Brevet FR2800856A1 — publié le 20010511

i La présente invention concerne les chaudières de chauffage fonctionnant à partir d'une énergie donnée, telle que le gaz ou le fioul, et destinées à assurer la montée en température d'un fluide caloporteur pouvant être utilisé à des fins diverses et, plus précisément, dans une installation de chauffage de locaux et, éventuellement, de chauffage d'une eau chaude sanitaire. L'objet de l'invention concerne, plus particulièrement, le domaine des chaudières de chauffage de type vertical. Pour assumer la fonction de chauffage d'un fluide caloporteur, une chaudière de chauffage de type vertical, comporte généralement un foyer fermé par une plaque foyère et délimitant, par son volume interne, un circuit pour la circulation des gaz et fumée produits par un brûleur, par exemple du type fioul ou gaz. La chaudière comporte également, un échangeur de chaleur entre le circuit de circulation des gaz et fumées et un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau. L'échangeur de chaleur est constitué, en général, par une série d'unités d'échange comprenant chacune, d'une part, un tube de gaz et fumées s'étendant verticalement et communiquant, à sa partie basse, avec le foyer et, d'autre part, une enveloppe d'échange délimitant avec le tube de gaz et fumées, une capacité d'échange pour le fluide caloporteur. Le brûleur assure la combustion dans le foyer, de sorte que les gaz et fumées sont astreints à s'élever à l'intérieur des tubes d'évacuation avant d'être recueillis dans une boite collectrice. Lors du fonctionnement du brûleur, il doit être considéré que le fluide caloporteur subit une montée en température et s'élève pour être recueilli dans une chambre de mélange équipée de tubulures de raccordement à au moins un circuit d'utilisation du fluide caloporteur. Une chaudière de chauffage du type décrit ci-dessus, présente un inconvénient majeur tenant au mauvais rendement de combustion et à un échange thermique insatisfaisant entre le foyer de combustion et le fluide caloporteur. Un autre inconvénient de ce type de chaudière est le niveau sonore relativement élevé qu'elle présente. L'objet de l'invention vise à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant une nouvelle chaudière de chauffage d'un fluide caloporteur permettant l'obtention d'un bon rendement de transformation de l'énergie utilisée. Un autre objet de l'invention est de proposer une chaudière de chauffage relativement silencieuse et conçue pour fonctionner à partir d'une énergie gaz ou fioul. Un objet encore de l'invention est de proposer une chaudière de chauffage conçue pour présenter un encombrement limité. Pour atteindre de tels objectifs, la chaudière de chauffage d'un fluide caloporteur comporte: - un foyer fermé par une plaque foyère et délimitant par son volume interne, un circuit de circulation des gaz et fumées produits par un brûleur, - et un échangeur de chaleur entre le circuit de circulation des gaz et fumées et un circuit de circulation du fluide caloporteur, l'échangeur de chaleur étant constitué par n unités d'échange comprenant chacune, d'une part, un tube de gaz et fumées s'étendant verticalement en communiquant, à sa partie basse, avec le foyer et, d'autre part, une enveloppe d'échange délimitant avec le tube, une capacité d'échange lamellaire de fluide. Selon l'invention, la plaque foyère: À comporte un passage pour une canalisation d'amenée d'un combustible jusqu'au brûleur, * comporte une prise pour l'air de combustion, ò délimite intérieurement un circuit de circulation pour l'air de combustion communiquant avec la prise d'air et débouchant dans un logement pour une turbine dont la sortie communique avec le brûleur, * et comporte un passage d'évacuation pour les gaz et fumées, raccordé à une chambre de collecte des gaz et fumées sortant de la partie haute des tubes de gaz et fumées, cette chambre de collecte étant fermée au moins en partie, par la plaque foyère, en vue d'assurer le préchauffage de l'air de combustion. Un autre objet de l'invention est de proposer une chaudière de chauffage conçue pour éviter la prolifération des bactéries dans le circuit de circulation du fluide caloporteur. A cet effet, la chaudière de chauffage est équipée d'une chambre de mélange comportant un fond à proximité duquel la ou les tubulures de raccordement pour le retour du fluide caloporteur sont montées, le fond présentant, d'une part, des orifices calibrés pour communiquer avec le fluide caloporteur provenant de la lame périmétrique et, d'autre part, une face externe en contact avec le fluide caloporteur provenant de la lame périmétrique. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation d'un exemple de réalisation d'une chaudière conforme à l'invention du type fioul. La fig. 2 est une vue en coupe transversale prise sensiblement selon les lignes II- II de la fig. 1. La fig. 3 est une vue d'un détail caractéristique de la chaudière de chauffage conforme à l'invention. Les fig. 4 et 5 sont des vues en coupe transversale prises respectivement selon les lignes IV-IV et V-V de la fig. 1. La fig. 6 est une coupe-élévation d'une chaudière de chauffage conforme à l'invention, du type gaz. Les fig. 1 et 2 illustrent une chaudière de chauffage conforme à l'invention fonctionnant avec une énergie du type fioul. Selon cet exemple de réalisation, la chaudière de chauffage comporte une enceinte 1 retenant, de manière classique, un revêtement réfractaire ou isolant non représenté. L'enceinte 1 délimite, par son dessus, une ouverture d'accès 2 qui est fermée par une plaque foyère 3 destinée à coopérer avec un joint périphérique d'étanchéité 4. Le volume interne délimité par l'enceinte 1 est en partie occupé par un foyer 5 constitué par une enveloppe 6 présentant une section droite transversale circulaire et fermée par un fond 6a légèrement bombé s'étendant à l'opposé de l'ouverture d'accès 2. L'enveloppe 6 délimite, entre le foyer 5 et l'ouverture d'accès 2, une chambre 7 de collecte des gaz et fumées dont la fonction apparaîtra plus précisément dans la suite de la description. L'enveloppe 6 délimite ainsi intérieurement un volume VI accessible par la plaque foyère 3. La partie inférieure du volume interne VI contient un échangeur de chaleur constitué par au moins une et, d'une manière générale, plusieurs unités d'échange 10, par exemple au nombre de huit, dans l'exemple illustré, réparties régulièrement selon une circonférence située à la périphérie de l'enveloppe 6, en vue de laisser libre la partie centrale Sa du foyer. Chaque unité d'échange 10 comprend un tube de gaz et fumées 12 s'étendant verticalement sur sensiblement toute la hauteur du foyer 5 en s'ouvrant, d'un côté, à proximité du fond 6a et, de l'autre côté, dans la chambre 7 de collecte des gaz et fumées. Par exemple, chaque tube de gaz et fumées 12 présente une section droite transversale circulaire. Chaque unité d'échange 10 comporte également une enveloppe d'échange 13 entourant à distance le tube 12 sur sa majeure partie pour délimiter une capacité lamellaire Ci pour un fluide caloporteur. Chaque enveloppe d'échange 13 est fermée sur la partie inférieure du tube associé 12 et se trouve fixée à une paroi transversale 14 se raccordant à l'enveloppe 6. Les capacités lamellaires Ci des unités d'échange 10 sont destinées à faire partie d'un circuit 16 de circulation d'un fluide caloporteur. Les capacités lamellaires Ci débouchent par des passages de communication 17 réalisés à la partie supérieure des tubes 12, dans une chambre de mélange 18 délimitée en partie par l'enveloppe 6 et par un caisson 19 périphérique entourant le foyer 5 au niveau de sa partie supérieure et la chambre de collecte des gaz et fumées 7 au niveau de sa partie inférieure. Le caisson 19 qui délimite un volume interne C2, se trouve prolongé par une plaque annulaire 21 sur laquelle sont fixés les tubes de gaz et fumées 12. La plaque annulaire 21 s'étend à distance de la paroi transversale 14 qui se trouve reliée à la plaque 21 au niveau de leurs bords extrêmes, de manière à laisser subsister entre la chambre 7 et le foyer 5, une ouverture 22. Le caisson 19 est équipé de tubulures de raccordement à au moins un circuit d'utilisation du fluide caloporteur. Dans l'exemple illustré, le caisson 19 est équipé, à sa partie haute, d'une tubulure de sortie 23a et, à sa partie inférieure, d'une tubulure de retour 23b. La chambre de mélange 18 communique, à sa partie inférieure, avec une lame périmétrique C3 délimitée entre la partie inférieure de l'enveloppe 6 et une coiffe externe 24. Cette coiffe 24 s'étend à distance de l'enveloppe 6 pour délimiter avec elle une lame périmétrique ou une capacité C3 de faible largeur sensiblement constante. Il doit être considéré que la lame périmétrique C3, la chambre de mélange 18 de capacité C2 et les capacités lamellaires Ci des unités d'échange, représentent ainsi le circuit 16 de circulation d'un fluide caloporteur pouvant être prélevé et ramené par des tubulures de raccordement 23a, 23b. Selon une caractéristique préférée de réalisation et tel que cela apparaît plus précisément aux fig. 2 et 3, la chambre de mélange 18 communique avec la lame périmétrique C3 par l'intermédiaire d'une série d'orifices calibrés 26 aménagés régulièrement dans un fond 27 de la chambre de mélange, formé par exemple, par un retour de l'enveloppe 6. Le nombre et la section de passage des orifices calibrés 26 sont choisis pour permettre de déterminer le passage du fluide caloporteur de la lame périmétrique C3 vers la chambre de mélange 18. Le fond 27 de la chambre de mélange 18 présente ainsi une face externe 27a qui se trouve en contact avec le fluide caloporteur provenant de la lame périmétrique C3. A cet effet, la coiffe 24 est prolongée par une collerette 29 s'étendant à distance du fond 27 pour permettre à la totalité de la face externe 27a du fond d'être en contact avec le fluide caloporteur provenant de la lame périmétrique C3. Une telle disposition offre l'avantage que le fond 27 de la chambre de mélange 18 dans laquelle débouche le retour de l'installation 23b, présente une température chaude suffisante, afin d'éviter de constituer une zone froide ou de stagnation d'un fluide caloporteur à une température favorisant la prolifération des bactéries. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la chambre de collecte des gaz et fumées 7 est fermée par la plaque foyère 3 comportant une prise 31 pour l'air de combustion communiquant avec un circuit 32 de circulation pour l'air de combustion. Comme illustré aux fig. 4 et 5, le circuit de circulation d'air 32 est aménagé dans la plaque foyère 3, de manière à assurer le cheminement de l'air selon un trajet déterminé représenté par les flèches f. L'air de combustion pénètre par la prise d'air 31, à l'intérieur de la plaque foyère 3 et se trouve récupéré par un passage 33 débouchant dans un logement ou une volute 34 aménagée dans la plaque foyère 3. La volute 34 est destinée à être occupée en partie, par une turbine 35 entraînée en rotation par l'intermédiaire d'un moteur 36 fixé sur la face externe de la plaque foyère 3. La volute 34 comporte une sortie 37 débouchant dans un brûleur 39 monté dans la région centrale de la chambre 7 de collecte des gaz et fumées. Le brûleur 39, qui est du type à fioul dans l'exemple illustré, est entouré d'un manchon d'isolation thermique 40 monté sur la plaque annulaire 21, permettant ainsi au brûleur 39 de s'ouvrir à l'intérieur du foyer 5, dans sa partie centrale Sa, par l'intermédiaire de l'ouverture 22. Dans l'exemple de réalisation illustré, le brûleur 39 est associé à une canalisation 43 d'amenée du fioul jusqu'à un gicleur 44 situé à la partie basse du brûleur 39. La canalisation d'amenée 43 traverse la plaque foyère 3 par l'intermédiaire d'un passage 45 et se trouve raccordée à une pompe 48 fixée sur la face externe de ladite plaque 3. De façon avantageuse, la canalisation d'amenée 43 traverse au moins en partie, le circuit 32 de circulation d'air de combustion, de manière à permettre le réchauffage du fioul par échange thermique entre le fioul et l'air de combustion par l'intermédiaire de la canalisation d'amenée 43. Dans l'exemple illustré, la canalisation d'amenée 43 traverse transversalement le circuit de circulation d'air de combustion 32 et comporte plusieurs spires conformées au niveau de la sortie 37 de la volute, de manière à favoriser l'élévation de température du fioul. La plaque foyère 3 comporte, sur sa face interne, un revêtement d'isolation thermique 50 destiné à venir fermer l'ouverture 2 d'accès au foyer 5. La plaque foyère 3 comporte également un passage 52 d'évacuation des gaz et fumées communiquant avec la chambre de collecte 7 qui récupère les gaz et fumées sortant des tubes 12. n est à noter que cette chambre de collecte 7 constitue également une chambre de détente pour les gaz et fumées sortant des tubes 12. Il est à noter que la hauteur de cette chambre de collecte 7 est adaptée pour permettre de réduire le bruit de détente des gaz et fumées. Le passage d'évacuation 52 est réalisé par un manchon, par exemple coudé, traversant la plaque foyère 3. De préférence, un tel manchon 52 est monté à l'intérieur d'une manche coudée formant la prise d'air 31. Le montage concentrique de la prise d'air 31 et du manchon d'évacuation des gaz et fumées 52 permet d'élever la température de l'air de combustion à l'aide des parois du manchon 52 constituant une capacité d'échange avec l'air de combustion. Dans le même sens, le cheminement forcé de l'air de combustion à l'intérieur de la plaque foyère 3, permet également d'assurer l'élévation de la température de l'air de combustion en raison de la chaleur apportée à la plaque foyère 3 grâce à la chambre de collecte 7. De plus, l'air de combustion ainsi réchauffé sert avantageusement à réchauffer également le fioul avant sa combustion. L'élévation de la température de l'air de combustion et du fioul permet d'obtenir un bon de rendement de combustion. Le brûleur 39 permet d'assurer la combustion dans le foyer 5 et de faire circuler les gaz et fumées dans le sens des flèches fi. Les gaz et fumées sont astreints à descendre dans la partie centrale du foyer 5 en léchant les enveloppes d'échange 13, pour ensuite s'élever à l'intérieur des tubes 12 qui subissent également une montée en température. Ces gaz et fumées sont ensuite recueillis dans la chambre de collecte 7, en vue d'être évacués par le passage d'évacuation 52. Le fonctionnement du brûleur 39 conduit à une forte montée en température de l'enveloppe 6 et des enveloppes d'échange 13, qui est transmise au fluide caloporteur occupant la lame périmétrique C3 et les capacités lamellaires C2 des unités d'échange. Ces capacités de fluide montent très vite en température et s'élèvent verticalement pour pénétrer dans la chambre de mélange 7, à sa partie basse par les orifices calibrés 26 et, à sa partie haute, par les passages de communication 17. Un tel transfert de fluide provoque une montée rapide en température du fluide caloporteur contenu dans la chambre de mélange 18. I apparaît que l'échangeur de chaleur constitué de la lame périmétrique C3 et des capacités lamellaires C2, met en oeuvre un volume limité de fluide permettant de réduire le temps de montée en température du fluide. I doit être noté que la réalisation d'une plaque foyère 3 qui permet par nature de fermer le foyer 5, offre l'avantage d'assurer un préchauffage de l'air de combustion, ainsi que du fioul par l'intermédiaire des gaz et fumées présents dans la chambre de collecte 7 et évacués par le passage 52. Cette plaque foyère 3 est montée de toute manière appropriée sur l'extrémité supérieure de l'enveloppe 6. Un autre avantage de l'invention réside dans la disposition de l'échangeur dans la partie basse du foyer et du brûleur dans la partie haute. En effet, il résulte de cette disposition une répartition plus régulière sur les surfaces d'échange, des gaz et fumées qui suivent un mouvement imposé permettant d'obtenir un bon rendement de l'énergie consommée. La disposition du brûleur dans la partie haute du foyer, permet également d'éliminer les problèmes d'absorption des poussières, de favoriser son accès et son entretien et d'adapter un autre type de brûleur, par exemple du type à gaz. La fig. 6 illustre un exemple de réalisation d'une chaudière de chauffage du type à gaz. La chaudière de chauffage du type à gaz est constituée de la même façon que la chaudière de chauffage du type à fioul décrite aux fig. 1 à 5. A ce sujet, les références utilisées pour la chaudière de chauffage du type à fioul sont conservées. La principale modification concerne le brûleur 39 qui est du type à gaz et la canalisation d'amenée de gaz 43 qui débouche dans la plaque foyère au niveau de la sortie 37 de la volute 34. Le gaz se trouve ainsi mélangé avec l'air issu de la volute 34 dans une enceinte de mélange 39' faisant partie du brûleur 39. Cette canalisation d'amenée de gaz 43 est reliée à une vanne de commande 48' fixée sur la face externe de la plaque foyère 3 et permettant de commander l'alimentation ou l'arrêt en gaz. n est à noter que dans cette variante de réalisation, la chambre de détente 7 présente une hauteur réduite par rapport à la chambre 7 faisant partie d'une chaudière de chauffage du type fioul. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Chaudière de chauffage d'un fluide caloporteur comportant: - un foyer (5) fermé par une plaque foyère (3) et délimitant par son volume interne, un circuit de circulation des gaz et fumées produits par un brûleur (39), - et un échangeur de chaleur entre le circuit de circulation des gaz et fumées et un circuit (16) de circulation du fluide caloporteur, l'échangeur de chaleur étant constitué par n unités d'échange (10) comprenant chacune, d'une part, un tube de gaz et fumées (12) s'étendant verticalement en communiquant, à sa partie basse, avec le foyer (5) et, d'autre part, une enveloppe d'échange (13) délimitant avec le tube (12), une capacité d'échange lamellaire de fluide (CI), caractérisée en ce que la plaque foyère (3): comporte un passage (45) pour une canalisation (43) d'amenée d'un combustible jusqu'au brûleur (39), * comporte une prise (31) pour l'air de combustion, * délimite intérieurement un circuit (32) de circulation pour l'air de combustion communiquant avec la prise d'air (31) et débouchant dans un logement (34) pour une turbine (35) dont la sortie (37) communique avec le brûleur (39), et comporte un passage d'évacuation (52) pour les gaz et fumées, raccordé à une chambre (7) de collecte des gaz et fumées sortant de la partie haute des tubes de gaz et fumées (12), cette chambre de collecte (7) étant fermée au moins en partie, par la plaque foyère (3), en vue d'assurer le préchauffage de l'air de combustion. 2 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la canalisation d'amenée d'un combustible (43) est montée pour traverser, au moins en partie, le circuit de circulation pour l'air de combustion préchauffé, en vue d'assurer le réchauffage du combustible préalablement à sa combustion. 3 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de collecte des gaz et fumées (7) comporte une hauteur adaptée pour assurer la détente des gaz et fumées sortant de la partie haute des tubes de gaz et fumées (12). 4 - Chaudière selon la revendication I ou 3, caractérisée en ce que la chambre de collecte des gaz et fumées (7) s'étend au-dessus du foyer (5) qui délimite entre une enveloppe (6) et une coiffe (24), un intervalle de faible largeur, sensiblement constante, pour constituer une lame périmétrique (C3) de fluide caloporteur faisant partie du circuit (16) de circulation du fluide caloporteur. - Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que la lame périmétrique (C3) communique, à sa partie supérieure, avec une chambre de mélange (18) équipée de tubulures de raccordement (23a, 23b) à au moins un circuit d'utilisation du fluide caloporteur. 6 - Chaudière selon la revendication 5, caractérisée en ce que la chambre de mélange (18) comporte un fond (27) à proximité duquel la ou les tubulures de raccordement pour le retour du fluide caloporteur sont montées, le fond (27) présentant, d'une part, des orifices calibrés (26) pour communiquer avec le fluide caloporteur provenant de la lame périmétrique (C3) et, d'autre part, une face externe en contact avec le fluide caloporteur provenant de la lame périmétrique (C3). 7 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la prise d'air de combustion (31) entoure concentriquement le passage d'évacuation des gaz et fumées (52) pour permettre le réchauffage de l'air de combustion. 8 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de collecte des gaz et fumées (7) comporte dans sa partie centrale, le brûleur (39) entouré d'un manchon d'isolation thermique (40). 9 - Chaudière selon la revendication 8, caractérisée en ce que le brûleur (39) s'ouvre dans la partie centrale (Sa) du foyer, dont les unités d'échanges (10) sont réparties selon une circonférence située à la périphérie du foyer. - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque foyère (3) est équipée du côté du foyer, d'un revêtement d'isolation thermique (50).