Brevet FR2879726A1 — publié le 20060623

CHAUDIÈRE COMPORTANT UN INSERT MUNI DE COUPELLES PLACÉ DANS LE TUBE DE CHAUFFE La présente invention concerne une chaudière à corps 5 de chauffe tubulaire munie d'un système de chicanage, destinée au chauffage domestique ou industriel. On connaît le principe général de telles chaudières. À titre d'exemple, le brevet européen EP0981024 décrit une chaudière comprenant: É une chemise d'eau qui est raccordée à une conduite d'aller et une conduite de retour, É une chambre de combustion située dans la partie supérieure de la chemise d'eau, É un brûleur qui est joint à la chambre de 15 combustion, et É au moins un tube de chauffe qui traverse vers le bas depuis le brûleur la chemise d'eau, communique avec une conduite de fumées et contient un certain nombre d'éléments directeurs de fumées, É le tube de chauffe sortant vers le haut de la chemise d'eau et sa partie supérieure formant la chambre de combustion, É le brûleur étant un brûleur plongeant et étant placé, dirigé vers le bas, sur l'extrémité supérieure du 25 tube de chauffe, et É les éléments directeurs de fumées étant en forme de pot, leur bord supérieur saillant radialement vers l'extérieur étant contigu au tube de chauffe et leur paroi latérale présentant des ouvertures de passage du genre buse. Un autre brevet européen, publié sous le numéro EP0191147A1 décrit une chaudière à gaz ou à huile comportant une chemise d'eau verticale sensiblement cylindrique, une chambre de combustion pour un brûleur situé à l'extrémité supérieure de la chaudière et au moins 2879726 2 un tube chauffant monté dans la chemise d'eau et conduisant de la chambre de combustion à un collecteur de fumées situé à l'extrémité inférieure de la chaudière. Le tube chauffant contient des pièces d'insertion conductrice en forme de pots qui sont insérés les unes au-dessus des autres. Le bord supérieur de ces pots est au contact de la paroi du tube chauffant. La partie basse du pot située à une certaine distance de la paroi du tube comporte des ouvertures de passage orientées radialement pour plusieurs jets de fumée dirigés vers la paroi du tube. Le tube chauffant comporte au moins sur la moitié inférieure de sa longueur un côté intérieur résistant à la corrosion. Le collecteur de fumées comporte, sous l'orifice du tube chauffant, une cavité qui reçoit les condensats et peut être vidangée. Ces différentes réalisations ne sont pas satisfaisantes, car les pots proches du brûleur sont très exposés à la température élevée des produits de combustion et au rayonnement du brûleur ce qui provoque rapidement une dégradation et une déformation des fonds de ces pots. Par ailleurs, l'échangeur des chaudières selon cet art antérieur est saturé dans sa partie haute car la différence de température entre les produits de combustion et l'eau est très élevée, des phénomènes d'ébullition de l'eau de l'échangeur sont même susceptibles d'apparaître dans certains cas d'utilisation extrême dans la zone supérieure du corps de chauffe. Ce phénomène peut aboutir à la destruction de la paroi de la chemise d'eau, la vaporisation de l'eau diminuant brutalement la conductivité thermique et accélérant le processus de surchauffe. Un autre problème des échangeurs de l'état de la technique est la restitution importante de chaleur emmagasinée par les chicanes après l'arrêt du brûleur. On a 2879726 3 donc intérêt à diminuer au maximum la masse du système de chicanage. Afin de remédier à ces inconvénients des chaudières selon l'art antérieur, la présente invention concerne selon son acception la plus générale une chaudière comportant un corps de chauffe dont les parois communiquent avec une chemise d'eau, le corps de chauffe étant muni dans sa partie supérieure d'un brûleur et d'au moins un insert transversal, caractérisé en ce que ledit insert est constitué par un assemblage de coupelles annulaires présentant une ouverture centrale présentant préférentiellement une section supérieure à 30% de la section intérieure du corps de chauffe Le système de chicanes annulaires selon l'invention permet d'augmenter le nombre de chicanes et en conséquence le rendement de l'échangeur, en augmentant très peu le poids de l'ensemble. La masse du système de chicanage selon l'invention est nettement inférieure à celui des solutions de l'art antérieur mettant en uvre des pots, dont le fond représente une partie significative de la masse. De préférence, les coupelles annulaires présentent une bordure périphérique sensiblement dans un premier plan transversal, prolongée par une partie tubulaire coaxiale avec le corps de chauffe, cette partie tubulaire étant prolongée par une couronne intérieure sensiblement dans un second plan transversal. Avantageusement, le premier plan transversal est plus proche du brûleur que ledit second plan transversal. Selon un mode de réalisation préféré, la partie tubulaire des coupelles présente des perforations. Selon un premier mode de réalisation, lesdites coupelles sont solidaires d'un moyeu tubulaire central creux. 2879726 4 Selon un mode de réalisation particulier, la paroi dudit moyeu tubulaire central présente des perforations. Selon une variante préférée, les perforations sont formées dans une section intermédiaire et en ce que ledit moyeu est obturé par un bouchon transversal disposé en dessous de la section intermédiaire. Selon une autre variante, l'insert est creux et présente un bouchon dans sa partie inférieure. Lorsque le bouchage du tube central est réalisé au milieu ou au fond du tube, il sera moins sollicité en température par les produits de combustion et par le rayonnement du brûleur. L'utilisation d'un tube central bouché au centre ou dans sa partie basse permet de faire circuler une partie des produits de combustion au centre du tube pour diminuer l'échange dans la partie supérieure de l'échangeur (diminution des vitesses et diminution de la quantité de produit de combustion introduit dans l'échangeur). Le tube central percé en différents endroits permet d'introduire des produits de combustion très chauds à des niveaux choisis de l'échangeur. Selon un mode de mise en uvre particulier, le brûleur produit une flamme périphérique orientée sensiblement radialement. Selon une deuxième variante, lesdites coupelles présentent un prolongement inférieur pour le gerbage des coupelles superposées. Avantageusement, lesdites coupelles présentent un prolongement tubulaire dont la section correspond sensiblement à la section de l'ouverture centrale. Selon un mode de réalisation particulier, lesdites coupelles sont préassemblées par séries de N coupelles. 2879726 5 Selon une variante, l'insert est fermé à sa partie supérieure par un bouchon venant obturer le canal intérieur de l'insert. Selon une autre variante, l'insert est fermé à sa 5 partie supérieure par un bouchon en forme de coupelle ou de dôme venant obturer le canal intérieur de l'insert. Avantageusement, le bouchon présente un moyen de centrage venant coopérer avec un moyen complémentaire 10 prévoir dans le fond du brûleur. Ce moyen de centrage peut être constitué par un téton en érection venant se loger dans une cavité complémentaire (56) prévue dans le fond du brûleur, afin de bloquer l'empilement de coupelles en position centrée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés correspondant à des modes de réalisation non limitatifs, où . É la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation d'une chaudière selon l'invention, avec un brûleur à flamme périphérique, É la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation d'une chaudière selon l'invention, avec un brûleur à flamme axiale, É la figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un troisième exemple de réalisation d'une chaudière selon l'invention, avec un brûleur à flamme périphérique, É les figures 4 et 5 représentent des vues partielles respectivement en coupe transversale et en perspective d'une coupelle 2879726 6 É la figure 6 représente une vue en coupe d'une chaudière selon un autre exemple de réalisation, É la figure 7 représente une vue agrandie en perspective d'un insert pour une chaudière selon l'exemple 5 précédent ^ les figures 8 à 13 représentent des vues de différentes variantes de réalisation des coupelles selon l'invention. La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation d'une chaudière selon l'invention, avec un brûleur à flamme périphérique. La chaudière présente un corps de chauffe (1) disposé verticalement. Il contient une chemise d'eau (2) tubulaire, séparé d'un tube de chauffe (3) par une paroi cylindrique (4). Le brûleur (5) plonge dans le tube de chauffe (3). Dans l'exemple décrit, il s'agit d'un brûleur radial, produisant des flammes périphériques (6). Un insert (7) est disposé verticalement à l'intérieur du tube de chauffe (3). Il est formé par un élément tubulaire creux (8) présentant une section supérieur à la moitié de la section intérieure du tube de chauffe (3). Cet insert comporte aussi quatre coupelles (9 à 12) soudées sur l'élément tubulaire (7), et venant au contact avec la paroi cylindrique (4) séparant le tube de chauffe (3) de la chemise d'eau (2). Ces coupelles (9 à 10) présentent une ouverture centrale pour le passage de l'élément tubulaire (7). Elles présentent une forme de cuvette, avec un bord périphérique (13) venant en contact avec la paroi (4) et s'étendant dans un plan transversal. Ce bord (13) est prolongé par une partie tubulaire (14) présentant des perforations (16). Cette partie tubulaire (14) est reliée à l'élément 2879726 7 tubulaire (7) par une partie annulaire (15) s'étendant dans un plan transversal. L'élément tubulaire (7) est ouvert à sa partie supérieure. Son fond est fermé par un bouchon d'obturation 5 (17). Dans la partie inférieure du corps de chauffe, un conduit (18) permet l'évacuation des fumées. La figure 2 représente une variante de réalisation qui ne diffère que par le fait que le brûleur (5) est un brûleur plongeant produisant une flamme (20) dirigée principalement selon l'axe longitudinal du corps de chauffe. La figure 3 représente une autre variante de réalisation dans laquelle le brûleur (5) est un brûleur 15 radial. L'élément tubulaire (7) présente des perforations (21) à mi- hauteur, pour permettre le passage d'une partie des fumées venant à travers l'ouverture supérieure, le reste des fumées circulant par le système de chicanes formées par les coupelles (9 à 12'). L'élément tubulaire (7) est obturé par un bouchon (22) à mi- hauteur, en dessous des perforations (21). Les figures 4 et 5 représentent des vues partielles respectivement en coupe transversale et en perspective d'une coupelle, selon un autre mode de réalisation. Les coupelles ne sont pas soudées sur un élément tubulaire comme dans les trois exemples précédents. Il s'agit de coupelles gerbables et auto-centrées. La coupelle selon ce mode alternatif de réalisation ressemble à un moule à savarin. Il présente une cavité (30) sensiblement annulaire, délimitée par une paroi extérieure tubulaire (14) et une paroi intérieure légèrement conique (31) et fermée par un fond (15). La paroi extérieure (14) est prolongée par une bordure périphérique (13) venant au 2879726 8 contact de la paroi (4) séparant le tube de chauffe de la chemise d'eau. La paroi intérieure (31) présente à sa partie inférieure un épaulement (32) venant en appui sur le bord supérieur (33) de la paroi tubulaire intérieure de la coupelle précédente. Pour cela, la paroi intérieure (31) présente une partie tubulaire de section élargie, en dessous dudit épaulement (32) et ensuite une partie tubulaire de section légèrement réduite. Mais il serait également possible de réaliser cet épaulement sous la forme d'un jonc protubérant formé à la surface intérieure d'une paroi tubulaire de section constante, ou encore sous la forme d'une paroi intérieure conique de section décroissante vers le haut. La paroi extérieure (13) est munie de deux séries de lumières (16) présentant chacune un diamètre correspondant sensiblement au quart de la hauteur de la paroi (13). Dans ce mode de réalisation, le canal délimité par les parois intérieures (31) des coupelles superposées est bouché par une plaque d'obturation (35) augmentant le flux de fumées traversant les coupelles consécutives. La figure 6 représente une vue en coupe d'une chaudière selon un autre exemple de réalisation dont la figure 7 est une vue agrandie en perspective de l'insert. Dans cette variante de réalisation, le corps de chauffe comporte un brûleur radial (5). Les coupelles (40 à 53) peuvent être montées sur un mandrin creux central ou être réalisées sous la forme de coupelles gerbables, comme dans l'exemple précédent. L'insert est fermé à sa partie supérieure par un dôme (54) venant obturer le canal intérieur (58) de l'insert et forçant les flux de fumées à traverser la coupelle supérieure (40), puis, en passant à travers les orifices (16), à traverser l'ensemble des coupelles (41 à 53). 2879726 9 La dernière coupelle repose sur le fond (60) du corps de chauffe. Le dôme (54) présente un téton en érection (55) venant se loger dans une cavité complémentaire (56) prévue dans le 5 fond (57) du brûleur (5), afin de bloquer l'empilement de coupelles (40 à 53) en position centrée. Cette solution est particulièrement utile pour les chaudières installées dans des endroits ne laissant subsister qu'un espace réduit en hauteur. Il permet le retrait de l'insert par l'extraction des coupelles une à une, ou par séries de deux ou trois coupelles, plutôt que le retrait de l'insert dans sa totalité, ce qui nécessiterait une hauteur disponible au moins égale à la longueur de l'insert. Les figures 8 à 13 représentent des vues de différentes variantes de réalisation des coupelles selon l'invention: - les coupelles peuvent être soudées sur un manchon tubulaire (7) par un cordon de soudure annulaire formé à la jonction entre le fond (15) de la coupelle et le manchon tubulaire (figure 8) ; - elles peuvent présenter un emboutissage tubulaire (70) venant former une surface d'appui tubulaire venant épouser la surface du manchon tubulaire (figure 9). Cet emboutissage est formé vers l'intérieur de la coupelle, pour former une partie tubulaire remontant dans la coupelle: - l'emboutissage peut également être réalisé dans l'autre sens, pour former un prolongement tubulaire (71) dépassant la surface inférieure (15) de la coupelle (figure 10) ; la coupelle peut encore présenter un manchon intérieur (73) avec un premier tronçon inférieur (74) et un deuxième tronçon supérieur (75) de section 2879726 10 moindre, l'épaulement (76) formé à la limite de ces deux sections constituant la zone d'appui du bord du manchon intérieur du manchon précédent. La hauteur du deuxième tronçon (75) correspond sensiblement à la hauteur de la paroi extérieure (14) de la coupelle (figure 11) - Le fond (15) peut présenter des ouvertures (74) pour la réinjection d'une partie des fumées (figure 12) ; - La paroi intérieure (73) peut également présenter des ouvertures (76) pour assurer un transfert des fumées entre les coupelles et le canal médian (figure 13) ; L'invention est décrite dans ce qui précède en 15 référence à des modes de réalisation non limitatifs. 11 REVENDICATIONS 1 - Chaudière comportant un corps de chauffe (1) dont les parois (4) communiquent avec une chemise d'eau (2), le corps de chauffe étant muni dans sa partie supérieure d'un brûleur (5) et d'au moins un insert (7) traversant longitudinalement le corps de chauffe, caractérisé en ce que ledit insert (7) est constitué par un assemblage de coupelles annulaires (9) présentant une ouverture centrale. 2 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite ouverture centrale de chacune des coupelles présente une section supérieure à 30% de la section du tube de chauffe (3). 3 - Chaudière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les coupelles annulaires (40 à 53) présentent une bordure périphérique (13) sensiblement dans un premier plan transversal, prolongée par une partie tubulaire (14) coaxiale avec le corps de chauffe, cette partie tubulaire (14) étant prolongée par une couronne intérieure (15) sensiblement dans un second plan transversal. 4 - Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit premier plan transversal est plus proche du brûleur que ledit second plan transversal. - Chaudière selon la revendication 3 ou 4, 30 caractérisée en ce que ladite partie tubulaire (14) présente des perforations (16). 6 - Chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites coupelles (40 2879726 12 à 53) sont solidaires d'un moyeu tubulaire (7) central creux. 7 - Chaudière selon l'une au moins des revendications 5 précédentes, caractérisée en ce que la paroi dudit moyeu tubulaire (7) central présente des perforations. 8 - Chaudière selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdites perforations sont formées dans une section intermédiaire et en ce que ledit moyeu est obturé par un bouchon transversal disposé en dessous de la section intermédiaire. 9 - Chaudière selon l'une au moins des revendications 15 précédentes, caractérisée en ce que ledit insert est creux et fermé dans sa partie centrale. - Chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit insert est creux 20 et présente un bouchon dans sa partie inférieure. 11 - Chaudière selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisée en ce que le brûleur produit une flamme périphérique orientée sensiblement radialement. 12 - Chaudière selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites coupelles présentent un prolongement inférieur pour le gerbage des coupelles superposées. 13 - Chaudière selon la revendication 12, caractérisée en ce que lesdites coupelles présentent un prolongement tubulaire dont la section correspond sensiblement à la section de l'ouverture centrale. 2879726 13 14 - Chaudière selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce que lesdites coupelles sont préassemblées par séries de N coupelles. - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'insert est fermé à sa partie supérieure par un bouchon (54) venant obturer le canal intérieur (58) de l'insert. 16 - Chaudière selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'insert est fermé à sa partie supérieure par un bouchon en forme de dôme (54) venant obturer le canal intérieur (58) de l'insert. 17 - Chaudière selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'insert est fermé à sa partie supérieure par un bouchon en forme de coupelle venant obturer le canal intérieur (58) de l'insert. 18 - Chaudière selon l'une quelconque des revendication 15 à 17, caractérisée en ce que ledit bouchon présente un moyen de centrage venant coopérer avec un moyen complémentaire prévu dans le fond du brûleur. 19 - Chaudière selon la revendication 15, caractérisée en ce que ledit moyen de centrage est constitué par un téton en érection (55) venant se loger dans une cavité complémentaire (56) prévue dans le fond (57) du brûleur (5), afin de bloquer l'empilement de coupelles (40 à 53) en position centrée.