Brevet FR2425615A1 — publié le 19791207

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur pour cheminée, comprenant un premier segment disposé à peu près horizontalement dans l'âtre, qui comprend un certain nombre de tubes d'échange de chaleur, formant une grille, disposés entre des tubes collecteurs placés face a' face, et un deuxième segment destiné à etre disposé à peu près verticalement à une certaine distance en avant de la paroi arrière, ou contrecoeur, de la cheminée et comprenant des tubes d'échange de chaleur disposés horizontalement entre des tubes collecteurs placés face à face, les deux seg ment s communiquant entre eux et étant destinés à être raccordés par une conduite d'arrivée et une conduite de départ à une installation de chauffage et/ou de production d'eau chaude. On sait que, dans une cheminée, la quantité de chaleur produite par le combustible est mal utilisée, non seulement parce qu' une fraction importante de la chaleur produite est évacuée par le conduit de fumée sans être utilisée mais également parce que l'émission de chaleur est relativement concentrée et qu'elle n'agit que pendant un temps bref et sur une petite zone de la pièce à chauffer. C'est pourquoi, le plus fréquemment, les modes de chauffage par cheminées sont exclusivement prévus et utilisés dans le but de donner une certaine ambiance. Le chauffage "normal" de la pièce est assuré pendant la période de chauffage annuel par des appareils de chauffage central de type classique.Dans la plupart des cas, les maisons sont donc encore équipées d'une autre installation de chauffage que l'on utilise à puissance réduite le soir dans les périodes de transition entre l'été et l'automne et entre le printemps et l'été. Il vient donc naturellement à l'esprit d'utiliser une partie de la quantité de chaleur dégagée pendant un temps bref et de façon concentrée par le fonctionnement de la cheminée au moyen d'un échangeur de chaleur qui permet d'améliorer l'économie globale du chauffage des locaux notamment des maisons individuelles ainsi que des résidences secondaires et chalets pour clubs. Toutefois, l'essentiel consiste à éviter les inconvénients de lté- vacuation des fumées qui se présentent, par exemple dans le cas d'échangeurs de chaleur de cheminée connus dans lesquels de la chaleur s'échappe hors du volume à chauffer proprement dit. Par ailleurs, l'invention vise à réaliser, grâce à une configuration particulière, une amélioration de l'accumulation de chaleur et de la séparation entre les cendres et les matériaux en combustion ou à brûler.L'échangeur de chaleur proposé à cet effet, suivant l'invention est caractérisé en ce que les tubes d'échange de chaleur du premier segment ont une section polygonale, l'un des côtés du polygone de la section de tous les tubes étant tourné vers le haut et, pour tous les tubes, pratiquement dans le meme plan, de manière à définir une sufacedsappui du combustible ; les côtés latéraux, adjacents au côté supérieur, de deux tubes voisins formant des plans inclinés qui se font face symétriquement et convergent dans le sens de la chute des cendres et les angles adjacents des polygones de section des tubes voisins délimitant ensemble des zones étranglées servant â retenir le combustible fragmenté, en ce que les tubes d'échange de chaleur du deuxième segment ont une section polygonale l'un des côtés du polygone de la section de tous les tubes etant tourné vers l'avant et pour tous les tubes pratiquement dans un même plan qui est à peu près perpendiculaire au premier plan mentionné, afin de former une surface visible interrompue par les espaces libres présentant la forme de bandes, et les côtés latéraux, adjacents aux côtés avant, du polygone de la section des tubes voisins définissant des plans inclinés opposés symétriquement entre eux, qui convergent de la surface visible vers l'intérieur, ces plans inclinés jouant le rôle de surfaces directrices pour les gaz de décomposition, les gaz chauds et les gaz de fumée qui se dégagent du combustible, et en ce que les tubes d'échange de chaleur du premier et du deuxième segments sont composés d'une matière ayant de bonnes propriéteés de conduction et d'accumulation de la chaleur, le rapport s entre la pleine section Q du tube et la section q de la lumière du tube est égal à Q s = - = 2,5 a 10. q D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple - la Fig0 1 est une vue schématique d'un échangeur de chaleur suivant l'invention incorporé à une cheminée - la Fig. 2 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur de la Fig.I ; - la Fig. 3 est une coupe partielle suivant la ligne III III de la Fig.2, qui montre en particulier la zone de raccordement entre la partie horizontale et la partie verticale de l'échangeur de chaleur t - les Fig. 4 et 5 sont deux schémas de circulation du fluide dans un échangeur de chaleur suivant l'invention ; - les Fig. 6 à 8 sont respectivement une vue à l'état monté (Fig.6), une vue de dessus en perspective (Fig.7) et une vue en coupe (Fig.8, coupe VIII-VIII de la Fig.7) d'un segment d'échangeur de chaleur. La représentation schématique de la Fia. 1 montre une cheminée partiellement dessinée en coupe et comportant un échangeur de chaleur 1 réalisé dans son ensemble comme représenté sur la Fig .2. Le segment horizontal 2 de l'échangeur 1 est disposé dans le foyer ou âtre 3 de la cheminée et son segment vertical ou arriere 4 sté tend à peu près parallèlement à la paroi arrière 5 (le contrecoeur de la cheminée). Les conduites 6 et 7 d'arrivée et de départ de l'veau de chauffage mènent à une installation classique de chauffage du bâtiment, non représentée. Un volume 3' ménagé dans l'âtre de la cheminée au-dessous du segment horizontal 2, au moyen d'entretoises 8, est de préférence utilisé comme cendrier.La fente 10 établie au moyen d'entretoises 9 entre le contrecoeur 5 de la cheminée et le segment vertical - de l'échangeur de chaleur 1 est de préférence dimensionnée de manière à servir de fente de tirage pour les gaz de fumée et les gaz chauds qui s'écouleront d'une façon décrite plus loin entre les éléments tubulaires de ce segment. Les tubes 13 d' échange de chaleur de parois latérales qui sont éventuellement prévus dans l'échangeur l le long d'une paroi latérale 2 de la cheminée sont avantageusement disposés au meme écartement par rapport à la paroi voisine. Ainsi qu'il ressort des Fig. 2 et 3, l'échangeur de chaleur comporte des tubes d'échange de chaleur 16 et 16' (Fi,3) interposés entre les segments horizontaux 14 et 15 des tubes collecteurs. Les tubes d'échangeur 19 sont disposés entre des segments verticaux 17, 18 des tubes collecteurs dans une disposition identique ou analogue. Les segments 14, 17 et 15, 18 des tubes collecteurs dont des tubes à section carrée ou rectangulaire qui forment les côtés d'un cadre ; ils sont disposés à peu près perpendiculairement entre eux et soudés å joint etanche 9 ainsi qu'on l'a représenté, ils peuvent constituer des éléments en L ou etre composés de segments élémentaires raccordés pour la circulation du fluide.Les segments verticaux 17, 18 peuvent etre raccordés entre eux, ainsi qu'on l'a représenté, par une traverse de fermeture supérieure 20 également constituée par un tube à section carrée ou rectangulaire. Les conduites 6 et 7 d'arrivée et de départ de l'eau de chauffage peuvent etre raccordées, soit à un seul des côtés du cadre, comme dans l'exemple représenté,soit en partie à l'un des côtés et en partie à l'autre. En dehors de leur fonction propre d'échange de chaleur, les tubes 16, ló du segment horizontal 2 de l'échangeur 1 peuvent également jouer le rôle d'une grille pour supporter le combustible 21 posé sur ces tubes. A cet effet ces tubes ont une section polygonale, de préférence de cinq à huit côtés, l'un des côtés de la section, qui est hexagonale dans l'exemple représenté, étant parallèle à la surface des segments horizontaux 14, 15 des tubes collecteurs.Chacun des côtés latéraux inclinés qui sont adjacents à ce côté supérieur forme, en combinaison avec le côté oblique adjacent du tube voisin qui- lui est opposé symétriquement une fente de chute (de réception) 22 qui converge dans le sens de la descente pour le passage du combustible qui peut être fragmenté, par exemple par la combustion et qui, ensuite, reste dans le passage étrangle 23 formé entre les arêtes des tubes polygonaux jusqu'à ce qu'il soit transformé en cendres ou en braise et tombe dans le cendrier 38. On peut de cette façon obtenir un séjour de durée optimale des particules de combustible incandescentes en contact direct ou é- troit avec les tubes d'échange de chaleur 1o, 16'. Les tubes d'échange de chaleur 19 du segment vertical 4 de l'échangeur 1 sont également des tubes prismatiques ayant de cinq à huit faces. Dans le cas du tube hexagonal représenté l'une des faces est ici également parallèle à la surface des segments verticaux 17, 18 des tubes collecteurs. Les faces adjacentes à cette face tournée vers l'avant forment en combinaison avec les faces opposées des tubes voisins des trémies de passage 24 pour les gaz de fumée ou les gaz chauds qui s'écoulent comme indiqué par la flèche A pour pénétrer dans la fente 10 et, dansce mouvement, entrent en contact de la façon optimale avec les tubes d'échange de chaleur 19.Dans le gaz chaud qui stélève le long des faces avant des tubes 19 et qui ne s'écoule pas dans le sens de la fleche A, il se forme des tourbillons dans la région des trémies 24 de sorte que, ici également, on obtient grâce à un allongement du temps de séjour du gaz dans la région des tubes une transmission optimale de la chaleur aux tubes 19. Pour donner aux tubes 16, l6' et 19 une capacité optimale d'absorption et d'accumulation de la chaleur, on les réalise en une matière qui possède de bonnes propriétés de conductibilité de la chaleur, par exemple en cuivre, laiton (MS 58) ou en un alliage å'aluminium résistant A la chaleur0 Les segments de tubes collecteurs 14, 15, 17, 18 ainsi que la traverse de raccordement 20 sont de préférence également faits de la meme matière. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig. 3, les lumières de passage de l'eau d et D sont petites comparativement à la cote des tubes hexagonaux entre faces parallèles. La raison en est que lton cherche a' accumuler une quantité de chaleur relativement grande dans les parois des tubes afin de pouvoir apporter à une installation classique de chauffage et/ou de production d'eau chaude qui peut être, par exemple déjà existante dans le bâtiment à chauffer, une fraction aussi grande que possible de la quantité de chaleur qui est généralement produite de façon irationnelle dans les cheminées.Des expériences ont montré que le rapport Q Q (profil) s q (lumière) c'est-à-dire le rapport entre l'aire de la section complète du tube et l'aire de la section de passage ou de la lumière a avantageusement les valeurs suivantes a) 3 à 10 pour les tubes de cuivre b) 2,5 à 5 pour les tubes de laiton c) 2,5 à 3 pour les tubes d'alliage d'aluminium d) 1,2 à 1,6 pour les tubes d'acier (uniquement pour les tubes 13 de la paroi verticale) Le choix de ces rapports tient également compte des besoins de résistance mécanique de la grille.Bien que, sur la Fig.3, les tubes du segment horizontal 2 (grille) soient tous de même dimension, il n'est pasnécessaire de respecter cette identité de sec tion en pratique, Il est avantageux de choisir-pour les tubes de la grille une plus forte section (totale) que pour ceux du segment vertical 4. Le choix de la section du profilé tubulaire peut ega lement etre établi en fonction de considérations esthétiques. Il convient de veiller à ce que la section totale de passage de l'échangeur de chaleur soit plus petite d'environ 10 , que la section de passage des conduites d'arrivée et de départ 6 et 7 Ceci permet d'utiliser dans le cas d'un branchement en parallèle des tubes, par exemple comme indiqué sur la Fig0 4, des sections de profilés tubulaires plus petites que dans le cas où les tubes d'échange de chaleur sont connectés en série comme indiqué sur la Fig.5. Il est également essentiel que l'écoulement dans les segments de tubes collecteurs 14, 15, 17 et 18 soit aussi peu turbulent que possibles A cet effet, il se révèle avantageux de choisir pour la section de passage de ces segments de tubes une aire plus grande d'au moins 40 S que les sections des tubes d'échange de chaleur qui leur sont raccordés0 La même observation est valable pour les régions de raccordement des régions où les tubes d'arrivée et de départ 6 et 7 se raccordent directement aux tubes col lecteurs0 Cette caractéristique a non seulement pour effet de réduire la turbulence dans la région des divers raccordements et dérivation mais également de réduire considérablement le risque de production de bulles de vapeur dans les tubes d'échange de chaleur. L'échangeur de chaleur suivant l'invention peut être branché pour la circulation en parallèle ou la circulation en série. Les Fig, 4 et 5 représentent dans un cas (fige4) un branchement purement en parallèle tandis que la Fige5 représente un branchement purement en série. Il va de soi qu'il est également possible d'utiliser des combinaisons de ces deux modes de branchement sur un meme échangeur. Il convient de signaler que les problèmes de section qui ont été discutés plus haut se posent et se résolvent de la meme façon dans tous les cas de branchement, avec des paramè- tres modifiés en conséquence a Dans le branchement purement parallèle représenté sur la Fig.4, il est avantageux, pour faire circuler l'eau chaude avec des débits approximativement égaux dans tous les tubes 25, de placer le raccordement de la conduite d'arrivée 6 dans la région du milieu du tube collecteur ainsi qu'on l'a indiqué sur la Fig.4. Etant don né que, dans le cas de l'alimentation en parallèle, il règne une plus forte pression dans le voisinage immédiat du raccordement de la conduite d'arrivée 6 qu'à une certaine distance de ce raccordement, il est avantageux de choisir les lumières de passage d des tubes d'échange de chaleur les plus proches du raccordement un peu plus petites que dans les tubes plus éloignés. Ceci est représenté sur la Fig,3, où les trois tubes 16' du segment horizontal 8 et les deux tubes 19 du segment vertical 4 ont une section de lumière d plus petite que les tubes portant la référence 16 qui sont plus é- loignés (D). Il n'est pas nécessaire que la section totale de passage des tubes de chaleur raccordés aux segments 14, 15 des collecteurs soit identique à la section totale des tubes raccordés aux segments 17 et 18 des tubes collecteurs. Dans le branchement purement en série représenté sur la Fig.5, l'eau de chauffage pénètre par la conduite d'arrivée 6 dans un segment 26 du collecteur d'entrée et parcourt les uns après les autres les tubes d'échange de chaleur 27. Les branches 28 â 31 des collecteurs des deux côtés sont divisées, par des cloisons 32 montées dans leurs lumières dont seules quelques-unes sont représentées sur le dessin, en des segments qui contiennent chacun deux connexions de tubes d'échange afin de faire circuler l'eau de la fa çon indiquée par les flèches. Etant donné que dans le cas du montage représenté sur la Fig. 5, l'eau circule avec le meme débit dans chacun des tubes 27 et également dans la traverse terminale 20, il convient en principe de choisir des sections de passage égales partout.Toutefois, il est avantageux de différencier les sections lorsqu'on veut obtenir par une différenciation de la vitesse d'écoulement des conditions de transmission de chaleur différentes dans les différentes zones. Pour le cas où l'on désire que l'échangeur de chaleur comporte, en supplément de tubes d'échange de chaleur, 16, 16' et 19 (Fig. 2) disposés dans la région de la grille et du contrecoeur, également des tubes disposés dans une paroi latérale, on peut realiser cette construction, ainsi qu'on l'a déjà indiqué au moyen de tubes d'échange de chaleur 13 représentés sur la Fig.2, qui sont constitués par des tubes verticaux intercalés entre le segment de collecteur 15 de la grille et une dérivation 33 raccordée au segment vertical 18 du collecteur, Il va de soi que l'on peut prévoir un ensemble identique de tubes d'échange de chaleur en supplément ou en remplacement sur le côté opposé des tubes collecteurs. De même, il est également possible de prévoir des tubes d'échange de chaleur de parois latérales orientés horizontalement avec une disposition correspondante des segment s de tubes collecteurs. Les tubes de la paroi latérale peuvent être des tubes circulaires ou encore ils peuvent avoir la même forme de section que les autres tubes d'échange de chaleur. Il est possible d'obtenir une exploitation encore meilleure de la chaleur dégagée dans le fonctionnement d'une cheminée lorsque, ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig04, les gaz de fumée chauds qui ne lèchent pas les tubes aréchange de chaleur de la paroi arrière et de la paroi latérale mais passent directement à la hotte de la cheminée, traversent un autre segment d'échangeur de chaleur 36 placé dans la région de l'entrée de la hotte, au-dessous de la trappe de fermeture 25 représentée schématiquement. Ce segment d'échangeur de chaleur possède, ainsi qu'il ressort de la Fig. 7, un cadre porteur 37 présentant en principe la forme d'un U et composé d'un tube à section carrée ou rectangulaire dont une branche 37.1 forme une chambre d'entrée et est munie d'un raccord d'arrivée 38. L'autre branche 37.2 sert de chambre de sortie et est en communication avec la traverse 3703 du cadre, sur laquelle est montée une tubulure de départ 39. Entre les branches 37eus 37.2 sont intercalés des tubes d'échange de chaleur 40 dgun genre correspondant essentiellement à celui des tubes d'échange de chaleur 19. Afin de ne pas gêner trop fortement le passage des gaz de fumée à travers le segment d'échangeur de chaleur logé dans la hotte et, en meme temps, de ne pas refroidir trop fortement les gaz, ceci afin de conserver un tirage suffisant, on laisse des intervalles d'au moins 15 mm entre les tubes 400 Pour obtenir par ailleurs une absorption et une évacuation de la chaleur uniformes sur toute la surface de l'échangeur, on donne au diamètre d de la lumière des tubes situés dans la région de la tubulure d'arrivée 38 une valeur légèrement plus petite qu'au diamètre D de la lumière des tubes d'échange de chaleur qui sont plus éloignés de cette arrivée. Si le segment 36 de l'échangeur de chaleur qui est logé dans la hotte est connecté en série avec l'échangeur de la grille et de la paroi arrière, la somme des sections de passage des tubes de ce segment 36 doit correspondre à la somme des sections de passage de l'échan- geur de la grille et de la paroi arrière, afin d'obtenir à peu près la meme résistance à l'écoulement dans les deux groupes 'échange de chaleur. Dans le cas où le segment 36 de l'échangeur de chaleur est connecté en parallèle avec un autre segment utilisé dans lté- changeur de chaleur suivant l'invention, on devrait choisir la section totale de passage de telle façon que les capacités d'échange de chaleur soient dans un rapport mutuel voulu, adapté à l'ensemble de l'installation. REVEND I C AT IONS 1 - Echangeur de chaleur pour cheminée, comprenant un premier segment (2) aisposé å peu pres horizontalement dans l'âtre (3) et qui comprend un certain nombre ae tubes d'échange de chaleur (16, 16'), formant une grille, disposés entre des tubes collecteurs (14, 15) placés face à face, et un deuxième segment (14) destiné à etre disposé â peu près verticalement à une certaine distance en avant de la paroi arrière, ou contrecoeur, de la cheminée et comprenant des tubes d'échange de chaleur (1o) disposés horizontalement entre des tubes collecteurs ae production d'eau chaude, caractérisé en ce que les tubes d'échange de chaleur (16,16') du premier segment (2) ont une section polygonale, l'un des côtés du polygone de la section de tous les tubes étant tourné vers le haut et, pour tous les tubes, situé pratiquement dans le meme plan, de manière à définir une surface d'appui du combustible, les côtés latéraux adjacents au côté supérieur de deux tubes voisins (16,16') formant des plans inclinés qui se font face symétriquement et convergent dans le sens de la chute des cendres et les sommets adjacents des polygones de section des tubes (16,16') voisins délimitant ensemble des zones étranglées (23) servant à retenir le combustible fragmenté, en ce que les tubes d'échange de chaleur (19) du deuxième segment (4) ont une section polygonale l'un des côtés du polygone de la section de tous les tubes étant tourné vers l'avant, et, pour tous les tubes situés pratiquement dans un meme plan, qui est à peu près perpendiculaire au premier plan mentionné, afin de former une surface visible interrompue par des espaces libres présentant la forme de bandes, et les côtés latéraux adjacents aux côtés avants du polygone de la section des tubes (19) voisins définissant des plans inclinés opposés symétriquement entre eux, qui convergent à partir de la surface visible vers l'intérieur, ces plans inclinés jouant le rôle de surfaces directrices pour les gaz de décomposition, les gaz chauds et les gaz de fumée qui se dégagent du combustible, et en ce que les tubes d'échange de chaleur (16, 16', 19) du premier et du deuxième segments (2,4) sont en une matière ayant de bonnes propriétés de conduction et d'accumulation de la chaleur, le rapport s entre la pleine section Q du tube et la section g de la lumière du tube à une valeur comprise entre 2,5 et 10 2,5 / s = Q 100 9 2 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, ca ractérisé en ce que les tubes d'échange de chaleur du premier et du deuxième segments ont une section polygonak ayant cinq à huit côtés. 3 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les tubes d'échange de chaleur sont faits de cuivre, de laiton, ou d'un alliage d'aluminium et en ce que la valeur préférée du rapport s liant la pleine section A du tube a' la section a de la lumière de ce tube est (a) de 3 à 10 pour le cuivre ; (b) de 2,5 a 5 pour le laiton et ; (c) de 2,5 à 3 pour les alliages d'aluminium. 4 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la section de passage des segments (14, 15, 17, 18) des tubes du collecteur est supérieure d'au moins 40 % à la somme des sections de passage des tubes d'échange de chaleur raccordés à ces segments du collecteur.