrométrie se réalise le plus souvent aux dépends du confort thermique. Un autre but de l'invention est de proposer un générateur d'air chaud qui permet d'éviter ces différentes inerties. L'objet de l'invention est donc un générateur d'air chaud comportant un brûleur à gaz et au moins une paroi d'échange thermique qui sépare un couloir de circulation de l'air à chauffer et un couloir de circulation des fumées produites par le brûleur, l'air à chauffer étant circulé par des moyens de ventilation d'un côté de cette paroi, les fumées chaudes circulant à contre- courant de l'autre côté. Selon l'invention, ce générateur d'air chaud est caractérisé en ce que le brûleur est de type radiant et en ce que la paroi d'échange thermique présente, d'une part, une partie d'échange convectif au niveau de laquelle l'air est principalement chauffé par les fumées et, d'autre part, une partie d'absorption vers laquelle le rayonnement du brûleur est principalement émis, l'air circulant sur cette partie d'absorption après avoir circulé sur la partie d'échange convectif. Selon des variantes préférées de l'invention, le brûleur est de type cylindrique et est disposé dans le couloir de circulation des fumées, la paroi d'échange thermique présentant, d'une part, une partie d'absorption en regard du brûleur et, d'autre part, une partie d'échange convectif disposée par rapport à l'axe du brûleur, au-delà dudit brûleur, d'un côté de celui-ci, les fumées émises par le brûleur circulant à partir du brûleur vers la partie d'échange convectif. En particulier, le générateur conforme à ces variantes comporte avantageusement une pluralité de couloirs de circulation de l'air à chauffer répartis autour de l'axe du brûleur. Selon une variante avantageuse, le générateur comporte une pluralité d'ailettes d'échange thermique qui définissent ensemble une chambre en étoile autour de l'axe du brûleur, dans laquelle les fumées émises par le brûleur circulent. Selon une autre variante avantageuse des couloirs de circulation de l'air à chauffer sont des couloirs tubulaires s'étendant dans le couloir de circulation des fumées parallèlement à l'axe du brûleur. Selon d'autres variantes préférées encore de l'invention, le brûleur est du type plat et en ce que la paroi d'échange thermique comporte une pluralité d'ailettes d'échange convectif parallèles définissant ensemble une succession alternative de couloirs de circulation d'air à chauffer et de couloirs de circulation de fumées, ces ailettes s'étendant sensiblement perpendiculairement au brûleur, deux ailettes successives étant reliées entre elles par une paroi transversale d'absorption parallèle au brûleur, ces parois transversales étant alternativement disposées à une extrémité ou à une autre des ailettes. L'invention a également pour objet un dispositif pour le chauffage domestique, ainsi qu'un dispositif pour le séchage d'individus comportant un tel générateur d'air chaud. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit de modes de réalisation particuliers de l'invention. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: 30. la figure 1 est une représentation schématique d'un générateur d'air chaud à brûleur plat conforme à un mode de réalisation particulier possible pour l'inven- tion; la figure 2 est une représentation schématique d'un générateur d'air chaud à brûleur cylindrique conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention: les figures 3 et 4 sont des vues détaillées en coupe de l'échangeur du générateur d'air chaud représenté schématiquement sur la figure 2; 5. la figure 5 est une représentation schématique du circuit d'alimentation et de commande du brûleur du générateur d'air chaud représenté sur la figure 2; la figure 6 est un schéma synoptique illustrant la régulation en fonctionnement du même générateur d'air chaud; la figure 7, enfin, représente schématiquement un générateur d'air chaud à brûleur cylindrique conforme à un autre mode de réalisation possible pour l'invention. Le générateur d'air chaud représenté schématiquement sur la figure 1 comprend un brûleur 1, ainsi qu'un échangeur 2. Le brûleur 1 est un brûleur radiant plat constitué de fibres métalliques frittées réalisées à partir d'un matériau commercialisé sous la marque FECRALLOY . En mode radiant, un tel brûleur émet peu d'oxydes NOx (20 à 40 ppm en combustion stoechiométrique pour 200 à 400 ppm dans un brûleur classique). Il possède, en outre, une résistance mécanique élevée qui le rend apte à supporter les chocs thermiques et mécaniques. On se référera avantageusement au document EP-A- 0 157 432, incorporé ici à titre de référence, dans lequel est décrit un matériau fibreux poreux métallique particulièrement bien adapté à la réalisation d'un brûleur à gaz du type précité. De façon plus générale, tous les brûleurs radiants céramiques ou métalliques à surface perforée, poreuse ou fibreuse conviennent. L'échangeur 2 est un échangeur qui comporte une pluralité d'ailettes 4 plates d'échange convectif qui sont parallèles et qui définissent ensemble une succession alternative de couloirs 5 de circulation d'air à chauffer et de couloirs 6 de circulation de fumées. Ces ailettes 4 s'étendent perpendiculairement au plan du brûleur 1. Deux ailettes 4 successives sont reliées entre elles par une paroi transversale 7a ou 7b parallèle au brûleur 1, ces parois 7a et 7b étant alternativement disposées à une extrémité ou à une autre des ailettes 4. Les parois 7a ferment les couloirs 5 de circulation d'air à chauffer à l'extrémité des ailettes 4 la plus proche du brûleur 1; les ailettes 7b ferment les couloirs 6 de circulation de fumées à l'extrémité des ailettes 4 la plus éloignée du brûleur 1. Ainsi que l'illustrent les flèches A représentées sur la figure 1, l'air à chauffer est introduit dans les couloirs 5 à leur extrémité ouverte opposée au brûleur 1. Il s'échappe de ces couloirs 5 latéralement, à l'extrémité de ces couloirs 5 o se trouvent les parois transversales 7a. Ainsi que l'illustrent les flèches F représentées sur la figure 1, les fumées générées par le brûleur 1 s'échappent dudit brûleur 1 pour entrer dans les couloirs de circulation 6. Elles y circulent dans le sens indiqué par les flèches F et sortent de ces couloirs 6 latéralement à l'extrémité de ces couloirs 6 opposée au brûleur 1. Le rayonnement du brûleur 1 est essentiellement absorbé par les parois transversales 7a les plus proches de celui-ci. Les parois 7a présentent à cet effet avantageusement une surface d'une couleur absorbant le rayonnement infrarouge (couleur foncée-mâte). L'air à chauffer et les fumées échangent convectivement avec les ailettes 4. Ainsi, l'air introduit dans l'échangeur 2 est dans un premier temps chauffé convectivement au niveau des ailettes 4. Il est ensuite chauffé juste avant son évacuation de l'échangeur 2, par les parois 7a qui ont absorbé le rayonnement du brûleur. De façon générale, il est important que l'air ne soit chauffé par l'absorption du rayonnement qu'après avoir été chauffé par la convection des fumées. L'énergie radiante s'échange en effet en fonction de la puissance quatrième de l'écart de température, tandis que les échanges convectifs sont directement proportionnels à l'écart de température. L'énergie contenue dans les produits de combustion ne sera par conséquent correctement échangée que si l'écart de température est élevé. Il faut donc éviter de "préchauffer" la surface de l'échangeur avec les infrarouges. Pour une puissance de 30 kW du générateur d'air chaud qui vient d'être décrit, le coefficient d'échange global de l'échangeur 2 est de 10 Wm2C, sa surface d'échange étant de 6,5 m2. Le rendement global de l'échangeur à puissance maximale est de 80 %. On se réfère maintenant aux figures 2 à 4. Le générateur d'air chaud représenté sur ces figures comporte un brûleur 11 cylindrique et un échangeur 12. Le brûleur 4 est réalisé dans le même matériau que le brûleur 1. 30 % de la puissance calorifique qu'il libère est sous forme rayonnante, 70 % de cette puissance est sous forme convective. La paroi d'échange thermique de l'échangeur 12 est constituée par une pluralité d'ailettes 14 en inox réfractaire disposées en étoile autour de l'axe X de ce brûleur 11. Les ailettes 14 sont parallèles à l'axe X et définissent ensemble une chambre en étoile 13 dans laquelle les fumées circulent. La chambre 13 est fermée par deux cloisons transversales 13a et 13b. Ces deux cloisons 13a et 13b sont plates et sont perpendiculaires à l'axe X. Leur découpe a un contour qui correspond à celui de la section de la chambre 13. Le brûleur radiant 11 s'étend dans la chambre 13 à partir de la paroi 13a vers la paroi 13b. Sa hauteur le long de l'axe X correspond sensiblement au tiers de la hauteur de la chambre 13. Les fumées circulent dans cette chambre 13 de la façon schématisée par les flèches F représentées sur cette figure. La cloison 13b est munie d'une ouverture circulaire 13c, sur laquelle est rapportée une tuyauterie pour l'évacuation des fumées. L'air à chauffer circule à contre-courant des fumées, dans le sens indiqué par les flèches A sur la figure 2, de l'autre côté de ces ailettes 14, dans un conduit cylindrique 15. Ce conduit 15 est coaxial à la chambre 13 définie par les ailettes 14. Le diamètre intérieur de ce conduit 15 correspond au diamètre de l'enveloppe cylindrique de la forme en étoile de ces ailettes 14. Sur la figure 2, on a référencé par 14a les parties des ailettes 14 qui se trouvent au droit du brûleur 11 et par 14b les parties de ces ailettes 14 qui sont complémentaires de ces parties 14a. Le rayonnement émis par ce brûleur 11 est principalement absorbé par les parties 14a. L'air qui arrive sur l'échangeur 12 est chauffé dans un premier temps par les parties 14b des parois 14 sur lesquelles les fumées échangent convectivement. Après être passé sur ces parties 14b d'échange convectif, l'air est chauffé par les parties 14a d'absorption. On notera que cette géométrie de l'échangeur 12 constitue un piège à radiation dans lequel les infrarouges sont totalement absorbés, et ce quelle que soit l'émissivité des surfaces des ailettes 14. Pour un débit de 2000 m3/h, et une puissance de kW, cet échangeur offre une surface d'échange de 3,4 m2 et un coefficient d'échange global de 18 Wm2C. Ainsi que cela a été plus particulièrement représenté sur les figures 3 et 4, entre les ailettes 14 en regard de deux branches angulairement successives, sont disposés deux renforts 16. Ces deux renforts 16 sont répartis dans la hauteur par rapport à l'axe X de l'échangeur 12. Ils ont chacun une section en forme de U, dont les côtés s'appuient sur les ailettes 14 entre lesquelles ils sont montés. La fixation entre un renfort 16 et une ailette 14 est réalisée par des rivets étanches. On a représenté sur la figure 5, le schéma d'un dispositif 17 pour l'alimentation et le contrôle du brûleur 11. Le brûleur 11 est alimenté par un mélange d'air et de gaz. Le dispositif 17 comprend à cet effet un circuit CA d'alimentation en air qui comporte en série un ventilateur 18, de type LEISTER ROBUST 9F triphasé, une vanne manuelle 19 de réglage du débit d'air maximum et une vanne manuelle 20 de réglage de la pression d'air. Le brûleur 11 est simultanément alimenté en gaz par un circuit G qui comprend un régulateur de proportion 21 piloté par la pression d'air. Le brûleur 11 est alimenté en prémélange total avec un excès d'air minimal de 5 %. Le régulateur 21 est monté en série avec un régulateur de pression du type Théobald RC 832 référencé par 22, un détendeur de pression 23 de 1,25 bars à 37 mbars (pour gaz propane, débit 4 kg/h), une électrovanne 24 et une vanne d'isolement manuelle 25. Sur ce brûleur 11, est également monté un contrôleur de flamme 25 du type GURTNER. Ce contrôleur 25 est relié à un pressostat 26 qui ferme l'électrovanne 24 dès que la pression au niveau du contrôleur de flamme 25 est supérieure à 45 mbars. Le contrôleur de flamme 25 est également relié à un pressostat d'air 27 relevant au niveau du brûleur 11 la présence d'un débit d'air. Une électrode 28 commandée par le contrôleur 25 est prévue pour l'allumage et le contrôle de la flamme du brûleur 11. Le dispositif 17 d'alimentation et de contrôle du brûleur 11, ainsi que le ventilateur (référencé par V sur la figure 6) par lequel l'air à chauffer est pulsé, sont gérés par une unité de commande U, selon une boucle de régulation qui a été représentée schématiquement sur la figure 6. Le ventilateur V est de type "cage d'écureuil". Il est alimenté sous une tension variable de 0 à 220 volts et délivre un débit modulé entre 1.000 et 3.000 m3/h. Ce débit maximal est fonction de la perte de charge créée entre l'aspiration du ventilateur et la sortie du générateur. L'unité de commande U est un régulateur à faible temps de réponse du type PID (proportion-intégration- dérivation). Cette unité U reçoit des informations de capteurs qui mesurent les températures Te et Ts de l'air en entrée et sortie du générateur de chaleur. Elle agit sur les vitesses du ventilateur commandant le débit d'air alimentant le brûleur 11, ainsi que sur la vitesse du ventilateur V. Une température de consigne Tc et un débit de soufflage de l'air à chauffer sont initialement fixes, soit directement par l'opérateur, soit indirectement en fonction de conditions extérieures, par tout moyen automatique approprié. En fonction de la température d'entrée Te, la boucle de régulation détermine la puissance P à fournir par le brûleur pour permettre d'atteindre la température Tc désirée, cette puissance P étant donnée classiquement par la formule: débit x (Tc - Te) x Cp P = (1) rendement d'échange o Cp est la chaleur spécifique de l'air. Le rendement d'échange n'est cependant pas constant, de sorte que la température Ts, effectivement atteinte en sortie du générateur à l'aide de cette puissance P, peut s'écarter de quelques degrés de la valeur Tc de la température de consigne. A partir de la mesure de la température Ts de l'air soufflé relevée, l'unité U détermine l'écart Tc-Ts entre la température obtenue et la température de consigne Tc, puis modifie, par une boucle d'affinement fermée, le débit de l'air soufflé par le ventilateur V, jusqu'à ce que la température de consigne Tc soit atteinte. Ainsi, c'est la modulation de la vitesse de rotation du ventilateur V qui assure la variation de puissance du brûleur (entre 10 et 30 kW). Il est important de noter que le corps humain est beaucoup plus sensible à un écart de température qu'à un écart de débit. La modification du débit de soufflage passera sensiblement inaperçue, si la température reste stable. Ainsi, la variation d'un renouvellement d'air d'une pièce habitée de 50 à 100 m3/h est pratiquement non perceptible par un individu, ce qui n'est pas le cas d'une variation de 1 ou de 2 degrés de la température de la pièce pendant une dizaine de minutes. Un exemple d'affinement est maintenant donné. Le débit demandé étant de 1000 m3/h et la température de consigne de 55 C, si la température obtenue en sortie du générateur de chaleur est uniquement de 52 C, le débit est réduit à 920 m3/h de façon à rapprocher la température de 55 C. Le débit d'air sera modifié jusqu'à l'obtention de la température de consigne. La boucle de régulation qui vient d'être décrite permet donc d'apporter aux utilisateurs du générateur de chaleur un confort à la fois thermique et hygrothermique. Les moyens de régulation, ainsi que le dispositif 17 d'alimentation et le contrôle de brûleur, peuvent bien entendu être utilisés pour tout générateur de chaleur conforme à l'invention. D'autres géométries de générateurs d'air chaud à brûleurs cylindriques sont encore envisageables. On a en particulier représenté sur la figure 7 un générateur d'air chaud conforme à un autre mode de réalisation qui comprend un brûleur 31 cylindrique et un échangeur 32 qui comporte une pluralité (vingt-quatre) de tubes 33 cylindriques de 53 mm de diamètre intérieur dans lesquels circulent l'air à chauffer. Ces tubes 33 sont disposés avec le brûleur 21 dans une cuve cylindrique 34 en inox réfractaire, dans laquelle ils sont répartis régulièrement autour du brûleur 33. L'air à chauffer circule dans ces tubes 33 à contre- courant du sens de circulation des fumées émises par le brûleur 31 dans la cuve 24. Le brûleur 31 est disposé en regard des parties de ces tubes 33 qui sont les plus éloignées de l'extrémité de la cuve 34 par laquelle les fumées s'échappent de ladite cuve. Le rayonnement émis par le brûleur est principalement absorbé par ces parties des tubes 33. L'air à chauffer est, une fois introduit dans les tubes 33, dans un premier temps chauffé convectivement par les fumées émises par le brûleur 31, puis dans un deuxième temps chauffé par l'énergie radiative absorbée par les portions supérieures de ces tubes 33. La surface d'échange interne de l'échangeur ainsi réalisé est de 2 m2; sa surface d'échange externe est de 2,2 m2. Ce générateur d'air chaud présente une meilleure tenue mécanique que les brûleurs en étoile. Les générateurs de chaleur selon l'invention sont avantageusement utilisés pour le chauffage d'habitations, ou comme dispositifs de séchage (applications aux salles d'eau domestiques, ou à des établissements collectifs: piscines, saunas, hammams). En particulier, la boucle de régulation fine d'un générateur de chauffage selon l'invention permet que celui-ci soit utilisé pour le séchage du corps, aussi bien en piscines ou clubs de remise en forme, qu'à domicile. Plus rapide et plus hygiénique que l'usage des serviettes, un tel générateur permet après un bain ou une douche de retrouver rapidement l'équilibre thermique du corps. REVENDICATIONS 1. Générateur d'air chaud comportant un brûleur à gaz et au moins une paroi d'échange thermique (4, 7a, 7b; 14; 33) qui sépare un couloir de circulation de l'air à chauffer et un couloir de circulation des fumées produites par le brûleur (1, 11, 31), l'air à chauffer (A) étant circulé par des moyens de ventilation (V) d'un côté de cette paroi (4, 7a, 7b; 14; 33), les fumées chaudes (F) circulant à contre-courant de l'autre côté, caractérisé en ce que le brûleur (1, 11, 31) est de type radiant et en ce que la paroi d'échange thermique (4, 7a, 7b; 14; 33) présente, d'une part, une partie d'échange convectif (4, 14b) au niveau de laquelle l'air est principalement chauffé convectivement par les fumées et, d'autre part, une partie d'absorption vers laquelle le rayonnement (7a, 14a) du brûleur (1, 11, 31) est principalement émis, l'air circulant sur cette partie d'absorption après avoir circulé sur la partie (4, 14b) d'échange convectif. 2. Générateur d'air chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce que le brûleur (11, 31) est de type cylindrique et est disposé dans le couloir de circulation des fumées, la paroi d'échange thermique présentant, d'une part, une partie d'absorption (14a) en regard du brûleur (11, 31) et, d'autre part, une partie (14b) d'échange convectif disposée par rapport à l'axe (X) du brûleur (11, 31), au-delà dudit brûleur (11, 31), d'un côté de celui- ci, les fumées (F) émises par le brûleur (11, 31) circulant à partir du brûleur (11, 31) vers la partie d'échange convectif (14b). 3. Générateur d'air chaud selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité (14, 15; 33) de couloirs de circulation de l'air à chauffer répartis autour de l'axe (X) du brûleur (11, 31). 4. Générateur d'air chaud selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'ailettes (14) d'échange thermique qui définissent ensemble une chambre (13) en étoile autour de l'axe (X) du brûleur (11), dans laquelle les fumées (F) émises par le brûleur (11) circulent. 5. Générateur d'air chaud selon la revendication 3, caractérisé en ce que les couloirs (33) de circulation de l'air à chauffer sont des couloirs tubulaires s'étendant dans le couloir de circulation des fumées parallèlement à l'axe du brûleur (31). 6. Générateur d'air chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce que le brûleur (1) est du type plat et en ce que la paroi d'échange thermique (4, 7a, 7b) comporte une pluralité d'ailettes (4) d'échange convectif parallèles définissant ensemble une succession alternative de couloirs de circulation d'air à chauffer (5) et de couloirs de circulation de fumées (6), ces ailettes (4) s'étendant sensiblement perpendiculairement au brûleur (1), deux ailettes (4) successives étant reliées entre elles par une paroi transversale d'absorption (7a, 7b) parallèle au brûleur (1), ces parois transversales (7a, 7b) étant alternativement disposées à une extrémité ou à une autre des ailettes (4). 7. Générateur d'air chaud selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de gestion (U) et un capteur de la température (Te) de l'air à chauffer, l'unité de gestion (U) comportant des moyens pour calculer en fonction de la température (Te) mesurée par ce capteur et d'une température de consigne (Tc) à atteindre, une puissance à fournir par le brûleur (1, 11, 31), ainsi que des moyens pour commander le brûleur (1, 11, 31) pour qu'il délivre cette puissance. 8. Générateur d'air chaud selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de la température (Ts) de l'air chauffé, ainsi que des moyens de régulation agissant sur les moyens de ventilation (V) pour corriger le débit d'air à chauffer en fonction de l'écart (Ts-Tc) entre la température de l'air chauffé mesurée par ce capteur et la température de consigne. 9. Dispositif de chauffage domestique caractérisé en ce qu'il comporte un générateur d'air chaud selon l'une des revendications précédentes. 10. Dispositif pour le séchage d'individus, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur d'air chaud selon l'une des revendications 1 à 8.