[0001] L'invention est relative a une chaudière ainsi qu'à une installation de chauffage
central et/ou de production d'eau chaude sanitaire. Elle trouvera notamment son application
chez les constructeurs d'appareils de chauffage domestique ou industriel.
[0002] Quoique l'invention ait été tout spécialement développée dans le cadre des chaudières
à gaz, elle pourra également s'appliquer aux chaudières utilisant d'autres types de
combustible et qui ont pour rôle d'assurer le chauffage d'un fluide caloporteur.
[0003] Une chaudière traditionnelle comprend principalement trois parties que l'on peut
résumer en un foyer à la base, un corps de chauffe intermédiaire et un conduit d'évacuation
des fumées à la partie supérieure. Le foyer lui-même se compose notamment de brûleurs
à gaz, et d'une chambre de combustion.
[0004] Les fumées issues de la combustion atteignent généralement une température comprise
entre 1.000 et 1.200°C dont il faut retirer un maximum de calories. C'est le rôle
du corps de chauffe qui sert d'échangeur thermique entre les fumées de combustion
et un fluide caloporteur qui est bien souvent de l'eau. Le corps de chauffe peut comporter
un ou plusieurs circuits de fluide caloporteur, dans les applications domestiques
bien souvent, l'on rencontre deux circuits, un circuit de chauffage et un circuit
d'eau chaude.
[0005] A la sortie du corps de chauffe, la température des fumées doit avoir sensiblement
diminué et on cherche à atteindre environ 200°C, elles sont évacuées par le conduit
d'évacuation des fumées.
[0006] Dans le cas des chaudières à double circuit indépendant de chauffage, le corps de
chauffe est constitué d'une enveloppe extérieure terminée, à chaque extrémité haute
et basse, par un flasque supérieur et inférieur à travers lesquels débouchent des
tubes aptes à être parcourus par les fumées de combustion. L'enveloppe est étanche
et renferme le fluide caloporteur qui sert au chauffage. Entre les tubes de fumée,
le cas échéant, on dispose un serpentin qui sert au chauffage de l'eau chaude sanitaire.
[0007] Le nombre et la section des tubes de fumée doivent être déterminés par le constructeur
pour obtenir une récupération maximale des calories présentes dans les gaz de fumée.
Pour accroître les échanges, les tubes de fumée renferment généralement des turbulateurs
dont le rôle est de ralentir la vitesse de passage des gaz au sein des tubes de fumée.
[0008] Le rendement d'une chaudière dépend de l'aptitude du corps de chauffe à récupérer
le maximum de calories présentes dans les gaz de fumée. A ce niveau, des compromis
doivent être réalisés car, par exemple, un échangeur, qui récupère les calories, pour
une faible partie par rayonnement, et pour le reste par convection, devrait disposer
d'un chemin de parcours pour les fumées très longs avec une vitesse de passage réduite,
pour récupérer le maximum de calories. En contrepartie, si l'évacuation des fumées
se fait dans de mauvaises conditions de tirage, alors on assiste à un mauvais rendement
de combustion avec un pourcentage important de combustibles imbrûlés.
[0009] On connaît du document FR-A-2.233.572 une chaudière à gaz comportant une chambre
de combustion, un corps de chauffe, ainsi qu'une zone d'évacuation des fumées, apte
à être reliée à un conduit d'évacuation des fumées. Le dit corps de chauffe est constitué
d'une enveloppe extérieure étanche à travers laquelle sont disposés des tubes, parcourus
par les fumées de combustion, qui présentent une section décroissante en direction
du flux de chaleur.
[0010] Toutefois, le but poursuivi par ce document est différent de celui de la présente
invention puisque l'on cherche à créer une chaudière présentant des transferts de
chaleur équilibrés du côté du gaz de fumée pour réduire l'augmentation de la chaleur
et la contrainte thermique des tuyaux de la chaudière.
[0011] Pour cela, cette chaudière présente une configuration particulièrement pour que les
flammes du brûleur puissent entrer plus loin dans les tubes afin que la majeure partie
de la combustion se fasse dans la chambre de combustion.
[0012] Par ailleurs, la législation en matière de lutte contre la pollution impose des émanations
maximales d'oxyde de carbone Co dans certaines conditions d'utilisation. Pour ce qui
est de la norme française, une chaudière qui utilise comme combustible du méthane
doit, avec une surcharge normalisée, ne pas émettre plus de 0,25% d'oxyde de carbone.
En outre, le régime de combustion idéale pour le combustible correspond à la réaction
dite stochiométrique, également appelée combustion neutre. Cette combustion idéale
suppose un équilibre parfait entre comburant et carburant. Par conséquent, avec ce
régime de chauffe, les émanations parasites d'imbrûlés sont réduites. Malheureusement,
ce régime de combustion est également instable à la moindre surcharge et donc tout
déréglage, tel que la surcharge imposée par la norme, provoque une augmentation de
l'émanation d'oxyde de carbone importante dépassant les normes. Là encore un compromis
doit être trouvé.
[0013] Un second point qui doit également être surveillé sur le plan de la pollution, c'est
l'émanation des oxydes d'azotes NOX. Des études ont été menées pour déterminer quels
sont les facteurs qui avaient une influence directe sur les émanations d'oxyde d'azote.
Un des points déterminants est la température de la flamme qui elle-même dépend de
l'admission d'air secondaire. A ce sujet, on définit par air de combustion primaire,
l'air comburant qui est introduit au sein même du brûleur pour être mélangé au carburant
alors que l'air secondaire est l'air présent dans la chambre de combustion environnant
les flammes.
[0014] Pour contrôler les émissions d'oxyde d'azote, il est avantageux d'abaisser la température
de la flamme et de diminuer le temps de séjour des gaz à haute température.
[0015] On voit donc des exigences divergentes imposées d'une part par un bon rendement du
fonctionnement du corps de chauffe et d'autre part pour obtenir une bonne combustion
et en particulier une réduction des produits polluants tels qu'oxyde de carbone et
oxyde d'azote.
[0016] Dans le premier cas, il est souhaitable d'obtenir une faible vitesse d'évacuation
des gaz brûlés pour permettre un temps d'échange prolongé entre fluide caloporteur
et fumées de combustion alors que, dans le second cas, il faut au contraire obtenir
un tirage élevé pour abaisser la température de la flamme et raccourcir le temps de
séjour des gaz à haute température.
[0017] Le but principal de la présente invention est de présenter une chaudière, dont le
rendement sur le plan d'échanges de calories est conservé par rapport aux appareils
existants, capable de supporter des conditions de surcharges élevées particulières
aux différentes normes et de plus apte à améliorer les hygiènes de combustion avec
réduction des émanations d'oxyde de carbone et d'oxyde d'azote.
[0018] Il faut souligner que ces améliorations sont apportées sans modifications sensibles
du volume de la chaudière dont l'encombrement reste sensiblement similaire aux installations
existantes voire même inférieur. En outre, sur le plan économique les coûts de fabrication
pour le corps de chauffe de la présente invention demeurent sensiblement similaires
vis-à-vis des pièces existantes.
[0019] Le corps de chauffe de la présente invention permet de concilier des exigences totalement
divergentes en matière de rendement d'échanges thermiques et de rapidité d'évacuation
des fumées de combustion.
[0020] D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description
qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour
but de la limiter.
[0021] Selon l'invention, la chaudière, comportant une chambre de combustion, un corps de
chauffe, ainsi qu'une zone d'activité des fumées, apte à être reliée à un conduit
d'évacuation des fumées, le dit corps de chauffe étant constitué d'une enveloppe extérieure
étanche à travers laquelle sont disposés des tubes parcourus par les fumées de combustion,
qui présentent une section décroissante en direction du flux des fumées de combustion,
est caractérisée par le fait que les dits tubes sont équipés dans leur partie inférieure
d'appendices tubulaires d'une part débouchant dans la chambre de combustion et, d'autre
part, branchés sur les tubes de fumée.
[0022] Dans un mode de réalisation, la chaudière de la présente invention utilise le gaz
au titre de carburant. Par ailleurs, la chaudière de la présente invention est particulièrement
destinée à une installation de chauffage central et/ou de production d'eau chaude
sanitaire.
[0023] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée
de dessins en annexe parmi lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement en vue de coupe les différentes parties d'une
chaudière à gaz,
- la figure 2 représente un délai de réalisation des tubes de fumées.
[0024] La présente invention vise une chaudière ainsi qu'une installation de chauffage central
et/ou de production d'eau chaude sanitaire. Elle trouvera notamment son application
chez les constructeurs d'appareils de chauffage domestique ou industriel.
[0025] L'invention a été plus spécialement développée dans le cadre des chaudières à gaz,
toutefois elle pourra très simplement s'étendre aux chaudières utilisant d'autres
types de combustible.
[0026] Le rôle d'un corps de chauffe est de récupérer les calories présentes dans les gaz
de combustion afin de les transférer à un ou plusieurs circuits de fluide caloporteur.
Le rendement d'une chaudière dépend pour une part des bonnes conditions dans lesquelles
peuvent s'effectuer la combustion et d'autre part de l'aptitude au corps de chauffe
à prélever les calories présentes dans les gaz de combustion.
[0027] En ce qui concerne la combustion proprement dite, il faut se rapprocher de la combustion
idéale c'est-à-dire la combustion stochiométrique correspondant rigoureusement à l'équation
chimique équilibrée avec production exclusive de gaz carbonique sans émanation d'oxyde
de carbone. Pour cela, il est nécessaire d'avoir un tirage adéquat pour éliminer au
maximum les gaz brûlés et introduire de l'oxygène en quantité suffisante. Il faut
d'ailleurs souligner que ces impératifs correspondent également aux critères observés
pour réduire les émanations d'oxyde d'azote NOX.
[0028] Pour le corps de chauffe, les impératifs techniques à respecter pour aboutir à un
bon rendement sont contraires. Il faut en effet réduire au maximum la vitesse d'évacuation
des fumées pour augmenter le temps d'échange thermique. En général, la température
des fumées à l'entrée est de 1.000 à 1.200 °C et elle est de 200 °C en sortie de corps
de chauffe. L'échange de chaleur se fait en majeure partie par convection et les tubes
des fumées sont généralement garnis de turbulateurs pour freiner la vitesse d'évacuation
des fumées et favoriser le transfert des calories.
[0029] Tout constructeur de chaudière doit donc adopter un compromis entre une bonne combustion
et un tirage adéquat et un transfert de calories important avec un freinage dans l'évacuation
des fumées de combustion.
[0030] La figure 1 schématise en vue de coupe les principaux organes composant une chaudière,
à gaz par exemple. A la base se trouvent des brûleurs 1, placés dans une chambre 2
de combustion qui émet les fumées à une température d'environ 1.000 à 1.200 °C. Il
s'agit d'une conception traditionnelle de la chaudière connue de l'homme de l'art.
[0031] A la partie supérieure, la chaudière présente une zone d'évacuation des gaz de combustion.
Par exemple, une coupe de tirage 3 anti-refoulement est placée au-dessus du corps
de chauffe central 4, la dite coupe sert à récupérer les émissions de fumée sortant
du corps de chauffe 4 et à les diriger vers un conduit d'évacuation des fumées non
illustré. Il s'agit là encore d'un organe traditionnel dont la réalisation est connue
de l'homme de l'art.
[0032] Le corps de chauffe 4, qui fait l'objet de la présente invention, se présente extérieurement
de façon analogue à un corps de chauffe traditionnel. Dans l'exemple choisi, ce corps
de chauffe 4 renferme deux circuits indépendants à fluide caloporteur, tel que notamment
l'eau, à savoir: il s'agit d'un circuit de chauffage 5 et un circuit d'eau chaude
sanitaire 6.
[0033] Le corps de chauffe 4 est composé d'une enveloppe extérieure 7 terminée à chaque
extrémité haute et basse respectivement par un flasque supérieur 8 et un flasque inférieur
9 à travers lesquels débouchent des tubes verticaux 10, aptes à être parcourus par
les gaz de combustion.
[0034] L'enveloppe 7 est étanche et contient le fluide caloporteur pour le circuit de chauffage
5. En ce qui concerne l'eau chaude sanitaire avec le circuit 6, celui-ci est disposé
dans le corps de chauffe sous la forme d'un serpentin 11 enroulé autour des tubes
de fumée 10. Des turbulateurs schématisés à la figure 1 en pointillés 12 sont placés
dans les tubes de fumée 10 pour freiner les gaz et augmenter l'échange thermique entre
les fluides caloporteurs et les fumées de combustion.
[0035] Selon la caractéristique principale de la présente invention, la chaudière présente
des moyens pour augmenter la circulation des fumées dans la partie basse du corps
de chauffe 4. Ceci a une influence directe sur les conditions de fonctionnement de
la combustion.
[0036] En effet, jusqu'à présent c'est la partie basse du corps de chauffe qui limite le
tirage de la chaudière. C'est là que les gaz sont les plus chauds, qu'ils occupent
le volume le plus important et donc qu'ils sont le plus difficile à évacuer.
[0037] Si l'on adopte une vitesse de circulation élevée pour l'évacuation des fumées, alors
le rendement de l'échangeur thermique devient très mauvais dans lapartie haute du
corps de chauffe puisque la différence de température entre les fumées et le fluide
caloporteur s'amenuisent dans cette région et si le temps d'échange est très court,
il n'y a pratiquement aucun transfert.
[0038] Au contraire, en adoptant des vitesses d'évacuation des fumées lentes, on dispose
d'un bon échange thermique, dans la partie haute du corps de chauffe, là où l'écart
de température est plus faible entre le fluide caloporteur et les fumées de combustion,
mais le brûleur travaille dans de très mauvaises conditions puisqu'il n'y a pas un
tirage suffisant et l'on assiste à une élévation du taux de combustible à brûler avec
émission d'oxyde de carbone.
[0039] Dans le corps de chauffe 4 de la présente invention, la vitesse de passage des gaz
de combustion est abaissée dans la zone basse du corps de chauffe, c'est-à-dire là
où le transfert de calories s'effectue dans de bonnes conditions en raison de l'écart
de température élevée. Puis, la vitesse de circulation des fumées se traduit dans
la partie haute du corps de chauffe, là où, pour obtenir un bon échange de chaleur,
il est précisément nécessaire de ralentir la vitesse pour augmenter le temps d'échange.
[0040] Par conséquent, les moyens pour augmenter la circulation des fumées dans la partie
basse du corps de chauffe jouent un rôle favorable tant sur le plan du fonctionnement
de l'échange thermique que pour favoriser une bonne combustion au niveau des brûleurs
1.
[0041] Les moyens se présentent, par exemple, sous la forme d'une augmentation de la section
de passage des fumées dans la partie basse du corps de chauffe 4.
[0042] Pour ce faire, on peut utiliser des tubes 10 de fumée ayant un profil sectionnel
convergent. Cette solution simple n'est cependant pas préférentielle car elle ne permet
pas une amélioration de la répartition de la température le long du tube de fumée.
[0043] C'est pourquoi, on lui préfère l'emploi de tubes de fumée 10 qui sont doublés dans
leur partie inférieure par des appendices 13. Ces appendices 13 d'une part communiquent
à la partie inférieure 9 du corps de chauffe 4 et débouchent dans la chambre de combustion
2 où ils permettent de prélever les fumées de combustion à haute température et d'autre
part les appendices 13 sont branchés sur les tubes de fumée 10 à leur partie inférieure
pour réinjecter les fumées dans ces derniers. La figure 2 schématise précisément le
raccordement d'un appendice 13 sur un tube de fumée 10.
[0044] De préférence, les appendices 13 ne comportent pas de turbulateurs intérieurs. Ceci
permet d'injecter, à une certaine hauteur des tubes de fumée 10, des gaz de combustion
chauds prélevés directement au-dessus de la chambre de combustion. Ceci présente deux
avantages: d'une part on facilite l'évacuation des gaz de combustion, d'où un meilleur
rendement et une moindre pollution, par ailleurs, on améliore la répartition de la
température dans le tube de fumée.
[0045] Traditionnellement, la température se réduit de façon non proportionnelle dans le
tube de fumée, et avec l'appendice 13 de la présente invention. Le rendement de l'échange
thermique s'en trouve renforcé puisque l'on augmente la zone disposant d'un fort écart
de température.
[0046] Bien entendu, la hauteur de raccordement des appendices 13 sur les tubes de fumée
10 doit être déterminée par le constructeur en fonction de la géométrie du corps de
chauffe.
[0047] Dans l'exemple choisi, pour une hauteur de corps de chauffe de 522 mm et pour un
diamètre de 275 mm. la hauteur de raccordement est d'environ 100 mm soit le cinquième
de la hauteur du corps de chauffe. En augmentant cette valeur, jusque 200 mm, les
caractéristiques demeurent inchangées. Au-delà, on assisterait à une diminution du
rendement du corps de chauffe car une partie des gaz de combustion transiterait trop
rapidement.
[0048] Par contre, une hauteur de raccordement inférieur, par exemple de 50 mm, diminue
l'efficacité du tirage.
[0049] Dans les chaudières traditionnelles, le corps de chauffe joue le rôle de goulot d'étranglement
pour le tirage et l'on ne peut contrôler l'admission d'air secondaire de façon précise.
Avec le corps de chauffe de la présente invention, l'évacuation des fumées s'opère
dans de bonnes conditions à travers le corps de chauffe et l'on peut réguler l'admission
d'air secondaire de façon précise grâce par exemple à un laminage.
[0050] Cette régulation autorise un abaissement des températures de la flamme et s'accompagne
également d'une évacuation rapide des gaz de fumée d'où des émissions d'oxyde d'azote
plus limitées. Le serpentin 11 pour l'eau chaude sanitaire est disposé au-dessus des
appendices 13 et par conséquent il n'y a aucune gêne mutuelle.
[0051] De même, on pourrait parfaitement envisager de prévoir des appendices sur certains
ou sur tous les tubes de fumée et/ou de raccorder les appendices 13 à différentes
hauteurs sur les tubes de fumée principaux 10.
1. Chaudière, comportant une chambre de combustion (2), un corps de chauffe (4), ainsi
qu'une zone d'activité des fumées (3), apte à être reliée à un conduit d'évacuation
des fumées, le dit corps de chauffe (4) étant constitué d'une enveloppe (7) extérieure
étanche à travers laquelle sont disposés des tubes (10) parcourus par les fumées de
combustion, qui présentent une section décroissante en direction du flux des fumées
de combustion, caractérisée par le fait que les dits tubes (10) sont équipés dans
leur partie inférieure d'appendices tubulaires (13) d'une part débouchant dans la
chambre de combustion (2) et, d'autre part, branchés sur les tubes de fumée (10).
2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les tubes de fumées
(10) sont équipés de turbulateurs (12) et que les appendices (13) ne comportent pas
de turbulateurs.
3. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les appendices (13)
se raccordent aux tubes principaux (10) de fumée à environ 1/5 de leur hauteur.
4. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les appendices (13)
se raccordent à différentes hauteurs sur les tubes de fumée principaux (10).
5. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes utilisant le gaz comme
combustible.
6. Installation de chauffage central équipée d'une chaudière selon l'une des revendications
1 à 5.
7. Installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire équipée
d'une chaudière selon l'une des revendications 1 à 5.
1. Heizkessel, umfassend eine Verbrennungskammer (2), einen Heizkörper (4), sowie einen
Rauchtätigkeitsbereich (3), der geeignet ist, mit einem Rauchabfuhrkanal verbunden
zu werden, wobei der genannte Heizkörper (4) aus einem dichten Außenmantel (7) besteht,
durch den hindurch von den Verbrennungsrauchen durchströmte Rohre (10) angeordnet
sind, die einen in Richtung der Verbrennungsrauchströmung abnehmenden Querschnitt
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Rohre (10) an deren unteren Teil
mit rohrförmigen Ansätzen (13) versehen sind, die, einerseits, in die Verbrennungskammer
(2) enden und, andererseits, an den Rauchrohren (10) angeschlossen sind.
2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchrohre (10) mit Wirbelstromerzeugern
(12) ausgestattet sind und die Ansätze (13) keine Wirbelstromerzeuger umfassen.
3. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ansätze (13) auf
etwa 1/5 deren Höhe an die Hauptrauchrohre (10) anschließen.
4. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ansätze (13) auf
verschiedenen Höhen an die Hauptrauchrohre (10) anschließen.
5. Heizkessel nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, der Gas als Brennstoff verwendet.
6. Zentralheizungsanlage, die mit einem Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgerüstet
ist.
7. Zentralheizungs- und Sanitärheißwasserproduktionsanlage, die mit einem Heizkessel
nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgerüstet ist.
1. Boiler comprising a combustion chamber (2), a heating body (4) and a fume activities
area (3), suitable for connection to a fume discharge conduit, the said heating body
(4) being constituted by a tight outer jacket (7) through which are disposed tubes
(10), through which pass the combustion fumes, which have a cross-section that decreases
in the direction of flow of the combustion fumes, characterized by the fact that the
said tubes (10) are equipped, in their lower portions, with tubular appendages (13)
emerging, on one hand, in the combustion chamber (2) and connected, on the other hand,
to the fume tubes (10).
2. Boiler according to claim 1, characterized by the fact that the fume tubes (10) are
epuipped with turbulence generators (12), and that the appendages (13) do not comprise
turbulence generators.
3. Boiler according to claim 1, characterized by the fact that the appendages (13) are
connected to the main fume tubes (10) at approximately 1/5 of their height.
4. Boiler according to claim 1, characterized by the fact that the appendages (13) are
connected at different heights to the main fume tubes (10).
5. Boiler according to any one of the preceding claims using gas as a fuel.
6. Central heating installation equipped with a boiler according to one of claims 1 to
5.
7. Central heating and domestic hot water production installation equipped with a boiler
according to one of claims 1 to 5.