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EP0429380A1 - Chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire et installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire utilisant la dite chaudière - Google Patents

Chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire et installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire utilisant la dite chaudière Download PDF

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Publication number
EP0429380A1
EP0429380A1 EP90440025A EP90440025A EP0429380A1 EP 0429380 A1 EP0429380 A1 EP 0429380A1 EP 90440025 A EP90440025 A EP 90440025A EP 90440025 A EP90440025 A EP 90440025A EP 0429380 A1 EP0429380 A1 EP 0429380A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
boiler
transfer fluid
combustion chamber
hot water
heat transfer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90440025A
Other languages
German (de)
English (en)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coussement Bruno
Original Assignee
Coussement Bruno
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Coussement Bruno filed Critical Coussement Bruno
Publication of EP0429380A1 publication Critical patent/EP0429380A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/28—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes
    • F24H1/287—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes with the fire tubes arranged in line with the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/48—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water
    • F24H1/52—Water heaters for central heating incorporating heaters for domestic water incorporating heat exchangers for domestic water

Definitions

  • the invention relates to a central heating boiler and / or domestic hot water production as well as a central heating installation and domestic hot water production using said boiler.
  • the so-called central heating technique is commonly used, the installations mainly comprising a main boiler, a network of transmitters, such as in particular radiators, and / or a distribution circuit for hot water.
  • the boiler is intended to raise the temperature of a heat transfer fluid which is then directed to the network of transmitters.
  • This fluid is generally water.
  • the boiler is also used to raise the temperature of water intended for sanitary use.
  • This water circulates in a circuit internal to the boiler which allows a separation to be made between the domestic water and the heat transfer fluid.
  • central heating boilers and / or domestic hot water production using gas as fuel, consisting of a double jacket heating body, defining at least a first volume in which circulates a heat transfer fluid, such only water, and a second interior volume, called combustion chamber, equipped with a burner, capable of raising the temperature of said heat transfer fluid.
  • gas consisting of a double jacket heating body, defining at least a first volume in which circulates a heat transfer fluid, such only water, and a second interior volume, called combustion chamber, equipped with a burner, capable of raising the temperature of said heat transfer fluid.
  • this heat transfer fluid is then directed to a set of transmitters, via a circulation pump, which can be subjected to a regulation set.
  • Such boilers are very widespread and are generally equipped with a ramp burner placed at the lower part of said combustion chamber. They are generally made to deliver a power of the order of 20 to 25 kW and commonly have a circular shaped heating body.
  • the combustion chamber has a reduced size and it is common to recover only 20% of the heat in the energy production zone. Also, it is mandatory to provide, to avoid waste, energy recovery from the combustion gases generated.
  • the boiler comprises a coil, immersed in the heat transfer fluid, the diameter of which corresponds substantially to the outside diameter of the boiler's heating body.
  • the domestic hot water being produced instantaneously that is to say without reserve of accumulation, generally one is not satisfied with heating the domestic water of the coil only by the technique known as of "bain-marie ", through the volume of heat transfer fluid stagnating in the boiler, but on the contrary, the heating body is isolated from the radiator circuit and the circulation of the heat transfer fluid in the heating body is forced to improve the heat exchange.
  • the object of the present invention is to provide a central heating boiler and / or for producing domestic hot water which allows maximum control of the heat exchange between the products of combustion, the heating water, and / or sanitary water.
  • One of the aims of the present invention is to propose a central heating boiler and / or a production of sanitary hot water having a combustion chamber exploited to the maximum to favor this said heat exchange because, it is there that the the best conditions for a significant heat exchange; indeed it is at this level that we find the strongest differences in temperature between the products of combustion and water.
  • Another object of the present invention is to provide a central heating boiler, and / or for producing domestic hot water equipped with a burner specially adapted to the shape and dimensions of the combustion chamber to guarantee optimal conditions. combustion and to achieve very high heat exchange coefficients.
  • Another object of the present invention is to provide a central heating and domestic hot water boiler which is advantageous in terms of its cost price but without this having an impact on its output.
  • the boiler of the present invention has, with equal external dimensions, if not less, a power comparable to gas boilers generally known.
  • Another object of the present invention is to provide a central heating and / or domestic hot water production boiler equipped with a cylindrical burner making it possible to advantageously achieve the desired objectives.
  • Another object of the present invention is to provide a central heating installation and hot water production sanitary, using the boiler of the present invention, which is simplified compared to existing installations, and which makes it possible to save on the said three-way isolation valve used, in known boilers, during the production of 'hot water.
  • the central heating boiler and / or, for the production of sanitary hot water consisting of a double jacket heating body defining at least a first volume in which a heat transfer fluid circulates, and a second interior volume, called combustion chamber, equipped with a burner, capable of raising the temperature of said heat transfer fluid, is characterized by the fact that it includes means for increasing the heat exchange in the combustion chamber, capable of creating a natural draft important and a very high smoke column at high temperature.
  • Another characteristic of the boiler of the present invention lies in the fact that said combustion chamber is surmounted by a tubular exchanger, through which circulates said heat transfer fluid, equipped with means for increasing the heat exchanger in said exchanger , capable of creating pre-established pressure drops, as a function of the exchange gain at the combustion chamber and the draft necessary for good combustion.
  • Another important characteristic of the boiler of the present invention lies in the fact that it comprises means for authorizing heating of the domestic water, substantially by direct convection at the level of the combustion chamber, and means for creating a circulation. natural heat transfer fluid at said tubular exchanger, to allow heat exchange between the heat transfer fluid and the domestic water, said heat transfer fluid being stagnant in the boiler.
  • the central heating and domestic hot water production system implementing the boiler of the present invention, is characterized in that it has two separate circuits, one supplying a network of transmitters in fluid coolant, via a circulation pump, the other supplying a domestic hot water distribution circuit, from the cold water network, without the use of a forced circulation pump of the heat transfer fluid contained in the boiler.
  • the present invention relates to a central heating boiler and / or domestic hot water production as well as a central heating installation and domestic hot water production.
  • the present invention provides a high efficiency boiler using gaseous fuels of the natural gas, town gas, butane, propane or similar type.
  • the present invention has also been particularly developed for producing a domestic wall-mounted boiler whose power is of the order of 20 to 25 kW.
  • the provisions structural are not limited in any case to this type of construction and one could consider a boiler that is not wall mounted or even a boiler in lower or higher powers.
  • the boiler of the present invention has been specially designed to control as much as possible the heat exchange between the products of combustion, the heat transfer fluid, and possibly sanitary water, in the heating body.
  • the boiler 1 consists mainly of a heating body 2, double jacket, defining at least a first volume 3 in which circulates a heat transfer fluid, such as water for example, as well that a second interior volume, called combustion chamber 4, in which an energy capable of raising the temperature of said heat transfer fluid will be produced, by means of a burner 5.
  • a heat transfer fluid such as water for example
  • combustion chamber 4 in which an energy capable of raising the temperature of said heat transfer fluid will be produced, by means of a burner 5.
  • a first objective which the present invention aims at is to use the fact that at the level of the combustion chamber the best conditions exist for a significant heat exchange, because it is at this location that the differences are found. higher temperature between the products of combustion and the heat transfer fluid.
  • the boiler comprises means for increasing the heat exchange in the combustion chamber 4, capable to create a large natural draft and a column of smoke very high at high temperature.
  • the combustion chamber 4 is surmounted, as is the case with traditional boilers, by a tubular exchanger 6, constituted for example by a set of smoke tubes 7 arranged substantially parallel to the longitudinal axis 8 of the boiler and capable of being traversed by the combustion gases emitted in the combustion chamber 4.
  • a tubular exchanger 6 constituted for example by a set of smoke tubes 7 arranged substantially parallel to the longitudinal axis 8 of the boiler and capable of being traversed by the combustion gases emitted in the combustion chamber 4.
  • this tubular heat exchanger 6 defines, at the upper part of the heating body 2, a space interior 9 through which said heat transfer fluid circulates.
  • This space 9 is naturally related to said volume 3 of the lower part of the heating body 2 double jacket in which the heat transfer fluid circulates.
  • the arrows 10 and 11 respectively have simulated on the one hand the inlet of the boiler Ecc or in other words the return network of transmitters and on the other hand, the boiler outlet Scc or in other words the start to transmitters.
  • the heating body is formed by two bells 12, 13, in particular made of stainless steel, welded together at their base 14.
  • the respective ceilings 15, 16 of the two said bells 12, 13 will advantageously consist of sheets, pierced with orifices capable of holding the said smoke tubes 7 vertically.
  • Figure 3 shows one of the possible smoke tube arrangements. Furthermore, Figures 2 and 4 show the relative arrangement seen from above of the bells forming the heating body.
  • said means for increasing the heat exchange in the combustion chamber 4 are in the form of an increase in the dimensions of said chamber, defining a sheet of enveloping heat transfer fluid 17 at which one seeks to achieve a heat exchange of the order of (0% of the total exchange, where unlike, in known boilers, the exchange was of the order of 20%.
  • the boiler of the present invention and more precisely the tubular exchanger 6, is equipped with means for increasing the heat exchange in the said exchanger, capable of creating pre-established pressure drops depending on the gain in exchange at the combustion chamber, and the draft necessary for good combustion.
  • said means for aumgenting the heat exchange in the tubular exchanger 6 are in the form of turbulators 18, with significant braking power for the passage of combustion gases in the exchanger 6.
  • FIGS. 5 to 7 A particularly advantageous embodiment of such turbulators 18 is illustrated in FIGS. 5 to 7. These are cut stainless steel sheets defining a plurality of fins 19, 20 projecting from the plane of the turbulator as particularly shown in FIG. figure 6.
  • 22 tubes were provided smoke of a height substantially equal to 400 mm arranged in a heating body whose upper part has a diameter close to 260 mm.
  • the efficiency of a boiler depends on the good adaptation between the combustion chamber and the burner.
  • the boiler of the present invention can be equipped with either a traditional ramp burner formed by horizontal and parallel tubes arranged at the lower part of the combustion chamber, or by a cylindrical type burner.
  • the cylindrical type burner is particularly suitable for obtaining optimal conditions because its cylindrical shape is completely adapted to the cylindrical shape of the combustion chamber.
  • Such a cylindrical burner 5 is illustrated in particular in Figure 1 schematically.
  • the burner 5 consists of a cylindrical envelope 21, delimiting an interior chamber 22 into which the fuel-oxidant gas mixture is introduced by means of a venturi device 23.
  • the cylindrical casing 21 also has on its lateral face a multitude of orifices 24 to allow the circulation of the mixture from the inside to the outside of the burner. In addition, to promote the distribution of the heat emitted and to reduce the diameter of the combustion chamber, the cylindrical casing 21 will have a significant height relative to its diameter, for the same power.
  • the burner used allows an admission at least equal to 80% of the oxidizing gas, strictly necessary for the production of neutral combustion gases, this is allowed by a large dimensioning of the venturi device. 23.
  • This first arrangement also facilitates a good supply of additional secondary air necessary, despite the significant height of the burner.
  • the diameter of the burner chamber is between 130 and 150 mm, the ramps being spaced apart by a pitch between 30 and 50 mm, and having a total passage area between 30 and cm2.
  • the height of said envelope is at least equal to 70 mm, which allows good distribution of the flame over the entire surface of the envelope.
  • a combustion chamber 4 with an internal diameter of 260 mm with the following characteristics: - diameter of the burner chamber 21 substantially equal to 141 mm, - height of the burner chamber 21 substantially equal to 166 mm, large diameter of the inlet neck of the venturi 23 substantially equal to 76 mm, - small diameter of the venturi inlet neck substantially equal to 45 mm, - height of the venturi inlet neck substantially equal to 34 mm, - total length of the venturi tube substantially equal to 257 mm, - space between the ceiling of the burner 5 and the venturi outlet orifice substantially equal to 40 mm, - pitch between each ramp substantially equal to 42 mm, - height of each ramp substantially equal to 142 mm, - width of each ramp substantially equal to 11 mm, - total passage section of the 11 ramps substantially equal to 3.92.103 mm2.
  • Such a burner cooperates with the combustion chamber to increase the natural draft and obtain a very high smoke column at high temperature, thanks to its dimensions.
  • the boiler of the present invention is intended for central heating and for the production of domestic hot water
  • it advantageously comprises means for authorizing heating of the domestic water substantially by direct conduction at the level of the combustion chamber and means for creating a natural circulation of the heat transfer fluid at the level of said tubular exchanger 6 to allow a heat exchange between the heat transfer fluid and the domestic water, said heat transfer fluid being stagnant in the boiler.
  • FIG 8 shows the boiler in a schematic representation.
  • the heating body 2 the combustion chamber 4, at the lower part of the heating body and the tubular heat exchanger 6, at its upper part.
  • the coil 25-26 for the production of domestic hot water, immersed in the heat transfer fluid contained in the boiler, is wound at least on two different diameters.
  • the first diameter corresponds substantially to the diameter of the combustion chamber 4 and constitutes the coil marked 25 wound all around this combustion chamber.
  • the upper part 26 of the coil has a smaller diameter than that of the lower part, so that the smoke tubes 7 of the exchanger 6 are arranged on either side of the coil 26 to create around from the surfaces of the latter a natural circulation flow of said fluid stagnating at this level.
  • FIG. 1 The winding on the two diameters is particularly illustrated in FIG. 1 in which we can see the upper part 26 of the coil wound around a central group of seven smoke tubes 7, an outer ring of fifteen smoke tubes 7 then wrapping around the coil 26.
  • the entry Eecs 27 of cold sanitary water is provided at the top of said exchanger 6 and the dry outlet 28 of water domestic hot water at the lower part of the combustion chamber 4.
  • the central heating installation and the production of sanitary hot water has two separate circuits, the first supplying the network of radiators with heat transfer fluid, via a circulation pump. 31.
  • the other separate circuit supplies the domestic hot water distribution pipes, from the cold water network, without using a forced circulation pump of the heat transfer fluid contained in the boiler.
  • Such a structure allows a substantial saving of a three-way valve which has natural repercussions. on the cost price of the boiler.
  • the structural arrangements of the boiler of the present invention make it possible to make a gain of approximately 30% in the heating water capacity compared to the boilers of 20 to 25 kW known. Indeed, while known boilers use a volume of about 25 liters of water as a heat transfer fluid, the present invention allows a reduced amount of about 16 liters.

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Abstract

L'invention est relative à une chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire ainsi qu'à une installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire. La chaudière (1) est constituée d'un corps de chauffe (2) double enveloppe définissant au moins un premier volume (3) dans lequel circule un fluide caloporteur, et un deuxième volume intérieur, appelé chambre de combustion (4), équipé d'un brûleur (5), apte à élever en température le dit fluide caloporteur. En outre, la chambre de combustion (4) est surmontée d'un échangeur tubulaire (6), traversé également par le dit fluide caloporteur. Selon l'invention, la chaudière comprend des moyens pour augmenter l'échange thermique dans la chambre de combustion (4), apte à créer un tirage naturel important et une colonne de fumée très haute à température élevée, et en outre pour augmenter l'échange thermique dans le dit échangeur (6) apte à créer des pertes de charge préétablies en fonction du gain d'échange au niveau de la chambre de combustion et du tirage nécessaire à la bonne combustion.

Description

  • L'invention est relative à une chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire ainsi qu'à une installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire utilisant la dite chaudière.
  • En matière de chauffage de locaux domestiques ou industriels, on fait couramment appel à la technique dite de chauffage central dont les installations comportent principalement une chaudière principale, un réseau d'émetteurs, tels que notamment radiateurs, et/ou un circuit de distribution d'eau chaude sanitaire.
  • La chaudière est destinée à élever en température un fluide caloporteur qui est alors dirigé vers le réseau d'émetteurs. Ce fluide est généralement de l'eau. Dans certains cas, la chaudière sert également à élever en température de l'eau destinée à un usage sanitaire. Cette eau circule dans un circuit interne à la chaudière qui permet de réaliser une séparation entre l'eau sanitaire et le fluide caloporteur.
  • Il est connu de telles chaudières utilisant des combustibles solides, liquides ou gazeux. Toutefois, ce dernier est souvent préféré car il facile à mettre en oeuvre, efficace et son coût de revient est intéressant par rapport aux autres combustibles.
  • Ainsi, on connait des chaudières de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire, utilisant le gaz comme combustible, constitué d'un corps de chauffe double enveloppe, définissant au moins un premier volume dans lequel circule un fluide caloporteur, tel que de l'eau, et un deuxième volume intérieur, appelé chambre de combustion, équipé d'un brûleur, apte à élever en température le dit fluide caloporteur.
  • Comme rappelé ci-dessus, ce fluide caloporteur est ensuite dirigé vers un ensemble d'émetteurs, via une pompe de circulation, qui peut être assujetti à un ensemble de régulation.
  • De telles chaudières sont très répandues et sont généralement équipées d'un brûleur à rampes placé à la partie inférieure de la dite chambre de combustion. Elles sont réalisées généralement pour délivrer une puissance de l'ordre de 20 à 25 kW et présentent couramment un corps de chauffe de forme circulaire.
  • Aussi, pour épouser la forme de la chambre de combustion, on est amené à réaliser un brûleur constitué de plusieurs rampes tubulaires parallèles entre elles, disposées dans un plan horizontal, les différents orifices de chaque rampe étant prévus pour épouser la géométrie de la dite chambre.
  • Il est tout d'abord à remarquer qu'une telle disposition est d'une part onéreuse et d'autre part présente une efficacité relative à cause de l'adaptation du faisceau de rampes, qui définit une surface rectangulaire, alors que le corps de chauffe, quant à lui présente une section circulaire.
  • Cela étant, dans les chaudières connues, la chambre de combustion présente une dimension réduite et il est courant de ne récupérer que 20 % de la chaleur dans la zone de production de l'énergie. Aussi, il est obligatoire de prévoir, pour éviter le gaspillage, une récupération d'énergie au niveau des gaz de combustion engendrés.
  • C'est pourquoi, il est courant de disposer au-dessus de la chambre de combustion d'un échangeur de chaleur constitué par un volume, apte à contenir le fluide caloporteur, traversé par des multitudes de tubes de fumée, l'échange de température se faisant alors au niveau de la surface de ces tubes. De nos jours, il est constant de récupérer environ 80 % de la puissance au niveau de cet échangeur.
  • Par ailleurs, pour produire de l'eau chaude sanitaire, la chaudière comporte un serpentin, plongé dans le fluide caloporteur, dont le diamètre correspond sensiblement au diamètre extérieur du corps de chauffe de la chaudière.
  • Dans ce cas, l'eau chaude sanitaire étant produite instantanément, c'est-à-dire sans réserve d'accumulation, généralement on ne se contente pas de chauffer l'eau sanitaire du serpentin uniquement par la technique dite du "bain-marie", par l'intermédiaire du volume de fluide caloporteur stagnant dans la chaudière, mais au contraire, on isole le corps de chauffe du circuit radiateur et on force la circulation du fluide caloporteur dans le corps de chauffe pour améliorer l'échange thermique.
  • Ceci est couramment effectué en utilisant une vanne trois voies qui permet de bipasser, dans une position, le corps de chauffe, et qui autorise en outre la circulation du fluide caloporteur en circuit court par l'intermédiaire de la pompe de circulation de chauffage central. Une telle disposition est généralement utilisée pour économiser une pompe complémentaire.
  • De telles installations de chauffage et/ou de production d'eau chaude sanitaire donnent généralement satisfaction à l'utilisateur. Toutefois, il est à remarquer qu'on n'utilise pas l'énergie consommée au maximum, ce qui se répercute d'une part sur le coût de revient de l'installation proprement dite mais également à plus long terme sur le coût de l'énergie utilisée.
  • Le but de la présente invention est de proposer une chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire qui permette de maitriser au maximum l'échange thermique entre les produits de la combustion, l'eau de chauffage, et/ou l'eau sanitaire.
  • Un des buts de la présente invention est de proposer une chaudière de chauffage central et/ou une production d'eau chaude sanitaire présentant une chambre de combustion exploitée au maximum pour favoriser ce dit échange thermique car, c'est bien là que se trouvent les conditions les meilleures pour un échange de chaleur important; en effet c'est à ce niveau que l'on trouve les différences les plus fortes de température entre les produits de la combustion et l'eau.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer une chaudière de chauffage central, et/ou de production d'eau chaude sanitaire équipée d'un brûleur adapté tout spécialement à la forme et aux dimensions de la chambre de combustion pour garantir des conditions optimales de combustion et pour atteindre des coefficients d'échanges thermiques très élevés.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer une chaudière de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire qui soit avantageuse au niveau de son coût de revient mais sans que ceci se répercute sur son rendement. En outre, la chaudière de la présente invention présente, à dimensions extérieures égales, si pas moindres, une puissance comparable aux chaudières à gaz généralement connues.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer une chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire équipé d'un brûleur cylindrique permettant d'atteindre avantageusement les objectifs recherchés.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer une installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire, mettant en oeuvre la chaudière de la présente invention, qui soit simplifiée par rapport aux installations existantes, et qui permette de faire l'économie de la dite vanne trois voies d'isolement utilisée, dans les chaudières connues, lors de la production d'eau chaude sanitaire.
  • D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront 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.
  • Selon la présente invention, la chaudière de chauffage central et/ou ,de production d'eau chaude sanitaire, constituée d'un corps de chauffe double enveloppe définissant au moins un premier volume dans lequel circule un fluide caloporteur, et un deuxième volume intérieur, appelé chambre de combustion, équipé d'un brûleur, apte à élever en température le dit fluide caloporteur, est caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour augmenter l'échange thermique dans la chambre de combustion, aptes à créer un tirage naturel important et une colonne de fumée très haute à température élevée.
  • Une autre caractéristique de la chaudière de la présente invention réside dans le fait que la dite chambre de combustion est surmontée d'un échangeur tubulaire, à travers lequel circule le dit fluide caloporteur, équipé de moyens pour augmenter l'échangeur thermique dans le dit échangeur, aptes à créer des pertes de charge préétablies, en fonction du gain d'échange au niveau de la chambre de combustion et du tirage nécessaire à la bonne combustion.
  • Une autre caractéristique importante de la chaudière de la présente invention réside dans le fait qu'elle comporte des moyens pour autoriser un chauffage de l'eau sanitaire, sensiblement par convexion directe au niveau de la chambre de combustion, et des moyens pour créer une circulation naturelle du fluide caloporteur au niveau du dit échangeur tubulaire, pour autoriser un échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau sanitaire, le dit fluide caloporteur étant stagnant dans la chaudière.
  • Enfin, l'installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire, mettant en oeuvre la chaudière de la présente invention, est caractérisée par le fait qu'elle présente deux circuits séparés, l'un alimentant un réseau d'émetteurs en fluide caloporteur, via une pompe de circulation, l'autre alimentant un circuit de distribution d'eau chaude sanitaire, à partir du réseau d'eau froide, sans utilisation de pompe de circulation forcée du fluide caloporteur contenu dans la chaudière.
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe qui en font partie intégrante.
    • La figure 1 montre une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation selon la présente invention d'une chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire.
    • La figure 2 montre une coupe de la chaudière représentée à la figure 1 selon l axe II-II.
    • figure 3 montre une coupe de la chaudière représentée à la figure 1 selon l'axe III-III.
    • La figure 4 montre une coupe partielle de la chaudière représentée à la figure 1 selon l'axe IV-IV, sans les tubes de l'échangeur primaire.
    • La figure 5 montre une vue de face d'un turbulateur utilisé dans l'échangeur de chaleur de la chaudière comme cela est représenté à la figure 1.
    • La figure 6 montre une vue en coupe selon l'axe VI-VI de la figure 5.
    • La figure 7 montre une vue de dessus du turbulateur représenté à la figure 5.
    • La figure 8 montre schématiquement une chaudière de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire selon la présente invention et illustre le principe de chauffage de l'eau sanitaire.
  • La présente invention concerne une chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire ainsi qu'une installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire.
  • La présente invention propose une chaudière à haut rendement utilisant les combustibles gazeux du type gaz naturel, gaz de ville, butane, propane ou similaire.
  • La présente invention a été également particulièrement mise au point pour réaliser une chaudière murale domestique dont la puissance est de l'ordre de 20 à 25 kW. Toutefois, les dispositions structurelles ne sont limitées en aucun cas à ce type de réalisation et on pourrait envisager une chaudière qui ne soit pas murale ou encore une chaudière dans des puissances plus faibles ou plus fortes.
  • La chaudière de la présente invention a été spécialement conçue pour maitriser au maximum l'échange thermique entre les produits de la combustion, le fluide caloporteur, et éventuellement l'eau sanitaire, dans le corps de chauffe.
  • A ce sujet, comme le montre la figure 1, la chaudière 1 est constituée principalement d un corps de chauffe 2, double enveloppe, définissant au moins un premier volume 3 dans lequel circule un fluide caloporteur, tel que l'eau par exemple, ainsi qu'un deuxième volume intérieur, appelé chambre de combustion 4, dans laquelle on produira une énergie apte à élever en température le dit fluide caloporteur, par l'intermédiaire d'un brûleur 5.
  • Un premier objectif que vise la présente invention est d'utiliser le fait qu'au niveau de la chambre de combustion existent les conditions les meilleures pour un échange de chaleur important, car c'est à cet endroit que l'on trouve les différences les plus fortes de température entre les produits de la combustion et le fluide caloporteur.
  • Contrairement aux chaudières classiques connues, dans lesquelles on ne récupère sensiblement que 20 % d'énergie au niveau de la chambre de combustion, selon la présente invention, la chaudière comporte des moyens pour augmenter l'échange thermique dans la chambre de combustion 4, aptes à créer un tirage naturel important et une colonne de fumée très haute à température élevée.
  • Autrement dit, selon la présente invention, on cherche, au niveau de la chambre de combustion 4 à avoir un échange de chaleur d'environ 40 %, les 60 autres % étant alors récupérés dans le reste du corps de chauffe 2 de la chaudière.
  • A cet égard, la chambre de combustion 4 est surmontée, comme c'est le cas des chaudières traditionnelles, d'un échangeur tubulaire 6, constitué par exemple par un ensemble de tubes de fumée 7 disposés sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal 8 de la chaudière et aptes à être parcourus par les gaz de combustion émis dans la chambre de combustion 4.
  • En outre, cet échangeur de chaleur tubulaire 6 définit, au niveau de la partie supérieure du corps de chauffe 2, un espace intérieur 9 à travers lequel circule le dit fluide caloporteur. Cet espace 9 étant naturellement en relation avec le dit volume 3 de la partie inférieure du corps de chauffe 2 double enveloppe dans lequel le fluide caloporteur circule.
  • A la figure 1, on a simulé par les flèches 10 et 11 respectivement d'une part l'entrée de la chaudière Ecc ou autrement dit le retour réseau d'émetteurs et d'autre part, la sortie chaudière Scc ou autrement dit le départ vers les émetteurs.
  • Pratiquement, dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, le corps de chauffe est formé de deux cloches 12, 13, notamment en acier inoxydable, soudés ensemble à leur base 14.
  • Les plafonds respectifs 15, 16 des deux dites cloches 12, 13 seront avantageusement constitués par des tôles, percées d'orifices aptes à maintenir les dits tubes de fumée 7 verticalement.
  • La figure 3 montre une des dispositions des tubes de fumée envisageable. Par ailleurs, les figures 2 et 4 montrent la disposition relative vue de dessus des cloches formant le corps de chauffe.
  • Cela étant, selon l'invention, les dits moyens pour augmenter l'échange thermique dans la chambre de combustion 4 se présentent sous la forme d'une augmentation des dimensions de la dite chambre, définissant une lame de fluide caloporteur 17 enveloppante au niveau de laquelle on cherche à réaliser un échange thermique de l'ordre de (0 % de l'échange total, là où contrairement, dans les chaudières connues, l'échange était de l'ordre de 20 %.
  • Dans le mode de réalisation tel que proposé, pour une chaudière de 20 à 25 kW, on obtient ce résultat en prévoyant un diamètre de chambre de combustion notamment de l'ordre de 260 mm et une hauteur de chambre de combustion avoisinant les 300 mm par exemple.
  • En agissant ainsi, on cherche à créer une augmentation du tirage naturel et une colonne de fumée très haute à température élevée.
  • Etant donné cette disposition, et pour retrouver un encombrement voisin des chaudières classiques connues, on doit alors réduire la hauteur de l'échangeur 6 et notamment des tubes de fumée 7.
  • Pour pallier cette diminution, et néanmoins récupérer les 60 autres % 7 de l'énergie, la chaudière de la présente invention, et plus précisément l'échangeur tubulaire 6, est équipé de moyens pour augmenter l échange thermique dans le dit échangeur, aptes à créer des pertes de charge préétablies en fonction du gain d'échange au niveau de la chambre de combustion, et du tirage nécessaire à la bonne combustion.
  • En effet, il s'agit donc de trouver le juste compromis entre la nécessité de garder de bons rendements de combustion, et la nécessité de garder une bonne circulation d'air secondaire, c'est-à-dire une hygiène de combustion non polluante dans les limites de la norme.
  • Selon l'invention, les dits moyens pour aumgenter l'échange thermique dans l'èchangeur tubulaire 6 se présentent sous la forme de turbulateurs 18, à pouvoir important de freinage de passage des gaz de combustion dans l'échangeur 6.
  • Il est à noter que ces pertes de charge peuvent être envisagées car elles sont compensées selon la présente invention par la dite augmentation du tirage naturel de la chaudière provoquée notamment en augmentant la hauteur de la chambre de combustion.
  • Un mode de réalisation particulièrement intéressant de tels turbulateurs 18 est illustré aux figures 5 à 7. Il s'agit de tôles en acier inox coupées définissant une pluralité d'ailettes 19, 20 formant saillie par rapport au plan du turbulateur comme le montre particulièrement la figure 6.
  • En fonction de la dimension de l'ailette 19-20 et de son inclinaison, ainsi que du pas d'écartement "p" entre deux étages d'ailettes, on réalise des turbulences plus ou moins fortes qui freinent le passage des gaz de combustion et qui permettent ainsi une récupération plus importante de la température pour le fluide caloporteur.
  • Pour éviter des pertes de charge trop importantes, il est néanmoins souhaité de réaliser les ailettes 19-20 en alternance comme le montrent particulièrement les figures 6 et 7.
  • On a obtenu de bons résultats avec des ailettes rectangulaires de dimension voisine de 20 mm x 8,5 mm écartées d'un pas de 40 mm, ce dans des tubes cylindriques de fumée de l'ordre de 32 mm, sensiblement sur toute leur longueur.
  • Par ailleurs, dans cette réalisation, on a prévu 22 tubes de fumée d'une hauteur sensiblement égale à 400 mm disposés dans un corps de chauffe dont la partie supérieure présente un diamètre voisin de 260 mm.
  • Une telle configuration débouche sur la réalisation d'une chaudière de dimension voisine à celle connue avec un rendement équivalent voire même supérieur.
  • Il est à noter à ce sujet que l'efficacité d'une chaudière dépend de la bonne adaptation entre la chambre de combustion et le brûleur. A ce sujet, la chaudière de la présente invention peut être équipée soit d'un brûleur à rampes traditionnel formé de tubes horizontaux et parallèles disposés au niveau de la partie basse de la chambre de combustion, ou encore par un brûleur de type cylindrique.
  • Le brûleur de type cylindrique convient particulièrement à l'obtention de conditions optimales car sa forme cylindrique est tout à fait adaptée à la forme cylindrique de la chambre de combustion.
  • Un tel brûleur cylindrique 5 est notamment illustré à la figure 1 schématiquement. Particulièrement le brûleur 5 est constitué d'une enveloppe cylindrique 21, délimitant une chambre intérieure 22 dans laquelle le mélange de gaz carburant-comburant est introduit par l'intermédiaire d'un dispositif venturi 23.
  • L enveloppe cylindrique 21 présente en outre sur sa face latérale une multitude d'orifices 24 pour autoriser la circulation du mélange de l'intérieur vers l'extérieur du brûleur. De plus, pour favoriser la répartition de la chaleur émise et pour réduire le diamètre de la chambre de combustion, l'enveloppe cylindrique 21 présentera une hauteur importante par rapport à son diamètre, pour une même puissance.
  • La réalisation d'un tel brûleur, qui sera avantageusement placé dans la partie basse de la chambre de combustion, nécessite le respect de deux impératifs à savoir bonne alimentation en air primaire, bonne alimentation en air secondaire complémentaire.
  • Pour ce qui est de l'admission d'air primaire, le brûleur utilisé autorise une admission au moins égale à 80 % du gaz comburant, strictement nécessaire à la production de gaz de combustion neutres, ceci est permis par un large dimensionnement du dispositif venturi 23.
  • Cette première disposition facilite également une bonne alimention en air secondaire complémentaire nécessaire, malgré la hauteur importante du brûleur.
  • En effet, grâce à ce très bon mélange introduit dans l'intérieur du brûleur, il n'est plus nécessaire que de disposer d'un air secondaire de l'ordre de 40 %, ce qui est tout à fait possible en prévoyant la disposition des orifices 24 en rampes verticales, parallèles entre elles, et espacées régulièrement suffisamment pour former un canal d'admission entre les flammes conséquentes.
  • Dans un mode de réalisation avantageux de la présente invention, le diamètre de la chambre du brûleur est compris entre 130 et 150 mm, les rampes étant espacées d'un pas compris entre 30 et 50 mm, et présentant une surface totale de passage comprise entre 30 et cm². En outre, la hauteur de la dite enveloppe est au moins égale à 70 mm, ce qui permet une bonne répartition de la flamme sur toute la surface de l'enveloppe.
  • Dans un mode particulier de réalisation du brûleur, et à titre d'exemple, on a obtenu de bons résultats, pour une chambre de combustion 4 de diamètre intérieur de 260 mm, avec les caractéristiques suivantes :
    - diamètre de la chambre du brûleur 21 sensiblement égal à 141 mm,
    - hauteur de la chambre du brûleur 21 sensiblement égale à 166 mm,
    - grand diamètre du col d'entrée du venturi 23 sensiblement égal à 76 mm,
    - petit diamètre du col d'entrée du venturi sensiblement égal à 45 mm,
    - hauteur du col d'entrée du venturi sensiblement égal à 34 mm,
    - longueur totale du tube du venturi sensiblement égale à 257 mm,
    - espace entre le plafond du brûleur 5 et l'orifice de sortie du venturi sensiblement égal à 40 mm,
    - pas entre chaque rampe sensiblement égal à 42 mm,
    - hauteur de chaque rampe sensiblement égale à 142 mm,
    - largeur de chaque rampe sensiblement égale à 11 mm,
    - section de passage total des 11 rampes sensiblement égale à 3,92.10³ mm².
  • Un tel brûleur coopère avec la chambre de combustion pour augmenter le tirage naturel et obtenir une colonne de fumée très haute à température élevée, grâce à ses dimensions.
  • Cela étant, dans le cas ou la chaudière de la présente invention est destinée au chauffage central et à la production d'eau chaude sanitaire, elle comporte avantageusement des moyens pour autoriser un chauffage de l'eau sanitaire sensiblement par conduction directe au niveau de la chambre de combustion et des moyens pour créer une circulation naturelle du fluide caloporteur au niveau du dit échangeur tubulaire 6 pour autoriser un échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau sanitaire, le dit fluide caloporteur étant stagnant dans la chaudière.
  • Ceci est particulièrement illustré à la figure 8 qui montre la chaudière dans une représentation schématique. On retrouve le corps de chauffe 2, la chambre de combustion 4, à la partie inférieure du corps de chauffe et l'échangeur de chaleur tubulaire 6, au niveau de sa partie supérieure.
  • L'eau chaude sanitaire circule dans le corps de chauffe de façon traditionnelle c'est-à-dire dans un serpentin repéré 25 en partie basse du corps de chauffe et 26 en partie haute de ce dernier. Il est à noter que la disposition du serpentin 25-26 est plus précisément illustrée aux figures 1 à 4.
  • Cela étant, il est à noter que le serpentin 25-26 pour la production d'eau chaude sanitaire, plongé dans le fluide caloporteur contenu dans la chaudière, est enroulé au moins sur deux diamètres différents.
  • Le premier diamètre correspond sensiblement au diamètre de la chambre de combustion 4 et constitue le serpentin repéré 25 enroulé tout autour de cette chambre de combustion.
  • Au niveau de l'échangeur 6, la partie supérieure 26 du serpentin présente un diamètre inférieur que celui de la partie basse, afin que les tubes de fumée 7 de l'échangeur 6 soient disposés de part et d autre du serpentin 26 pour créer autour des surfaces de ce dernier un flux de circulation naturel du dit fluide stagnant à ce niveau.
  • L'enroulement sur les deux diamètres est particulièrement illustré à la figure 1 sur laquelle on peut voir la partie supérieure 26 du serpentin enroulée autour d'un groupe central de sept tubes de fumée 7, une couronne extérieure de quinze tubes de fumée 7 enveloppant alors à l'extérieur du serpentin 26.
  • Pour compléter cette disposition et pour faciliter la création de la dite circulation naturelle du fluide caloporteur stagnant dans la chaudière, on prévoit l'entrée Eecs 27 d'eau sanitaire froide à la partie supérieure du dit échangeur 6 et la sortie Secs 28 d'eau chaude sanitaire au niveau de la partie basse de la chambre de combustion 4.
  • Lors du fonctionnement du brûleur 5, au niveau de la chambre de combustion 4, on a une convection directe quasiment entre la flamme et le serpentin 25. L'espace défini entre les deux cloches 12 et 13 rempli,de fluide caloporteur 17 stagnant n'est soumis à aucune circulation étant données les dimensions réduites des interstices de passage.
  • En revanche, au niveau de l'échangeur 6, il se crée deux flux de circulation illustrés schématiquement sur la figure 8 par les flèches 29 et 30. Cette circulation est descendante à l'intérieur du serpentin 26 et montante à l'extérieur.
  • La création d'une telle circulation est nécessaire à un bon échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau à chauffer, ce qui permet d'éviter l'utilisation d'une circulation forcée de l'eau contenue dans le corps de chauffe.
  • En effet, rappelons dans les chaudières traditionnelles, on est obligé d'utiliser une vanne à trois voies qui permet de bipasser le circuit chauffage central lorsque l'on soutire de l'eau chaude. Cette vanne tois voies permet également la circulation de l'eau contenue dans le corps de chauffe en circuit court.
  • Grâce à la disposition du serpentin selon la présente invention, ces dispositions traditionnelles ne sont plus nécessaires.
  • Ainsi, selon la présente invention, l'installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire, mettant en oeuvre la dite chaudière, présente deux circuits séparés, le premier alimentant le réseau de radiateurs en fluide caloporteur, via une pompe de circulation 31. L'autre circuit séparé alimente les canalisations de distribution d'eau chaude sanitaire, à partir du réseau d'eau froide, sans utilisation de pompe de circulation forcée du fluide caloporteur contenu dans la chaudière.
  • Une telle structure permet de faire une économie substantielle d'une vanne trois voies qui se répercute naturellement sur le coût de revient de la chaudière.
  • Pour reprendre le mode de réalisation de la chaudière précitée, il est à noter qu'on a obtenu de bons résultats en prévoyant un diamètre moyen du serpentin sensiblement égal à 290 mm au niveau de la chambre de combustion et d'un diamètre moyen sensiblement de 142 mm autour des tubes de l'échangeur de chaleur pour une section de serpentin de l'ordre de 16 x 18 mm par exemple.
  • Il est à noter que les dispositions structurelles de la chaudière de la présente invention permettent d'effectuer un gain d'environ 30 % dans la capacité en eau de chauffage par rapport aux chaudières de 20 à 25 kW connues. En effet, alors que les chaudières connues utilisent un volume d'environ 25 litres d'eau en tant que fluide caloporteur, la présente invention permet une quantité réduite d'environ 16 litres.
  • Le contenu d'eau étant plus faible, on chauffe plus vite et la chaudière présente une inertie thermique moins importante et un rendement global d'exploitation plus élevé.
  • De même, le contenu d'eau étant plus faible et l'échangeur tubulaire plus petit, on gagne en poids de matière, ce qui permet d'arriver à un poids total de chaudière inférieur à celui des chaudières connues.
  • Naturellement, d'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'homme de l'art, auraient pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci.

Claims (9)

1. Chaudière (1) de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire, constituée d'un corps de chauffe (2) double enveloppe définissant au moins un premier volume (3) dans lequel circule un fluide caloporteur et un second volume intérieur, appelé chambre de combustion (4), équipé d'un brûleur, apte à élever en température le dit fluide caloporteur, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour augmenter l'échange thermique dans la chambre de combustion (4), aptes à créer un tirage naturel important et une colonne de fumée très haute à température élevée.
2. Chaudière de chauffage central et/ou de production d'eau chaude sanitaire, selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la dite chambre de combustion (4) est surmontée d'un échangeur tubulaire (6) , à travers lequel circule le dit fluide caloporteur, équipé de moyens pour augmenter l'échange thermique dans le dit échangeur (6), aptes à créer des pertes de charge préétablies en fonction du gain d'échange au niveau de la chambre de combustion (4) et du tirage nécessaire à la bonne combustion.
3. Chaudière de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire, selon la revendication 2, caractérisée par le fait que des moyens pour autoriser un chauffage de l'eau sanitaire sensiblement par conduction directe au niveau de la chambre de combustion (4) et des moyens pour créer une circulation naturelle de fluide caloporteur au niveau du dit échangeur tubulaire (6) pour autoriser un échange thermique entre le fluide caloporteur (9) et l'eau sanitaire, le dit fluide caloporteur étant stagnant dans la chaudière.
4. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée par le fait que pour faciliter la création de la dite circulation naturelle du fluide caloporteur stagnant dans la chaudière, on prévoit l'entrée (27) d'eau sanitaire froide à la partie supérieure du dit échangeur tubulaire (6) et la sortie (28) d'eau chaude sanitaire au niveau de la partie basse de la chambre de combustion (4).
5. Chaudière selon la revendication 1 , caractérisée par le fait qu'elle comporte un brûleur (5) pour combustible gazeux, constitué d'une enveloppe cylindrique (21) délimitant une chambre intérieure (22), dans laquelle le mélange gaz carburant-comburant est introduit par l'intermédiaire d'un dispositif venturi (23), et percée d'une multitude d'orifices (24) latéralement, présentant une hauteur importante par rapport à son diamètre, pour une même puissance, favorisant la répartition de la chaleur émise.
6. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les dits moyens pour augmenter l'échange thermique dans la chambre de combustion (4) se présentent sous la forme d'une augmentation des dimensions de la chambre (4) définissant une lame de fluide caloporteur (17) enveloppante au niveau de laquelle l'échange thermique est de l'ordre de 40 % de l'échange total.
7. Chaudière selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les dits moyens pour augmenter l'échange thermique dans l'échangeur tubulaire (6) se présentent sous la forme de turbulateurs (18) à pouvoir important de freinage de passage des gaz de combustion dans l'échangeur, ces pertes de charge étant compensées par la dite augmentation de tirage naturel.
8. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'elle comporte un serpentin (25, 26) pour la production d'eau chaude sanitaire, plongé dans le fluide caloporteur (3, 17, 9) contenu dans la chaudière, enroulé au moins sur deux diamètres différents, l'un (25) correspondant sensiblement au diamètre de la chambre de combustion (4), l'autre (26) d'un diamètre inférieur, au niveau de l'échangeur (6), afin que les tubes de fumée (7) de l'échangeur soient disposés de part et d'autre du serpentin (26) pour créer autour des surfaces de ce dernier un flux (29, 30) de circulation naturelle du dit fluide stagnant dans l'échangeur.
9. Installation de chauffage central et de production d'eau chaude sanitaire, mettant en oeuvre la chaudière (1) selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux circuits séparés, l'un (10, 11) alimentant un réseau d'émetteurs en fluide caloporteur via une pompe de circulation (31), l'autre (27, 28) alimentant un circuit de distribution d'eau chaude sanitaire, à partir du réseau d'eau froide, sans utilisation de pompe de circulation forcée du fluide caloporteur contenu dans la chaudière, pendant la production d'edau chaude sanitaire.
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