EP0037333B1

EP0037333B1 - Chaudière à gaz pouvant fonctionner en circuit de combustion étanche

Info

Publication number: EP0037333B1
Application number: EP81400488A
Authority: EP
Inventors: Elie Charrier; René Fourno
Original assignee: PAQUET THERMIQUE SA
Current assignee: PAQUET THERMIQUE SA
Priority date: 1980-03-27
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1984-06-20
Also published as: EP0037333A1; CA1154336A; DE3164282D1; US4401058A; US4366778A

Description

La présente invention se rapporte aux chaudières à gaz à circuit de combustion étanche dites "à ventousé
Il existe sur le marché de telles chaudières, qui sont en général placées contre un mur et en élévation. Leur puissance n'excède pas, en pratique, 70 KW car, au-dessus de cette valeur, il n'existe pas de combinaison chaudière/brûleur pour satisfaire le problème du fonctionnement en "ventouse".
La présente invention a pour objectif principal de créer une chaudière de faible encombrement et de bas prix de revient, que l'on puisse faire fonctionner en circuit de combustion étanche avec des puissances nettement supérieures à celles des chaudières à ventouse connues.
A cet effet, la présente invention a pour objet une chaudière à gaz comprenant un échangeur constitué de tubes à aiglettes reliés à leurs extrémités à des collecteurs d'entrée et de sortie d'eau, au moins un brûleur présentant un corps tubulaire, dont une partie percée de multiples trous s'étend dans l'espace défini par les tubes à ailettes, une arrivée de gaz, une arrivée d'air de combustion, et un tuyau d'évacuation des gaz brûlés, caractérisée en ce qu'elle comprend un coffre intérieur avec couvercle amovible, l'échangeur étant logé dans ledit coffre avec ses tubes à ailettes disposés verticalement, ledit coffre logeant en outre ledit brûleur qui est disposé verticalement et pénètre dans le coffre au travers du couvercle de celui-ci, le brûleur ayant une portion retenue par un anneau d'étanchéité au-dessus du couvercle du coffre et étant ouvert à son sommet et fermé à sa base au-dessous des trous multiples; une enveloppe extérieure disposée verticalement, entourant le coffre intérieur et la partie supérieure du brûleur, cette enveloppe extérieure étant munie à sa partie supérieure d'un couvercle amovible, l'enveloppe extérieure formant un avant-foyer étanche comprenant un espace ménagé entre le coffre intérieure et la face interne de l'enveloppe extérieure, l'arrivée de gaz traversant la partie supérieure de l'enveloppe extérieure et étant reliée à la partie supérieure du brûleur, un appareil de sécurité et de contrôle étant monté sur l'arrivée de gaz, l'arrivée d'air de combustion étant branchée sur la partie supérieure de l'enveloppe extérieure, et le tuyau d'évacuation des gaz brûlés étant branché sur le coffre intérieur et traversant l'enveloppe extérieure; et des moyens sur l'entrée d'air de combustion pour injecter l'air sous pression dans ledit espace, d'où l'air sous pression pénètre dans le brûleur par le sommet ouvert de celui-ci, ledit brûleur comprenant à sa partie supérieure un mélangeur du gaz et de l'air pénétrant dans le brûleur, ce mélangeur comprenant une chemise annulaire entourant le corps tubulaire du brûleur et sur laquelle est branchée ladite arrivée de gaz, un anneau de trous d'injection de gaz prévus dans le corps tubulaire du brûleur en face de ladite chemise annulaire et un noyau pour le réglage de la section d'entrée d'air dans le brûleur, monté coulissant à cet effet au sommet du brûleur et qui est amovible, pour permettre le nettoyage facile in situ de l'intérieur du brûleur.
Lorsque l'air de combustion est prélevé à l'extérieur, la chaudière fonctionne en circuit de combustion étanche, les tuyaux d'aspiration d'air et de sortie des gaz brûlés pouvant être situés assez près l'un de l'autre pour que le vent éventuel n'ait pas d'influence sur le débit d'air de combustion.
On peut aussi aspirer l'air frais dans la chaufferie, le tuyau d'évacuation des produits de combustion étant alors raccordé à une cheminée.
L'avant-foyer "pressurisé" qui entoure la chaudière de toutes parts empêche toute fuite des produits de combustion de se répandre dans la chaufferie. En outre, entre l'enveloppe et le coffre, l'air injecté circule par effet de thermosiphon, de haut en bas le long de l'enveloppe et de bas en haut le long du coffre avec une autorégulation de sa vitesse de circulation, et il fait donc aussi office de calorifuge très efficace permettant d'obtenir une température très basse des parois extérieures de l'enveloppe et il soustrait à la chaleur les appareils de sécurité et de contrôle qu'on peut y loger.
Des chaudières à gaz comprenant un brûleur à corps tubulaire perforé s'étendant entre les tubes à ailettes d'un échangeur sont connues par le DE-A-2 100 344, qui concerne d'ailleurs un chauffe-eau plutôt qu'une chaudière, et par le FR-A-2 314 448. Ces chaudières ne sont pas logées dans une enveloppe étanche les entourant entièrement en formant autour d'elles un avant-foyer, dans lequel l'air de combustion est injecté sous pression avec les avantages susindiqués. Suivant ledit FR-A-2 314 448, le brûleur et l'échangeur sont de plus disposés horizontalement et la chaudière fonctionne en dépression, le ventilateur prévu à une extrémité de la chaudière aspirant les gaz de combustion pour les refouler dans la cheminée. Le DE-A-2 162 139 concerne une chaudière non pas à gaz, mais à combustible liquide, comprenant une chambre de combustion munie d'une buse d'injection de combustible et dans laquelle l'air de combustion est aspiré; l'avant-foyer situé entre l'enveloppe extérieure de la chaudière et l'enveloppe de l'échangeur entourant la chambre de combustion est de ce fait en dépression.
Quant au FR-A-2 411 365, il a pour objet un chauffe-eau à gaz, dont le brûleur est à rampe et non pas à corps tubulaire perforé et dont l'échangeur à ailettes est disposé horizontalement au sommet d'une chambre de chauffe surmontant la rampe à gaz; il n'existe pas non plus dans cette réalisation une enveloppe extérieure étanche entourant l'habillage dans lequel sont logés le brûleur, la chambre de chauffe et l'échangeur et qui formerait autour de cet habillage un avant-foyer dans lequel l'air de combustion serait envoyé sous pression.
En outre, suivant la présente invention, le mélange air-gaz du ou des brûleurs se déplace de haut en bas, l'air frais et le gaz étant injectés à la partie supérieure. De ce fait, non seulement l'entretien du brûleur est facile, mais encore il se produit comme susindiqué, pour l'air dérivé entre l'enveloppe et le coffre, une circulation naturelle par thermosiphon avec autorégulation, ce qui assure à la fois le refroidissement convenable de l'enveloppe extérieure sans surcharge de la puissance du ventilateur et le pré-chauffage de l'air fourni au brûleur, donc une récupération de calories augmentant le rendement global de la chaudière. Un tel déplacement de haut en bas de l'air et du gaz n'était pas prévu dans les chaudières antérieures décrites dans les documents précités.
L'échangeur est de préférence constitué de tubes à ailettes verticaux disposés autour du ou des brûleurs ou de part et d'autre de ceux-ci, ces tubes étant raccordés à leurs extrémités à des collecteurs d'entrée et de sortie d'eau. On obtient ainsi une puissance élevée, avec un faible encombrement. Le GB-A-1 324 636 décrit une chaudière dans laquelle des brûleurs sont disposés en ligne, les tubes à ailettes de l'échangeur étant également disposés en ligne de part et d'autre des brûleurs. Cependant, cette chaudière, qui est d'un type classique, ne comprend pas un coffre intérieur et une enveloppe extérieure formant autour du coffre un avant-foyer étanche, dans lequel l'air de combustion est envoyé sous pression, et les ailettes des tubes sont trop espacées pour refroidir convenablement les gaz de combustion; il s'ensuit que le rendement de cette chaudière est insuffisant.
L'échangeur de la présente chaudière peut être combiné avec un tube servant à la fourniture d'eau chaude à des fins sanitaires ou industrielles par exemple.
Le ou les brûleurs sont alimentés en air et en gaz dans des proportions sensiblement stoechiométriques. Ils comportent avantageusement sur leur corps tubulaire perforé des bagues d'operculation, la répartition du débit thermique étant assurée par operculage partiel et convenable des trous.
La chaudière convient particulièrement à l'alimentation d'installations de chauffage combinées ou non avec un service de fourniture d'eau chaude.
Conformément à un mode particulier de réalisation de la chaudière selon l'invention, son échangeur est divisé en deux parties dans le sens vertical par un plancher réfractaire, ce qui lui permet de jouer, dans la partie qui est située au-dessus de ce plancher et qui contient le ou les brûleurs, son rôle classique d'échangeur, et dans la partie qui est située au-dessous du plancher, et où il reçoit de l'eau froide, à la fois un rôle d'échangeur et un rôle de condenseur des produits de combustion.
Cette configuration de l'échangeur permet d'améliorer encore le rendement de la chaudière selon l'invention.
Nul n'ignore en effet que le bon rendement des chaudières est un élément déterminant dans le domaine des économies d'énergie.
Les chaudières actuellement construites ont leur rendement poussé à leur quasi extrême limite. La seule raison qui empêche d'arriver à un rendement véritablement maximal est que les produits de combustion emportent à l'extérieur des calories du fait de leur température. Ces produits de combustion sont l'azote, le C0₂ et surtout la vapeur d'eau dont le poids est relativement considérable; 1,611 kg par m³ de gaz naturel brûlé selon le schéma réactionnel ci-dessous:
214 kcal étant la chaleur exothermique.
Il est donc important de pouvoir récupérer la plus grande partie possible des calories emportées par les gaz de combustion et la plus grande partie de la vapeur d'eau dont la condensation fait récupérer 516 cal/kg (2 159,710 J)-chaleur latente de vaporisation.
Pour parvenir à ce résultat, il suffit de faire passer les gaz brûlés mélangés à la vapeur d'eau à travers un échangeur placé sur la sortie de la chaudière.
Celui-ci peut être constitué par des tubes lisses ou à ailettes dans lesquels circule l'eau de retour des radiateurs. Le phénomène de condensation commence dès que la température de cette eau s'abaisse au-dessous de 59° (point de rosée).
La récupération de la chaleur contenue dans les gaz de combustion commence dès que la température des eaux de retour est inférieure à celle des gaz brûlés.
Le prix de cet échangeur est relativement élevé, ce qui en limite l'emploi.
Cet inconvénient est supprimé avec cette nouvelle configuration de l'échangeur qui permet de doter d'un échangeur-condenseur la chaudière selon l'invention, et ce, sans grande incidence sur le prix de revient de la chaudière.
Le DE-A-2 100 344 précite se rapporte à un chauffe-eau à gaz, dont l'échangeur, qui comprend des tubes à ailettes disposés verticalement, est divisé en deux parties dans le sens vertical par un déflecteur placé au-dessus du brûleur, lui-même monté à la base du chauffe-eau; ce dernier fonctionne donc en sens inverse de la présent chaudière, avec une entrée d'eau froide à son sommet et une sortie d'eau chaude à sa base. La partie haute de l'échangeur, située au-dessus du déflecteur, joue le rôle d'échangeur et de condenseur de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion, mais l'eau condensée est revaporisée dans la région basse et chaude de l'échangeur où elle retombe, ce qui annule la récupération de.lénergie thermique de l'eau de condensation, qui avait eu lieu dans la région haute de l'échangeur. Ce chauffe-eau à structure inversée par rapport à celle de la présent chaudière n'offre pas, par conséquent, l'avantage particulier de cette dernière, lorsqu'elle est prévue à condensation.
Conformément à d'autres modes particuliers de réalisation de la présente invention, on pourra apporter des modifications de structure intéressantes au(x) brûleur(s) et aux ailettes de l'échangeur.
La première modification au brûleur consiste à prévoir des orifices supplémentaires d'entrée d'air dans la région du corps du brûleur qui fait suite à la zone du mélangeur.
L'intérêt de cette amélioration réside dans le fait qu'une partie assez importante de l'air de combustion qui pénètre dans ces orifices-dont le diamètre sera judicieusement calculé-vient en déduction de celui qui passe par le mélangeur. Or, la perte de charge principale du circuit d'air de combustion se trouve justement dans la zone du mélangeur. Ainsi, sans changer la quantité totale d'air qui est introduite dans le brûleur, et en faisant passer moins d'air dans le mélangeur, on diminue la perte de charge de circulation d'air, d'où une pression d'air moindre dans l'avant-foyer. Il est donc possible d'utiliser un ventilateur moins puissant, ce qui permet d'économiser l'énergie électrique et de diminuer le prix de construction. Par ailleurs, l'air introduit par lesdits orifices crée une turbulence favorable au mélange air-gaz.
La seconde modification consiste à rendre le collecteur indépendant du corps du brûleur, ce qui permet de monter et de remonter aisément ce dernier sans démonter le mélangeur qui est solidaire de l'arrivée du gaz.
On prévoiera dans ce but un mélangeur à double paroi, dont la paroi interne forme un cylindre qui est coaxial au corps du brûleur.
Le corps du brûleur est capable de coulisser à frottement doux à l'intérieur du cylindre précité.
Le gaz sort du mélangeur par des orifices disposés en couronne et ménagés dans cette paroi interne. On s'arrangera de préférence pour que ces orifices débouchent au-dessus du corps du brûleur pour que le gaz pénètre plus librement dans celui-ci, sinon il y aurait lieu de prévoir également des perforations dans le corps lui-même.
On prévoiera avantageusement des orifices additionnels d'entrée d'air, ce qui fait l'objet de la modification précédente. Dans ce cas, la paroi interne prolongée du mélangeur et le corps du brûleur comporteront des orifices en regard pour l'introduction de cet air additionnel.
La modification annoncée ci-dessus qui pourra être apportée à l'échangeur consiste à modifier la disposition des ailettes des tubes de cet échangeur de telle sorte que les ailettes d'un tube soient décalées en hauteur par rapport à celles du tube voisin, ce qui permet de rapprocher les différents tubes constituant l'échangeur.
Dans les échangeurs où les tubes d'eau sont disposés soit en couronne, soit en lignes, les ailettes d'un tube sont toutes situées au même niveau que celles des tubes voisins et les ailettes de l'échangeur qui se trouvent dans un même plan sont disposées presque à se toucher. Des chicanes en V doivent être placées à l'extérieur des tubes pour faire en sorte que les flammes de combustion intéressant le maximum de surface des ailettes.
La modification susindiquée de la disposition des ailettes oblige les flammes et les gaz chauds à lécher directement une grande partie de la section des ailettes, sans que l'on ait recours aux chicanes.
Par ailleurs, cette disposition permet, d'une part, pour un même nombre de tubes, de diminuer le volume de l'échangeur, entraînant ainsi une réduction des cotes de la chaudire et par là même une réduction de son prix de revient, et d'autre part, pour un même encombrement (même diamètre d'un échangeur avec tubes en couronne), de loger un plus grand nombre de tubes (en règle générale 25% en plus), ce qui contribue à améliorer le rendement de la chaudière.
Il va de soi que si l'on prévoit une zone de condensation de la vapeur d'eau résultant de la combustion, comme exposé plus haut, les ailettes de la section de l'échangeur-condenseur pourront être disposées de la façon avantageuse qui vient d'être définie.
On décrira plus en détail ci-après à titre indicatif et nullement limitatif plusieurs modes de réalisation de la chaudière selon la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel:

La figure 1 est une vue en plan avec coupe horizontale partielle d'une chaudière conforme à l'invention.
La figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1.
La figure 3 est une vue analogue à la figure 1, mais représentant une variante.
La figure 4 est une coupe par IV-IV de la figure 3.
La figure 5 est une vue schématique développée d'un échangeur agencé en vue de la fourniture d'eau chaude à usage domestique.
La figure 6 est une vue en coupe verticale d'une chaudière équipée d'un échangeur-condenseur, conformément à un mode de réalisation de l'invention particulièrement intéressant.
Les figures 7 et 8 représentent chacune une vue en coupe verticale d'une variante de réalisation d'un brûleur équipant la chaudière selon l'invention.
La figure 9 est une vue en coupe horizontale partielle de l'échangeur de la chaudière conforme à la figure 1 et la figure 10 est une vue analogue à la précédente, montrant une variante intéressante de la disposition relative des ailettes.

Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la chaudière comporte une enveloppe verticale étanche 1, qui peut être posée sur le sol par l'intermédiaire d'un socle 1 a et est fermée à sa partie supérieure par un couvercle amovible 1 b. La section droite de l'enveloppe 1 peut être quelconque, carrée par exemple.
L'enveloppe 1 contient un coffre 2, de section droite plus petite et de hauteur moindre, disposé de telle sorte qu'un espace libre soit prévu sur toutes ses faces. Le coffre 2 est muni d'un couvercle amovible 2a.
Il contient un échangeur formé de tubes 3, disposés verticalement selon les génératrices d'un cylindre, comme le montre la figure 1, entre deux collecteurs annulaires 4. L'eau à chauffer entre dans le collecteur inférieur par une tubulure 5 et sort du collecteur supérieure par une tubulure 6. Comme on peut le voir sur la figure 2, les tubulures 5 et 6 traversent, avec étanchéité, les parois du coffre 2 et de l'enveloppe 1.
Le fond du coffre 2 et le couvercle 2a sont plaqués contre les échangeurs grâce à des bossages annulaires 2b dont ils sont munis (figure 2). Les tubes 3 sont garnis, sur toute leur longueur, d'ailettes 3a destinées à augmenter la surface d'échange de chaleur. En outre, des chicanes verticales en V 3b sont disposées à l'extérieur des tubes 3, comme le montre la figure 1 afin d'amener les gaz à lécher lesdits tubes.
Le couvercle 2a du coffre 2 présente un orifice circulaire axial 2c par lequel est introduit, dans l'axe de l'échangeur, un brûleur 7 qui présente, dans sa partie supérieure, un anneau 7a d'étanchéité qui vient reposer sur ce couvercle 2a (figure 2).
A sa partie supérieure, hors du coffre 2, le brûleur comporte un mélangeur 8, composé d'une chemise annulaire qui entoure le corps tubulaire du brûleur.
Le gaz arrive par une tubulure latérale 9, qui traverse avec étanchéité la paroi de l'enveloppe 1 et sur laquelle sont montés, à l'intérieur de l'enveloppe 1, les dispositifs 9a de régulation et de contrôle.
Le gaz passe dans le corps du brûleur par une couronne de trous d'injection 10 située à la partie supérieure du mélangeur.
La section d'entrée d'air de ce dernier est réglée au moyen d'un noyau cylindro-conique 11, muni d'une collerette supérieure 11 a et que l'on peut faire pénétrer plus ou moins dans le corps du brûleur 7.
Ce corps se prolonge dans le coffre 2 jusqu'au bas du collecteur inférieur. Il est fermé à sa base et percé sur toute sa portion, en regard des tubes 3, de multiples couronnes de petits trous 12 par lesquels sort le mélange d'air et de gaz. Cette sortie par de multiples petits trous interdit le retour de flamme.
Afin de faire en sorte que les ailettes 3a de l'échangeur reçoivent la même quantité de chaleur sur toute la hauteur des tubes 3 malgré les mouvements de convection des gaz brûlés dans le sens vertical, on munit la portion perforée du brûleur de bagues operculantes 13 que l'on rapproche plus ou moins les unes des autres, afin de dégager le nombre de trous qu'il faut. Deux bagues 13 seulement ont été représentées sur la figure 2 afin de ne pas compliquer le dessin.
La partie supérieure de l'enveloppe 1 est raccordée à un ventilateur 14 qui met en surpression l'avant-foyer 15 que constitue ladite partie, ainsi que l'espace annulaire 16 qui entoure le coffre 2 et la partie inférieure 17, située sous ce coffre.
Les gaz brûlés sont collectés dans l'espace 18 où ils parviennent après être passés entre les tubes 3, 3a et ils sortent du coffre 2 par un tuyau latéral 19 qui traverse avec étanchéité la paroi de l'enveloppe 1 puis le mur M.
L'air frais est fourni au ventilateur 14 par un tuyau 20 qui traverse également le mur M.
La chaudière que l'on vient de décrire fonctionne comme suit: le ventilateur 14 aspire l'air frais par le tuyau 20 et met sous pression les espaces 15, 16 et 17 de l'enveloppe 1 qui forme avant foyer. Cet air est refoulé dans le mélangeur 8 où il se mélange avec le gaz sortant des trous d'injection 10.
Après allumage, le mélange brûle autour du brûleur 7, passe entre les tubes 3, 3a, en les contournant, grâce aux chicanes 3b, parvient à l'espace 18 et sort par le tuyau 19.
Les tuyaux 19 et 20 débouchant sensiblement dans le même plan vertical et à peu de distance l'un de l'autre, le vent qui s'exerce éventuellement sur leurs orifices rend constantes les pressions différentielles d'entrée et de sortie de l'air. Il s'ensuit dans ce cas, une surpression dans l'avant-foyer, qui n'a aucune incidence notable sur les différences de pressions et, donc, sur le débit d'air de combustion.
Dans la variante des figures 3 et 4, les tubes à ailettes 3, 3a, de l'échangeur sont disposés sur deux lignes parallèles et des écrans verticaux 3c sont prévus aux extrémités de ces lignes, entre celles-ci de façon à obliger les gaz à passer entre les tubes.
Le collecteur supérieur présente deux compartiments 4a et 4b, qui communiquent respectivement avec l'une et l'autre des lignes de tubes, l'entrée de l'eau s'effectuant en 5 dans le compartiment 4a et la sortie en 6 du compartiment 4b. L'eau circule donc de haut en bas dans les tubes de droite et de bas en haut dans les tubes de gauche, comme indiqué par des flèches sur la figure 4. Trois brûleurs 7 sont disposés verticalement et en ligne entre les deux lignes de tubes 3. Ils sont alimentés par la tubulure 9 au moyen d'un collecteur 9b.
Le fonctionnement est le même que celui du mode de réalisation précédemment décrit.
Si l'on désire produire de l'eau chaude, par exemple à des fins domestiques, sanitaires ou industrielles, sans être obligé de passer par un échangeur extérieur, il suffit quelle que soit la variante adoptée pour la chaudière de faire passer un tube 21 dans les tubes 3 et les collecteurs 4. L'entrée de l'eau à distribuer se fait en 22 et la sortie en 23, figure 5.
Le tube 21 est de préférence en cuivre ou en acier inoxydable. L'échange de chaleur est très actif du fait de la grande surface de contact et des grandes vitesses de l'eau de part et d'autre. Le volume de la chaudière reste le même.
Les avantages qu'apporte la présente invention sont multiples.
La surpression qui règne constamment dans l'enveloppe 1 autour du coffre 2 interdit à toute fuite de gaz brûlé, de se répandre dans la chaufferie.
La présence d'air dans les espaces 15, 16 et 17 dispense d'utiliser des produits calorifuges sur les parois de l'enveloppe 1. En effet, l'air chauffé dans les espaces inférieurs 16 et 17 monte dans l'enveloppe où il se mélange, dans l'espace 15 avec l'air frais soufflé par le ventilateur. Il en résulte une circulation par thermosiphon qui d'une part empêche un échauffement excessif de l'air et d'autre part, assure un réchauffage de l'air qui pénètre dans le mélangeur 8. Les calories ainsi récupérées participent à un meilleur rendement global de la chaudière. On économise en outre l'énergie à produire par le ventilateur. Les appareils de contrôle et de régulation 9a fonctionnent bien car ils se trouvent refroidis par l'arrivée d'air frais dans l'espace supérieur 15 où ils sont placés.
Le mélange d'air et de gaz peut être dosé stoechiométriquement dans le ou les mélangeurs 8, ce qui permet d'avoir une flamme très courte d'où une capacité de foyer extrêmement réduite. La partie centrale du ou des mélangeurs, constituée par le noyau cylindro-conique 11 est facilement amovible et permet l'accès facile au corps du brûleur. Or, c'est à l'intérieur de ce corps et sur les petits trous 12 que peuvent s'accumuler les poussières. Après avoir enlevé le couvercle 1 b et le noyau 11, un simple brossage précipite les poussières au fond du brûleur qui a été prolongé à cet effet vers le bas sous la portion perforée. On peut ainsi se dispenser d'un filtre sur l'arrivée d'air frais, filtre qui serait plus difficile à nettoyer que le brûleur. Par ailleurs, un encrassement anormal de l'intérieur du brûleur est signalé par le contrôleur de débit d'air qui met automatiquement la chaudière à l'arrêt. Le démontage du brûleur ne présente aucune difficulté une fois le couvercle 1 b de l'enveloppe enlevé.
L'échangeur, placé verticalement, offre des avantages: dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, l'entrée de l'eau par le bas et sa sortie par le haut autorisent une purge complète d'air. En outre, tous les tubes étant parcourus par de l'eau à la même température, aucun problème de tension dû à des différences de dilatation ne peut se poser.
Quel que soit le mode de réalisation adopté, l'installation est très simple puisqu'il suffit de faire passer les tuyaux 19 et 20 à l'extérieur, leur orifice extérieur étant de préférence protégé par une grille.
Si l'on ne veut ou ne peut bénéficier du circuit étanche, il suffit de raccorder le tuyau 19 à une cheminée, le ventilateur aspirant alors l'air dans la chaufferie.
Le ventilateur peut être calculé de façon qu'une pression résiduelle notable soit assurée à la sortie des produits de combustion. On peut ainsi réduire considérablement la section de la cheminée ou la section des tuyaux 19 et 20 qui relient la chaudière à l'extérieur lorsqu'on utilise le circuit étanche dans son intégralité.
On a pu construire, selon l'invention, une chaudière de 200 KW qui mesurait au sol 0,50x0,45 m et avait une hauteur de 1,05 m. Ce volume est environ le septième de celui d'une chaudière à gaz classique. Le poids se trouve corrélativement réduit, la chaudière pouvant être transportée dans le coffre arrière d'une voiture de tourisme légère.
La chaudière représentée à la figure 6 est conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention. Comme la chaudière représentée sur la figure 1, elle comporte une enveloppe verticale étanche 1 qui peut être posée sur le sol par l'intermédiaire d'un socle 1 a, et qui renferme un coffre 2 dont le couvercle 2a présente un orifice circulaire axial 2c par lequel est introduit un brûleur 7 qui présente, dans sa partie supérieure une collerette 7a d'étanchéité qui vient reposer sur ce couvercle 2a. Le brûleur 7 comporte un mélangeur air-gaz 8, situé hors du coffre 2 dans lequel le gaz arrive par une tubulure latérale 9 sur le trajet duquel sont disposés les appareils 9a de régulation, de contrôle et de sécurité. L'air est amené par un ventilateur 14, qui met en surpression l'avant-foyer 15, l'espace annulaire 16 entourant le coffre 2 et la partie inférieure 17 située sous ce coffre. Le brûleur 7 se prolonge à l'intérieur du coffre 2, sensiblement sur la moitié de sa hauteur ou davantage, par une rampe cylindrique percée de multiples couronnes de petits trous 12 (8/10 mm de diamètre environ) par lesquels sort le mélange air-gaz enflammé, des bandes operculantes 13 étant également prévues. Le coffre 2 contient un échangeur formé de tubes 3 à ailettes 3a, disposés verticalement entre deux collecteurs annulaires 4, et en couronne autour de la rampe du brûleur 7.
Conformément à ce mode particulier de réalisation de l'invention, ces tubes 3 se prolongent au delà de cette rampe.
L'eau à chauffer entre dans le collecteur inférieur par une tubulure 5 et sort du collecteur supérieur par une tubulure 6.
Un plancher réfractaire 24 situé au-dessous du fond du brûleur 7 dans l'espace limité par les tubes 3 auxquels il est fixé par tous moyens appropriés, sépare l'intérieur de l'échangeur 3 en deux parties, la partie haute 24a constituant l'échangeur proprement dit et la partie basse 24b recevant en 5 les eaux de retour (eaux froides) et fonctionnant comme un échangeur-condenseur.
Dans ce but, les gaz de combustion (comprenant la vapeur d'eau) sortant de la partie 24a sont réintroduits latéralement dans la partie 24b, l'eau à chauffer s'engageant dans la partie 24a après avoir récupéré la chaleur de condensation dans la partie 24b, améliorant ainsi le rendement de la chaudière.
Le collecteur inférieur 4 est situé à une certaine distance du fond du coffre 2. Il repose sur une plaque 25 présentant une ouverture centrale 26 et une ouverture latérale 27 débouchant sur un tuyau vertical 28 acheminant les gaz brûlés vers l'extérieur et se terminant à cet effet par un coude de sortie 29 à peu près à mi-hauteur du coffre 2.
La plaque 25 et le fond du coffre 2 délimitent un bac étanche 30 présentant une tubulure latérale 31 pour l'évacuation de l'eau de condensation.
Le cheminement des gaz brûlés, y compris la vapeur d'eau, est donc conforme au parcours fléché 32. L'eau de condensation est recueillie en 31 et peut être récupérée comme eau distillée.
La figure 7 montre un brûleur 7 avec la chemise annulaire du mélangeur 8 et le noyau cylindro-conique 11 permettant de régler la section d'entrée d'air dans le mélangeur, ce brûleur 7 ayant, selon cette variante de réalisation, la particularité de présenter une série de trous d'arrivée d'air 33 (par exemple une couronne de trous) situés entre la collerette 7a et la zone de mélange 8. On a constaté un meilleur rendement du brûleur pour les raisons qui ont été exposées plus haut dans le préambule.
La figure 8 illustre une autre variante de construction du brûleur suivant laquelle la chemise annulaire 8 qui constitue le mélangeur air-gaz est à double paroi, la paroi externe 8a n'ayant pas subi de modification et la paroi interne 8b formant un cylindre qui est coaxial au corps du brûleur et qui se prolonge d'ailleurs jusqu'au coffre 2 de la chaudière où il porte une collerette 8c qui vient reposer sur le couvercle 2a du coffre 2.
La paroi interne 8b comporte une couronne de trous 10 d'injection du gaz, lesquels débouchent un peu au-dessus du sommet du corps du brûleur.
Celui-ci coulisse à frottement doux dans le tube 8b; il porte à sa partie supérieure une patte 36 qui peut être formée par un prolongement de sa paroi et qui est perforée pour permettre le passage d'une goupille de positionnement 37, laquelle traverse également la paroi 8b du mélangeur.
Lors d'une visite d'entretien, l'opérateur enlève la goupille 37 et extrait le corps du brûleur pour le vérifier et le nettoyer. Sa remise en place est très facile puisqu'il suffit de faire l'opération inverse.
Les trous 10 d'injection du gaz peuvent également être vérifiés sans que l'on soit obligé là aussi de déconnecter l'arrivée de gaz.
On notera aussi que des orifices supplémentaires 33 d'arrivée d'air pourront être envisagés comme dans la variante conforme à la figure 7, des orifices 33a situés en regard des orifices 33 devant être pratiqués dans la paroi 8b.
Par ai!leurs, en ce qui concerne l'échangeur de la chaudière selon l'invention, dont les tubes 3 sont disposés soit en couronne autour d'un brûleur unique (figure 1 soit en lignes (figure 3), ses ailettes 3a seront situées dans le même plan horizontal étant presque à se toucher, comme on peut le voir en détail sur la figure 9. Dans ce cas, pour que les flammes de combustion intéressent le maximum de surface des ailettes 3a, il faut placer des chicanes 3b, qui obligent ces flammes ou gaz très chauds à contourner les tubes et leurs ailettes 3a avant de sortir par les fentes 34. Pour éviter cet inconvénient, on pourra disposer les tubes 3 comme sur la figure 10, les ailettes 3a d'un tube étant décalées en hauteur par rapport aux ailettes 3a des tubes 3 adjacents, et le bord extérieur de chaque ailette 3a venant presque toucher les tubes d'eau voisins 3. Cette disposition oblige les flammes et gaz chauds à lécher une grande partie de la section des ailettes, ce qui permet de supprimer sans inconvénient les chicanes 3b.

Claims

1. Chaudière à gaz pouvant fonctionner en circuit de combustion étanche comprenant un échangeur constitué de tubes à ailettes (3) reliés à leurs extrémités à des collecteurs (4) d'entrée et de sortie d'eau, au moins un brûleur (7) présentant un corps tubulaire, dont une partie percée de multiples trous (12) s'étend dans l'espace défini par les tubes à ailettes, une arrivée de gaz, une arrivée d'air de combustion, et un tuyau d'évacuation des gaz brûlés, caractérisée en ce qu'elle comprend un coffre intérieur (2) avec couvercle amovible (2a), l'échangeur (3, 4) étant logé dans ledit coffre avec ses tubes à ailettes (3) disposés verticalement, ledit coffre logeant en outre ledit brûleur (7) qui est disposé verticalement et pénètre dans le coffre au travers du couvercle de celui-ci, le brûleur ayant une portion retenue par un anneau d'étanchéité (7a) au-dessus du couvercle (2a) du coffre et étant ouvert à son sommet et fermé à sa base au-dessous des trous multiples; une enveloppe extérieure (1) disposée verticalement, entourant le coffre intérieur et la partie supérieure du brûleur, cette enveloppe extérieure étant munie à sa partie supérieure d'un couvercle amovible (1b), l'enveloppe extérieure formant un avant-foyer étanche comprenant un espace (15, 16, 17) ménagé entre le coffre intérieure et la face interne de l'enveloppe extérieure, l'arrivée de gaz (9) traversant la partie supérieure de l'enveloppe extérieure et étant reliée à la partie supérieure du brûleur, un appareil de sécurité et de contrôle (9a) étant monté sur l'arrivée de gaz, l'arrivée d'air de combustion (20) étant branchée sur la partie supérieure de l'enveloppe extérieure, et le tuyau (19) d'évacuation des gaz brûlés étant branché sur le coffre intérieur et traversant l'enveloppe extérieure; et des moyens (14) sur l'entrée d'air de combustion pour injecter l'air sous pression dans ledit espace, d'où l'air sous pression pénètre dans le brûleur par le sommet ouvert de celui-ci et où il circule entre l'enveloppe et le coffre par effet de thermosiphon et d'une façon autorégulée, ledit brûleur comprenant à sa partie supérieure un mélangeur (8) du gaz et de l'air pénétrant dans le brûleur, ce mélangeur comprenant une chemise annulaire entourant le corps tubulaire du brûleur et sur laquelle est branchée ladite arrivée de gaz, un anneau de trous d'injection de gaz (10) prévus dans le corps tubulaire du brûleur en face de ladite chemise annulaire et un noyau (11) pour le réglage de la section d'entrée d'air dans le brûleur, monté coulissant à cet effet au sommet du brûleur et qui est amovible, pour permettre le nettoyage facile in situ de l'intérieur du brûleur.

2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes à ailettes (3) sont disposés, d'une manière connue en soi, en lignes parallèles, plusieurs brûleurs (7) étant disposés en ligne entre les lignes de tubes (3).

3. Chaudière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que des bagues d'oper- culation (13) sont prévues sur la partie perforée du corps tubulaire du brûleur, de telle sorte que les tubes à ailettes (3) reçoivent la même quantité de chaleur sur toute leur hauteur, malgré les mouvements de convection des gaz brûlés dans le sens vertical.

4. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'appareil (9a) de sécurité et de contrôle monté sur l'arrivée de gaz est placé dans la portion supérieure (15) de l'avant-foyer, où s'effectue l'arrivée d'air frais.

,5. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'échangeur (3, 4) comporte un circuit (21-23) permettant la fourniture d'eau chaude à des fins sanitaires ou industrielles.

6. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à circuit de combustion étanche, caractérisée en ce que les moyens pour injecter l'air de combustion sous pression sont un ventilateur (14), dont la tubulure d'admission (20) prend naissance à l'extérieur et au voisinage de l'endroit où débouche la tubulure (19) d'évacuation des gaz brûlés à l'extérieur de l'enveloppe extérieure (1), ce ventilateur débitant directement dans ledit espace situé entre l'enveloppe extérieure et le coffre intérieur, en un point situé au-dessus du coffre intérieur, et mettant sous pression ledit avant-foyer étanche.

7. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'air frais y est refoulé par un ventilateur (14) calculé de façon à assurer une pression résiduelle de sortie des gaz brûlés qui permet de réduire la section des tuyaux (19, 20) ou d'une éventuelle cheminée.

8. Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dont l'échangeur (3, 4) est divisé en deux parties dans le sens vertical par un plancher réfractaire (24), l'une de ces parties contenant le ou les brûleurs (7), caractérisée en ce que la partie (24a) de l'échangeur, qui est située au-dessus dudit plancher, contient le ou les brûleurs (7) et a un rôle classique d'échangeur, en ce que la partie (24b) de l'échangeur, qui est située au-dessous dudit plancher, reçoit de l'eau froide et fait office à la fois d'échangeur et de condenseur des produits de combustion qui sont formés au voisinage de la partie supérieure (24a) de l'échangeur-condenseur et qui sont dirigés vers la partie inférieure (24b), en ce que le plancher réfractaire (24) est situé au-dessous du fond du ou des brûleurs (7) dans l'espace limité par les tubes (3) de l'échangeur, auxquels il est fixé par tous moyens appropriés, les produits de combustion sortant de la partie supérieure classique (24a) étant réintroduits latéralement dans la partie inférieure (24b) et l'eau à chauffer s'engageant dans la partie supérieure (24a) après avoir récupéré, dans la partie inférieure (24b) la chaleur de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion, et en ce qu'il est formé, dans la partie inférieure de la chaudière, un bac étanche (30), qui reçoit les produits de combustion, gaz brûlés et eau de condensation, sortant de la partie inférieure (24b), les gaz brûlés étant alors acheminés vers l'extérieur par un tuyau de sortie, tandis que l'eau de condensation recueillie est évacuée par une tubulure (31).

9. Chaudière à gaz selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le bac (30) est limité à sa partie supérieure par une plaque (25) sur laquelle repose le collecteur inférieur (4) de l'échangeur-condenseur et qui présente une ouverture centrale (26) pour l'arrivée des produits de combustion provenant de la zone (24b) et une ouverture latérale (27) débouchant sur un tuyau vertical (28) acheminant les gaz brûlés vers l'extérieur et se terminant à cet effet par un coude de sortie (29) à peu près à mi-hauteur du coffre (2).

10. Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que le corps tubulaire du ou des brûleurs (7) présente une série d'orifices supplémentaires (33) d'entrée d'air dans la région qui fait suite à la zone (8) de mélange air-gaz.

11. Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que, pour chaque brûleur, le mélangeur air-gaz (8) est rendu indépendant du corps du brûleur.

12. Chaudière à gaz selon la revendication 11, caractérisée par le fait que le mélangeur (8) est à double paroi, sa paroi interne (8b) formant un cylindre qui est coaxial au corps du brûleur et qui se prolonge jusqu'au coffre (2) de la chaudière où il porte une collerette (8c) venant reposer sur le couvercle (2a) du coffre (2), ledit corps étant susceptible de coulisser à frottement doux à l'intérieur du cylinder (8b).

13. Chaudière à gaz selon la revendication 12, caractérisée par le fait que les orifices (10) d'arrivée de gaz qui sont ménagés dans la paroi (8b) débouchent au-dessus du corps du brûleur de manière que le gaz pénètre librement dans la zone de mélange air-gaz.

14. Chaudière à gaz selon la revendication 11 ou 12 ou 13 et selon la revendication 10, caractérisée par le fait que la paroi (8b) présente des perforations (33a) situées en regard des perforations (33) du brûleur (7) pour une arrivée d'air additionnel.

15. Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisée par le fait que le corps du brûleur porte à sa partie supérieure une patte (36) qui peut être formée par un prolongement de sa paroi et qui est perforée pour permettre le passage d'une goupille de positionnement (37), laquelle traverse également la paroi (8b) du mélangeur.

16. Chaudière à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée par le fait que les ailettes (3a) d'un tube (3) de l'échangeur (3, 4) sont décalées en hauteur par rapport aux ailettes (3a) des tubes adjacents, le bord extérieur de chaque ailette (3a) venant presque toucher les tubes d'eau voisins (3).