Brevet FR2704304A1 — publié le 19941028

POT DE DETENTE POUR LE TRAITEMENT DE FUMEES ET INSTALLATION DE CHAUDIERE UTILISANT UN TEL POT La présente invention a pour objet un pot de détente pour le traitement des fumées et une installation de chaudière utilisant ledit pot. Les réglementations en vigueur et les préoccupations des autorités incitent de plus en plus à concevoir des chaudières ou des installations de chaudières dans lesquelles les fumées sont autant que faire se peut débarrassées de composés chimiques polluants, acides sulfurique ou nitrique par exemple, ou d'eau susceptibles d'altérer l'environnement ou dégrader les conduits de cheminée. L'eau résulte bien sûr de la combustion de l'hydrocarbure constituant le carburant. Une certaine quantité d'eau sous forme de condensation demeure dans les fumées même dans le cas de chaudières à condensation. En outre, on sait que cette combustion tend à produire, compte tenu de sa température élevée, des oxydes d'azote. Un objet de la présente invention est de fournir un pot de détente pour le traitement des fumées, en particulier de chaudières à condensation, qui permette d'obtenir une déshydratation complémentaire des fumées, un traitement chimique efficace et de retenir la condensation qui est ensuite traitée chimiquement pour être restituée à l'égout avec un pH neutre. L'invention a également pour objet une installation de chaudière comportant un tel pot de détente. Pour atteindre ce but, le pot de détente pour le traitement de fumées notamment d'une chaudière à condensation, se caractérise en ce qu'il comprend: une enceinte étanche comportant un fond, une paroi latérale et un couvercle une tubulure raccordée à la sortie des fumées de ladite chaudière, plongeant dans ladite enceinte, et présentant une extrémité ouverte horizontale; des moyens pour réaliser au fond de ladite enceinte une couche d'eau et pour maintenir la surface libre de l'eau à une distance e au plus égale à 2 cm de ladite extrémité libre de la tubulure, cette extrémité étant disposée en regard de ladite surface libre; et une conduite de sortie des fumées traitées raccordée à la partie supérieure de ladite enceinte et dont l'autre extrémité est raccordée à une cheminée. On comprend que, grâce à la très faible distance qui est, de préférence, de l'ordre de 0,5 cm, entre l'extrémité ouverte de la tubulure de fumées et la surface libre de l'eau au fond de l'enceinte du pot de détente, on crée un double phénomène qui est, d'une part, le barbotage des fumées dans l'eau et, d'autre part, la création d'une turbulence importante dûe à l'impact des fumées sur la surface libre de l'eau. Le barbotage permet la récupération du soufre et des nitrates contenus dans les fumées, alors que la turbulence permet un brassage des fumées avec l'eau de condensation à température plus basse, ce qui permet d'abaisser la température des fumées. De préférence, la couche d'eau est constituée par les condensats de la chaudière. De préférence également, le pot comporte des moyens pour mesurer le pH de la couche d'eau et des moyens pour introduire dans ladite couche d'eau une quantité dosée d'agents chimiques pour maintenir le pH de l'eau à une valeur sensiblement égale à 7,5. L'invention concerne également une installation de chaudière qui se caractérise en ce qu'elle comprend: un pot de détente pour le traitement des fumées du type mentionné ci-dessus; une chaudière à condensation comprenant une chambre de combustion et un condenseur formé par un conduit principal pour le passage des fumées dont une extrémité est reliée à l'ouverture de sortie des fumées de ladite chambre de combustion et dont l'autre extrémité est reliée à ladite tubulure du pot de détente et par une pluralité de conduites disposées en travers dudit conduit principal et dans lesquelles circule le liquide à chauffer, ledit condenseur comprenant en outre des moyens pour créer une turbulence des fumées circulant dans ledit conduit principal, lesdits moyens de création de turbulence étant disposés dans ledit conduit principal entre lesdites conduites de liquide et ladite ouverture de sortie des fumées ; et une cheminée de sortie de fumées raccordée à ladite conduite de sortie dudit pot de détente. On comprend que la mise en place du système de création de turbulence à l'entrée de la conduite principale formant le condenseur permet d'homogénéiser les veines de fumées circulant dans le conduit principal et donc d'homogénéiser la température et de favoriser les échanges thermiques entre la fumée et l'eau ou le liquide à chauffer circulant dans les conduites disposées transversalement dans la conduite principale du condenseur. Ainsi, on améliore les échanges thermiques et on favorise la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées. Selon une caractéristique préférée de l'installation de chaudière, la chambre de combustion comporte un ensemble de plaques pleines disposées transversalement par rapport à la longueur de la chambre de combustion et sensiblement parallèlement les unes aux autres, lesdites plaques formant chicane pour la circulation des fumées et étant réalisées en un matériau favorisant leur rayonnement thermique sous l'effet de la température des fumées dans la chambre de combustion. La présence des plaques formant chicanes permet d'absorber la chaleur de la flamme ce qui permet de diminuer la formation d'oxydes d'azote puisque cette formation se produit en présence d'une température élevée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble montrant le pot de détente et ses éléments périphériques; - la figure 2 est une vue d'ensemble en coupe longitudinale d'une chaudière à condensation; - la figure 3 est une vue partielle en perspective montrant l'ensemble de chicane disposé dans la chambre de combustion de la chaudière; et - la figure 4 est une vue de face montrant un exemple de réalisation du système de création de turbulence dans la veine de fumées. En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire un mode préféré de réalisation du pot de détente pour le traitement de fumées. Le pot de détente comprend une enceinte étanche 10 qui comporte un fond 12, une paroi latérale 14 et un couvercle 16 reliés entre eux de manière étanche. De préférence, l'enceinte 10 a une forme générale cylindrique. A l'intérieur de l'enceinte 10, on trouve l'extrémité 18 d'une tubulure 20 qui traverse de façon étanche le couvercle 16. Comme on l'expliquera ultérieurement, la tubulure 20 dont l'extrémité 18 pénètre dans l'enceinte 10 est raccordée à la sortie du conduit principal formant le condenseur de la chaudière. Le pot de détente comporte également une conduite de sortie 22 dont une première extrémité est raccordée à la partie supérieure du pot 10 et dont l'autre extrémité est raccordée à une cheminée 24 d'évacuation des fumées. On voit que le point de raccordement 26 de la conduite 22 à la cheminée 24 est disposé endessous d'une trappe d'entrée d'air 28 dont on expliquera ultérieurement la fonction.Si l'on revient à l'enceinte 10, on voit que son fond 12 est recouvert par une couche liquide d'eau 30 dont le niveau est fixé par la présence d'un trop-plein 32 ménagé dans la paroi latérale 14 de l'enceinte 10. L'eau 30 est renouvelée en permanence par la conduite d'alimentation 34 qui est raccordée, comme on l'expliquera ultérieurement, à la conduite de récupération des condensats de la chaudière à condensation. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'extrémité ouverte 18a de la conduite 20 a un bord qui est horizontal et donc parallèle à la surface libre 31 de l'eau 30. L'extrémité 18a de la conduite est montée de telle manière que la distance e entre l'extrémité de la conduite et la surface libre 31 de l'eau soit inférieure à 2 cm et, de préférence, égale à 0,5 cm. Sur la figure 1, on a également représenté une pompe doseuse 36 qui permet, par la conduite 38, d'introduire dans la couche d'eau 30 un agent chimique afin de neutraliser l'eau 30. Pour cela, un pH mètre 40 est monté en-dessous du niveau libre de l'eau et est relié par les conducteurs électriques 42 à l'ensemble de commande 44 de la pompe 36. Le système de commande 44 est réglé de telle manière qu'un agent chimique soit envoyé dans le pot de détente par la conduite 38 dès que le ph mesuré par le pH mètre 40 tombe en-dessous de 7,5. Le fonctionnement du pot de détente est le suivant: les fumées à traiter arrivant par la conduite 20 sortent dans le pot par l'ouverture 18a. Compte tenu de la très faible distance e entre la sortie de la conduite et la surface libre 31 de l'eau 30, on réalise un barbotage des fumées dans la couche d'eau 30, ce qui permet leur traitement chimique et, en particulier, l'absorption du soufre et des nitrates qui sont présents et, d'autre part, l'impact de la fumée sur la surface libre de l'eau crée une turbulence très importante de la fumée qui favorise le dépôt et donc le recueil des gouttelettes d'eau contenues dans la fumée sous forme de condensation. La fumée ainsi traitée ressort par la conduite 22 vers la cheminée d'évacuation 24.Par un réglage convenable de la trappe 28 appelée modérateur de tirage, on peut ajouter aux fumées une quantité prédéterminée d'air, ce qui permet de diminuer en valeur relative la teneur éventuelle en eau des fumées à évacuer et donc d'éviter toute condensation sur les parois internes de la cheminée. On comprend également qu'en position ouverte, la trappe 28 constitue un obstacle à l'intérieur de la cheminée 24. Cet obstacle favorise la création d'une turbulence et d'un appel d'air favorisant l'entrée d'air et le mélange de celui-ci aux fumées. En se référant maintenant aux figures 2 à 4, on va décrire une chaudière à condensation perfectionnée qui peut être avantageusement utilisée avec le pot de détente décnt à la figure 1. Cette chaudière à condensation dans son principe est décrite dans le brevet français No. 2566 102 au nom du demandeur. On ne décrira donc cette chaudière que succinctement en insistant seulement sur les perfectionnements apportés à la chaudière initiale. La chaudière 50 comporte une enveloppe extérieure en tôle 52 de forme générale cylindrique fermée à ses deux extrémités par un fond 54 et une face avant 56. L'enveloppe 52 entoure à distance une enceinte thermique principale 58 et un condenseur 60 situé en-dessous de l'enceinte thermique 58. Ces deux composants ont une forme générale cylindrique et sont placés à l'horizontale. L'espace 61 défini entre l'enveloppe externe et les éléments thermiques 58 et 60 est destiné à être rempli d'eau qui va se chauffer au contact des parois de ces éléments lorsque la chaudière est en service. L'enveloppe 52 comporte une entrée d'eau froide 64 disposée à la base de l'enceinte 52. L'enceinte comprend également une sortie d'eau chaude 66 disposée à la partie supérieure de cette enceinte. L'enceinte thermique 58 est constituée d'un pot métallique 68 à fond plat fermé 70. Cette enceinte 58 est divisée dans le sens longitudinal en deux compartiments adjacents superposés 72 et 74 par un organe de séparation 76 qui s'arrête avant le fond 70 de manière à ménager un passage 78. La plaque avant 80 est munie d'un orifice 82 pour la mise en place d'un brûleur 84. Le pot 68 comporte dans sa paroi latérale inférieure et à proximité de la plaque 80 une ouverture 86 pour la sortie des fumées, hors de l'enceinte thermique 58. Cette ouverture 86 fait communiquer le condenseur 60 avec l'enceinte thermique 58. Le condenseur 60 est constitué essentiellement par un conduit principal métallique 90 pour le passage des fumées, une première extrémité de la conduite 90 est reliée à l'ouverture 86 tandis que son autre extrémité 91 débouche à l'extérieur de l'enceinte externe 52. Cette extrémité 91 est raccordée à la tubulure 20 qui débouche dans le pot de détente 10 comme on l'a déjà expliqué. Le conduit principal 90 est associé à des conduites 92 qui traversent transversalement le conduit principal 90. Ces conduites 92 dans lesquelles circule le liquide à réchauffer et donc par exemple de l'eau ont une section très inférieure à celle du conduit principal de fumée 90. Une tubulure 93 débouche au point bas de la conduite principale 90 pour recueillir les condensats. Elle est raccordée à la conduite 34 qui permet de créer la couche d'eau au fond du pot de détente. A l'intérieur de la chambre supérieure de combustion 72 et vers le fond de celle-ci, on dispose un accessoire à chicane, de préférence amovible, 100 dont la figure 3 montre en perspective un mode préféré de réalisation. Ce système à chicane est constitué par une pluralité de plaquettes métalliques telles que 102 qui sont parallèles entre elles et disposées selon une direction transversale à la chambre 72. De préférence, ces plaquettes ont une forme en demi-lune afin d'épouser la forme intérieure de la chambre 72. Les plaquettes 102 ont une taille et présente un écartement par rapport aux plaquettes voisines pour permettre le passage des fumées en formant un système de chicane.Ces plaquettes jouent un double rôle: d'une part, elles prolongent le régime turbulent d'écoulement des fumées après la flamme, ce qui est favorable à un meilleur échange thermique par convection ; en outre elles sont réalisées de préférence en un matériau réfractaire métallique présentant un coefficient de rayonnement thermique élevé. Pour éviter des courtscircuits thermiques, les plaquettes 102 sont montées sur les parois de la chambre 72 à l'aide de tiges filetées longitudinales 104 et 106 et d'écrous tels que 108. Ces plaquettes sont en acier réfractaire, de préférence de 3 mm d'épaisseur, et leur espacement est typiquement de l'ordre d'une dizaine de centimètres. Ces plaquettes sont avantageusement pleines de manière à accroître leur effet de rayonnement.Ces chicanes 102 sont portées à très fortes températures par l'effet de la flamme; elles forment une surface d'échange absorbant ainsi la chaleur de la flamme, ce qui permet de constituer ainsi des surfaces refroidissantes permettant d'abaisser la température de la flamme et donc de réduire la formation d'oxydes d'azote dans les fumées. Les mesures effectuées montrent que la teneur en oxydes d'azote est inférieure à 50mg/Nm3 sec. De préférence également, on monte dans le conduit principal 90 formant le condenseur un turbulateur 110 qui est disposé dans le conduit entre l'ouverture de sortie de fumées 86 et l'extrémité amont des conduites 92 dans lesquelles circule le liquide à réchauffer. Comme le montre mieux la figure 4, le turbulateur 110 comporte une couronne externe pleine 112 solidaire de la paroi de la conduite principale 90 et une partie centrale pleine 114. Des ailettes telles que 116 disposées de façon radiale entre le centre 114 et la périphérie 112 sont montées de telle manière que leur plan soit incliné par rapport au plan de la couronne 112 et de la partie centrale 114. L'ensemble des ailettes 116 se présente ainsi comme une turbine dont les ailettes seraient fixes. Ces ailettes 116 induisent un mouvement dans l'écoulement des fumées dans le conduit 90, ce qui tend à homogénéiser le flux des fumées dans le condenseur et donc à favoriser l'échange thermique entre les fumées et le fluide à réchauffer circulant dans les conduites 92. REVENDICATIONS 1. Pot de détente pour le traitement de fumées notamment d'une chaudière à condensation (50), caractérisé en ce qu'il comprend: une enceinte étanche (10) comportant un fond (12), une paroi latérale (14) et un couvercle (16); une tubulure (20) raccordée à la sortie des fumées de ladite chaudière (50) et plongeant dans ladite enceinte (10) et présentant une extrémité ouverte (18a) horizontale; des moyens pour réaliser au fond de ladite enceinte (10) une couche d'eau (30) et pour maintenir la surface libre (31) de l'eau à une distance e au plus égale à 2 cm de ladite extrémité libre (18a) de la tubulure (20), cette extrémité (18a) étant disposée en regard de ladite surface libre (31); et une conduite (22) de sortie des fumées traitées dont une première extrémité est raccordée à la partie supérieure de ladite enceinte (10) et dont l'autre extrémité (26) est raccordée à une cheminée (24). 2. Pot de détente selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite distance e est de l'ordre de 0,5 cm. 3. Pot de détente selon l'une quelconques des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite couche d'eau (30) est constituée par les condensats de ladite chaudière (50). 4. Pot de détente selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mesurer le pH de ladite couche d'eau (30) et des moyens pour introduire dans ladite couche d'eau (30) une quantité dosée d'agent chimique pour maintenir le pH de l'eau à une valeur sensiblement égale à 7,5. 5. Pot de détente selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour maintenir la surface libre (31) de la couche d'eau (30) à un niveau prédéterminé comprennent un trop-plein (32) ménagé dans la paroi latérale (14) de ladite enceinte (10). 6. Installation de chaudière qui se caractérise en ce qu'elle comprend: un pot de détente pour le traitement des fumées selon l'une des revendications 1 à 5 une chaudière à condensation (50) comprenant une chambre de combustion (58) et un condenseur (60) formé par un conduit principal (90) pour le passage des fumées dont une extrémité est reliée à l'ouverture (86) de sortie des fumées de ladite chambre de combustion (58) et dont l'autre extrémité (91) est reliée à ladite tubulure (20) du pot de détente et par une pluralité de conduites (92) disposées en travers dudit conduit principal (90) et dans lesquelles circule le liquide à chauffer, ledit condenseur (60) comprenant en outre des moyens pour créer une turbulence des fumées circulant dans ledit conduit principal (90), lesdits moyens de création de turbulence étant disposés dans ledit conduit principal (90) entre lesdites conduites (92) de liquide et ladite ouverture (86) de sortie des fumées; et une cheminée (24) de sortie de fumées raccordée à ladite conduite de sortie (22) dudit pot de détente. 7. Installation de chaudière selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite cheminée (24) est munie d'une trappe (28) d'entrée d'air disposée au-dessus du raccordement (26) de la conduite de sortie (22) du pot de détente. 8. Installation de chaudière selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion (58) comporte un ensemble (100) de plaques (102) pleines disposées transversalement à la longueur de ladite chambre de combustion (58) et sensiblement parallèles les unes aux autres, lesdites plaques (102) formant chicanes pour la circulation des fumées et étant réalisées en un matériau favorisant leur rayonnement thermique sous l'effet de la température des fumées. 9. Installation de chaudière selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que ladite chambre (58) comporte une canalisation de récupération (93) des condensats résultant du refroidissement des fumées, ladite canalisation (93) étant raccordée à l'extrémité inférieure (34) de l'enceinte (10) du pot de détente pour créer ladite couche d'eau (30). 10. Installation de chaudière selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que les moyens de formation de turbulence comprennent une pluralité d'ailettes (116) rayonnantes montées transversalement dans le conduit principal (90) du condenseur (60).