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JET-HEET, INC., résidant'à ENGLEWOOD, NEW JERSEY (E.UoAo).
PERFECTIONNEMENTS A UN ENSEMBLE CHAUDIERE-BRULEURo
La présente invention est relative à des perfectionnements aux sys- tèmes de chauffage et, en particulier, à un ensemble chaudière-brûleur per- fectionné pour un système de chauffage à eau chaude.
L'invention a pour objets essentiels un ensemble chaudière-brûleur perfectionné, à rendement élevé, compact, léger et relativement bon marché à fabriquer, à assembler et à installer; un ensemble chaudière-brûleur extrê- mement facile à nettoyer et à entretenir et un ensemble chaudière-brûleur agencé pour fonctionner de manière sûre et avec un rendement élevé et possé- dant une durée de service relativement élevée.
Suivant l'invention, les objets spécifiés ci-dessus ainsi que d' autres objets et avantages de l'invention sont réalisés dans un ensemble chau- dière-brûleur, dans lequel un brûleur à grande vitesse est combiné avec un water-jacket à parois minces et à plusieurs éléments ou chemises. Le water- jacket est, de préférence, en tôle métallique et présente des surfaces "mate- lassées" ou "capitonnées", ce qui contribue sensiblement à la facilité de fa- brication, à la réduction du poids et à l'élévation du rendement. Pour la facilité de l'entretien le, brûleur est monté, de préférence, sur une plaque basculante, de manière à pouvoir fonctionner à l'intérieur ou à l'extérieur de la partie formant chaudière de l'ensemble et ce sans désassemblage.
L'invention, ainsi que d'autres objets et particularités de celle- ci ressortiront plus complètement de la description suivante de formes d'exé- cution illustratives, qui seront décrites en référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble chaudière- brûleur suivant l'invention, certaines parties étant arrachées pour faire ap- paraître certains détails structurels internes; - la figure 2 est une coupe transversale d'un type préféré de brû- leur à grande vitesse pour l'ensemble chaudière-brûleur selon la figure 1, - la figure 3 montre un type préféré de chaudière ou water-jacket pour l'ensemble chaudière-brûleur de la figure 1;
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- la figure 4 montre une section de la chaudière assemblée de la figure 3;
- la figure 5 est un schéma montrant les trajets réservés à l'eau et aux gaz de combustion dans la chaudière selon-les figures 1 et 3, et - la figure 6 est un schéma d'un circuit préféré de commande pour l'ensemble chaudière-brûleur de la figure 1.
A la figure 1, on a représenté un ensemble chaudière-brûleur suivant l'invention, comportant une enveloppe extérieure verticale de forme @ généralement rectangulaire comprenant une section ou partie supérieure 10 et une section ou partie inférieure 12 séparables et un fond 13. La sec- tion supérieure 10, est de préférence, garnie intérieurement d'une matière isolante 14, telle que laine de verre ou analogue.
Comme il a été indiqué, les sections 10 et 12 sont séparables, la section supérieure 10 comportant un rebord intérieure de support 11, qui repose sur un rebord intérieur coo- pérant 15 de la section inférieure 12, de telle sorte que la section supérieure
10 peut aisément être enlevée, ce qui permet un accès facile aux parties com- posantes décrites ci-après
Une enveloppe intérieure 18 de forme généralement cylindrique re- pose, par une extrémité, dans la section ou partie inférieure 12 de l'enve- loppe extérieure et entoure une chaudière ou water-jacket 20 à éléments ou chemises multiples, qui sera décrit plus loin.
L'enveloppe intérieure 18 comporte également un garnissage iso- lant 22 et est munie d'un couvercle isolé 24. Le couvercle 24 comporte trois plaques parallèles 26, 27, 29 séparées par des couches de matière isolante 28, 30. La plaque supérieure présente un rebord 31 s'étendant vers le bas et formant un prolongement de la paroi extérieure de l'enveloppe 18, lorsque le couvercle 24 est fermée
Le couvercle 24 est articulé à l'enveloppe intérieure 18, par une paire de cornières 32, soudées ou autrement assujetties à la plaque mé- diane 26 du couvercle et s'étendant sur une distance appréciable au delà du bord de la plaque 26. Ces cornières 32 sont articulées par des boulons
34 à une seconde paire de cornières 36, qui s'étendent vers l'extérieur et vers le haut à partir de l'enveloppe intérieure 18.
Cet agencement permet de faire basculer le couvercle 24 et de l'éloigner quelque peu de l'envelop- pe 18, de manière à découvrir la section de refoulement d'un brûleur à gran- de vitesse 38, monté sur le couvercle 24.
Dans les systèmes habituels de chauffage à l'eau chaude, les en- sembles chaudière-brûleur sont ordinairement volumineux, pesants et relative- ment coûteux. Ces ensembles connus comportent essentiellement une chaudière en fonte à parois épaisses, comprenant des passages de grande section pour les gaz de combustion et présentant une capacité en eau considérable, combinée avec un brûleur et une chambre de combustion agencée pour assurer une circu- lation à vitesse relativement faible de produits de combustion gazeux chauds, pour chauffer l'eau contenue dans la chaudière. L'expression, "brûleur à faible vitesse", est employée dans le présent mémoire pour désigner un brû- leur agencé pour fournir des produits de combustion gazeux chauds à une vi- tesse inférieure à la vitesse de propagation de la flamme du carburant fourni au brûleur.
Comme exemples typiques de tels brûleurs, on peut citer les brûleurs à huile du type à "pot" et à "canon". Dans ces brûleurs et dans les brûleurs à faible vitesse similaires la vitesse à laquelle le gaz de combus- tion quitte le brûleur et la chambre de combustion ne peut excéder la vitesse de propagation de la flamme du carburant fourni au brûleur, car si cette vi- tesse était plus élevée, la flamme serait éteinte ou "soufflée" La vitesse d'évacuation du gaz de combustion étant ainsi limitée, les chaudières conven- tionnelles ont été équipées de grands passages ou-carneaux pour le gaz de combustion, afin que les gaz; à faible vitesse puissent circuler à une vitesse suffisante pour opérer un transfert de chaleur raisonnablement efficace aux surfaces d'échange thermique de la chaudière.
Il va de soi que la présence
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de tels passages de grande section pour les gaz de combustion contribue sen- siblement à accroître les dimensions globales de l'ensemble.
Suivant une particularité importante de la présente invention, un brûleur à vitesse élevée est combiné avec une chaudière munie de passages restreints pour les gaz de combustion,de manière à former un ensemble chau- dière-brûleur compact et à rendement élevé
Un type préféré de brûleur à vitesse élevée est montrée en dé- tails à la figure 2.
Le brûleur représenté à la figure 2 comporte un boîtier rectan- gulaire allongé 40,qui contient les divers éléments formant la tête du brû- leur, comm décrit plus loin. Un rebord 42 prévu à l'extrémité d'évacuation du boîtier 40 est soudé ou autrement assujetti, de manière appropriée,à une plaqué de montage 41, qui est boulonnée à la plaque centrale 26 du couver- cle 24, de manière à maintenir l'assemblage de brûleur en place sur le couver- cle 24.
Une enveloppe creuse 44, prévue d'un côté du boîtier 40, entoure un ventilateur ou une soufflerie 46 du type siroco servant à fournir de l' air à vitesse relativement élevée à la section ou zone de combustion de l'en- semble. Le moteur usuel 48 (voir figure 1) servant à entraîner la soufflette 46 et une pompe à combustible (non représentée) sont avantageusement assujettis à un côté de l'enveloppe 440 D'autres accessoires (non représentés), tels qu'un transformateur destiné à fournir la tension requise pour l'allumage, une soupape de réglage de l'alimentation en combustible et des accessoires - du conduit d'alimentation en carburant,
sont également portés par l'envelop- pe 44 ou par le boîtier 40
L'enveloppe 44 débouche dans le boîtier 40 par une ouverture 50 ménagée dans un côté du boîtier 40, voisin de l'extrémité fermée de celui-ci pour l'amenée d'air de la soufflerie 46 dans la zone de combustion de l'ensem- ble. Pour la facilité de la description,la partie du boîtier 40, dans la- quelle la soufflerie 46 débouche, sera désignée,dans la suite du présent mé- moire, comme l'extrémité ou section d'entrée du boîtier, tandis que l'extré- mité opposée de celui-ci sera désignée comme étant son extrémité de' décharge ou d'évacuation.
Au voisinage de l'extrémité d'entrée du boîtier 40 est montée une tête de brûleur à grande vitesse, comportant une paire de manchons cylindri- ques 52, 54 disposés l'un dans l'autre et maintenus espacés coaxialement l' un de l'autre par une paroi d'extrémité 56. Les manchons 52, 54 sont suppor- tés par une patte de montage 58 s'étendant à partir de la paroi intérieure du boîtier 40 et assujettie de manière appropriée au manchon extérieur 54.
Bien que le brûleur décrit à présent soit à même de brûler aus- si bien un combustible liquide qu'un combustible gazeux, il sera décrit, dans le présent mémoire, comme étant agencé pour brûler un combustible li- quide. Un gicleur 60, monté sur la paroi d'extrémité 56, sert à projeter ou injecter du combustible atomisé, à travers une ouverture 62 ménagée dans la paroi 56, dans la zone de combustion 64 délimitée par le manchon intérieur
52. Le gicleur 60 est, de préférence, du type dit à flux de retour . Des conduits d'alimentation en combustible et de retour 66, 68 sont reliés au gi- cleur 60.
Le dispositif d'allumage habituel par étincelles 69 s'étend à travers la paroi d'extrémité 56 dans la zone de combustion 640
Le manchon intérieur 52 présente plusieurs séries de trous 70 relativement grands, alignés l'un par l'autre en direction latérale et ser- vant à l'admission d'air de combustion. La plaque d'extrémité 56 et le man- chon intérieur 52 présentent, de préférence, un grand nombre de trous 72 re- lativement petits et proches l'un de l'autre, ces trous étant prévus pour em- pêcher la formation de carbone.
La zone de combustion 64, délimitée par le manchon intérieur 52 se prolonge au delà de l'extrémité de décharge du boîtier 40, par un manchon
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cylindrique 74 en matière réfractaire Le diamètre extérieur du manchon 74 est sensiblement le même que le diamètre du manchon extérieur 54, tandis que le diamètre intérieur du manchon 74 est légèrement plus grand que le diamètre du manchon intérieur 52. L'intervalle entre les deux manchons 52, 74 est fermé par un collier métallique 76, qui forme un prolongement de la surface intérieure du manchon réfractaire 74 et qui chevauche légè- rement l'extrémité du manchon intérieur 52 Une série de pattes 78 en forme de L, montées radialement sur le collier 76,
s'étendent au delà du collier 76 vers l'extrémité d'entrée du boîtier 40 et s'étendent vers l'intérieur sur une courte distance au delà de la surface intérieure du collier 76, de manière à venir en contact avec la surface extérieure du manchon intérieur 52 de telle sorte que le collier 76 et le manchon 52 sont maintenus parfaitement en alignement coaxial avec un faible espace annulaire entre manchon et collier.
La tête de brûleur, qui vient d'être décrite, constitue un dispositif à grande vitesse, capable de fournir des produits de combus- tion gazeux chauds à un débit excédant sensiblement la vitesse de propaga- tion de la flamme du combustible fourni au brûleur. L'air provenant de la soufflerie 46 est amené dans le boîtier 40, puis le long du coté exté- rieur du manchon extérieur 54, cet air passant ensuite dans l'intervalle entre les manchons 52, 54 et pénétrant dans la chambre de combustion 64, sous 'forme de jets distincts, dirigés radialement à travers les grands trous 70 ménagés dans le manchon intérieur.
Gomme ces jets d'air viennent se toucher au centre de la chambre de combustion, une partie de l'air est dirigée vers la paroi d'extrémité 56, puis radialement vers l'extérieur, le long de cette paroi et ensuite vers le bas le long de la surface inté- rieure du manchon intérieur 52. Cette circulation d'air engendre un tour- billon ou anneau dans la zone comprise entre les orifices d'entrée 70 et l'extrémité fermée 56 de la chambre de combustiono Grâce au renversement de la direction de circulation de l'air, une zone de circulation d'air à une vitesse sensiblement nulle est engendrée dans la zone de circulation toroldale et le gicleur 60 est agencé de manière à chasser du combustible dans cet espace d'air relativement mort..' En brûlant le combustible atomi- sé,
dans cette région où l'air circulefaible vitesse, il devient pos- sible que les gaz (air et produits de combustion) circulent dans et hors de la chambre de combustion 64 à une vitesse sensiblement supérieure à la vitesse de propagation de la flamme du carburant, sans que la flamme soit soufflée
L'espace ménagé entre le manchon 52 et le collier 76 permet à une couche d'air de refroidissement de circuler le long de la surface inté- rieure du manchon réfractaire 74 et fournit une quantité supplémentaire d' air pour assurer une combustion complète du combustible
Outre qu'il permet une circulation à grande vitesse des produits de combustion gazeux chauds, avec les avantages inhérents à une telle circu- lation exposés dans la suite du présent mémoire, le brûleur, qui vient d'être décrit,
présente d'autres avantages dans un ensemble chaudière-brûleur du type décrit, tant en ce qui concerne son fonctionnement que son entretien.
Les brûleurs de ce type ne requièrent pas des zones de combustion rigoureu- sement étanches, étant donné qu'ils sont relativement insensibles aux tirages En fait, il est parfaitement possible de faire fonctionner le brûleur 38 à l'air libre Ainsi,dans l'appareil selon la figure 1, le couvercle 24 avec le brûleur 38 qu'il porte peut être basculé vers le haut et le brûleur peut être amené à fonctionner à l'air libre, de façon à faciliter un réglage préliminaire et à permettre un examen visuel du fonctionnement du brûleur, si une vérification est nécessaire Suivant une autre particularité de l':
invention et compte tenu de la possibilité de faire fonctionner le brûleur avec le couvercle 2 ouvert ou fermé, les conduits 66, 68 pour le combusti- ble aboutissant au brûleur et partant de ce dernier comportent des parties flexibles, en un métal relativement ductile,tel que le cuivre ou analogue et des parties 66a, 68a enroulées en plusieurs spires sur une bobine.$2, qui peut avantageusement être montée sur un des .boulons 34 formant pivots. Lors#
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que le couvercle 24 est levé ou baissé, ces parties enroulées 66a, 68a auront une flexibilité suffisante pour permettre le déplacement de l'extré- mité, voisine du brûleur, des conduits de combustible, sans rupture de ces conduits et sans qu'une sollicitation indue soit imposée aux acces- soires de raccordement.
Lorsque le couvercle 24 est fermée le brûleur 38 est disposé de fagon à évacuer les produits de combustion gazeux chauds vers le bas dans l'espace généralement cylindrique 84 prévu au centre de la chaudière
20.
Pour tirer profit au maximum de la circulation à grande vitesse des produits de combustion gazeux chauds, due au brûleur, et pour réaliser les objectifs indiqués plus haut et consistant à conférer des dimensions et un poids aussi faibles que possible à l'ensembleil est nécessaire de disposer d'une chaudière offrant la surface la plus grande possible aux gaz de combustion et au flux résultant de gaz chauds en provenance du brû- leur, en un volume total faible Alors que les chaudières connues présen- tent généralement des parois épaisses et une grande capacité d'eau, on pré- voit, suivant la présente invention, un water-jacket à parois minces et à faible capacité en eau, dans lequel on fait circuler un filet relativement mince d'eau à chauffer, afin de chauffer celle-ci très rapidement,
lors- que le brûleur est mis en marche Pour réaliser une économie au point de vue encombrement, on fait usage d'un vater-jacket à chemises multiples et à surface courbe, l'écartement entre les chemises ou chambres adjacentes étant réduit, de manière à tirer pleinement profit de la circulation à grande vitesse des gaz de combustion, dans l'espace le plus réduit possi- ble .
Une structure de water-jacket ou chaudière,convenant particu- lièrement pour être utilisée dans un ensemble brûleur-chaudière du type con- sidéré, se compose essentiellement d'une paire de fines tôles métalliques scellées l'une à l'autre le long de leurs bords et en une multiplicité de points distincts situés entre les bords, courbées de manière à présenter une forme courbe appropriée et séparées, sauf aux endroits où elles sont scel- lées l'une à l'autre, de manière à former une enveloppe à surface matelas- sée" ou "capitonnée". Bien qu'une telle structure puisse affecter un cer- tain nombre de formes spécifiques différentes (par exemple une forme en spi- rale, une forme cylindrique, etc..) la forme généralement cylindrique s'est révélée la plus satisfaisante au point de vue de la facilité de fabrication.
Ainsi, comme montré aux figures 1 et 3, la chaudière 20 peut être constituée de deux sections d'enveloppe 86, 88 similaires et disposées coaxialement Afin de montrer clairement la structure de la chaudière, une section ou partie de chaudière complète 86 est représentée séparément à la figure 4 et les sections assemblées 86, 88 sont représentées à la figure 3, sans l'enveloppe 18. La section des parties de chaudière 86, 88 res- sort de la figure 1, cette figure montrant les parois ou cloisons métal- liques minces 90, 92 en tale ou analogue, scellées l'une à l'autre à leurs bords 94 et le long d'une série de lignes espacées 96 et 1069 entre les bords 94.
Lors de la fabrication des sections de chaudière, après avoir soudé ou autrement assujetti les parois 90,92 l'une à l'autre, on les fait passer entre des rouleaux,de manière à leur conférer sensiblement la forme d'un cylindre, les bords 95 (voir figures 3 et 4) formés par les extrémités des feuilles étant rapprochés l'un de Vautremais étant maintenus légère- ment écartés l'un de l'autre, de manière à définir une fente longitudinale 98 s'étendant d'une extrémité à l'autre du eylindreo Un fluide est alors introduit entre les feuilles 90, 92 (à travers une ouverture appropriée que l'on a laissé subsister à cette fin, par exemple, à un des coins) sous une pression suffisante pour amener les feuilles 90, 92 à s'écarter l'une de l'autre,
de manière à former une enfeloppe du type "matelassé".
Dans la forme d'exécution de l'invention décrite ici les deux sections 86, 88 sont disposées coaxialement l'une dans l'autre (voir figures
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1 et 3), les fentes longitudinales 98 s'étendant sur des côtés opposés des sections assemblées 86, 88. Comme montré schématiquement par les flèches en traits interrompus à la figure 5 on obtient ainsi deux passages similaires pour les gaz de combustion,.
Ces passages s'étendent de l'espace cylindrique 84 entouré par la section ou chemise intérieure 86 à l'extérieur de la sec- tion ou chemise extérieure 88. La longueur des sections 86, 88 est, de préfé- rence, telle que les extrémités ouvertes de ces sections se terminent juste à l'extrémité supérieure de l'enveloppe 18, de manière à être fermées par la plaque inférieure 29 du couvercle 24. Grâce à cet agencement, lorsque les sections assemblées 86, 88 sont placées dans l'enveloppe intérieure 18, les passages réservés aux gaz de combustion se prolongent autour de la sec- tion extérieure 88, de manière à communiquer avec un carneau de sortie 100 (voir figure 1)
Hinsia on peut voir que toutes les surfaces du water-jacket à chemises ou sections multiples 20 sont exposées à l'action des gaz de com- bustion à vitesse élevée produits par le brûleur 38. Par ailleurs, sensible- ment toute la surface intérieure de la section intérieure 86 est exposée à l'action de la flamme sortant du brûleur 38 et est, dès lors, chauffée par rayonnement direct.
Les caractéristiques de transfert de chaleur de l'en- semble sont, en outre, améliorées par les surfaces "matelassées" des sec- tions ou chemises 86, 88 de la chaudière, qui produisent une turbulence considérable dans les gaz de combustion, ce qui procure un effet de frotte- ment amenant les gaz de combustion en contact extrêmement intime avec les surfaces du water-jacket et améliore considérablement le transfert de cha- leur
Le trajet réservé à la circulation de l'eau dans la chaudière est similaire à celui réservé aux gaz de combustion en ce sens que ces deux trajets sont parallèles.
Chacune des deux sections ou chemises de la chau- dière est agencée de manière à comporter trois "poches" 102 s'étendant d'une extrémité à l'autre des sections (voir figure 4), ces parties formant trois passages internes oucollecteurs verticaux, dont un de chaque côté de la fente longitudinale 98 et un du côté opposé à cette fente.
Ces passages longitudinaux sont réunis par une série de passages latéraux formés par des poches latérales 104, qui sont séparées l'une de l'autre par des lignes continues de points de soudure 106 Comme montré schématiquement par les flèches en traits pleins à la figure 5, l'eau est amenée dans la chemise ou section extérieure 88 par une pompe de circulation 108, par l'entremise d'un raccord courbe en T 110, qui entre dans la chemise extérieure 88 de part et d'autre de la fente 98. Le trajet de circulation suit alors des directions opposées à travers les intervalles ménagés entre les parois de la chemise extérieure 880 Un second raccord courbe en T 112 relie la che- mise ou section extérieure 88 à la chemise ou section intérieure 86,
de fagon à prolonger le trajet de circulation le long d'une seconde paire de parcours parallèles à l'intérieur de la chemise intérieure 86, l'eau sortant par un raccord de sortie 114 de la chemise intérieure 86 et étant amenée par un conduit 116 à des radiateurs ou dispositifs analogues (non représentés).
Grâce à cet agencement, les gaz finement divisés et l'eau à chauffer circulent à contre-courant sur une partie de leurs trajets de circulation adjacents, en sorte que la différence de température entre l'eau et les gaz chauds sera aussi grande que possible, pour obtenir un transfert de chaleur maximum.
On emploie des raccords en T courbes 110, 112, plutôt que des raccords plus courants en T à angles droits, en vue de réduire autant que possible la chute de pression obtenue en chassant de l'eau dans la chau- dière. Il est évident que la section des passages ménagés pour la circu- lation d'eau entre les parois 90, 92 n'est pas très grande, en sorte que la chute de pression dans la chaudière est plus grande que dans les chau- dières plus courantes à grande capacité en eau. Dès lors, en vue d'obtenir une bonne circulation de l'eau dans la chaudière et dans les radiateurs, y associés, à l'aide d'une pompe de circulation de débit courant, il importe de maintenir la chute de pression aussi faible que possible en chaque point du trajet de circulation de l'eau.
Toutefois, les problèmes posés par la
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chute de pression relativement élevée se manifestant dans la chaudière ne sont pas particulièrement gênants et sont plus que compensés par les avanta- ges inhérents à la combinaison d'une chaudière de ce type avec un brûleur à grande vitesse
Comme on l'a signalé précédemment, la chaudière habituelle avec ses passages relativement grands pour les gaz de combustion et pour l'eau ap- paraît généralement en combinaison avec un brûleur à faible vitesse, à cau- se de la difficulté d'obtention d'un tirage suffisant pour amener les gaz de combustion produits par un brûleur à petite vitesse à circuler à des vi- tesses de transfert de chaleur raisonnable dans les passages étroits, tels que ceux ménagés dans la chaudière 20 suivant la présente invention.
Evi- demment, ces chaudières à passages de grande section pour les gaz de combus- tion sont désavantageuses au point de vue de la compacité de l'ensemble.
Par ailleurs., la capacité en eau de ces chaudières est telle qu'il s'écoule ordinairement un temps appréciable.,après la mise en marche du brûleur, avant qu'on dispose d'eau chaude dans le système.
Dans l'ensemble chaudière-brûleur suivant la présente invention la vitesse élevée à laquelle les produits de combustion chauds sont chassés par le brûleur permet parfaitement d'employer des passages de section très petite, tout en assurant un bon transfert de chaleurmême si aucun tirage ne se manifeste dans le carneau de sortie. En même temps, la très mince pel- licule d'eau dans l'intervalle de petite section'prévu entre les parois 90
92, ainsi que les caractéristiques de transfert de chaleur rapide des minces parois elles-mêmes, assurent une fourniture quasi instantanée d'eau chaude par la chaudière
Ainsi, dans un ensemble chaudière-brûleur suivant la présente in- vention, tel que l'ensemble représenté à la figure 1, le diamètre moyen des sections ou chemises assemblées 86, 88 est de 11 pouces,
l'écartement maxi- mum entre les chemises adjacentes 86, 88 de 1,75 pouce et l'écartement inté- rieur maximum entre les parois 90, 92 de 0,75 pouce o La chaudière 20 a une capacité en eau de 2 gallons Le transfert de chaleur à l'eau dans la chaudière est de 120.000 B.T.U. par heure,dans le cas où les gaz de combus- tion sont évacués du brûleur à un débit d'environ 4000 pieds par minute.
Lorsque la pompe à circulation d'eau ne fonctionne pas, on constate que 1' ensemble chaudière-brûleur est capable d'élever de 100 F, en approximati- vement une minute, la température de l'eau dans la chaudière
En raison de la forme irrégulière des surfaces de la chaudière, ainsi que de la variété des surfaces courbées que l'on peut utiliser pour les sections de la chaudière (notamment surface cylindrique, en spirale etc ..
)., il n'est pas possible de donner avec une précision absolue les limites de dimensions applicables à un ensemble chaudière-brûleur suivant l'invention Toutefois, des essais indiquent qu'un bon transfert de cha- leur des gaz de combustion à vitesse élevée à l'eau à chauffer peut être obtenu avec un écartement maximum entre chemises adjacentes 86, 88 de moins de 25 % du diamètre -moyen des chemises 86, 88.
Une autre relation dimension- nelle, qui constitue un guide satisfaisant, est celle consistant en ce que l' écartement maximum entre chemises n'excède pas environ 3 fois la séparation maximum entre les parois 90, 92, étant entendu que la séparation maximum entre les parois est limitée par l'épaisseur des parois et par l'écarte- ment entre les lignes de séparation 96, 106 pour assurer une marche sûre de la chaudière sous 1'effet des pressions y engendrées
A cause de la très mince pellicule d'eau passant dans la chau- dière, il est assez important que l'eau soit amenée à circuler rapidement dans la chaudière, lorsque le brûleur est mis en marche faute de quoi il est possible que la chaudière à parois minces soit surchauffée.
Afin d'éviter la possibilité d'un surchauffage, le système de commande de l'ensemble chaudière-brûleur suivant l'invention est, de préfé- rence, agencé de fagon que le brûleur ne puisse pas s'allumer avant qu'une circulation d'eau soit établie dans la chaudière. Bien qu'il existe évidem- ment diverses manières de réaliser cet objectif, notamment en employant des
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relais à retard de temps dans le circuit du brûleur et analogue, un agence- ment préféré consiste à faire en sorte que le circuit de commande du brûleur soit directement commandé par le fonctionnement de la pompe de circulation.
Un circuit pouvant servir à cette fin est représenté à la figure 6, qui mon- tre un schéma d'un circuit de commande électrique pour l'ensemble chaudière- brûleur de la figure 1.
Dans le circuit de la figure 6, deux conducteurs d'entrée 118, venant de la source d'énergie habituelle (non représentée), sont connectés à l'enroulement primaire 120 d'un transformateur 122, par l'intermédiaire des contacts 123 d'un commutateur aquastatique 124. Le circuit de l'enroule- ment secondaire 126 du transformateur comporte trois branches partiellement parallèles. La première branche comporte l'enroulement de commande 120 d'un relais de commande d'allumage 130,les contacts 132 d'un élément thermosta- tique bimétallique 134 et les contacts 136 d'un commutateur de sûreté bimé- tallique 138.
La deuxième branche comporte l'enroulement de commande 140 d'un relais de commande 142 du moteur, deux contacts 144, 145 d'un commuta- teur thermostatique 146, un élément de chauffage 148 pour le commutateur de sûreté 138, une série de contacts 150 du relais d'allumage 130 et les con- tacts 132, 136 mentionnés précédemment La troisième branche du circuit du secondaire 126 du transformateur comporte l'enroulement 140, une seconde paire de contacts 144, 147 du commutateur 146, une série de contacts 152 du relais 142 et les contacts 132, 136.
Un premier circuit connecté à l'enroulement primaire 120 du trans- formateur, comporte une seconde série de contacts 156 du relais 130 de com- mande de l'allumage, l'enroulement primaire 158 d'un transformateur d'allu- mage 160 et une paire de contacts 161, 162 associés au moteur 164 de la pompe de circulation, comme expliqué en détails plus loin. Un second circuit connecté à l'enroulement primaire 120 du transformateur, comporte une seconde série de contacts 166 du relais 142 de commande du moteur, un élément 168 de commande de la soupape de distribution de combustible, le moteur 48 de la soufflerie (connecté en parallèle à l'élément 168) et les contacts 161, 162 mentionnés précédemment.
Une variante du circuit décrit ci-avant comporte les contacts 166 du relais du moteur, les contacts 170, 171 d'un second commutateur aquastatique 172 et les enroulements de démarrage et de marche 174., 176 du moteur 164 de la pompe de circulation.
Le commutateur aquastatique 172 comporte également un contact ad- ditionnel 173 disposé de façon que le moteur 164 puisse être connecté direc- tement aux conducteurs d'entrée 118. Il va de soi que l'élément de commande 160 comprend une soupape actionnée électriquement dans le conduit d'alimen- tation en combustible pour le brûleur. De telles soupapes sont bien connues et consistent ordinairement en un dispositif à solénolde fermant et ouvrant la soupape, lorsque le courant est admis à passer par l'élément de commande ou est interrompu.
Le circuit de la figure 6 est représenté à l'état de démarrage à froid, tous les relais étant cependant désexcités En d'autres termes, le commutateur 146 est dans la position froide, les commutateurs aquastatiques 124, 172 sont dans la position froide exigeant le chauffage de l'eau de la chaudière, et le commutateur thermostatique 134 est dans la position froide exigeant la fourniture de chaleur par le système. o Lorsque le commutateur thermostatique 134 se ferme (vers la position représentée), le relais d'al- lumage 130 est actionné, ce qui provoque la fermeture des deux séries de con- tacts 150, 156. Les contacts 150 ferment un circuit pour exciter le relais 142 du moteur, de manière à fermer les contacts 152, 166 de ce relais.
Lorsque les contacts 156 du relais-d'allumage se ferment un circuit se fer- me partiellement pour l'enroulement primaire 258 du transformateur d'allu- mage, jusqu'au contact 161 du moteur de la pompe de circulation. De même, lorsque les contacts 166 du relais du moteur se ferment, un circuit se fer- me partiellement par l'élément 168 et le moteur 48 de la soufflerie, jusqu'au contact 161 du moteur 16 de la pompe de circulation. Simultanément, un cir- cuit se ferme par les contacts 166 du relais de commande, le commutateur aquas- tatique 172 et l'enroulement de démarrage 174 du moteur de la pompe de cir-
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culation, cette dernière étant ainsi mise en marche.
Jusqu'alors, seule la pompe de circulation est mise en marche o Lorsque la pompe de circulation atteint sa vitesse de régime, le contact habituel actionné par la force cen- trifuge -162 s'écarte du contact 163,à tel point que l'enroulement de démar- rage 174 est mis hors circuito Simultanément le contact 162 de l'enroule- ment de démarrage pivote,de manière à fermer au contact 161 les circuits d'allumage et du moteur de la soufflerie.o Par conséquent,il est évident que les circuits d'allumage, du combustible et de la soufflerie ne peuvent être excités avant que la pompe de circulation ait atteint sa vitesse de régime
Bien qu'on ait décrit ci-dessus les particularités de fonction- nement importantes du circuit de la figure 6,
en ce qui concerne là présen- te invention,on donnera pour être complet une brève description du fonc- tionnement du restant du circuit.
L'élément de chauffage 148 du commutateur de sûreté commence à laisser passer du courant, dès la fermeture des contacts d'allumage 150.
Le commutateur de sécurité 138 est actionné avec un retard prédéterminé et ne s'ouvre, par suite du chauffage de l'élément 148, qu'après un int er- valle du temps déterminé, si Isolément 148 continue à laisser passer du cou- rant indéfiniment o Si le commutateur 138 s'ouvre, il interrompt ou coupe tous les circuits du brûleur. Toutefois, si le brûleur fonctionne convena- blement, le commutateur 146 répond à l'effet de chauffage des gaz de combus- tion et les contacts 144, 147 de ce commutateur se ferment, ce qui met l'élé- ment 148 du commutateur de sûreté hors circuit en sorte que le commutateur de sûreté n'ouvre pas le circuit du brûleur.
Une série de contacts aquastatiques 123 constituent un disposi- tif ayant pour effet d'ouvrir et de désexciter le brûleur, lorsque l'eau de la chaudière atteint une température élevée prédéterminée, quel que soit l'état du restant du circuit. Le second jeu de contacts aquastatiques 170, 171, 173 modifie le circuit de la pompe de circulation, lorsque l'eau de la chaudière a atteint une température prédéterminée,de manière à connecter le moteur 164 de la pompe de circulation directement aux conducteur 118, en sor- te que l'eau continue à circuler et à fournir la chaleur éventuellement emmagasinée dans la chaudière aux radiateurs lorsque le thermostat a fonc- tionné et que le brûleur a cessé de fonctionner.
Dans l'ensemble représenté à la figure 1, la majorité des élé- ments de circuit décrits ci-avant sont montés dans une boîte 174 prévue à l'extérieur de l'enveloppe intérieure 18 et accessible pour effectuer les réglages requis et pour l'entretien,grâce à un panneau amovible 176 porté par la paroi de la partie inférieure 12 de l'enveloppe extérieure. L'élé- ment bimétallique du commutateur 146 (non représenté à la figure 1) s'étend dans un tube 177 dans le carneau 100 de sortie des gaz de combustion. Les éléments aquastatiques (non montrés à la figure 1) sont placés dans les raccords en T 178 dans le conduit de sortie de l'eau 116 venant de la chau- dière 20. Le thermostat 134 est évidemment placéde manière appropriée, dans le local à chauffer.
La pompe de circulation 108 et le moteur 164 sont montés dans la partie inférieure 12 de l'enveloppe extérieure, sous la boîte 174.
La description donnée ci-dessus révèle que toutes les parties composantes de l'ensemble chaudière-brûleur sont disposées et agencées de manière à être aisément accessibles, l'espace disponible étant utilisé très rationnellement Ainsi, la base 13 de l'enveloppe 10, 12 ne doit pas avoir plus de 20 x 26 pouces,tandis que sa hauteur ne doit pas excéder 40 pouces, pour un ensemble présentant un rendement calorifique de 100.000 B.T.U/heure En enlevant la partie supérieure 10 de l'enveloppe extérieure, l'entièreté du brûleur 38 devient accessible et, après avoir fait basculer le couvercle 24, les éléments du brûleur, ainsi que toute la surface extérieure de la chaudière peuvent être aisément examinésnettoyés ou autrement contrôlés.
En enlevant le panneau 176, la boîte 174, le moteur 164 et la pompe 108 soit immédiatement accessibles. Il apparaît, dès lors, que tous les éléments de
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l'ensemble peuvent être contrôlés et réglés de fagon extraordinairement sim- ple, tandis que l'ensemble est compact;, léger et facile à manipuler lors de sa mise en place, tout en fonctionnant de manière extrêmement efficace.
REVENDICATIONS
1. Ensemble chaudière-brûleur, comprenant un water-jacket d'é- change de chaleur à sections ou chemises multiples, entourant un espace généralement cylindrique au centre dudit water-jacket, ce water-jacket compor- tant des parois métalliques minces et courbes, formant (1) un passage continu pour l'eau, s'étendant de la chemise intérieure extrême à la chemise exté- rieure extrême, et (2) un passage continu pour les gaz de combustion, s'éten- dant entre les chemises précitées de l'espace cylindrique au côté extérieur de la chemise extérieure extrême, ces parois étant agencées de façon à pré- senter des surfaces "matelassées", qui sont en contact l'une avec l'autre le long de leurs bords et en une série de points espacés l'un de l'autre entre les bords en question et qui sont séparées l'une de 3;
$ autre en tous les autres points, et un brûleur à combustible fluide à'grande vitesse, monté de manière à décharger les produits de combustion chauds directement dans ledit espace, ce brûleur étant d'un type convenant pour produire une circulation de produits de combustion gazeux chauds à une vitesse excédant sensiblement la vitesse de pro- pagation de la flamme du combustible fourni au brûleur, ce brûleur comportant un manchon définissant une zone de combustion et débouchant directement dans ledit espace cylindrique, de manière à exposer la surface intérieure du water-jacket à la chaleur rayonnée par les flammes sortant du manchon précité.
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JET-HEET, INC., Residing in ENGLEWOOD, NEW JERSEY (E.UoAo).
PERFECTIONS TO A BOILER-BURNER UNIT
The present invention relates to improvements to heating systems and, in particular, to an improved boiler-burner assembly for a hot water heating system.
The essential objects of the invention are an improved boiler-burner assembly, high efficiency, compact, light and relatively inexpensive to manufacture, assemble and install; an extremely easy to clean and maintain boiler-burner assembly and a boiler-burner assembly designed to operate safely and with high efficiency and having a relatively long service life.
According to the invention, the objects specified above as well as other objects and advantages of the invention are achieved in a boiler-burner assembly, in which a high speed burner is combined with a water jacket with walls. thin and with several elements or shirts. The water jacket is preferably of sheet metal and has "quilted" or "padded" surfaces, which contributes significantly to ease of manufacture, reduction in weight and increased efficiency. . For ease of maintenance, the burner is preferably mounted on a tilting plate so as to be able to operate inside or outside the boiler part of the assembly without disassembly.
The invention, as well as other objects and features thereof, will emerge more fully from the following description of illustrative embodiments, which will be described with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a perspective view of a boiler-burner assembly according to the invention, certain parts being broken away to reveal certain internal structural details; - figure 2 is a cross section of a preferred type of high speed burner for the boiler-burner assembly according to figure 1, - figure 3 shows a preferred type of boiler or water jacket for the assembly boiler-burner of FIG. 1;
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- Figure 4 shows a section of the assembled boiler of Figure 3;
- Figure 5 is a diagram showing the paths reserved for water and combustion gases in the boiler according to Figures 1 and 3, and - Figure 6 is a diagram of a preferred control circuit for the assembly boiler-burner in figure 1.
In Figure 1, there is shown a boiler-burner assembly according to the invention, comprising a vertical outer casing of generally rectangular shape comprising an upper section or part 10 and a separable section or lower part 12 and a bottom 13. The sec - Upper tion 10 is preferably internally lined with an insulating material 14, such as glass wool or the like.
As indicated, the sections 10 and 12 are separable, the upper section 10 having an inner support rim 11, which rests on a co-operating inner rim 15 of the lower section 12, so that the upper section
10 can easily be removed, allowing easy access to the components described below.
An inner shell 18 of generally cylindrical shape rests at one end in the lower section or portion 12 of the outer shell and surrounds a multiple element or jacket boiler or water jacket 20, which will be described later. .
The inner casing 18 also has an insulating lining 22 and is provided with an insulated cover 24. The cover 24 has three parallel plates 26, 27, 29 separated by layers of insulating material 28, 30. The upper plate has a flange 31 extending downwards and forming an extension of the outer wall of the casing 18, when the cover 24 is closed
Cover 24 is hinged to inner casing 18 by a pair of angles 32, welded or otherwise secured to center plate 26 of cover and extending a substantial distance beyond the edge of plate 26. These angles 32 are articulated by bolts
34 to a second pair of angles 36, which extend outwardly and upwardly from the inner shell 18.
This arrangement enables the cover 24 to be tilted and moved away from the casing 18, so as to reveal the discharge section of a high speed burner 38, mounted on the cover 24.
In conventional hot water heating systems, the boiler-burner assemblies are usually bulky, heavy and relatively expensive. These known assemblies essentially comprise a thick-walled cast iron boiler, comprising passages of large section for the combustion gases and having a considerable water capacity, combined with a burner and a combustion chamber arranged to ensure high speed circulation. relatively low of hot gaseous combustion products, to heat the water in the boiler. The term "low speed burner" is used herein to denote a burner arranged to provide hot gaseous combustion products at a rate less than the flame propagation rate of the fuel supplied to the gasoline. burner.
As typical examples of such burners, there may be mentioned oil burners of the "pot" and "barrel" type. In these burners and in similar low speed burners the speed at which the combustion gas leaves the burner and the combustion chamber cannot exceed the speed of propagation of the flame of the fuel supplied to the burner, because if this vi- tess was higher, the flame would be extinguished or "blown out" The speed of exhaust of the combustion gas being thus limited, the conventional boilers were equipped with large passages or flues for the combustion gas, so that the gases ; at low speed can flow at a speed sufficient to effect reasonably efficient heat transfer to the heat exchange surfaces of the boiler.
It goes without saying that the presence
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such large cross-sectional passages for the combustion gases contribute significantly to increasing the overall dimensions of the assembly.
According to an important feature of the present invention, a high speed burner is combined with a boiler provided with restricted passages for the combustion gases, so as to form a compact and high efficiency boiler-burner assembly.
A preferred type of high speed burner is shown in detail in Figure 2.
The burner shown in Figure 2 has an elongated rectangular housing 40 which contains the various elements forming the burner head, as described later. A flange 42 provided at the discharge end of the housing 40 is welded or otherwise secured, suitably, to a mounting plate 41, which is bolted to the center plate 26 of the cover 24, so as to hold the mounting plate. burner assembly in place on cover 24.
A hollow casing 44, provided on one side of the housing 40, surrounds a siroco-type fan or blower 46 for supplying relatively high velocity air to the combustion section or zone of the assembly. The conventional motor 48 (see Figure 1) serving to drive the blower 46 and a fuel pump (not shown) are advantageously secured to one side of the casing 440 Other accessories (not shown), such as a transformer for to supply the required voltage for the ignition, a fuel supply regulating valve and accessories - from the fuel supply line,
are also carried by the envelope 44 or by the housing 40
The casing 44 opens into the casing 40 through an opening 50 formed in one side of the casing 40, adjacent to the closed end of the latter for the supply of air from the blower 46 into the combustion zone of the. together. For ease of description, the part of the housing 40, into which the blower 46 opens, will be designated, in the remainder of this specification, as the end or inlet section of the housing, while the opposite end thereof will be referred to as its discharge or discharge end.
In the vicinity of the inlet end of the housing 40 is mounted a high speed burner head, having a pair of cylindrical sleeves 52, 54 disposed one inside the other and kept spaced coaxially from one another. the other by an end wall 56. The sleeves 52, 54 are supported by a mounting tab 58 extending from the interior wall of the housing 40 and suitably secured to the exterior sleeve 54.
Although the burner described now is capable of burning both liquid fuel and gaseous fuel, it will be described herein as being arranged to burn liquid fuel. A nozzle 60, mounted on the end wall 56, is used to project or inject atomized fuel, through an opening 62 made in the wall 56, in the combustion zone 64 delimited by the inner sleeve.
52. The nozzle 60 is preferably of the so-called return flow type. Fuel supply and return conduits 66, 68 are connected to nozzle 60.
The usual spark ignition device 69 extends through the end wall 56 into the combustion zone 640.
The inner sleeve 52 has a plurality of sets of relatively large holes 70 aligned sideways with each other and serving for the intake of combustion air. The end plate 56 and the inner sleeve 52 preferably have a large number of relatively small and close holes 72, these holes being provided to prevent the formation of carbon. .
The combustion zone 64, delimited by the inner sleeve 52, extends beyond the discharge end of the housing 40, by a sleeve
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cylindrical 74 made of refractory material The outside diameter of the sleeve 74 is substantially the same as the diameter of the outside sleeve 54, while the inside diameter of the sleeve 74 is slightly larger than the diameter of the inside sleeve 52. The gap between the two sleeves 52, 74 is closed by a metal collar 76, which forms an extension of the inner surface of the refractory sleeve 74 and which slightly overlaps the end of the inner sleeve 52 A series of L-shaped tabs 78, mounted radially on the necklace 76,
extend beyond collar 76 toward the inlet end of housing 40 and extend inwardly a short distance beyond the interior surface of collar 76, so as to contact the exterior surface of the inner sleeve 52 such that the collar 76 and the sleeve 52 are held perfectly in coaxial alignment with a small annular space between the sleeve and the collar.
The burner head, which has just been described, constitutes a high speed device capable of supplying hot gaseous combustion products at a rate substantially exceeding the rate of propagation of the flame of the fuel supplied to the burner. The air coming from the blower 46 is brought into the housing 40, then along the outer side of the outer sleeve 54, this air then passing through the gap between the sleeves 52, 54 and entering the combustion chamber 64. , in the form of separate jets, directed radially through the large holes 70 formed in the inner sleeve.
As these air jets come into contact at the center of the combustion chamber, part of the air is directed towards the end wall 56, then radially outwards, along this wall and then downwards. along the inner surface of the inner sleeve 52. This air circulation creates a vortex or ring in the area between the inlet ports 70 and the closed end 56 of the combustion chamber. of the direction of air circulation, an air circulation zone at a substantially zero speed is generated in the toroldale circulation zone and the nozzle 60 is arranged so as to expel fuel into this relatively dead air space .. 'By burning the atomized fuel,
in this region where the air circulates at a low speed, it becomes possible for the gases (air and combustion products) to circulate in and out of the combustion chamber 64 at a speed substantially greater than the speed of propagation of the fuel flame , without the flame being blown
The space between the sleeve 52 and the collar 76 allows a layer of cooling air to circulate along the interior surface of the refractory sleeve 74 and provides additional air to ensure complete combustion of the fuel.
In addition to allowing high-speed circulation of hot gaseous combustion products, with the advantages inherent in such a circulation described later in this specification, the burner, which has just been described,
has other advantages in a boiler-burner assembly of the type described, both as regards its operation and its maintenance.
Burners of this type do not require strictly sealed combustion zones, since they are relatively insensitive to draft. In fact, it is perfectly possible to operate the burner 38 in the open air. apparatus according to figure 1, the cover 24 with the burner 38 which it carries can be tilted upwards and the burner can be made to operate in the open air, so as to facilitate a preliminary adjustment and to allow a visual examination burner operation, if a check is necessary According to another feature of the:
invention and taking into account the possibility of operating the burner with the cover 2 open or closed, the conduits 66, 68 for the fuel leading to the burner and starting from the latter comprise flexible parts, made of a relatively ductile metal, such as as copper or the like and parts 66a, 68a wound in several turns on a coil. $ 2, which can advantageously be mounted on one of the .bolons 34 forming pivots. When #
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whether the cover 24 is raised or lowered, these coiled parts 66a, 68a will have sufficient flexibility to allow the displacement of the end, adjacent to the burner, of the fuel conduits, without breaking these conduits and without any stress. undue be imposed on the connection accessories.
When the cover 24 is closed the burner 38 is arranged to discharge the hot gaseous combustion products downwards into the generally cylindrical space 84 provided at the center of the boiler.
20.
To take maximum advantage of the high speed circulation of the hot gaseous combustion products due to the burner and to achieve the above objectives of making the assembly as small and as low as possible it is necessary to have a boiler offering the largest possible surface to the combustion gases and to the resulting flow of hot gases from the burner, in a small total volume While the known boilers generally have thick walls and a large water capacity, according to the present invention, there is provided a water jacket with thin walls and low water capacity, in which a relatively thin stream of water to be heated is circulated in order to heat the latter very quickly,
when the burner is started To save space, a multiple-jacket, curved-surface vater-jacket is used, the distance between adjacent jackets or chambers being reduced, so to take full advantage of the high speed circulation of the combustion gases, in the smallest possible space.
A water-jacket or boiler structure, particularly suitable for use in a burner-boiler assembly of the type under consideration, consists essentially of a pair of thin metal sheets sealed to each other along their edges and at a multiplicity of distinct points between the edges, curved so as to present a suitable curved shape and separated, except where they are sealed to each other, so as to form an envelope at matt "or" padded "surface. Although such a structure may affect a number of different specific shapes (eg, spiral shape, cylindrical shape, etc.) the generally cylindrical shape s is found to be the most satisfactory from the standpoint of ease of manufacture.
Thus, as shown in Figures 1 and 3, the boiler 20 can be made up of two similar shell sections 86, 88 and arranged coaxially.In order to clearly show the structure of the boiler, a complete boiler section or part 86 is shown separately. in Figure 4 and the assembled sections 86, 88 are shown in Figure 3, without the casing 18. The section of the boiler parts 86, 88 is shown in Figure 1, this figure showing the metal walls or partitions. Thin lines 90, 92 of tale or the like, sealed together at their edges 94 and along a series of spaced lines 96 and 1069 between edges 94.
In the manufacture of the boiler sections, after having welded or otherwise secured the walls 90,92 to each other, they are passed between rollers, so as to give them substantially the shape of a cylinder, edges 95 (see Figures 3 and 4) formed by the ends of the sheets being brought together but being kept slightly apart from each other, so as to define a longitudinal slot 98 extending from one side to the other, end to the other of the cylinder A fluid is then introduced between the sheets 90, 92 (through a suitable opening which has been left to remain for this purpose, for example, at one of the corners) under sufficient pressure to bring the sheets 90, 92 to move away from each other,
so as to form an envelope of the "quilted" type.
In the embodiment of the invention described here the two sections 86, 88 are arranged coaxially one inside the other (see figures
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1 and 3), the longitudinal slits 98 extending on opposite sides of the assembled sections 86, 88. As shown schematically by the arrows in dashed lines in FIG. 5, two similar passages for the combustion gases are thus obtained.
These passages extend from the cylindrical space 84 surrounded by the inner section or jacket 86 outside the outer section or jacket 88. The length of the sections 86, 88 is preferably such that open ends of these sections terminate just at the upper end of the casing 18, so as to be closed by the lower plate 29 of the cover 24. Thanks to this arrangement, when the assembled sections 86, 88 are placed in the housing. inner casing 18, the passages reserved for the combustion gases extend around the outer section 88, so as to communicate with an outlet flue 100 (see figure 1)
Hinsia it can be seen that all surfaces of the multi-jacketed or multi-section water jacket 20 are exposed to the action of the high velocity combustion gases produced by the burner 38. On the other hand, substantially the entire interior surface of the jacket the interior section 86 is exposed to the action of the flame coming out of the burner 38 and is therefore heated by direct radiation.
The heat transfer characteristics of the assembly are further improved by the "padded" surfaces of the sections or liners 86, 88 of the boiler, which produce considerable turbulence in the flue gases, which results in considerable turbulence in the flue gases. provides a friction effect bringing the combustion gases into extremely intimate contact with the surfaces of the water jacket and considerably improves heat transfer
The path reserved for the circulation of water in the boiler is similar to that reserved for the combustion gases in that these two paths are parallel.
Each of the two sections or jackets of the boiler is arranged so as to include three "pockets" 102 extending from one end to the other of the sections (see FIG. 4), these parts forming three internal passages or vertical collectors, including one on each side of the longitudinal slot 98 and one on the side opposite this slot.
These longitudinal passages are joined by a series of side passages formed by side pockets 104, which are separated from each other by continuous lines of welds 106 As shown schematically by the arrows in solid lines in Figure 5 , water is brought into the outer jacket or section 88 by a circulation pump 108, through a curved T-fitting 110, which enters the outer jacket 88 on either side of the slot 98 The circulation path then follows in opposite directions through the gaps between the walls of the outer jacket 880 A second curved T-connector 112 connects the jacket or outer section 88 to the jacket or inner section 86,
so as to extend the circulation path along a second pair of parallel paths within the interior of the inner liner 86, the water exiting through an outlet fitting 114 of the inner liner 86 and being supplied through a conduit 116 to radiators or similar devices (not shown).
Thanks to this arrangement, the finely divided gases and the water to be heated flow countercurrently on part of their adjacent circulation paths, so that the temperature difference between the water and the hot gases will be as large as possible. , to obtain maximum heat transfer.
Curved T-fittings 110, 112 are employed, rather than the more common right-angled T-fittings, in order to reduce as much as possible the pressure drop obtained by forcing water through the boiler. It is obvious that the section of the passages made for the circulation of water between the walls 90, 92 is not very large, so that the pressure drop in the boiler is greater than in the larger boilers. streams with large water capacity. Therefore, in order to obtain good water circulation in the boiler and in the radiators, associated with it, using a current flow circulation pump, it is important to keep the pressure drop as low as possible at each point of the water circulation path.
However, the problems posed by
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relatively high pressure drop occurring in the boiler are not particularly troublesome and are more than compensated by the advantages inherent in the combination of a boiler of this type with a high speed burner
As previously pointed out, the usual boiler with its relatively large passages for combustion gases and for water usually appears in combination with a low speed burner, due to the difficulty of obtaining sufficient draft to cause the combustion gases produced by a low speed burner to flow at reasonable heat transfer rates through narrow passages, such as those provided in boiler 20 according to the present invention.
Obviously, these boilers with large cross-sectional passages for the combustion gases are disadvantageous from the point of view of the compactness of the assembly.
On the other hand, the water capacity of these boilers is such that an appreciable time usually elapses after the burner is started before hot water is available in the system.
In the boiler-burner assembly according to the present invention, the high speed at which the hot combustion products are expelled by the burner perfectly allows the use of passages of very small cross-section, while ensuring good heat transfer even if no draft does not occur. manifests itself in the outlet flue. At the same time, the very thin film of water in the interval of small section 'provided between the walls 90
92, along with the rapid heat transfer characteristics of the thin walls themselves, ensure an almost instantaneous supply of hot water from the boiler
Thus, in a boiler-burner assembly according to the present invention, such as the assembly shown in FIG. 1, the average diameter of the assembled sections or liners 86, 88 is 11 inches,
the maximum clearance between adjacent liners 86, 88 is 1.75 inches and the maximum interior clearance between walls 90, 92 is 0.75 inches o Boiler 20 has a water capacity of 2 gallons. heat transfer to the water in the boiler is 120,000 BTU per hour, if the flue gases are exhausted from the burner at a rate of about 4000 feet per minute.
When the circulating water pump is not operating, the boiler-burner assembly is found to be capable of raising the temperature of the water in the boiler by 100 F in approximately one minute.
Due to the irregular shape of the surfaces of the boiler, as well as the variety of curved surfaces that can be used for the sections of the boiler (including cylindrical, spiral etc.
)., it is not possible to give with absolute precision the dimensional limits applicable to a boiler-burner assembly according to the invention. However, tests indicate that a good transfer of heat from the combustion gases at high speed high in water to be heated can be obtained with a maximum spacing between adjacent liners 86, 88 of less than 25% of the average diameter of the liners 86, 88.
Another dimensional relation, which constitutes a satisfactory guide, is that consisting in that the maximum separation between liners does not exceed about 3 times the maximum separation between the walls 90, 92, it being understood that the maximum separation between the liners. walls is limited by the thickness of the walls and by the distance between the separation lines 96, 106 to ensure safe operation of the boiler under the effect of the pressures generated therein
Due to the very thin film of water passing through the boiler, it is quite important that the water be made to circulate rapidly through the boiler, when the burner is started, otherwise the boiler may be thin-walled or overheated.
In order to avoid the possibility of overheating, the control system of the boiler-burner assembly according to the invention is preferably arranged so that the burner cannot ignite before circulation. water is established in the boiler. Although there are obviously various ways of achieving this goal, including by employing
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A time delay relay in the burner circuit and the like, a preferred arrangement is that the burner control circuit is directly controlled by the operation of the circulation pump.
A circuit that can be used for this is shown in figure 6, which shows a schematic of an electrical control circuit for the boiler-burner assembly of figure 1.
In the circuit of FIG. 6, two input conductors 118, coming from the usual energy source (not shown), are connected to the primary winding 120 of a transformer 122, via the contacts 123 d an aquastatic switch 124. The circuit of the transformer secondary winding 126 has three partially parallel branches. The first branch includes the control winding 120 of an ignition control relay 130, the contacts 132 of a bimetallic thermostatic element 134, and the contacts 136 of a bimetal safety switch 138.
The second branch has the control winding 140 of a control relay 142 of the motor, two contacts 144, 145 of a thermostatic switch 146, a heating element 148 for the safety switch 138, a series of contacts. 150 of the ignition relay 130 and the previously mentioned contacts 132, 136 The third branch of the circuit of the secondary 126 of the transformer comprises the winding 140, a second pair of contacts 144, 147 of the switch 146, a series of contacts 152 relay 142 and contacts 132, 136.
A first circuit connected to the primary winding 120 of the transformer, comprises a second series of contacts 156 of the ignition control relay 130, the primary winding 158 of an ignition transformer 160 and a pair of contacts 161, 162 associated with the motor 164 of the circulation pump, as explained in detail below. A second circuit connected to the primary winding 120 of the transformer, comprises a second series of contacts 166 of the engine control relay 142, a control element 168 of the fuel distribution valve, the motor 48 of the blower (connected in parallel to element 168) and the previously mentioned contacts 161, 162.
A variation of the circuit described above includes the contacts 166 of the motor relay, the contacts 170, 171 of a second aquastatic switch 172 and the start and run windings 174., 176 of the motor 164 of the circulation pump.
The aquastatic switch 172 also has an additional contact 173 arranged so that the motor 164 can be connected directly to the input leads 118. Of course, the control element 160 includes an electrically actuated valve in the valve. fuel supply pipe for the burner. Such valves are well known and ordinarily consist of a solenoid device which closes and opens the valve, when current is admitted to pass through the control element or is interrupted.
The circuit of figure 6 is shown in the cold start state, however all relays being de-energized In other words, switch 146 is in the cold position, aquastatic switches 124, 172 are in the cold position requiring heating the water to the boiler, and the thermostatic switch 134 is in the cold position requiring the supply of heat by the system. When the thermostatic switch 134 closes (towards the position shown), the ignition relay 130 is actuated, which causes the closing of the two sets of contacts 150, 156. The contacts 150 close a circuit to energize the relay 142 of the motor, so as to close the contacts 152, 166 of this relay.
When ignition relay contacts 156 close a circuit is partially closed for primary winding 258 of the ignition transformer, to contact 161 of the circulation pump motor. Likewise, when the contacts 166 of the motor relay close, a circuit is partially closed through the element 168 and the motor 48 of the blower, up to contact 161 of the motor 16 of the circulation pump. At the same time, a circuit is closed by the contacts 166 of the control relay, the aquatic switch 172 and the starting winding 174 of the motor of the circulating pump.
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culation, the latter being thus started.
Until then, only the circulation pump is started o When the circulation pump reaches its operating speed, the usual contact actuated by the centrifugal force -162 moves away from contact 163, to such an extent that the starter winding 174 is switched off o Simultaneously contact 162 of the starter winding rotates, so as to close on contact 161 the ignition circuits and of the blower motor. o Consequently, it is obvious that the ignition, fuel and blower circuits cannot be energized before the circulation pump has reached operating speed
Although the important operating features of the circuit of Figure 6 have been described above,
In connection with the present invention, a brief description of the operation of the remainder of the circuit will be given for completeness.
The heating element 148 of the safety switch begins to pass current, as soon as the ignition contacts 150 are closed.
The safety switch 138 is actuated with a predetermined delay and does not open, as a result of the heating of the element 148, until after an interval of the determined time, if Insulation 148 continues to let current pass. indefinitely o If switch 138 opens, it interrupts or cuts off all the burner circuits. However, if the burner is operating properly, the switch 146 responds to the heating effect of the flue gases and the contacts 144, 147 of this switch close, which turns the element 148 of the switch off. safety switched off so that the safety switch does not open the burner circuit.
A series of aquastatic contacts 123 constitute a device having the effect of opening and de-energizing the burner, when the water in the boiler reaches a predetermined high temperature, whatever the state of the remainder of the circuit. The second set of aquastatic contacts 170, 171, 173 modifies the circuit of the circulation pump, when the water in the boiler has reached a predetermined temperature, so as to connect the motor 164 of the circulation pump directly to the conductors 118, so that the water continues to circulate and supply any heat that may be stored in the boiler to the radiators when the thermostat has operated and the burner has ceased to operate.
In the assembly shown in Figure 1, the majority of the circuit elements described above are mounted in a box 174 provided outside the inner shell 18 and accessible for making the required adjustments and for the installation. maintenance, thanks to a removable panel 176 carried by the wall of the lower part 12 of the outer casing. The bimetallic element of the switch 146 (not shown in FIG. 1) extends through a tube 177 in the flue 100 of the combustion gas outlet. The aquastatic elements (not shown in figure 1) are placed in the T-fittings 178 in the water outlet pipe 116 coming from the boiler 20. The thermostat 134 is obviously placed in a suitable way, in the room to heat.
The circulation pump 108 and the motor 164 are mounted in the lower part 12 of the outer casing, under the box 174.
The description given above reveals that all the component parts of the boiler-burner assembly are arranged and arranged so as to be easily accessible, the available space being used very rationally. Thus, the base 13 of the casing 10, 12 should not be more than 20 x 26 inches, while its height should not exceed 40 inches, for an assembly with a heat output of 100,000 BTU / hour By removing the top 10 of the outer casing, the entire burner 38 becomes accessible and, after tilting cover 24, the burner elements, as well as the entire exterior surface of the boiler can easily be examined, cleaned or otherwise checked.
By removing panel 176, box 174, motor 164 and pump 108 are immediately accessible. It therefore appears that all the elements of
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the assembly can be controlled and adjusted in an extraordinarily simple way, while the assembly is compact, light and easy to handle when set up, while operating extremely efficiently.
CLAIMS
1. Boiler-burner assembly, comprising a multi-section or multi-jacket heat exchange water jacket surrounding a generally cylindrical space in the center of said water jacket, this water jacket having thin and curved metal walls. , forming (1) a continuous passage for water, extending from the end inner liner to the outer end liner, and (2) a continuous passage for the combustion gases, extending between the jackets aforementioned from the cylindrical space to the outer side of the outer outer jacket, these walls being arranged so as to present "quilted" surfaces, which are in contact with each other along their edges and at one end. series of points spaced apart from each other between the edges in question and which are separated one by three;
another at all other points, and a high speed fluid fuel burner, mounted to discharge hot combustion products directly into said space, this burner being of a type suitable for producing a circulation of combustion products. hot gaseous gases at a speed substantially exceeding the speed of propagation of the flame of the fuel supplied to the burner, this burner comprising a sleeve defining a combustion zone and opening directly into said cylindrical space, so as to expose the inner surface of the water- jacket with heat radiated by flames coming out of the aforementioned sleeve.