Brevet FR2775338A1 — publié le 19990827

La présente invention a pour objet un échangeur air / eau méthodique qui grâce à l'évaporation d'un film d'eau chaude descendant va produire une eau froide destinée à améliorer la performance de la condensation de la chaleur latente résiduelle contenue dans la fumée des chaudières équipées de condenseurs à voie humide. Cet appareil va permettre d'étendre le champ d'application des chaudières à condensation par voie humide utilisant l'eau comme fluide caloporteur et produisant de la chaleur par combustion d'hydrocarbures, et est surtout destiné à l'habitat et en particulier à l'habitat collectif. La valorisation de l'énergie est aujourd'hui une donnée fondamentale dès lors que l'on envisage la conception d'un moyen de chauffage. Cette préoccupation fut à la base du développement de la chaudière à condensation. En effet, les transferts thermiques du changement d'état de l'eau mettent en jeu des quantités bien plus importantes que les transferts par conduction et rayonnement. Les chaudières à condensation envisagées ici sont du type comportant un condenseur constitué d'un échangeur à contact direct entre l'eau de retour du circuit de chauffage et les fumées produites par la combustion. Ces appareils tirent parti de la présence de vapeur d'eau dans les produits de combustion des hydrocarbures et notamment du gaz naturel. La théorie démontre que la condensation de la vapeur d'eau lors de la combustion d'hydrocarbures tels que le gaz naturel est d'autant plus importante (et la chaleur associée quantitativement élevée) que la température des produits de combustion rejetés par un système thermique est basse. En dimensionnant correctement le condenseur, on peut obtenir qu'il n'y ait pratiquement pas d'écart de température entre la température de l'eau à l'entrée de l'échangeur et les produits de combustion sortants du système. Par exemple, le brevet français NO FR 2 509 029, déposé par MM DESPLATS, HERBEPIN, NOBILET et PARE, décrit un dispositif récupérateur de calories à condensation par ruissellement d'un capteur formé par des anneaux en résine synthétique ou céramique s'imbriquant les uns dans les autres et positionnés en vrac, disposés a la sortie de la chambre de combustion et recevant à contre-courant en circuit fermé l'eau de récupération du circuit de chauffage. Cependant, à la sortie d'un circuit de chauffage d'habitations, la température de l'eau, et donc des fumées rejetées à l'atmosphère dans le meilleur des cas, est de l'ordre de 60 à 700C, température supérieure au point de rosée des gaz de combustion, ce qui ne permet pas un bon rendement de la condensation. C'est la raison pour laquelle les chaudière à condensation ne sont pas utilisées dans l'habitat. En outre, la différence entre la température de sortie des fumées et celle de l'air ambiant (généralement inférieure à 100C en période de chauffage) entraîne une perte d'énergie non négligeable. Les thermiciens ont depuis quelques années cherché à abaisser cet écart. Toutefois, l'état de l'art en la matière n'a jamais donné pleine satisfaction. Le développement des solutions envisagées est limité par une technologie trop complexe à mettre en oeuvre : brûleurs spécialement conçus pour l'application, "pompes à vapeur d'eau" nécessitant deux enceintes d'échange thermique en plus de celle du condenseur, équipements périphériques trop nombreux, entraînant des coûts de réalisation élevés. La présente invention a pour objectif de remédier à ces inconvénients. Elle permet en effet de réaliser des chaudières fiables et peu encombrantes utilisables en particulier pour les immeubles d'habitation collective d'un encombrement réduit, ces chaudières présentant non seulement un excellent rendement entraînant une consommation d'énergie réduite, mais également un faible taux de pollution dû surtout au lavage des fumées qui permet de piéger les acidités des produits de combustion et de diminuer le rejet des oxydes d'azote dans l'atmosphère. Elle est constituée d'une chaudière brûlant des hydrocarbures et notamment de gaz naturel comportant une colonne de condensation traversée de bas en haut par les gaz de combustion et un échangeur à contre-courant à contact direct air-eau recevant en partie basse l'air comburant destiné au brûleur et en partie haute de d'eau chaude prélevée au départ du circuit de chauffage, cette eau, refroidie à 10-15 OC par évaporation et transfert massique, aboutissant à la partie supérieure de la colonne de condensation qui reçoit à mi-hauteur l'eau de retour du circuit de chauffage, la colonne et l'échangeur étant tous deux remplis d'anneaux de céramique de manière à présenter une grande surface d'échange thermique. Sur le dessin schématique annexé, donné à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention, la figure 1 représente une coupe verticale d'une chaudière intégrant un condenseur et un échangeur air-eau. Le dispositif est constitué d'une chaudière à brûleur 1 placé verticalement et dont la flamme 2 se développe directement sur une réserve d'eau 3 située au fond de la cuve 4 de combustion et alimentant le circuit de chauffage. Afin de réduire les pertes d'énergie liées à la température élevées des fumées, un condenseur 5 est placé à la sortie de la chaudière, intégré à cette dernière. Ce condenseur est constitué d'un échangeur à contre-courant composé d'une colonne verticale remplie de cylindres creux en céramique 6 ("anneaux de Raschig"), et en partie très basse, sur une hauteur de 100 mm, par des anneaux 6" en acier inoxydable. Les fumées remontent dans cette colonne qui est arrosée par l'eau de retour du circuit de chauffage 7 via une rampe basse 8 de distribution placée à mi-hauteur de la colonne. Le condenseur pénètre d'environ trente cm à l'intérieur de la cuve 4, ce qui permet de réduire la hauteur totale de la chaudière. La vapeur d'eau contenue dans les fumées se condense, les gaz sont refroidis par transfert de chaleur à l'eau qui s'écoule directement dans la cuve 4. Le contact eau-fumées est direct et la grande surface d'échange assurée par les "anneaux de Raschig" 6 permet de ramener la température des produits de combustion, au niveau de la rampe de distribution 8, à quelques degrés au-dessus de la température de l'eau de retour. Pour abaisser encore la température des fumées, une source froide est créée au moyen d'une évaporation d'eau dans un échangeur 9 traversé par l'air comburant et disposé au-dessus du condenseur 5, dans le prolongement de celui-ci. Cet aéro-refroidisseur d'eau est conçu comme un échangeur à contre-courant à contact direct air-eau (de même type que le condenseur), dans lequel s'écoule de l'eau chaude extraite de la cuve par un circulateur 10 et alimentant une rampe d'aspersion 11 disposée au-dessus d'un garnissage d' "anneaux de Raschig" 6'. Au sein de l'évaporateur, se produit simultanément un transfert de matière par évaporation de l'eau et un transfert de chaleur (chaleur latente de changement d'état). L'eau s'écoulant est refroidie jusqu'à 10-150C et utilisée pour alimenter directement la colonne de condensation au moyen d'une rampe haute 12 de distribution placée à la partie supérieure du condenseur 5 et reliée au fond de l'enceinte de l'aéro-refroidisseur 9 par un tube 13 plongeant dans un point bas de la rampe 12 pour faire étanchéité aux fumées. Au bas de l'échangeur 9, des ouvertures 14 permettent l'admission d'air ambiant. Pour chacune de ces ouvertures, un volet de tôle incliné vers l'intérieur empêche l'écoulement de l'eau à l'extérieur de la chaudière. L'air chauffé est conduit du sommet de l'aérorefroidisseur 9 jusqu'au brûleur 1 par un conduit 15 longeant par l'extérieur laéro-refroidisseur et le condenseur 5. Ce conduit aboutit à une cage récupératrice remplaçant la boîte à air habituelle du brûleur et positionnée sous ce dernier au niveau de l'aspiration d'air. Une partie de l'air chauffé est utilisée comme air comburant, l'autre est conduite en périphérie de flamme par effet Venturi grâce à un manchon cylindrique 17 perforé entourant la tête du brûleur. Un volet réglable (non représenté) permet l'apport d'air ambiant. La présence des anneaux de Raschig dans la colonne de condensation, impose une surpression dans la cuve 4 de la chaudière qui risque d'être trop élevée pour les caractéristiques du brûleur 1. I1 y sera remédié en utilisant un ventilateur 18 aspirant les fumées à la sortie du condenseur 5 et alimentant la cheminée 19 d'évacuation. Toutes les pièces soumises à de fortes températures, et en particulier la partie basse du condenseur 5, sont soit immergées dans l'eau de chaudière, soit conçues en double paroi 20 refroidies par un écoulement permanent d'eau. L'étanchéité aux fumées est obtenue au moyen d'éléments des pièces à positionner sur la cuve 4 plongeant dans l'eau de la double paroi de cette dernière. L'aéro-refroidisseur 9 peut être conçu pour s'adapter sur des chaudières à condensation existantes, et en particulier sur des chaudière à condenseur intégré. L'ensemble est complété par une armoire 21 de commande et de régulation contrôlant la mise en route ou l'arrêt du brûleur, de la pompe primaire 22 du circuit de chauffage, du circulateur 10 et du ventilateur d'aspiration 18, ainsi que des électrovannes des circuits d'eau, en fonction des signaux reçus des différents capteurs de l'installation (non représentés). Cette armoire peut avantageusement être intégrée à la chaudière, ce qui permet de concevoir des ensembles monoblocs assemblés et câblés en usine dont l'installation est simplifiée au maximum. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires. REVENDICATIONS 1". Chaudière à condenseur de fumées et aérorefroidisseur d'eau par l'air comburant, destinée aux installations utilisant l'eau comme fluide caloporteur et produisant de la chaleur par combustion d'hydrocarbures, notamment de gaz naturel, et en particulier aux installations de chauffage des immeubles d'habitation collective, caractérisée par la combinaison d'une chaudière à brûleur (1), d'un condenseur (5) formé d'une colonne traversée de bas en haut par les gaz de combustion et d'un aéro-refroidisseur (9) constitué d'un échangeur à contre-courant à contact direct air-eau recevant en partie basse l'air comburant destiné au brûleur et en partie haute de d'eau chaude prélevée au départ du circuit de chauffage (7), cette eau, refroidie par évaporation et transfert massique, aboutissant à la partie supérieure du condenseur (5) qui reçoit à mihauteur l'eau de retour du circuit de chauffage (7). 20. Chaudière selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que l'aéro-refroidisseur (9) est déterminé pour que l'eau provenant du départ du circuit de chauffage (7) soit refroidie à 10-150C à la sortie dudit aéro-refroidisseur. 3 . Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la colonne du condenseur (5) et l'aéro-refroidisseur (9) sont tous deux remplis d'anneaux de céramique (6, 6') du type "anneaux de Raschig" et d'anneaux en acier inoxydable (6") au bas du condenseur, de manière à présenter une grande surface d'échange thermique. 40. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'air chauffé est conduit du sommet de l'aéro- refroidisseur (9) jusqu'au brûleur (1) par un conduit (15) longeant par l'extérieur ledit aéro-refroidisseur et le condenseur (5), ledit conduit aboutissant à une cage récupératrice (16) positionnée sous le brûleur au niveau de l'aspiration d'air, une partie de l'air saturé étant utilisée comme air comburant et la partie restante étant conduite en périphérie de flamme (2) par effet Venturi grâce à un manchon cylindrique (17) entourant la tête du brûleur (1), un volet réglable permettant l'apport d'air ambiant. 50. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait qu'elle est du type dans lequel la flamme (2) du brûleur (1) se développe directement sur une réserve d'eau (3) située au fond de la cuve (4) de combustion et alimentant le circuit de chauffage. 60. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que le condenseur (5) est placé à la sortie de ladite chaudière et intégré à cette dernière, et en ce que l'aéro-refroidisseur (9) est disposé au-dessus dudit condenseur, dans le prolongement de celui-ci, l'eau cascadant dans l'aéro-refroidisseur étant utilisée pour alimenter directement la colonne de condensation par un tube (13) partant du fond dudit aéro-refroidisseur et aboutissant à une rampe haute (12) de distribution placée à la partie supérieure dudit condenseur. 7 . Chaudière selon la revendication 6, se caractérisant par le fait que le condenseur (5) pénètre d'environ trente centimètres à l'intérieur de la cuve (4), de manière à réduire la hauteur totale de la chaudière. 80. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, se caractérisant par le fait qu'elle comporte une armoire (21) de commande et de régulation intégrée, de manière à former un ensemble monobloc assemblé et câblé en usine. 90. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et 8, se caractérisant par le fait qu'elle est constituée d'une chaudière à condenseur (5) de fumées existante et d'un aéro-refroidisseur (9) conçu pour s'adapter sur ce type de chaudières. 10 . Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'aéro-refroidisseur (9) comporte des ouvertures (14) d'admission d'air ambiant disposées en partie basse, chacune de ces ouvertures comportant un volet de tôle incliné vers l'intérieur de façon à empêcher l'écoulement de l'eau à l'extérieur dudit aéro-refroidisseur.