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CHAUDIERE AVEC ANTI-CHAMBRE ET ÉCHANGEUR HÉLICOIDAL
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet une chaudière qui permet d'alimenter un
système de chauffage à l'eau chaude d'un bâtiment tout en simultanément
produisant de l'eau chaude domestique au sein d'une même unité.
Plus précisément, l'invention a pour objet une chaudière avec anti-chambre
et échangeur hélicoïdal qui permet d'effectuer les tâches ci-dessus
évoquées.
BREVE DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Présentement, les systèmes de chauffage à l'eau chaude sont alimentés par
des chaudières électriques, à l'huile ou au gaz. La diffusion de la chaleur à
l'intérieur du bâtiment destiné à être ainsi chauffé peut être effectué avec
plusieurs types d'équipements ventilo-convecteur (fan-coils), radiateur de
fonte, tube à ailettes ou tubulure à plancher chauffant. La circulation de
l'eau
chaude à l'intérieur du bâtiment est en circuit fermé à l'aide d'une pompe
circulatrice, d'où la mention de chaudière plutôt que de chauffe-eau ,
ce dernier système, par définition, chauffant de l'eau à usage externe et non
pour un circuit fermé.
Parfois, en plus d'être la source d'énergie pour le chauffage du bâtiment, les
chaudières fournissent la puissance nécessaire pour la production d'eau
chaude domestique soit par l'utilisation de chauffe-eau indirect comme celui
commercialisé sous la marque OPTIMIZER/TURBOMAX, soit par l'ajout d'un
serpentin de type tankless à l'intérieur de la chaudière.
La combinaison chaudière et chauffe-eau indirect est intéressante puisqu'elle
permet de produire de grande quantité d'eau chaude et ainsi répondre à des
besoins résidentiels, commerciaux et institutionnels. Pour ce type de
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système, la chaudière agit comme source d'énergie et le chauffe-eau indirect
comme échangeur de chaleur.
Deux types de chauffe-eau indirect existent sur le marché. Dans le premier,
le serpentin d'échange contient de l'eau de chauffage et le réservoir contient
l'eau domestique. Dans le deuxième, le serpentin contient l'eau domestique,
et le réservoir contient l'eau de chauffage. C'est le cas du système
OPTIMIZER ci-dessus mentionné. Toutefois, ce type d'installation nécessite
l'achat de deux équipements distincts.
Le deuxième des deux types ci-dessus mentionnés, consistant à ajouter un
serpentin de type tankless à l'intérieur de la chaudière, est intéressant
dans la mesure où il répond au besoin résidentiel à faible débit, mais il a de
la difficulté à répondre à des demandes à débits plus élevé comme le
remplissage d'un bain. Effectivement, ce type de système a peu de masse
thermique et le serpentin, par sa forme et sa disposition, est incapable de
soutirer 100% de l'énergie contenu dans la masse thermique de la
chaudière.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet une chaudière pour alimenter en eau de
chauffage un système de chauffage d'un bâtiment et pour simultanément
produire de l'eau chaude domestique. Cette chaudière est caractérisée en ce
qu'elle comprend:
- un corps de chauffe pourvu d'une entrée et d'une sortie pour l'eau de
chauffage;
- une anti-chambre annexée au corps de chauffe, cette anti-chambre étant
en communication avec le corps de chauffe et contenant des moyens pour
chauffer l'eau de chauffage; et
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- un échangeur de chaleur pourvu d'une entrée et d'une sortie pour l'eau
domestique, cet échangeur étant composé de plusieurs serpentins de forme
hélicoïdale disposés dans le corps de chauffe de façon à permettre un
transfert d'énergie entre l'eau de chauffage se trouvant dans le corps de
chauffe et l'eau domestique circulant dans les serpentins.
De préférence :
- les entrées et sorties en eau de chauffage du corps de chauffe sont
pourvues d'injecteurs conçus pour (i) injecter une partie de l'eau de chauffer
dans l'anti-chambre dans le but d'y créer une turbulence et assurer une
transmission de chaleur de l'anti-chambre vers le corps de chauffe,
(ii) assurer une diffusion uniforme de l'eau de chauffage dans le corps de
chauffe et (iii) provoquer une turbulence de l'eau de chauffage autour des
serpentins ;
- l'échangeur s'étend sur la quasi-totalité de la hauteur du corps de chauffe
pour soutirer un maximum d'énergie par transfert de chaleur; et
- l'anti-chambre est disposée dans une partie inférieure du corps de chauffe
pour profiter d'une convection naturelle au sein dudit corps de chauffe.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Tel qu'indiqué ci-dessus, l'invention a donc pour objet une chaudière qui
permet à la fois le chauffage d'un bâtiment et la production d'eau chaude
domestique instantanée à débit élevé à l'intérieur d'un seul appareil.
Cette chaudière comprend un corps de chauffe qui est pourvu d'une anti-
chambre et est rempli d'eau de chauffage à basse pression. Un circuit à
basse pression pourvu d'une pompe circulatrice permet d'alimenter des
équipements de diffusion d'un bâtiment en circulant l'eau de chauffage entre
le corps de chauffe et les équipements de diffusion du bâtiment qui peuvent
être constitués d'un ventilo-convecteur (fan-coils), un radiateur de fonte, un
tube à ailettes ou une tubulure à plancher chauffant. La production d'eau
chaude domestique est assurée par le transfert d'énergie entre l'eau de
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chauffage du corps de chauffe et un échangeur de chaleur composé de
plusieurs serpentins de cuivre de forme hélicoïdale disposés de façon à
soutirer 100% de l'énergie du corps de chauffe. Des moyens de chauffage,
également appelés ci-après source d'énergie sont installés à l'intérieur
de l'anti-chambre du corps de chauffe. Ces moyens de chauffe sont choisis
pour avoir la puissance nécessaire pour répondre à la demande d'eau
chauffage et d'eau domestique.
Puisque le corps de chauffe est toujours rempli d'eau de chauffage en circuit
fermée, il n'y a pas de corrosion à l'intérieur de ce corps de chauffe.
Effectivement, après quelques heures, l'oxygène contenu dans l'eau de
chauffage au démarrage est purgée et cette eau non-oxygéné demeure dans
le système année après année sans corroder le corps de chauffe, ceci
assurant ainsi une longue durée de vie de l'appareil.
Les entrées et sorties en eau de chauffage dans le corps de chauffe de la
chaudière sont pourvus d'injecteurs tels que ceux faisant l'objet du brevet
canadien no. 2.038.520. Cela permet une diffusion uniforme de l'eau de
chauffage à l'intérieur du corps de chauffe lorsque la pompe circulatrice est
en fonction, provoquant une turbulence de l'eau de chauffage autour des
serpentins, les injecteurs favorisent l'échange thermique tout en éliminant
les
zones stagnantes ou passages froids d'eau de chauffage qui normalement
s'accumulerait.
La présence d'eau de chauffage à l'intérieur du corps de chauffe permet de
conserver l'efficacité de l'appareil au cours du temps contrairement aux
chauffe-eau traditionnel ou aux chaudières utilisé comme booster . En
effet, l'eau de chauffage ne contient pas de sédiments et calcaire
contrairement à l'eau domestique. Ainsi, il n'y a pas de dépôt de tartre sur
les
parois externe de l'échangeur et les surfaces chaudes de la source d'énergie
(éléments électriques, brûleur, échangeurs à gaz) contrairement aux
systèmes traditionnels. Puisque le tartre agit comme isolant et ralenti le
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processus de transfert de chaleur, l'efficacité du système selon l'invention
devrait donc être supérieur aux systèmes traditionnels aux cours du temps.
Tel que précédemment mentionné, l'échangeur permettant le transfert
d'énergie pour la production d'eau chaude domestique est composé de
5 plusieurs serpentins de cuivre. Ceci permet d'éviter tout problème de
corrosion avec l'eau domestique, car le cuivre a une durée de vie de plus de
50 ans.
L'échangeur de chaleur a avantageusement une forme et une disposition
permettant de soutirer le maximum d'énergie de la masse thermique du
corps de chauffe. Tel que déjà mentionné, cet échangeur est composé de
plusieurs serpentins hélicoïdaux qui sont avantageusement disposés de
façon compacte et circulaire pour permettre de soutirer l'énergie dans
l'ensemble du cylindre du corps de chauffe. Avantageusement aussi
l'échangeur s'étend sur toute la hauteur du corps de chauffe et est pourvu
d'une entrée d'eau froide domestique qui est située dans la partie inférieure
du corps de chauffe et une sortie d'eau chaude domestique de l'échangeur
qui est situé dans la partie supérieure du corps de chauffe.
La forme hélicoïdale du serpentin de cuivre a l'avantage de favoriser la
turbulence de l'eau domestique à l'intérieur du serpentin de cuivre. Ceci
augmente l'échange thermique entre l'eau de chauffage et l'eau domestique
et diminue l'accumulation de tartre à l'intérieur du serpentin. La forme
hélicoïdale du serpentin permet aussi une contraction en dilatation du
matériel de manière radiale ce qui réduit également l'accumulation de tartre.
Tel que précédemment mentionné, la source d'énergie requise pour fournir la
puissance nécessaire pour répondre à la demande de chauffage est
présente dans l'anti-chambre du corps de chauffe. Cette anti-chambre est un
annexe au corps de chauffe qui communique l'énergie via les ouvertures du
cylindre du corps de chauffe. Cette anti-chambre se situe en fait dans la
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partie inférieure du corps de chauffe. En positionnant la source d'énergie
dans l'anti-chambre, on peut disposer l'échangeur d'eau domestique
composé de plusieurs serpentins dans l'ensemble du volume du corps de
chauffe, et non l'isoler dans la partie supérieure du corps de chauffe. Cette
disposition favorise l'échange thermique à 100% de la masse thermique,
contrairement aux chaudières ayant un tankless qui ne permettent pas de
soutirer le maximum d'énergie de la chaudière, car le tankless se situe
seulement dans la partie supérieure de celle-ci.
En pratique, l'énergie de l'anti-chambre est transmise au corps de chauffe
par des ouvertures lorsque la pompe circulatrice est en fonction, ou par
convection naturelle. Ceci crée une turbulence et assure une transmission de
chaleur de l'anti-chambre vers le corps de chauffe.
Le fait que l'anti-chambre soit positionnée sur le côté inférieur du corps de
chauffe permet, lorsque la pompe circulatrice est à l'arrêt, d'assurer une
convection naturelle à l'intérieur du corps de chauffe, à même titre qu'une
plinthe chauffante sous une fenêtre. Cette convection naturelle assure une
température plus uniforme entre le bas et le haut du corps de chauffe lorsque
la pompe est à l'arrêt et que la source d'énergie est en fonction,
contrairement au chauffe-eau traditionnel. De plus, la source d'énergie peut
être de plusieurs types: électrique, à l'huile, au gaz ou solaire.
La chaudière selon l'invention peut être accompagnée d'une voie de
contournement permettant de circuler l'eau de chauffage entre le haut et le
bas de la chaudière. Lorsqu'il y a une demande d'eau chaude domestique et
que l'eau de chauffage est stagnante (aucune voie de contournement),
environ 70% de l'énergie du réservoir est transmis à l'eau domestique avant
que les éléments se mettent en marche, car les aquastats des éléments sont
situés dans la partie supérieure de la chaudière et que l'eau à l'entrée (bas
du réservoir) est plus froide qu'à la sortie (haut du réservoir). Il en est de
même dans un chauffe-eau électrique traditionnel. Selon l'invention, pour
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améliorer le temps de réaction et augmenter la production d'eau chaude
domestique, un aquastat peut être situé dans la partie inférieure du
réservoir.
Lorsqu'il y a une demande d'eau chaude domestique, cet aquastat met en
marche la pompe de la voie de contournement pour déplacer l'eau du bas du
réservoir vers le haut du réservoir et mettre en marche les éléments
électrique plus rapidement et ainsi permettre l'augmentation de la production
d'eau chaude domestique.
Il convient de mentionner qu'en pratique, le corps de chauffe de la chaudière
selon l'invention, pourrait servir pour un autre usage, à savoir emmagasiner
de l'énergie pour le libérer lorsque les coûts de l'énergie varient selon la
période de la journée. L'énergie pourrait être emmagasinée par de l'eau ou
tout autre matériel à changement de phase.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la
description non limitative qui suit d'un mode de réalisation préféré de
l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en perspective ouverte d'une chaudière avec anti-
chambre et échangeur hélicoïdal selon un mode de réalisation préféré de
l'invention;
les figures 2, 3 et 4 sont respectivement des vues ouvertes de dessus, de
face et de côté de la chaudière illustrée sur la figure 1;
les figures 5 et 6 sont des vues similaires à celles des figures 2 et 4, dans
lesquels les éléments structuraux de base de la chaudière sont identifiés à
l'aide de numéros; et
la figure 7 est une schéma illustrant la façon dont la chaudière illustrée sur
les figures 1 à 6, peut être installée et utilisée dans un bâtiment.
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DESCRIPTION D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ
La chaudière selon le mode de réalisation préféré de l'invention illustré dans
les dessins annexés comprend un corps de chauffe fait d'un cylindre fini en
acier (1), d'une tête inférieure en acier (3) et d'une tête supérieure en
acier
(2). L'eau de chauffage (25) se trouve dans le corps de chauffe. Le volume
du corps de chauffe peut varier de 10 à 100 gallons impériaux. Le corps de
chauffe est, en pratique, capable d'opérer jusqu'à des pressions de 150 psi.
Il dispose de connections (4) et (5) pour l'entrée et la sortie de l'eau de
chauffage via des injecteurs. Ces injecteurs sont avantageusement de
structure et d'opération similaire à ceux décrits dans le brevet canadien
no. 2.038.520.
Le cylindre (1) du corps de chauffe dispose de plusieurs autres ouvertures
dans lesquelles des éléments sont connectés. En plus de l'ouverture dans
laquelle est connecté l'injecteur inférieur (4), le cylindre comprend une
première autre ouverture (6) dans laquelle est connectée une sonde de
température. Cette ouverture est dans le tiers inférieur du réservoir. Une
deuxième autre ouverture sert à la connexion d'un puits pour des aquastats
de contrôle (7). Une troisième autre ouverture permet l'insertion d'un puit de
limitation des hautes températures (8) et une quatrième pour une bride de
connexion entre un échangeur et le corps de chauffe. La partie inférieure du
cylindre présente en outre des ouvertures permettant la circulation de l'eau
entre une anti-chambre adjacente qui sera décrite plus en détail ci-après et
le
cylindre du corps de chauffe.
La tête inférieure (3) ne contient aucune ouverture. La tête supérieure (2)
contient toutefois quelques ouvertures dans lesquelles sont installées un
purgeur d'air (12), un manomètre thermomètre (11) et une valve de sûreté
(10) en plus de l'injecteur supérieur (5) et de la bride de connexion entre
l'échangeur et la tête supérieure (13).
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L'anti-chambre adjacente au corps de chauffe est composée d'un cylindre
(15) soudé au corps de chauffe, d'une tête inférieure (17) formée ou plate et
d'une tête supérieure (16) formée ou plate. La tête inférieure ne contient
aucune ouverture. La tête supérieure contient toutefois des ouvertures pour
l'insertion d'éléments électriques (18) ou brûleur à l'huile ou au gaz ou
sonde de température (19).
Un échangeur de chaleur pour chauffer de l'eau domestique est monté dans
le corps de chauffe. Cet échangeur est composé de plusieurs serpentins de
cuivre hélicoïdales (20) assemblés à l'intérieur du corps de chauffe de façon
compacte, tel que décrit dans le brevet canadien précité no. 2.038.520.
L'échangeur est assemblé pour que les serpentins (20) s'entrecroisent. Tous
les serpentins sont réunis à l'entrée et à la sortie via une seule connexion
(13) (14) pour l'eau domestique. Le nombre de serpentins peut varier entre 3
et 10 selon le volume du réservoir et la pression maximale d'opération est de
150 psi.
Avantageusement, l'extérieur du corps de chauffe est bien isolé à l'aide de
laine ou de mousse isolante (22). Le tout peut être recouvert d'un cabinet
d'acier (23) peinturé à l'époxy.
Des essais ont été effectués sur un prototype de la chaudière ci-dessus
décrite dans un système d'installation tel que schématisé sur la Figure 7.
Dans ce schéma :
- la ligne 31 illustre la conduite d'alimentation en eau froide domestique
de la chaudière ;
- la ligne 33 illustre la conduite d'alimentation en eau chaude
domestique en provenance de la chaudière ; cette conduite est reliée
à la conduite 31 via un clapet antiretour 35 et une valve de mélange
thermostatique 37, ce qui permet de produire de l'eau chaude
domestique mélangée ; et
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- la ligne 39 illustre le circuit de chauffage primaire, qui est constitué de
conduits d'alimentation en eau de chauffage associées à des pompes
41, et qui comprend en outre un vase d'expansion 43.
Dans ce même schéma :
5 - les éléments numérotés 45 sont des valves de maintenance ;
- les éléments numérotés 47 sont des clapets antiretour ;
- l'élément numéroté 49 est un dispositif antiretour ; et
- l'élément numéroté 51 est un indicateur de pression.
Les essais qui ont été effectués avec cette installation se sont avérés
10 extrêmement intéressants et ont démontrés la grande efficacité de la
chaudière selon l'invention.
Il va de soi que des modifications pourraient être apportées à ce mode de
réalisation préférentiel sans sortir du cadre de la présente invention.
