Brevet FR2232741A1 — publié le 19750103

On sait que, pour obtenir industriellement un fluide chaud , on utilise des chaudières comportant au moins un brûleur disposé dans la zone centrale d'un volume délimité par un faisceau de tubes dans lequel on fait circuler le fluide. Les gaz de combustion du brûleur transmettent leurs calories aux tubes du faisceau, d'une part par rayonnement et, d'autre part, par convexion mais les surfaces d'échange sont en général limitées par le fait que seules, les faces des tubes des faisceaux, qui se trouvent en regard de la zone centrale où agit le brûleur, sont actives pour ltéchange de chaleur, les faces opposées des tubes du faisceau étant relativement peu utilisées pour ledit échange. I1 s'ensuit un rendement thermique relativement faible pour les chaudières dans la mesure où l'on n'utilise pas des dispositifs oomplexes et motteux permettant d'améliorer cet état de fait. la présente invention a pour but de décrire une chaudière de construction simple et peu onéreuse permettant de faire intervenir dans échange de chaleur entre les gaz d'un brûleur et les tubes d'un faisceau de circulation de fluide, non seulement les faces des tubes qui se trouvent en regard de l'axe du brûleur mais également, par échange par convexion, les faces des tubes, qui ne sont pas directement exposées aux gaz de combustion issus du brûleur. Selon l'invention, on a donc pensé à faire passer les gaz de combustion à travers le faisceau de-tubes de la chaudière et à faire circuler lesdits gaz autour du faisceau, le long des faces des tubes qui ne sont pas directement exposées à l'action du brûleur.De cette façon, on augmente considérablement l'échange thermique par convexion, d'une part en augmentant la surface active des tubes du faisceau et d'autre part, en améliorant l'échange par convexion au moment du passage des gaz à travers le faisceau, ce passage s'effectuant par des espaces minces ménagés entre les tubes ce qui améliore, dans cette zone, la caractéristique des échanges thermiques. La présente invention a pour objet le produit industriel nouveau que constitue une chaudière destinée à chauffer un fluide, ladite chaudière comportant d'une part, un faisceau tubulaire délimitant un volume central et d'autre part, au moins un brûleur délivrant ses gaz de combustion dans le v-olume central précité, le faisceau étant disposé à l'intérieur d'une enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière et étant supporté par la face inférieure de ladite enveloppe, caractérisée par le fait que - les tubes du faisceau sont séparés les uns des autres par de faibles espaces et sont séparés des faces latérales de l'enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière par un espace, qui communique par sa zone la plus voisine de la paroi de la chaudière, qui porte le ou les brflleur(s), avec l'espace existant entre le faisceau tubulaire et la partie supérieure de l'envelop- pe extérieure constituant les parois de la chaudière, ce dernier espace étant en communication avec le conduit d'évacuation des gaz brûlés dans sa zone la plus éloignée de la paroi de la chaudière, qui porte le ou lesbrûleur(s). Dans un mode préféré de réalisation, le faisceau tubulaire de la chaudière selon l'invention, comporte en premier lieu, un tunnel formé par des éléments de tubes disposés les uns à côté des autres, chaque élément étant constitué d'au moins une spire, chaque extrémité de la spire étant reliée à un collecteur, en deuxième lieu, au moins une nappe de tubes disposée à l'une des extrémités du tunnel et ménageant dans sa zone centrale un passage pour au moins un brûleur, et en troisième lieu, au moins une nappe de tubes disposée à l'autre extrémité du tunnel et ménageant, de préférence, le passage correspondant à un trou d'homme, les deux ensembles de nappes de tubes précités disposés aux extrémités du tunnel étant constitués de tubes formant une boucle dont les deux extrémités sont reliées à un même collecteur, un collecteur étant prévu pour chaque ensemble d'extrémité; chaque élément du tunnel est constitué de deux spires de tubes, la partie inférieure de la deuxième spire étant supprimée ; les collecteurs associés au tunnel et aux deux ensembles de nappes d'extrémité du faisceau tubulaire forment sensiblement un cadre rectangulaire porté par la partie inférieure de l'enveloppe extérieure ; les collecteurs comportent des cloisonnements internes de façon que le fluide traversant le faisceau tubulaire parcoure en série plusieurs éléments du tunnel et au moins une boucle de chaque nappe d'extrémité, le passage du fluide s'effectuant simultanément en parallèle à travers plusieurs tubes du faisceau ; les collecteurs associés aux deux nappes d'extrémité du faisceau portent des embouts d'entrée et de sortie du fluide à réchauffer ; la section transversale du tunnel du faisceau tubulaire est sensiblement rectangulaire et t t 1 enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière s ap- puie de façon sensiblement étanche sur ledit tunnel dans la zone de ses angles supérieurs sur une partie importante de la longueur dudit tunnel, cet appui étant supprimé dans la zone la plus proche de la paroi de la chaudière où est disposé l'ensemble de brûleurs ; les branchements des tubes constituant les boucles des nappes d'extrémité du faisceau sur les collecteurs correspondants sont disposés en quinconce, tous les tubes déformés pour définir le passage du ou des brûleurs) ou d'un trou d'homme étant disposés dans un plan décalé par rapport au plan commun des autres tubes de la nappe. I1 est clair que, dans la chaudière selon l'invention, les gaz de combustion émis par le ou les brtleur(s) à l'intérieur du volume defini par le faisceau tubulaire, sont amenés à traverser le faisceau pour être evacués dans le conduit d'évacuation. En premier lieu, au cours de cette traversée, les caractéristiques de l'échange par convexion sont très satisfaisantes car le passage des gaz chauds entre les tubes, s'effectue en couche mince ; en deuxième lieu, les gaz ayant traversé le faisceau sont obligés de se déplacer le long des faces latérales du tunnel en directien de la paroi portant le brûleur pour pouvoir accéder à l'espace ménagé entre la partie supérieure du tunnel et la partie supérieure de l'enveloppe extérieure de la chaudière.Il en résulte que-les faces latérales et supérieures du tunnel constituant le faisceau tubulaire sont balayées par les gaz chauds sur leur face qui n'est pas directement exposée à la flamme du brûleur ce qui permet de récupérer par convexion des calories sur une surface d'échange plus importante, ces calories venant s'ajouter à celles que l'on obtient, de façon classique, par rayonnement et convexion, sur les faces des tubes du faisceau qui sont directement exposées à la flamme du brûleur. I1 convient de remarquer que la construction d'une telle chaudière est particulièrement simple en raison du fait que la partie en tunnel du faisceau tubulaire est constituée d'éléments tous identiques, placés côte-à-cte et reliés aux deux collecteurs longitudinaux de la chaudière.De plus, le fait de brancher les tubes constituant les nappes d'extrémité du faisceau en quinconce sur les collecteurs, entratne une grande facilité de branchement, tous les tubes déformés étant ramenés en dehors de la zone de branchement, dans un plan différent du plan occupé par tous les tubes non déformés. I1 est clair que l'enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière, peut être réalisée en tout matériau approprié ayant de bonnes propriétés d'iso lation thermique, tel que du béton réfractaire par exemple. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 représente une coupe verticale d'une chaudière selon l'invention, ladite coupe passant par l'axe du brûleur - la figure 2 représente une-coupe selon II-II de la figure 1 et montre la nappe d'extrémité qui comporte le passage pour un trou d'homme - la figure 3 représente une coupe transversale selon III-III de la figure 1 et montre la nappe d'extrémité définissant l'évidement pour le passage du brûleur ; - la figure 4 représente une coupe selon IV-IV de la figure 1 et montre l'ensemble des collecteurs associés au faisceau tubulaire, les tubes du faisceau n'étant pas représentés - - la figure 5 représente une coupe horizontale selon V-V de la figure 1 ; - la figure 6 représente schématiquement, en perspective, le trajet des gaz de combustion du brûleur d'une chaudière selon l'invention. En se référant au dessin, on voit que l'on a désigné par 1 le socle de la chaudière selon l'invention. Le socle 1 porte une dalle 2, qui, vue en plan, est rectangulaire. La dalle 2 entourée par quatre collecteurs 3, 4, 5 et 6 formant autour de la dalle un cadre rectangulaire. La dalle 2 et les collecteurs sont enfermés à l'intérieur d'une enveloppe extérieure désignée par 7 dans son ensemble, l'enveloppe 7 définissant intérieurement un volume parallélépipédique rectangle dont la base est constituée par la dalle 2. Les deux collecteurs 3 et 4 disposés le long des grands cotés de la dalle 2, sont constitués en une seule pièce ; le collecteur 3 comporte une cloison médiane 8 ; le collecteur 4 comporte deux cloisons 9 et 10, le nombre de branchements de tubes compris entre les cloisons 9 et 10 étant sensiblement double du nombre de tubes compris entre chacune de ces cloisons et l'extré- mité correspondante du collecteur 4. Les deux collecteurs 5 et 6 sont réalisés sous Norme de deux demi-collecteurs ; les deux demi-collecteurs reliés au collecteur 3 ne comportent aucune cloison intérieure mais sont séparés du collecteur 3 respectivement par les cloisons 11 et 12.Les deux demi-collecteurs reliés au collecteur 4 comportent respectivement une cloison 13 et 14 divisant, dans chaque cas, sensiblement en deux parties égales le nombre de tubes reliés à chacun des deux demi-collecteurs. On a désigné par 5a, 6a respectivement, les deux demi-collecteurs qui sont rattachés au collecteur 3 et par 5b, 6b les deux demi-collecteurs qui sont rattachés au collecteur 4, l'ensemble 5a, 5b constituant le collecteur 5 et l'ensemble 6a, 6b constituant le collecteur 6. Les collecteurs 5b et 6b comportent respectivement un embout de sortie 15 et un embout d'entrée 16 qui communiquent avec celle des parties du collecteur correspondant qui n'est pas en communication hydraulique avec le collecteur 4. Le faisceau tubulaire relié à l'ensemble de collecteurs 3, 4, 5, 6 ci-dessus décrits, est constitué d'une partie en tunnel fermée par deux nappes d'extrémité. La partie en tunnel est formée par des éléments de tubes disposés côte-à-côte, chaque élément comprenant deux spires sensiblement rectangulaires dont l'une ne comporte pas de tube horizontal à sa partie inférieure ; les extrémités de chaque élément sont branchées respectivement sur les collecteurs 3 et 4. Le tube horizontal de chaque élément est disposé à proximité immédiate de la dalle 2. Les nappes d'extrémité raccordées aux collecteurs 5 et 6 sont constituées de deux séries de tubes. Les uns, disposés à l'extérieur de la nappe, sont des tubes en forme de U désignés par 17 pour les tubes raccordés au collecteur 5 et par 18 pour les tubes raccordés au collecteur 6. Les autres disposés dans la partie centrale de la nappe, ont une forme de boucle et sont désignés par 19 pour ceux qui sont raccordés au collecteur 5 et par 20 pour ceux qui sont raccordés au collecteur 6. Les tubes 17 et 18, sont disposés de façon que les U s'emboftent les uns dans les autres pour constituer une nappe.Les tubes 19 et 20 sont disposés de façon que les boucles s'embottent les unes dans les autres, de façon b constituer également une nappe en laissant un passage libre dans la zone centrale, ledit passage étant désigné par 21 pour les tubes 19 et par 22 pour les tubes 20. Le passage 21 permet la mise en place du brûleur de la chaudière porté par la paroi avant 23 de ladite chaudière. Le passage 22 constitue l'évi- dement d'un trou d'homme ménagé dans la face arrière 24 de la chaudière. Les tubes 19 et 20 sont légèrement décales par rapport aux tubes 17 et 18 respectivement, vers l'intérieur de la chauds re, pour permettre le positionnement respectif des tubes 17 et 19 d'une part, et 13 et 2C d'autre part.Le branchement des tubes 17 et 19 d'une part, et 18 et 20 d'autre part, sur les collecteurs 5 et 6 respectivement est effectué en quinconce comme il est visible sur la figure 4, de sorte que pour obtenir la configuration décalée ci-dessus décrite, configuration qui est particulièrement visible sur la figure 5, il convient de cintrer un tube sur deux au voisinage de son branchement sur le collecteur, ce cintrage étant effectué dans un sens ou dans l'autre suivant qu'il s'agit de tubes 17 ou 18 d'une part, ou de tubes 18 et 20 d'autre part. La circulation du fluide à réchauffer dans le faisceau tubulaire, qui vient d'entre décrit, est la suivante : le fluide pénètre par l'embout 16 à l'intérieur du collecteur 6b et traverse neuf tubes de la nappe 18-20 pour arriver dans le collecteur 6a droù il repart par neuf tubes 18 pour revenir dans le collecteur 6b., il passe alors dans la partie du collecteur 4 qui se trouve entre le collecteur 6b et la cloison 10 et traverse en parallèle dix éléments de tunnel constitués de deux spires chacun, pour se déverser dans le collecteur 3 d'où, étant bloqué par la cloison 8, il repart par neuf éléments disposés en parallèle, pour atteindre à nouveau le collecteur 4 ; le fluide, bloqué par la cloison 9 repart dans le collecteur 7 par neuf éléments disposés en parallèle et bloqué par la cloison il; il repartdans le collecteur 4 par neuf éléments cRisposés en parallèle ; le fluide passe alors dans le collecteur 5D et, bloqué par la cloison 13, il traverse neuf tubes 17 montes en parallèle, parvient dans le collecteur , en rer;'ar )ar neuf tubes 17-19 également montés en parallèle, arrive dans le collecteur 5b et sort enfin de la chaudière par l'embout 15 e Sur le dessin, le brûleur de la chaudière selon l'invention, n'a pas été représenté. Ce brûleur est disposé dans l'évidernent 21 et porté par la face avant 23 de la chaudière, Les gaz de combustion sont éjectés dans le volume parallélépipédique défini par le- faisceau tubulaire, c'est-à-dire compris à l'intérieur du tunnel formé par les tubes 25 entre les deux nappes d'extrémité 17 - 19 et 18 - 20. Les gaz de combustion transfèrent leurs calories aux différents tubes du faisceau tubulaire, par rayonnement et convexion sur les faces de ces tubes qui sont en regard de la zone de combustion. Cependant, les gaz de combustion peuvent traverser le faisceau tubulaire en raison du fait que les tubes dont il est constitué ne sont pas jointifs. Ces gaz, sous l'effet de la légère surpression existant dans le volume délimité par le faisceau tubulaire, passent donc à travers ledit faisceau et au moment du passage, il s'effectue par convexion un échange thermique complémentaire, ledit échange steffec- tuant dans des conditions particulièrement intéressantes en raison du fait que les gaz chauds setrouvent entre les tubes en couche mince. Le passage des gaz à travers le faisceau étant effec tué > les gaz situés entre le tunnel et la paroi latérale de l'en- ceinte, se déplacent en direction du conduit d'évacuation des gaz brûlés 26 que l'on a ménagé sur la chaudière.Ce conduit 26 est disposé au voisinage de la nappe de tubes 18-20 et il débouche dans l'espace 27 compris entre la paroi supérieure 7a de l'enveloppe extérieure de la chaudière et la face supérieure du tunnel constitué par les tubes 25. Les espaces existant entre les faces latérales du tunnel constitué par les tubes 25 et les faces latérales de l'enveloppe extérieure 7 ont éte désignés par la référence 28.Les espaces 28 et 27 communiquent uniquement dans une zone ayant une longueur sensiblement égale à un quart de la longueur de la chaudière, la communication étant assurée par des passages 29 particulièrement visibles sur la figure 3 au contraire, ces passages n'existent pas sur les trois quart de la longueur de la chaudière en raison de la présence d'un remplissage 30- réalisé en béton réfractaire, ledit remplissage venant s'appuyer dans les zones d'angle des spires constituant le tunnel du faisceau tubulaire. Ces remplissages )0 sont particulièrement visibles sur la figure 2.Les gaz de combustion doivent en conséquence} après avoir traversé les faces latérales dù tunnel du faisceau tubulaire, traverser les espaces 28 sur la plus grande partie de la longueur de la chaudière pour revenir à proximité de la paroi 23 et stéchapper en passant à travers les pas sages 29 ; les gaz balaient alors les espaces 27 et sont évacués par le conduit 26. On voit qu'avec le dispositif qui vient d'être décrit, les gaz sont obligés de balayer les surfaces extérieures des tubes constituant les faces latérales et supérieures du tunnel du faisceau tubulaire. On peut ainsi obtenir par convexion un échange thermique supplémentaire sur les faces des tubes du tunnel du faisceau, qui ne sont pas directement exposées à l'action du brûleur de la chaudière ; les tubes intéressés sont ceux des faces latérales et supérieures du tunnel du faisceau. On obtient ainsi sans augmentation conséquente du prix de revient, une amélioration importante du rendement thermique de la chaudière. La figure montre schématiquement en perspective, le trajet des gaz de combustion qui traversent les faces latérales du tunnel du faisceau tubulaire. I1 est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du'cadre de l'invention. R REVENDICATIONS I - Chaudière destinée à chauffer un fluide, ladite chaudière comportant d'une part, un faisceau tubulaire délimitant un volume central et d'autre part, au moins un brûleur délivrant ses gaz de combustion dans le volume central précité, le faisceau étant disposé à l'intérieur d'une enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière et étant supporté par la face inférieure de ladite enveloppe, caractérisée par le fait que les tubes du faisceau sont séparés les uns des autres par de faibles espaces et sont séparés des faces latérales de l'enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière par un espace, qui communique par sa zone la plus voisine de la paroi de la chaudière, qui porte le ou les brtleurts), avec l'espace existant entre le faisceau tubulaire et la partie supérieure de l'enveloppe extérieure constituant les parois de la chaudière, ce dernier espace étant en communication avec le conduit d'évacuation des gaz brûlés dans sa zone la plus éloignée de la paroi de la chaudière, qui porte le ou les brûleur(s). 2 - Chaudière selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le faisceau tubulaire comporte en premier lieu, un tunnel formé par des éléments de tubes disposés les uns à cté des autres, chaque élément étant constitué d'au moins une spire, chaque extrémité de la spire étant reliée à un collecteur, en deuxié- me lieu, au moins une nappe de tubes disposée à l'une des extrémités du tunnel et ménageant dans sa zone centrale un passage pour au moins un brûleur, et en troisième lieu, au moins une nappe de tubes disposée à 1'autre extrémité du tunnel et ménageant, de pré férence, le passage correspondant à un trou d'homme, les deux ensembles de nappes de tubes précités disposés aux extrémités du tunnel étant constitués de tubes formant une boucle dont les deux extrémités sont reliées à un même collecteur, un collecteur étant prévu pour chaque ensemble d'extrémité. 3 - Chaudière selon la revendication 2, caractérisée par le fait que chaque élément du tunnel est constitué de deux spires de tubes, la partie inférieure de la deuxième spire étant supprimée. 4 - Chaudière selon l'une des revendications 2 ou 3 > caractérisée par le fait que les collecteurs associés au tunnel et aux deux ensembles de nappes d'extrémité du faisceau tubulaire forment sensiblement un cadre rectangulaire porté par la partie inférieure de l'enveloppe extérieure. 5 - Chaudière selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée par le fait que les collecteurs comportent des cloisonnements internes de façon que le fluide traversant le faisceau tubulaire parcoure en série plusieurs éléments du tunnel et au moins une boucle de chaque nappe d'extrémité, le passage du fluide s'effectuant simultanément en parallèle à travers plusieurs tubes du faisceau0 6 - Chaudière selon ltune des revendications 2 à 5, caractérisée par le fait-que les collecteurs associés aux deux nappes d'extrémité du faisceau portent des embouts d'entrée et de sortie du fluide à réchauffer. 7 - Chaudière selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée par le fait que la section transversale du tunnel du faisceau tubulaire est sensiblement rectangulaire et que l'enve- loppe extérieure constituant les parois de la chaudière s'appuie, de façon sensiblement étanche > sur ledit tunnel dans la zone de ses angles supérieurs sur une partie partie importante de la longueur dudit tunnel, cet appui étant supprimé dans la zone la plus proche de la paroi de la chaudière où est disposé l'ensemble de brûleur 8 - Chaudière selon l'une des revendications 2 à 7 > caractérisée par le fait que les branchements des tubes constituant les boucles des nappes d'extrémité du faisceau sur les collecteurs correspondants sont disposés en quinconce, tous les tubes déformés pour définir le passage du ou des brûleur(s) ou d'un trou d'homme étant disposés dans un plan décalé par rapport au plan commun des autres tubes de la nappe.