FR2636125A1 - Generateur de fluide chaud, notamment d'eau chaude - Google Patents

Abstract

Générateur de fluide chaud comportant une chambre de combustion équipée d'un brûleur 2 produisant une flamme 3, et un circuit de circulation du fluide à chauffer sous l'action de cette flamme, dans lequel : des moyens 10 permettent de régler en continu la puissance de fonctionnement du brûleur en fonction de la valeur instantanée requise pour le fluide à chauffer; le circuit de circulation du fluide à chauffer comprend trois échangeurs de chaleur successifs 5, 6, 7; et les échangeurs sont constitués en des matériaux inoxydables.

Description

:'*nerateur de fluide chaud. notamment d'eau chaude.

La présente invention concerne des pérfectionnements apportés aux générateurs de fluides chauds, notamment pour la fourniture d'eau chaude (chauffage ou eau chaude sanitaire).

Les générateurs actuellement utilisés aux fins de fourniture d'eau chaude sont traditionnellement réalisés en fonte et acier, ce qui implique d'empêcher & tout prix la formation de condensation sur les surfaes d'échange thermique afin d'éviter la corrosion de celles-ci. Ces générateurs sont, à cette finr équipés de brûleurs fonctionnant en tout ou rien, les phases de fonctionnement s'effectuant à la puissance de chauffe maximale quelle que soit la température de l'eau effectivement requise en sortie. Le minimum de puissance acceptable par rapport au débit nominal se situe à environ 65 à 70 %, correspondant à une émission de fumées ayant une température de l'ordre de 130 à 140-C. La circulation de l'eau chaude est obtenue à l'aide d'une pompe de recyclage, équipée de tous ses asservissements.

L'ajustement de la température de l'eau à une valeur requise (cas d'un chauffage central par exemple) s'effectue par mélange de l'eau chaude de départ et de l'eau tiède de retour, à l'aide d'une vanne motorisée, équipée de ses asservissements. Enfin, l'isolation du circuit d'eau à l'arrêt exige un clapet motorisé équipé de ses asservissements.

Ces installations sont donc une source de gaspillage énergétique, le foyer est soumis à des contraintes thermiques sévères, l'équipement de l'ensemble est complexe et onéreux aussi bien au montage qu'ê l'en entretien
L'invention a essentiellement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant des perfectionnements qui permettent d'obtenir un fonctionnement plus simple et plus efficace du brûleur, une simplification de la structure d'ensemble et en définitive des coûts moindres de fonctionnement et d'entretien.

A ces fins, un générateur de fluide chaud, notamment d'eau chaude, comportant une chambre de combustion équipée d'au moins un brûleur produisant une flamme, et un circuit de circulation du fluide à chauffer sous l'action de cette flamme, se caractérise conformément à l'invention en ce qu il comprend en outre des moyens de réglage continu de la puissance de fonctionnement du brûleur en fonction de la valeur instantanée requise pour le fluide à chauffer ; en ce que le circuit de circulation du fluide à chauffer comprend trois échangeurs de chaleur successifs, savoir - un premier échangeur de chaleur comportant, d'une part, des premiers moyens de circulation pour le fluide froid incident et, d'autre part des seconds moyens de circulation, indépendants des précédents premiers moyens pour les fumées chaudes résultant de la flamme du bru leur, un circuit d'amenée de ces fumées étant prévu entre la chambre de combustion et lesdits seconds moyens de circulation et une entrée de fluide froid étant raccordée auxdits premiers moyens de circulation - un deuxième échangeur de chaleur raccordé & la sortie des premiers moyens de circulation du premier échangeur et alimenté par le fluide réchauffé dans ce premier échangeur, ce deuxième échangeur comportant une enceinte plane et allongée formant lame de fluide situé au sein même de la chambre de combustion avec une de ses faces principales au contact direct de la flamme du brûleur et - un troisième échangeur de chaleur raccordé au deuxième échangeur et alimenté par le fluide chauffé dans ce deuxième échangeur, ce troisième échangeur étant constitué par une enceinte périphérique entourant et délimitant la chambre de combustion et en ce que les échangeurs sont constitués en des matériaux métalliques non oxydables, notamment en acier inoxydable.

Grâce à cet agencement, le foyer fonctionne toujours à une puissance adaptée à la température requise pour l'eau chaude recueillie en sortie ; on réduit ainsi au maximum les contraintes thermiques dans les pièces du foyer ainsi que les pertes inutiles de calories. En outre, la structure de l'installation se trouve simplifiée, puisque se trouvent éliminés les circuits mélangeurs d'aval destinés à l'ajustement de la température du fluide, les différentes valves motorisées et les asservissements ; le volume de l'installation se trouve également de ce fait diminué, d'où la possibilité de réaliser une chaudière compacte.

Le recours à un réglage de la température du fluide au niveau du brûleur entraîne certes la formation de condensation sur les surfaces d'échange thermique lors des fonctionnement à puissance réduite ; toutefois on s'affranchit de la corrosion entrainée par la présence de cette condensation en ayant recours à des matériaux métalliques non oxydables, tels que l'acier inoxydable.

De plus, les trois étages d'échange thermique permettent un transfert maximum au fluide à chauffer des calories dégagées par le brûleur et de ne rejeter dans l'atmosphère que des gaz ou fumées déjà fortement refroidis.

Enfin, la structure simplifiée ainsi obtenue offre la possibilité d'une fabrication plus facile à partir de pièces couramment disponibles ou aisée à réaliser, ainsi que la possibilité d'une réalisation modulaire qui facilite ultérieurement le nettoyage etSou le remplacement d'organe lors de l'entretien.

Dans un mode de réalisation préféré, dans le premier échangeur de chaleur, les premiers moyens de circulation destinés au fluide à réchauffer comprennent un ensemble d'enceintes fermées plates en forme de plaques, munies respectivement d'une entrée et d'une sortie pour le fluide en circulation et maintenues parallèlement les unes aux autres à distance les unes des autres pour déterminer entre leurs faces mutuelles en regard des passages plans constituant les seconds moyens de circulation pour les fumées chaudes avantageusement, les faces principales des plaques sont ondulées, de manière, d'une part, à provoquer des turbulences dans les écoulements de fluide et accroître ainsi l'efficacité des transferts thermiques et, d'autre part, d'accroitre les surfaces d'échange.En outre, il est possible de prévoir des chicanes pour délimiter un trajet en zig-zag pour les fumées chaudes, ce qui permet de réaliser un trajet relativement long des fumées au sein de l'échangeur tout en réalisant cet échangeur sous forme compacte.

D'une façon souhaitable, entre les plaques sont disposées des entretoises et l'empilement des plaques et des entretoises est comprimé, à l'aide de moyens de serrage, entre deux plaques de bout, ce gracie à quoi la partie active de l'échangeur est apte à supporter des pressions internes élevées en cours de fonctionnement.

La partie active du premier échangeur constitue alors un ensemble monobloc qui, une fois habillé extérieurement, permet de constituer le premier échangeur en question sous forme d'un caisson indépendant et amovible pouvant etre facilement extrait de la chaudière ; à cet effet, il est intéressant que le caisson soit monté sur roulette.

Par ailleurs, il est avantageux que l'enceinte plane et allongée du deuxième échangeur soit montée à proximité du brûleur et sensiblement parallèlement à l'axe de la flamme, cette enceinte étant divisée longitudinalement en au moins deux chambres parallèles communiquant l'une avec l'autre à eur extrémité opposée au brûleur et possédant respectivement un orifice d'entrée de fluide pour l'une et un orifice de sortie de fluide pour l'autre à leur extrémité du côté du brûleur.

De plus, il est également avantageux que l'enceinte périphérique du troisième échangeur possède au moins un orifice d'entrée de fluide dans une zone inférieure postérieure (située du côté du brûleur) et un orifice de sortie de fluide dans une zone supérieure antérieure (située à l'opposé du brûleur).

Plus particulièrement dans le cas où le générateur est destiné à chauffer un liquide, notamment de l'eau, il est possible de -faire en sorte que les premier, deuxième et troisième échangeurs de chaleur soient agencés de manière qu'une zone de leur enceinte respective soit située au-dessus du reste de l'enceinte de façon à piéger les gaz, des moyens d'évacuation de ces gaz étant prévus dans ces zones respectives. Ainsi, la mise en place d'un robinet de dégazage se trouve grandement simplifiée, et le dégazage des circuits est effectué d'une façon efficace quoique parfaitement simple.

Dans un exemple de réalisation intéressant du fait qu'il conduit à un appareil compact et moins encombrant que les appareils antérieurs, le générateur comporte un carter d'habillage étanche qui supporte à sa partie supérieure le troisième échangeur délimitant la chambre de combustion au sein de laquelle sont abrités le brûleur et le second échangeur, et qui présente à sa partie inférieure un logement recevant de façon amovible le premier échangeur, ce caisson présentnt un panneau de façade qui est muni d'une porte obturant de façon étanche le susdit logement et qui supporte le brûleur et les moyens de commande de celui-ci.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels
- la fig. i est une vue générale schématique de côté, en coupe, d'un générateur de fluide chaud agencée conformément à l'invention
- la fig. 2 est une vue schématique en coupe transversale, & plus grande échelle, d'un organe générateur de la figure 1 ;
- la fig. 3 est une vue schématique partielle de dessus montrant une partie d'un autre organe du générateur de la fig. 1 ; et
- la fig. 4 est un croquis montrant, en coupe partielle de côté, la disposition de certains éléments de l'organe de la fig. 3.

En se reportant tout d'abord à la fig. 1, le générateur conforme à l'invention comprend une chambre de combustion allongée 1 équipée d'un brûleur 2 apte à projeter une flamme 3 sous l'action de moyens de réglage continu 4 permettant d'ajuster l'importance de la flamme à la température souhaitée pour le fluide à chauffer.

Le fluide à chauffer (par exemple de l'eau pour chauffage central ou de l'eau chaude sanitaire) circule dans un circuit qui comprend - un premier échangeur de chaleur 5 destiné à réchauffer
le fluide froid incident à l'aide des gaz chauds
provenant de la combustion - un deuxième'échangeur de chaleur 6 situé au sein même
de la chambre de combustion, au contact direct de la
flamme ; et - un troisième échangeur de chaleur 7 constitué par une
enceinte périphérique enveloppant la chambre de
combustion 1 et délimitant celle-ci.

Comme cela apparaîtra plus loin, les éléments composants du générateur peuvent être réunis sous forme d'un ensemble très compact abrité dans un capotage ou carter extérieur 8. La face avant 9 de celui-ci supporte le troisième et le second échangeurs de chaleur (7 et 6) en partie haute ainsi que, extérieurement, un coffret abritant les moyens de réglage 4 du brûleur 2 ; le brûleur 2 est lui aussi monté directement sur cette face avant 9 et sa partie externe est protégée par un capotage insonorisant 10.

Dans sa partie inférieure, la face avant 9 est munie d'une porte 11 donnant accès à un logement 12 abritant le premier échangeur de chaleur 5 agencé comme indiqué ci-après.

Le premier échangeur de chaleur 5 est constitué sous forme d'un caisson fermé, mobile sur des roulettes 13 pour pouvoir être facilement introduit dans le générateur ou extrait de celui-ci aux fins d'entretien et de réparations. Intérieurement le caisson renferme le système d'échange calorifique proprement dit, comportant un ensemble d'enceintes fermées de formes générales planes, ou plaques 14 (voir fig. 3 et 4), parcourues par le fluide à réchauffer. L'arrivée du fluide froid s'effectue par un orifice d'entrée 15 prévu sur la partie inférieure de la face arrière du caisson et, à sa partie antérieure supérieure, le caisson présente un orifice de sortie 16 raccordable de façon démontable à un conduit de liaison 17 avec le deuxième échangeur thermique 6.

Les plaques 14 sont assemblées les unes parallèlement aux autres et maintenues à distance les unes des autres par des entretoises 18, l'ensemble étant fortement serré entre deux plaques de bout rigides 19 à l'aide de tirants d'assemblage 20, de manière à supporter sans déformation les surpressions de fonctionnement.

Les gaz de combustion chaud, en provenance de la chambre de combustion, circulent entre les plaques, dans les espaces libres 21 maintenus par les entretoises 18.

A sa partie supérieure, le caisson est muni d'une cheminée 22 assurant par simple emboitement la communication du volume intérieur du caisson avec la chambre de combustion 1, à travers le troisième échangeur 7, pour l'admission des gaz chauds. En outre, le caisson est cloisonné, comme montré en 23, afin que les gaz chauds circulent le long d'un chemin en zig-zag A, ce qui permet d'accroitre la longueur de leur surface effective de contact avec les plaques tout en réduisant la longueur du caisson, et donc l'encombrement du générateur. La face arrière du caisson est équipée d'un orifice 24 de sortie des gaz ou fumées.Les faces principales des plaques 14 sont constituées par des tôles ondulées ou analogues 25 ces ondulations entrainent, d'une part, un accroissement de la surface de contact offerte aux gaz chauds à l'extérieur et au fluide à l'intérieur et provoquent, d'autre part, une turbulence dans l'écoulement des gaz et du fluide, favorisant ainsi le transfert de chaleur entre les gaz et le fluide.

Au sein du caisson, l'ensemble d'échange thermique est disposé en position inclinée, l'avant étant sensiblement relevé par rapport à l'arrière. Lorsque le fluide à chauffer est un liquide, les produits de dégazage de ce liquide sont automatiquement rassemblés dans la partie antérieure la plus élevée et ils sont évacués par le conduit de sortie 17. il est également possible de les éliminer à l'aide d'un robinet de purge approprié (non montré). De même, les condensats apparaissant sur les faces internes des parois du caisson sont ainsi recueillis dans la partie postérieure la plus basse et évacués par un orifice 26 prévu à cet effet à l'arrière du caisson.

Le deuxième échangeur de chaleur 6 est constitué sous forme d'une enceinte plane et allongée s'étendant à partir de la paroi de support 9 et située à proximité du brûleur 2, de manière à créer une couche mince ou lame de fluide soumise à l'action directe de la flamme 3.
Comme visible sur les fig. 1 et 2, afin d'allonger le trajet du fluide dans cette enceinte et d'accroitre la quantité de chaleur transmise au fluide, l'enceinte comprend une chambre allongée centrale 27 dans laquelle débouche, à proximité de la face avant 9 précitée, le conduit 17 d'amenée de fluide en provenance du premier échangeur de chaleur 5. Cette chambre centrale 27 est entourée de part et d'autre par deux chambres latérales 28, communiquant en 30 avec la chambre centrale 27 à l'extrémité libre de l'enceinte.De chaque chambre latérale 28 part, à proximité de la paroi de support 9, un conduit 29 d'évacuation du fluide chaud.

L'épaisseur de la chambre centrale 27 est croissante dans le sens de l'éloignement de la paroi 9 et l'épaisseur des chambres latérales 28 est croissant dans le sens du rapprochement de la paroi de support 9 lorsque le fluide à chauffer est un liquide, les produits du dégazage se trouvent ainsi rassemblés automatiquement et confinés en partie haute de l'enceinte, d'où ils sont évacués par les conduits de sortie 29.

On remarquera que, compte tenu de la mise en place retenue pour le deuxième échangeur 6 au sein de la chambre de combustion 1, la face supérieure 6 est soumise à l'action directe de la flamme 3, tandis que la face inférieure de cette même enceinte délimite, avec la paroi de la chambre de combustion, un canal 31 que doivent suivre les gaz de combustion ou fumées (trajet
B) pour parvenir à l'orifice de sortie communiquant avec la cheminée 22 d'accès au premier échangeur.

Enfin le troisième échangeur de chaleur est constitué par une enceinte entourant la chambre de combustion 1. Autrement dit, cette chambre de combustion est délimitée par une double paroi 32, 33 (à l'exception de son extrémité fermée par la face avant 9) et le fluide est amené dans l'enceinte ainsi définie par les conduits 29 qui lui sont raccordés dans sa partie proche de la face avant 9. Comme représenté aux figures 1 et 2, la paroi interne 32 peut etre cylindrique de révolution, tandis que la paroi externe 33 possède une forme complexe telle que sa génératrice supérieure 34 s'écarte de la génératrice qui lui est opposée : il est ainsi créé une zone 35 de l'enceinte plus élevée, dans laquelle se rassemblent les produits de dégazage lorsque le fluide est un liquide. C'est dans cette partie de l'enceinte qu'est situé l'orifice 37 de sortie du fluide chaud.

Egalement en cet endroit est située une sonde 36 de détection de température du fluide chaud de départ, cette sonde étant reliée électriquement (en 36a) aux moyens de réglage 4.

Les différents organes constituant le générateur sont réalisés en un matériau métallique inoxydable, notamment en acier inoxydable, de manière à éviter la corrosion en présence de la condensation qui se forme, en particulier lors des fonctionnements à faible régime.

La durée de vie de l'installation se trouve donc accrue.

Les performances sont améliorées en raison de la formation de condensation sur toutes les surfaces d'échange thermique, depuis la chambre de combustion jusqu'aux échangeurs, et aussi en raison de la suppression des pertes thermiques inhérentes, dans les chaudières classiques, au maintien d'un fonctionnement fournissant la température constante la plus élevée.

L'ajustement de la température du fluide chaud par réglage de la puissance de la flamme simplifie au maximum la structure de l'installation (suppression du condenseur rapporté ; de la vanne motorisée régulant la température du fluide de sortie ; de la pompe de recyclage ; des systèmes d'isolement des générateurs dans le cas de chaudières multiples ; des asservissements électriques et des tuyauteries nécessités par ces composants).

Les surfaces d'échange thermique sont considérablement accrues tout en conservant des dimensions générales acceptables pour l'ensemble du générateur.

Les bruits aérauliques de ventilation sont atténués par la présence du capot insonorisant. La conception des échangeurs de chaleur constitue une protection phonique efficace réduisant fortement la propagation des bruits de combustion.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Générateur de fluide chaud, notamment d'eau chaude, comportant une chambre de combustion équipée d'au moins un bruleur (2) produisant une flamme (3), et un circuit de circulation du fluide à chauffer sous l'action de cette flamme, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (10) de réglage continu de la puissance de fonctionnement du brûleur en fonction de la valeur instantanée requise pour le fluide à chauffer, en ce que le circuit de circulation du fluide à chauffer comprend trois échangeurs de chaleur successifs, savoir:: - un premier échangeur de chaleur (5) comportant, d'une

part, des premiers moyens de circulation pour le

fluide froid incident et, d'autre part, des seconds

moyens de circulation, indépendants des précédents

premiers moyens pour les fumées chaudes résultant de

la flamme du brûleur, un circuit d'amenée de ces

fumées étant prévu entre la chambre de combustion et

lesdits seconds moyens de circulation et une entrée de

fluide froid étant raccordée auxdits premiers moyens

de circulation - un deuxième échangeur de chaleur (6) raccordé à la

sortie des premiers moyens de circulation du premier

échangeur et alimenté par le fluide réchauffé dans ce

premier échangeur, ce deuxième échangeur comportant

une enceinte plane et allongée formant lame de fluide

situé au sein même de la chambre de combustion avec

une de ses faces principales au contact direct de la

flamme du brûleur ; et - un troisième échangeur de chaleur (7) raccordé au

deuxième échangeur et alimenté par le fluide chauffé

dans ce deuxième échangeur, ce troisième échangeur

étant constitué par une enceinte périphérique

entourant et délimitant la chambre de combustion, et en ce que les échangeurs sont constitués en des matériaux métalliques non oxydables, notamment en acier inoxydable.

2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le premier échangeur de chaleur (5), les premiers moyens de circulation destinés au fluide à réchauffer comprennent un ensemble d'enceintes fermées plates en forme de plaques (14), munies respectivement d'une entrée et d'une sortie pour le fluide en circulation et maintenues parallèlement les unes aux autres à distance les unes des autres pour déterminer entre leurs faces mutuelles en regard des passages plans (21) constituant les seconds moyens de circulation pour les fumées chaudes.

3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faces principales (25) 'des plaques (14) sont ondulées.

4. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que des chicanes (23) sont prévues pour délimiter un trajet (A) en zig-zag pour les fumées chaudes.

5. Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'entre les plaques (14) sont disposées des entretoises (18) et en ce que l'empilement des plaques et des entretoises est comprimé, à l'aide de moyens de serrage (20), entre deux plaques de bout (19).

6. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier échangeur (5) est réalisé sous forme d'un caisson indépendant et amovible pouvant être aisément extrait de la chaudière.

7. Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le caisson est monté sur roulettes (13).

8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'enceinte plane et allongée du deuxième échangeur (6) est montée à proximité du brûleur (2) et sensiblement parallèlement à l'axe de la flamme (3), cette enceinte étant divisée longitudinalement en au moins deux chambres parallèles (27, 28) communiquant l'une avec l'autre à leur extrémité opposée au brûleur et possédant respectivement un orifice d'entrée de fluide (17) pour l'une (27) et un orifice de sortie de fluide (29) pour l'autre (28) à leur extrémité du côté du brûleur.

9. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caratérisé en ce que l'enceinte périphérique du troisième échangeur (3) possède au moins un orifice d'entrée de fluide dans une zone inférieure postérieure (située du côté du brûleur) (29) et un orifice de sortie de fluide dans une zone supérieure antérieure (située à l'opposé du brûleur) (37).

10. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, agencé pour le chauffage d'un liquide, notamment d'eau, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième échangeurs de chaleur sont agencés de manière qu'une zone de leur enceinte respective soit située au-dessus du reste de l'enceinte de façon à piéger les gaz, des moyens d'évacuation de ces gaz étant prévus dans ces zones respectives.

11. Générateur selon la revendication 0, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur (5) est disposé en position sensiblement inclinée.

12. Générateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les chambres longitudinales (27, 28) de l'enceinte plane et allongée du deuxième échangeur (6) possèdent des hauteurs croissantes depuis l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie.

13. Générateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enceinte périphérique du troisième échangeur (7) est délimitée par des parois (32, 33) qui, dans sa partie supérieure, divergent l'une de l'autre en direction de sa zone supérieure antérieure en créant une région surélevée (35).

14. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un carter d'habillage étanche (8) qui supporte à sa partie supérieure le troisième échangeur (7) délimitant la chambre de combustion (1) au sein de laquelle sont abrités le brûleur (2) et le second échangeur (6), et qui présente à sa partie inférieure un logement (12) recevant de façon amovible le premier échangeur (5), ce caisson présentant un panneau de façade (9) qui est muni d'une porte (11) obturant de façon étanche le susdit logement (12) et qui supporte le brûleur (2) et les moyens de commande (4) de celui-ci.