FR2775338A1

FR2775338A1 - AIR-COOLED WATER COOLER FOR FUME CONDENSER BOILERS AND BOILERS EQUIPPED WITH THIS AERO-COOLER

Info

Publication number: FR2775338A1
Application number: FR9802454A
Authority: FR
Inventors: Philippe Desplats; Jean Paul Liardet
Original assignee: CALDOR
Current assignee: CALDOR
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-08-27

Abstract

La présente invention concerne des chaudières comportant une colonne de condensation (5) à voie humide traversée de bas en haut par les gaz de combustion, lesdites chaudières étant équipées d'un échangeur (9) air/ eau destiné à améliorer ses performances. L'échangeur (9) est de type à contre-courant à contact direct air-eau recevant en partie basse l'air comburant destiné au brûleur et en partie haute de d'eau chaude prélevée au départ du circuit de chauffage, cette eau, refroidie à 10-15 degreC aboutissant à la partie supérieure de la colonne de condensation (5) qui reçoit à mi-hauteur l'eau de retour du circuit de chauffage. L'invention est surtout destiné à l'habitat et en particulier à l'habitat collectif.The present invention relates to boilers comprising a condensing column (5) wet through which the combustion gases pass from bottom to top, said boilers being equipped with an air / water exchanger (9) intended to improve its performance. The exchanger (9) is of the counter-current type with direct air-water contact receiving in the lower part the combustion air intended for the burner and in the upper part of hot water taken from the heating circuit, this water, cooled to 10-15 degreC leading to the upper part of the condensation column (5) which receives halfway up the return water from the heating circuit. The invention is especially intended for housing and in particular for collective housing.

Description

La présente invention a pour objet un échangeur air / eau méthodique qui grâce à l'évaporation d'un film d'eau chaude descendant va produire une eau froide destinée à améliorer la performance de la condensation de la chaleur latente résiduelle contenue dans la fumée des chaudières équipées de condenseurs à voie humide. The subject of the present invention is a methodical air / water exchanger which, thanks to the evaporation of a descending film of hot water, will produce cold water intended to improve the performance of the condensation of the residual latent heat contained in the smoke of boilers fitted with wet condensers.

Cet appareil va permettre d'étendre le champ d'application des chaudières à condensation par voie humide utilisant l'eau comme fluide caloporteur et produisant de la chaleur par combustion d'hydrocarbures, et est surtout destiné à l'habitat et en particulier à l'habitat collectif. This device will make it possible to extend the field of application of wet condensing boilers using water as a heat transfer fluid and producing heat by combustion of hydrocarbons, and is especially intended for housing and in particular for the 'collective habitat.

La valorisation de l'énergie est aujourd'hui une donnée fondamentale dès lors que l'on envisage la conception d'un moyen de chauffage. Cette préoccupation fut à la base du développement de la chaudière à condensation. En effet, les transferts thermiques du changement d'état de l'eau mettent en jeu des quantités bien plus importantes que les transferts par conduction et rayonnement. The recovery of energy is today a fundamental datum when considering the design of a heating medium. This concern was the basis for the development of the condensing boiler. In fact, the thermal transfers of the change of state of the water involve much larger quantities than the transfers by conduction and radiation.

Les chaudières à condensation envisagées ici sont du type comportant un condenseur constitué d'un échangeur à contact direct entre l'eau de retour du circuit de chauffage et les fumées produites par la combustion. Ces appareils tirent parti de la présence de vapeur d'eau dans les produits de combustion des hydrocarbures et notamment du gaz naturel. La théorie démontre que la condensation de la vapeur d'eau lors de la combustion d'hydrocarbures tels que le gaz naturel est d'autant plus importante (et la chaleur associée quantitativement élevée) que la température des produits de combustion rejetés par un système thermique est basse. The condensing boilers envisaged here are of the type comprising a condenser consisting of an exchanger in direct contact between the return water from the heating circuit and the fumes produced by combustion. These devices take advantage of the presence of water vapor in the combustion products of hydrocarbons and in particular natural gas. The theory shows that the condensation of water vapor during the combustion of hydrocarbons such as natural gas is all the more important (and the associated heat quantitatively high) as the temperature of the combustion products released by a thermal system is low.

En dimensionnant correctement le condenseur, on peut obtenir qu'il n'y ait pratiquement pas d'écart de température entre la température de l'eau à l'entrée de l'échangeur et les produits de combustion sortants du système.By correctly dimensioning the condenser, it can be obtained that there is practically no temperature difference between the temperature of the water at the inlet of the exchanger and the combustion products leaving the system.

Par exemple, le brevet français NO FR 2 509 029, déposé par MM DESPLATS, HERBEPIN, NOBILET et PARE, décrit un dispositif récupérateur de calories à condensation par ruissellement d'un capteur formé par des anneaux en résine synthétique ou céramique s'imbriquant les uns dans les autres et positionnés en vrac, disposés a la sortie de la chambre de combustion et recevant à contre-courant en circuit fermé l'eau de récupération du circuit de chauffage. For example, the French patent NO FR 2 509 029, filed by MM DESPLATS, HERBEPIN, NOBILET and PARE, describes a device for recovering calories by condensation from a sensor formed by rings of synthetic resin or ceramic interlocking the inside each other and positioned in bulk, disposed at the outlet of the combustion chamber and receiving counter-current in a closed circuit recovery water from the heating circuit.

Cependant, à la sortie d'un circuit de chauffage d'habitations, la température de l'eau, et donc des fumées rejetées à l'atmosphère dans le meilleur des cas, est de l'ordre de 60 à 700C, température supérieure au point de rosée des gaz de combustion, ce qui ne permet pas un bon rendement de la condensation. C'est la raison pour laquelle les chaudière à condensation ne sont pas utilisées dans l'habitat. En outre, la différence entre la température de sortie des fumées et celle de l'air ambiant (généralement inférieure à 100C en période de chauffage) entraîne une perte d'énergie non négligeable. However, at the outlet of a residential heating circuit, the temperature of the water, and therefore of the fumes discharged into the atmosphere in the best of cases, is of the order of 60 to 700C, temperature higher than dew point of the combustion gases, which does not allow a good performance of the condensation. This is the reason why condensing boilers are not used in the home. In addition, the difference between the outlet temperature of the smoke and that of the ambient air (generally less than 100C during heating) results in a significant energy loss.

Les thermiciens ont depuis quelques années cherché à abaisser cet écart. Toutefois, l'état de l'art en la matière n'a jamais donné pleine satisfaction. Le développement des solutions envisagées est limité par une technologie trop complexe à mettre en oeuvre : brûleurs spécialement conçus pour l'application, "pompes à vapeur d'eau" nécessitant deux enceintes d'échange thermique en plus de celle du condenseur, équipements périphériques trop nombreux, entraînant des coûts de réalisation élevés.Thermicians have in recent years sought to narrow this gap. However, the state of the art in the matter has never given full satisfaction. The development of the solutions envisaged is limited by a technology that is too complex to implement: burners specially designed for the application, "water vapor pumps" requiring two heat exchange chambers in addition to that of the condenser, peripheral equipment too numerous, resulting in high production costs.

La présente invention a pour objectif de remédier à ces inconvénients. Elle permet en effet de réaliser des chaudières fiables et peu encombrantes utilisables en particulier pour les immeubles d'habitation collective d'un encombrement réduit, ces chaudières présentant non seulement un excellent rendement entraînant une consommation d'énergie réduite, mais également un faible taux de pollution dû surtout au lavage des fumées qui permet de piéger les acidités des produits de combustion et de diminuer le rejet des oxydes d'azote dans l'atmosphère. The present invention aims to remedy these drawbacks. It makes it possible to produce reliable and space-saving boilers which can be used in particular for collective apartment buildings with a small footprint, these boilers having not only excellent performance resulting in reduced energy consumption, but also a low rate of pollution mainly due to the washing of fumes, which traps the acidity of the combustion products and reduces the release of nitrogen oxides into the atmosphere.

Elle est constituée d'une chaudière brûlant des hydrocarbures et notamment de gaz naturel comportant une colonne de condensation traversée de bas en haut par les gaz de combustion et un échangeur à contre-courant à contact direct air-eau recevant en partie basse l'air comburant destiné au brûleur et en partie haute de d'eau chaude prélevée au départ du circuit de chauffage, cette eau, refroidie à 10-15 OC par évaporation et transfert massique, aboutissant à la partie supérieure de la colonne de condensation qui reçoit à mi-hauteur l'eau de retour du circuit de chauffage, la colonne et l'échangeur étant tous deux remplis d'anneaux de céramique de manière à présenter une grande surface d'échange thermique. It consists of a boiler burning hydrocarbons and in particular natural gas comprising a condensation column traversed from bottom to top by the combustion gases and a counter-current exchanger with direct air-water contact receiving the air at the bottom oxidizer intended for the burner and in the upper part of hot water taken from the heating circuit, this water, cooled to 10-15 OC by evaporation and mass transfer, leading to the upper part of the condensation column which receives mid -height of the return water from the heating circuit, the column and the exchanger being both filled with ceramic rings so as to have a large heat exchange surface.

Sur le dessin schématique annexé, donné à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention, la figure 1 représente une coupe verticale d'une chaudière intégrant un condenseur et un échangeur air-eau. In the attached schematic drawing, given by way of nonlimiting example of one of the embodiments of the subject of the invention, FIG. 1 represents a vertical section of a boiler integrating a condenser and an air-water exchanger .

Le dispositif est constitué d'une chaudière à brûleur 1 placé verticalement et dont la flamme 2 se développe directement sur une réserve d'eau 3 située au fond de la cuve 4 de combustion et alimentant le circuit de chauffage. The device consists of a burner boiler 1 placed vertically and whose flame 2 develops directly on a water reserve 3 located at the bottom of the combustion tank 4 and supplying the heating circuit.

Afin de réduire les pertes d'énergie liées à la température élevées des fumées, un condenseur 5 est placé à la sortie de la chaudière, intégré à cette dernière. Ce condenseur est constitué d'un échangeur à contre-courant composé d'une colonne verticale remplie de cylindres creux en céramique 6 ("anneaux de Raschig"), et en partie très basse, sur une hauteur de 100 mm, par des anneaux 6" en acier inoxydable. Les fumées remontent dans cette colonne qui est arrosée par l'eau de retour du circuit de chauffage 7 via une rampe basse 8 de distribution placée à mi-hauteur de la colonne. Le condenseur pénètre d'environ trente cm à l'intérieur de la cuve 4, ce qui permet de réduire la hauteur totale de la chaudière. In order to reduce the energy losses linked to the high temperature of the fumes, a condenser 5 is placed at the outlet of the boiler, integrated into the latter. This condenser consists of a counter-current exchanger composed of a vertical column filled with hollow ceramic cylinders 6 ("Raschig rings"), and in a very low part, over a height of 100 mm, by rings 6 "made of stainless steel. The smoke rises in this column which is sprayed by the return water from the heating circuit 7 via a low distribution manifold 8 placed halfway up the column. The condenser penetrates approximately 30 cm to inside the tank 4, which reduces the total height of the boiler.

La vapeur d'eau contenue dans les fumées se condense, les gaz sont refroidis par transfert de chaleur à l'eau qui s'écoule directement dans la cuve 4. Le contact eau-fumées est direct et la grande surface d'échange assurée par les "anneaux de Raschig" 6 permet de ramener la température des produits de combustion, au niveau de la rampe de distribution 8, à quelques degrés au-dessus de la température de l'eau de retour. The water vapor contained in the fumes condenses, the gases are cooled by heat transfer to the water which flows directly into the tank 4. The water-fumes contact is direct and the large exchange surface provided by the "Raschig rings" 6 makes it possible to reduce the temperature of the combustion products, at the level of the distribution ramp 8, a few degrees above the temperature of the return water.

Pour abaisser encore la température des fumées, une source froide est créée au moyen d'une évaporation d'eau dans un échangeur 9 traversé par l'air comburant et disposé au-dessus du condenseur 5, dans le prolongement de celui-ci. Cet aéro-refroidisseur d'eau est conçu comme un échangeur à contre-courant à contact direct air-eau (de même type que le condenseur), dans lequel s'écoule de l'eau chaude extraite de la cuve par un circulateur 10 et alimentant une rampe d'aspersion 11 disposée au-dessus d'un garnissage d' "anneaux de
Raschig" 6'. Au sein de l'évaporateur, se produit simultanément un transfert de matière par évaporation de l'eau et un transfert de chaleur (chaleur latente de changement d'état). L'eau s'écoulant est refroidie jusqu'à 10-150C et utilisée pour alimenter directement la colonne de condensation au moyen d'une rampe haute 12 de distribution placée à la partie supérieure du condenseur 5 et reliée au fond de l'enceinte de l'aéro-refroidisseur 9 par un tube 13 plongeant dans un point bas de la rampe 12 pour faire étanchéité aux fumées.To further lower the temperature of the fumes, a cold source is created by means of an evaporation of water in an exchanger 9 traversed by the combustion air and disposed above the condenser 5, in the extension thereof. This water cooler is designed as a counter-current exchanger with direct air-water contact (of the same type as the condenser), in which hot water extracted from the tank flows through a circulator 10 and supplying a spray boom 11 arranged above a lining of "rings of
Raschig "6 '. Within the evaporator, a transfer of matter by evaporation of water takes place simultaneously with a transfer of heat (latent heat of change of state). The flowing water is cooled to at 10-150C and used to directly feed the condensing column by means of a high distribution manifold 12 placed at the top of the condenser 5 and connected to the bottom of the enclosure of the air cooler 9 by a tube 13 plunging into a low point of the ramp 12 to seal the smoke.

Au bas de l'échangeur 9, des ouvertures 14 permettent l'admission d'air ambiant. Pour chacune de ces ouvertures, un volet de tôle incliné vers l'intérieur empêche l'écoulement de l'eau à l'extérieur de la chaudière. At the bottom of the exchanger 9, openings 14 allow the admission of ambient air. For each of these openings, an inwardly inclined sheet shutter prevents the flow of water outside the boiler.

L'air chauffé est conduit du sommet de l'aérorefroidisseur 9 jusqu'au brûleur 1 par un conduit 15 longeant par l'extérieur laéro-refroidisseur et le condenseur 5. Ce conduit aboutit à une cage récupératrice remplaçant la boîte à air habituelle du brûleur et positionnée sous ce dernier au niveau de l'aspiration d'air. Une partie de l'air chauffé est utilisée comme air comburant, l'autre est conduite en périphérie de flamme par effet Venturi grâce à un manchon cylindrique 17 perforé entourant la tête du brûleur. Un volet réglable (non représenté) permet l'apport d'air ambiant. The heated air is led from the top of the air cooler 9 to the burner 1 by a pipe 15 running along the outside of the air cooler and the condenser 5. This pipe leads to a collecting cage replacing the usual air box of the burner and positioned under the latter at the air intake. Part of the heated air is used as combustion air, the other is conducted at the flame periphery by the Venturi effect thanks to a perforated cylindrical sleeve 17 surrounding the burner head. An adjustable flap (not shown) allows the supply of ambient air.

La présence des anneaux de Raschig dans la colonne de condensation, impose une surpression dans la cuve 4 de la chaudière qui risque d'être trop élevée pour les caractéristiques du brûleur 1. I1 y sera remédié en utilisant un ventilateur 18 aspirant les fumées à la sortie du condenseur 5 et alimentant la cheminée 19 d'évacuation. The presence of the Raschig rings in the condensation column imposes an overpressure in the tank 4 of the boiler which is likely to be too high for the characteristics of the burner 1. It will be remedied by using a fan 18 aspirating the fumes at the outlet of the condenser 5 and supplying the exhaust chimney 19.

Toutes les pièces soumises à de fortes températures, et en particulier la partie basse du condenseur 5, sont soit immergées dans l'eau de chaudière, soit conçues en double paroi 20 refroidies par un écoulement permanent d'eau. L'étanchéité aux fumées est obtenue au moyen d'éléments des pièces à positionner sur la cuve 4 plongeant dans l'eau de la double paroi de cette dernière. All the parts subjected to high temperatures, and in particular the lower part of the condenser 5, are either immersed in the boiler water, or designed in double wall 20 cooled by a permanent flow of water. The smoke-tightness is obtained by means of elements of the parts to be positioned on the tank 4 immersed in the water of the double wall of the latter.

L'aéro-refroidisseur 9 peut être conçu pour s'adapter sur des chaudières à condensation existantes, et en particulier sur des chaudière à condenseur intégré. The air cooler 9 can be designed to adapt to existing condensing boilers, and in particular to boilers with integrated condenser.

L'ensemble est complété par une armoire 21 de commande et de régulation contrôlant la mise en route ou l'arrêt du brûleur, de la pompe primaire 22 du circuit de chauffage, du circulateur 10 et du ventilateur d'aspiration 18, ainsi que des électrovannes des circuits d'eau, en fonction des signaux reçus des différents capteurs de l'installation (non représentés). Cette armoire peut avantageusement être intégrée à la chaudière, ce qui permet de concevoir des ensembles monoblocs assemblés et câblés en usine dont l'installation est simplifiée au maximum. The assembly is completed by a control and regulation cabinet 21 controlling the starting or stopping of the burner, the primary pump 22 of the heating circuit, the circulator 10 and the suction fan 18, as well as solenoid valves of the water circuits, according to the signals received from the various sensors of the installation (not shown). This cabinet can advantageously be integrated into the boiler, which makes it possible to design monoblock assemblies assembled and wired in the factory, the installation of which is simplified as much as possible.

Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires. The positioning of the various constituent elements gives the object of the invention a maximum of useful effects which had not, to date, been obtained by similar devices.

Claims

REVENDICATIONS 1". Chaudière à condenseur de fumées et aérorefroidisseur d'eau par l'air comburant, destinée aux installations utilisant l'eau comme fluide caloporteur et produisant de la chaleur par combustion d'hydrocarbures, notamment de gaz naturel, et en particulier aux installations de chauffage des immeubles d'habitation collective, caractérisée par la combinaison d'une chaudière à brûleur (1), d'un condenseur (5) formé d'une colonne traversée de bas en haut par les gaz de combustion et d'un aéro-refroidisseur (9) constitué d'un échangeur à contre-courant à contact direct air-eau recevant en partie basse l'air comburant destiné au brûleur et en partie haute de d'eau chaude prélevée au départ du circuit de chauffage (7), cette eau, refroidie par évaporation et transfert massique, aboutissant à la partie supérieure du condenseur (5) qui reçoit à mihauteur l'eau de retour du circuit de chauffage (7).1 "CLAIMS. Boiler with flue gas condenser and water air cooler by combustion air, intended for installations using water as heat transfer fluid and producing heat by combustion of hydrocarbons, in particular natural gas, and in particular heating systems for apartment buildings, characterized by the combination of a burner boiler (1), a condenser (5) formed by a column traversed from bottom to top by the combustion gases and a air cooler (9) consisting of a counter-current exchanger with direct air-water contact receiving in the lower part the combustion air intended for the burner and in the upper part of hot water taken from the heating circuit (7 ), this water, cooled by evaporation and mass transfer, leading to the upper part of the condenser (5) which receives at mid-height the return water from the heating circuit (7).

20. Chaudière selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que l'aéro-refroidisseur (9) est déterminé pour que l'eau provenant du départ du circuit de chauffage (7) soit refroidie à 10-150C à la sortie dudit aéro-refroidisseur. 20. Boiler according to claim 1, characterized in that the air cooler (9) is determined so that the water from the start of the heating circuit (7) is cooled to 10-150C at the outlet of said aero - cooler.

3 . Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la colonne du condenseur (5) et l'aéro-refroidisseur (9) sont tous deux remplis d'anneaux de céramique (6, 6') du type "anneaux de Raschig" et d'anneaux en acier inoxydable (6") au bas du condenseur, de manière à présenter une grande surface d'échange thermique. 3. Boiler according to any one of the preceding claims, characterized in that the condenser column (5) and the air cooler (9) are both filled with ceramic rings (6, 6 ') of the " Raschig rings "and stainless steel rings (6") at the bottom of the condenser, so as to present a large heat exchange surface.

40. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'air chauffé est conduit du sommet de l'aéro- refroidisseur (9) jusqu'au brûleur (1) par un conduit (15) longeant par l'extérieur ledit aéro-refroidisseur et le condenseur (5), ledit conduit aboutissant à une cage récupératrice (16) positionnée sous le brûleur au niveau de l'aspiration d'air, une partie de l'air saturé étant utilisée comme air comburant et la partie restante étant conduite en périphérie de flamme (2) par effet Venturi grâce à un manchon cylindrique (17) entourant la tête du brûleur (1), un volet réglable permettant l'apport d'air ambiant. 40. Boiler according to any one of the preceding claims, characterized in that the heated air is led from the top of the air cooler (9) to the burner (1) by a pipe (15) running along outside said air cooler and the condenser (5), said duct leading to a recovery cage (16) positioned under the burner at the air intake, part of the saturated air being used as combustion air and the remaining part being conducted at the flame periphery (2) by the Venturi effect by means of a cylindrical sleeve (17) surrounding the burner head (1), an adjustable flap allowing the supply of ambient air.

50. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait qu'elle est du type dans lequel la flamme (2) du brûleur (1) se développe directement sur une réserve d'eau (3) située au fond de la cuve (4) de combustion et alimentant le circuit de chauffage. 50. Boiler according to any one of the preceding claims, characterized in that it is of the type in which the flame (2) of the burner (1) develops directly on a water reserve (3) located at the bottom of the combustion tank (4) and supplying the heating circuit.

60. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que le condenseur (5) est placé à la sortie de ladite chaudière et intégré à cette dernière, et en ce que l'aéro-refroidisseur (9) est disposé au-dessus dudit condenseur, dans le prolongement de celui-ci, l'eau cascadant dans l'aéro-refroidisseur étant utilisée pour alimenter directement la colonne de condensation par un tube (13) partant du fond dudit aéro-refroidisseur et aboutissant à une rampe haute (12) de distribution placée à la partie supérieure dudit condenseur. 60. Boiler according to any one of the preceding claims, characterized in that the condenser (5) is placed at the outlet of said boiler and integrated into the latter, and in that the air cooler (9) is disposed above said condenser, in the extension thereof, the water cascading in the air cooler being used to directly feed the condensing column by a tube (13) starting from the bottom of said air cooler and leading to a high distribution ramp (12) placed at the top of said condenser.

7 . Chaudière selon la revendication 6, se caractérisant par le fait que le condenseur (5) pénètre d'environ trente centimètres à l'intérieur de la cuve (4), de manière à réduire la hauteur totale de la chaudière. 7. Boiler according to claim 6, characterized in that the condenser (5) penetrates about thirty centimeters inside the tank (4), so as to reduce the total height of the boiler.

80. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, se caractérisant par le fait qu'elle comporte une armoire (21) de commande et de régulation intégrée, de manière à former un ensemble monobloc assemblé et câblé en usine. 80. Boiler according to any one of claims 6 and 7, characterized in that it comprises a cabinet (21) of integrated control and regulation, so as to form a one-piece assembly assembled and wired in the factory.

90. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et 8, se caractérisant par le fait qu'elle est constituée d'une chaudière à condenseur (5) de fumées existante et d'un aéro-refroidisseur (9) conçu pour s'adapter sur ce type de chaudières. 90. Boiler according to any one of claims 1 to 6 and 8, characterized in that it consists of a condensing boiler (5) of existing smoke and an air cooler (9) designed to adapt to this type of boiler.

10 . Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'aéro-refroidisseur (9) comporte des ouvertures (14) d'admission d'air ambiant disposées en partie basse, chacune de ces ouvertures comportant un volet de tôle incliné vers l'intérieur de façon à empêcher l'écoulement de l'eau à l'extérieur dudit aéro-refroidisseur. 10. Boiler according to any one of the preceding claims, characterized in that the air cooler (9) has openings (14) for ambient air admission arranged in the lower part, each of these openings comprising a flap of sheet inclined inwards so as to prevent the flow of water outside of said air cooler.