Brevet FR2397612A1 — publié le 19790209

La présente invention a pour objet un dispositif destiné à la récupération de la chaleur résiduelle de gaz brulés ou d'échappement. Dans nombre d'installations thermiques de grandes quantités de chaleurs résiduelles s'échappent en pure perte à l'évacuation. Il en est de même dans les chaufferies d'où s'échappe de la fumée et dans les se ohoirs d'air chaud. Jusqu'à présent leur récupération n'était guère possi- ble. Leur échappement à l'air libre constitue un mauvais rendement et est à la longue une nuisance au point de vue écologique. Par ailleurs, il e xiste à des fins diverses des installations produisant de l'eau ou de l'air chauds exigeant dans leur ensemble une consommation importante de combusti- ble. En ce qui concerne les machines à combustion, il est connu de récupérer dans une certaine mesure l'énergie contenue dans les gaz dtéhappe- ment en vue d'améliorer le rendement, mais leur application se limite à des circonstances particulières et des pertes irrécupérables élevées subsistent. Partant de ces faits, l'invention vise une installation permettant, à peu de frais et de fagon simple, de tirer profit de la chaleur ré- cupérable des gaz brumé ou d'échappement, susceptible de s'adapter à des cas particuliers avec un rendement Jamais encore atteint. La solution préconisée d'après l1invention consiste à adapter à l'évacuation des gaz un échangeur comportant une chambre d'admission et une chambre d'évacuation raccordé au passage des gaz au moyen d'une con- duite vers une chambre de mélange et de là à une conduite aboutissant à la chambre d'évacuation. De cette manière il est possible de tirer profit dss gaz considérés jusqu'ici comme perdue, d'augmenter le rendement et dtabais- ser la consommation de combustible, tout en réduisant les effets polluants. La conception de prévoir la juxtaposition des chambres d'admis- sion et d'évacuation, permet une construction simplifiée et une adaptation facile aux installations existantes avec,en plus, la possibilité d'un réglage de l'échappement. En plus, le doublage de la conduction offre une exposition chauffante étendue au bénéfice d'une excellente utilisation des gaz d'évacuation. Dans l'intervalle des conduites d'amenée et de sortie où se trouve la chambre mélangeuse, il se produit une égalisation de température favorable des gaz quoi, déjà partiellement en contact avec les parois de la conduite d'amenée, se sont fortement refroidis, entraln2nt dans cet abaissement les parties qui ne l'étaient pas, d'où échange utile meme dans la conduite de retour, sans formation de condensation. Les avantages obtenus par l'invention sont à voir dans la construction simple de l'installation assurant à la fois un bon rendement, une économie appréciable et une longévité certaine. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention. Fig. 1 se rapporte schématiquement à une première forme d'exécution; Fig. 2 est une coupe d'une forme d'exécution en tant quéchan geur couché à fumée et eau; Fig. 3 correspond à la Fig. 2 à l'état court-eircuité; Fig. 4 en est une vue frontale; Fig. 5 montre l'assemblage préféré entre la chambre d'évacuation des gaz et le réservoir; Fig. 6 fait voir une autre forme d'exécution se rapportant à un réchauffeur d'air; Fig. 7 représente une grille de chauffe composée d'une série de poches de chauffage; Fig. 8 a trait à une telle poche. La Fig. 1 représente un four 1 du genre utilisé dans les boulangeries chauffé à l'aide d'un brûleur 2. Les gaz brûlés s'échappent à Travers une conduite 3 dans la cheminée 4. Ces gaz ont en général encore une température résiduelle élevée. En vue de la récupération il est prévu, inséré dans le conduit 3, un échangeur de chaleur désigné dans son ensemble par 5. Celui-ci soutire aux gaz d'éGhapperent encore chauds une certaine quantité de calories qui est utilisée pour produire de l'eau chaude pouvant soit etre utilisée comme telle ou alimenter une installation de chauffage d'ambian- ce. Â cet effet la tubulure d'amenée de l'eau à chauffer est désignée par 6 et celle du retour par 7. tuant aux conduites destinées au chauffage, elles sont pour l'admission indiquées par 8 et pour le retour par 9. il serait en outre possible d'utiliser ce dispositif pour la production d'air chaud, en particulier s'il stagit de chauffer directement un ensemble étendu de locaux. Dans l'échangeur de la Fig. 2, également désigné par 5 dans son ensemble, il est prévu, pour simplifier, qu'il ne doit servir qu'à la production d'eau chaude. A cet effet, il comporte un réservoir 10 pour l'eau chauffée installé dans un conduit Il raccordé au tuyau d'échappement 3. Le conduit Il aocuse une chambre d'admission 12 et une chambre d'évacuation 13 voisine qui, au moyen de raccords 14 et 15, sont reliées au conduit 3 (Fig. 4). Depuis la chambre d'admission 12 la tubulure 16, pénétrant à travers la chambre d'adzisswon, est traversée par les gaz d'échappement. Leur retour par la tubulure 17 aboutit dans la chambre d'évacuation 13. L'espace entre les embouchures des tubulures 16 et 17 fait office de chambre de mélange 18 où se fait l'échange thermique des gaz traversant la tubulure 17. Il y a avantage, pour la production d'eau chaud9, de prévoir plusieurs tubes chauf faste 19 traversant le réservoir 10 pour avoir d'importantes surfaces chauf fanges, Leur répartition et leur diamètre peuvent varier à volonté de manière à pouvoir obtenir le résultat escompté.Dans la forme d'exécution préconisée il est prévu dans les deux circuits de conduction des gaz un nombre égal de tubes uniformément répartis sur le réservoir d'eau à chauffer. En général, cette disposition est satisfaisante. Le conduit 11, ainsi que le montrent les Fig. 2 et 3, est doté d'un clapet inverseur 20 permettant de passer pour les tubes 19 du cycle by-pass (Fig. 2) à la communication directe des chambres 12 et 13 (Fig. 3). Ici le clapet 20 est rotatif et comprend deux ailes se trouvant par rapport à la paroi séparatrice 21 en position de by-pass obturant une lumière de communi cati on 22 et ouvrant celle 24 à by-pass de la paroi 23 séparant les deux chambres 12 et 13. Dans la position court-circuitée (Fig. 3) la lumière 22 est ouverte tandis que la lumière 24 est fermée. Il y a avantage de disposer le clapet rotatif 20 sensiblement dans l'intersection des plans verticaux de ces lumières, de façon qu'en le faisant pivoter de 90e, il soit possible d'obtenir un flux contourné ou un flux direct et inversement. Pour avoir suffisamment de place pour le mouvement du clapet 20, il est prévu un espace libre 25 accessible depuis la lumière 23 du by-pass, la paroi séparatrice 26 devant avoir au moins une hauteur telle que l'aile du clapet 20, occupant la position de by-pass,ait suffisamment de place pour se mouvoir.. Lors du fonctionnement on by-pass, le réservoir d'eau chauffée 20 est expose aux gaz chauds circulant dans les tubulures 16 et 17. Des que la température dans le réservoir 10 a atteint un degré prédéterminé, le clapet 20 s'oriente en position de court-circuit de façon que les gaz d'évacuation passent de la chambre 12 directement dans la chambre 13 sans plus agir sur le réservoir. Dans certains cas, il est souhaltable que la position en by-pass du clapet 20 soit réglée de façon qu'une partie prede- terminée des gaz aboutisse directement dans la chambre d'évacuation 13, afin que celle-ci soit toujours maintenue à une température excluant la con densation. Dans la forme d'exécution ici décrite il est prévu en plus un ajutage 27 pour l'écoulement éventuel d'eau de condensation de façon à avoir toujours un contrôle si jamais un tel phénomène devait se produire. Pour actionner le clapet 20, il est prévu un moteur 28 (Fig.4) commandé par un tâteur 29 disposé sur le réservoir 10. Pour maintenir une température convenable dans la chambre d'évacuation 13, il est possible d'imposer au moteur 28 une action complémentaire dans ce sens. En général, il suffit de régler une fois pour toutes la position finale du by-pass lors de la mise en route de l'installation. La chambre 25, voisine de l'installation de réglage du circuit des gaz d'évacuation agissant sur le réservoir 10 évite en cas de court-circui targe1 le flux chauffant parfois indésirable du conduit il vers le réservoir 10 au cas où une surchauffe de ce dernier était à craindre. Dans oertains cas il est avantageux, surtout lorsque l'acumulation est de longue durée, d'éviter des contacts métalliques. A cet effet, il est ici prévu que le réservoir 10 et le conduit 11 constituent deux groupes distincts qui peuvent être accouplés sans que, pratiquement, il y ait un contact métallique direct entre eux.Ainsi, comme le fait entrevoir la Fig. 5, il peut y avoir entre la paroi 30 du réservoir 10 et le conduit il au voisinage de la paroi séparatrice 23, dans une rainure 31 spécialement aménagée, un joint 32 en amiante. La liaison entre les deux groupes est assurée par des boulons 33 repar- tis sur leurs5pourtours passés à travers des brides appropriées 34. Dans la forme dtexecution de la Fig. 5 les boulons 33 ne sont pas therniquement isolée des brides 34 du fait que la chaleur communiquée par cette liaison est négligeable. On pourrait à la rigueur prévoir autour des boulons des manchons isolants ou autres.Le réservoir 10 est de préférence rond dans lequel les élé- ments chauffants 19 constituent un groups susceptible d'etre-monte d'avance. Dans ce cas les tubes formant ces éléments chauffants 19 peuvent être assemblés dans des plaques 35 servant à constituer la chambre d'admission 25 et la chambre de mélange 18 et étant reliées par soudure à l'enveloppe 30 du réservoir. Ainsi que le fait voir la Fig. 2, il est recommandé de disposer le réservoir 10 couché horizontalement, afin queleas gaz, au voisinage des éléments de chauffe 19 n'aient pas à surmonter des différences de niveau et qu'une circulation convenable soit assurée. Il est particulièrement avantageux de disposer la chambre 12 en-dessous de la chambre 13.Dans ce cas la tubulure d'admission 16 se trouve également au-dessous de la tubulure de retour 17. De cette manière, puisque l'eau en se chauffant accomplit un mouvement ascensionnel, le refroidissement extérieur estsuffisammentatténué pour qu'unie condensation des gaz déjà refroidis dans la tubulure 16 soit le mieux possible évitée, ou que celle-ci, au cas où elle devait se produire, soit immédiatement asséchée. La paroi séparatrice 2t entre les deux chambres 12 et 13 est alors sensiblement horizontale, d'où résulte une bonne répartition du circuit chauffant.Le mouvement de l'eau à l'intérieur du réservoir fO, sous l'effet de la pesanteur, provoque entre les tubulures 16 et 17 un malaxage relativement important d'eau à températures différentes, constituant ainsi à un mélange compensateur accéléré. Lorsque de l'eau chaude est prélevée du réservoir 10, l'eau froide destinée au remplissage de celui-ci est amenée avantageusement dans cette zone pour l'obtention d'une égalisation de température rapide. En se reportant à la Fig. 4,un raccord 40 au réservoir 10 est percevable, disposé sensiblement dans le plan de la paroi séparatrice 21. L'au chaude devant être débitée à ltendroit où sa température est la plus élevée il est à cet effet pourvu un aJutage 41. Dans une orientation couchée, à l'instar des Fig. 2 à 5 l'installation peut singulièrement se simplifier en ce que les raccords 14 et 15 au conduit il des gaz d'échappement vers le conduit de fumée 3 soit également horizontal, ouest à dire parallèle à la paroi séparatrice 21 (Fig. 4). Il y a avantage de disposes les raccords 14 et 15 diagonalement et sensiblement tangentiellement à la carcasse du conduit 11, assurant ainsi une bonne repartition des gaz d'échappement pendant le régime en by-pass et une dávia- tion minime de ceux-ci dans le cas -du régime courtcircuité. Dans bien des cas la capacité du réservoir 10 suffit aux besoins. Nais lorsqutune forte consommation d'eau ehaude est à prévoir inopinément, par exemple lorsqu'il s'agit de douches, une augmentation de capacité peut être obtenue en prévoyant, greffés sur le conduit 11 des réservoirs complémentaires. Ceux-ci n'exignet pas un chauffage comme celui du réservoir 10 et le circuit s'établissant automatiquement entre le réservoir primaire 10 et les réservoirs secondaires suffit à produire une égalisation de tempéra ture. Il serait cependant possible d'activer ce circuit au moyen d'une pompe appropriée. Dans bien des cas, outre la production d'eau chaude pour les besoins qu'elle offre, il est souhaité de la faire contribuer au chauffage de locaux. Il est alors utile de séparer complètement le réservoir primaire, destiné à contenir de l'eau chauffée, du réservoir secondaire. Une telle disposition est illustrée à la Fig. 1. Le réservoir secondaire 42, inséré dans le circuit chauffant, peut de préférence affecter la forme d'une enveloppe autour du réservoir 10. Dans la forme d'exécution précitée, ce réservoir 42 s'étend sur la totalité du réservoir 10. Dans certains cas ce réservoir secondaire peut etre prévu attenant uniquement à la tubulure d'admission 16 de façon que, dans la tubulure 17, il ne se produise pas un abaissement de température vers Pour éviter des pertes de chaleur, il y a avantage de prévoir une isolation 42 de l'ensemble ainsi que le fait voir la Fig. 2. Les Fig. 6 à 8 ont trait à un réchauffeur d'air fonctaonnant à l'aide de ces gaz d'échappement ou brûlés. Il est en principe, dans son ensemble 50 (Fig. 6),un échangeur de chaleur placé dans une carcasse 51 alimentée au moyen d'un ventilateur non représenté d'air à chauffer sur toute son étendue. Ce dispositif comprend également une chambre d'admission 52 et une chambre f d'évacuation 53, pouvant se brancher sur une tubulure d'échappement des gaz brûlés sur laquelle il n'y a pas lieu dtinsister davantage. Ces chambres 52 et 53 sont reliées par les conduites d'arrivée 54 et de départ 55 au cir- cuit chauffant parcourant la carcasse 51. Dans la partie intermédiaire opposée aux chambres 52 et 53 entre les conduits d'amenée et de retour, est prévue une chambre de mélange 56 qui est également entourée de l'air à chauffer.Le circuit chauffant imposé par les conduits 54 et 55 est obtenu, comme le montre la Fig. 7 en ce que les divers éléments chauffants 57 attenant aux conduites 54 et 55 constituent un ensemble 58 en forme de grille chauffante qui, en travers des étendues longitudinales des éléments chauffants 58, est balayé par de l'air. Pour éviter un refroidissement trop important des gaz chauffants parcourant la grille 58, cette dernière est disposée dans la carcasse de chauffe 51 de telle fagon que la face de la grille constituant l'admission 54 soit située du coté de l'admission de l'air et que la face correspondant à ltévanuatlon 55 soit situee du côté de la grille où est prévue la sortie de ltair. La grille chauffante 58 est simplement forée de façon que les éléments 57 des conduites 54 et 55 soient disposés en plusieurs rangées. Dans l'exemple envisagé il est prévu deux rangées parallèles avec autant d'éléments chauffants parallèlement juxtaposés. Une disposition attenant latéralement peut être adoptée pour les rangées placées les unes derrière les autres et parcourues par l'air à chauffer en uue de renforcer lteffet de convection. Mais meme en faisant abstraction d'un tel ordonnancement, à l'instar de ltexemple représenté, il est obtenu un résultat satisfaisant. Les différents éléments de chauffe 57 sont avantageusement façonnés en forme de poches oblongues avec, éventuellement comme renfort, un raidisseur médian 59. Les éléments de chauffe 57 peuvent être évasés aux extrémités (Fig. 8) sur lesquels bords 60 des éléments voisins peuvent etre soudés. Il est recommandé, comme le montre la Fig. 7, de réunir les différents éléments chauffants 57 branchés par soudure pour l'obtention d'un complex commun, d'où résulte entre les conduites d'amenée 54 et de retour 55 un joint de dilatation 61 (Fig. 7). Dans ces conditions il est évité des tensions dues à des variations de température même élevées dans le circuit. Le degré d'ouverture des évasements qui est déterminatif pour la circulation de ltair à chauffer peut être fixé suivant les besoins de fonctionnement. Dans les réchauffeurs d'air le circuit de l'échangeur de chaleur peut être en permanance relié au conduit des gaz ou fumées.L'arret est obtenu en obturant simplement l'arrivée de l'air. Des contraintes thermiques exagérées des organes constitutifs du réchauffeur ne sont en général pas à craindre lorsqu'il est choisi des matériaux adéquats. Il est également possible, dans ce genre d'installation, de courtcircuiter la chambre d'admission 52 et la chambre de sortie 53 attenante. Un réglage des gaz d'éohappement du genre déjà décrit serait à ces fins également concevable. Les formes d'exécution décrites et illustrées par les dessins ne limitent pas l'invention. Celles-ci peuvent varier dans leur ensemble et détails suivant les besoins de la pratique et admettre des dispositifs équivalents susceptibles d'être couverts par le principe de l'invention. REVENDICATIONS 1) Installation destinée à la récupération de la chaleur résiduelle de gaz brulés ou d'échappement, caractérisée en ce qu'un échangeur de chaleur (5, 50) est inséré au conduit (3) d'évacuation de ces gaz, avec du coté de leur sortie une chambre d'admission (12, 52) avec chambre d'é vacation attenante (13, 53) comportant des raccords (14, 15) au conduit (3) et reliés par une tubulure d'amenée (16, 54) débouchant dans une chambre de mélange (18, 56), sur laquelle est branchée une tubulure de retour (17, 55) aboutissant à la chambre d'évacuation (13, 53). 2) Installation suivant la revendication i, caractérisée en ce que les tubulures (16, 17 et 54, 55) du circuit chauffant comportent des éléments chauffants (19, 57) en nombres égaux insérés sur la tubulure et uniformément répartis sur la section médium d'utilisation. 3) Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un conduit de communication (11) est prévu entre les deux chambres (12, t3) commandé par un clapet (20) qui, en fonction de la température à obtenir dans un réservoir (10) contenant de l'eau à chauffer et pourvu d'é- léments chauffants (19), peut soit court-circuiter les deux chambres, soit les brancher en by-pass. 4) Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'enveloppe du conduit (ii) et le réservoir (jo) sont thermiquement isolés et que le conduit (i i), au droit de la paroi (23) du réservoir, comporte une lumière de by- pass (24) et que dans une paroi séparatrice (ai), perpendiculaire à celle-ci, une autre lumière court-circuitante (22) est prévue, les deux étant commandées par un clapet (20) dont le centre de rotation se trouve dans l'intersection des plans des deux lumières et pouvant occuper deuz positions obturantes g la position en by-pass pouvant être rendue dépendante de la température dans la chambre d'évacuation (13) et réglable suivant celle-ci. 5) Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 3 et 4, caractérisée en ce qutau-dessus des chambres d'admission (12) et d'eva- cuation (13), du côté du réservoir, est prévu un espace (25) dans lequel, entre les deux, est prévue une paroi séparatrice (26) correspondant à lten- vergure des ailes du clapet (20), cet espace (25), respectivement la chambre de mélange (18) du circuit, étant délimités par des fonds opposés -(35) dans lesquels les éléments de chauffe (19) sont sertis et qui contribuent à renforcer le réservoir (10) de forme ronde. 6) Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le réservoir (10) est doté de deux ajutages (40, 41),le premier étant situé à ltendroit où l'eau chauffée se trouve à une température moyenne et l'autre à la partie où une température plus élevée se produit. 7) Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le réservoir (10) est complèté par au moins un deuxième réservoir (42), ce dernier enveloppant le premier. 8) Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que l'échangeur (5) étant en position couchée, la chambre d'admission (12) est située au-dessous de la chambre d'évacuation (13) avec paroi séparatrice (21) horizontale, les raccords (14 15) au conduit (t1) étant orientés sensiblement tangentiellement dans le sens hori zonal. 9) Installation suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'eau chauffée étant utilisée pour l'alimentation, des éléments de chauffe (57) assemblés en plusieurs rangées parallèles les uns derrière les autres, constituent une grille (Sa), ces éléments pouvant être prévus en positions alternées, le côté de la grille constituant la partie d'admission (54) et celle correspondant à la partie de retour (55) formant deux rangées d'éléments chauffants disposées l'une derrière l'autre. 10) Installation suivant la revendication 9, caractérisée en oe que toute l'étendue et transversalement de la grille (58) est en contact avec le médium d'utilisation en provenance de la chambre de chauffe (51) avec, d'une part ltentrée (54) et d'autre part la sortie (55), les éléments chauffants (57) accusant la forme de poches oblongues disposées dans le sens de la longueur dans le flux du médium, ces poches étant renforcees au moyen d'au moins une entretoise (59) et évasées aux extrémités avec rebords sur lesquels peuvent se souder des poches adjacentes, un joint de dilatation (61) pouvant etre prévu sur la partie frontale de la grille à ltopposee de la chambre de mélange (56) entre l'entrée (54) et le retour (55).