Brevet FR2412806A1 — publié le 19790720

La présente invention concerne un échangeur thermique & BR Les chauffe-eau actuels utilisent, pour l'échange de chaleur, des serpentins qui sont de fabrication complexe et coa- teuse. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient, en fournissant un échangeur thermique d'un genre nouveau,pouvant être obtenu à partir d'éléments simples et standards. Â cet effet, elle a pour objet un échangeur thermique à structure tubulaire constitué par une pluralité d'échelles qui sont faites de plusieurs tubes élémentaires parallèles reliés entre eux & leurs extrémités par deux tubes collecteurs, respectivement d'entrée et de sortie,les échelles étant disposées horizontalement et superposées de telle manière que les tubes élémentaires de l'une d'elles soient orientés suivant une direction faisant un angle de 900 avec les tubes élémentaires des échelles ismédiatement supérieure et inférieure. Cet échangeur thermique est ainsi assemblé de façon modulaire å partir d'échelles du genre de celles que l'on utilise déjà pour la réalisation de certains radiateurs de chauffage central. Dans chaque échelle, le tube collecteur d'entrée distribue le fluide caloporteur dans tous les tubes élémentai- res parallèles, puis ce fluide est récupéré dans le tube collecteur de sortie. Diverses possibilités se présentent pour raccorder entre eux les collecteurs d'entrée et de sortie des diffé- rentes échelles. Une première idée générale consiste A réuni entre eux,d'une part, par deux collecteurs principaux verticaux, respectivement tous les collecteurs d'entrée et tous les collecteurs de sortie des échelles dont les tubes élémentaires sont orientés suivant une première direction, et d'autre part, par deux autres collecteurs principaux verticaux, respectivement tous les collecteurs d'entrée et tous les collecteurs de sortie des échelles dont les tubes élémentaires sont orientés suivant une direction faisant un angle de 900 avec les tubes élémentaires du premier groupe d'échelles.Ainsi l'ensemble des échelles du premier groupe est monté en parallèle entre deux collecteurs principaux, et l'ensemble des échelles du second groupe est monté en parallèle entre deux autres collecteurs principaux.On peut appeler n collecteur principal d'entrée n le collecteur vertical raccordé à tous les collecteurs d'entrée dhnmême groupe d'échelles, et " collecteur principal de sortie " le collecteur vertical raccordé à tous les collecteurs de sortie d'un même groupes d'échelles. Cette conception peut elle-meme donner lieu à diverses formes de réalisation Dans une première forme de réalisation, le collecteur principal d'entrée du premier groupe d'échelles est relié directement, dans la partie supérieure de l'échangeur, au collecteur principal d'entrée du second groupe d'échelles, et le collecteur principal de sortie du premier groupe d'échelles est relié directement,dans la partie supérieure de l'échangeur, au collecteur principal de sortie du second groupe d'échelles. De cette manière, les deux groupes d'échelles se trouvent montés en parallèle. Dans une deuxième forme de réalisation, le collecteur principal de sortie du premier groupe d'échelles est relié directement, dans la partie supérieure de l'échangeur, au collecteur principal d'entrée du second groupe d'échelles. De cette manière, les deux groupes d'échelles se trouvent montés en série. À propos de ces deux formes de réalisation, les remarques suivantes doivent être faites 1. L'entrée et la sortie de l'échangeur sont situées sur le bas de l'appareil, pour éviter la réversibilité du système ou l'effet de thermosiphon. Cette disposition peut cependant varier suivant les besoins. 2. Sur le ou les conduits de raccordement des collecteurs principaux situés dans la partie supérieure de l'échangeur,il est nécessaire de prévoir un dégazeur pour éviter un tampon d'air qui nuirait au bon fonctionnement de l'échangeur. 3. Dans le cas au montage e * rallèle des deux groupes d' échel- les, il est impératif que ces deux groupes aient le même nombre d'échelles pour éviter la formation d'un circuit préférentiel résultant des différences de pertes de charge entre les deux groupes. Il est aussi possible de ne pas réunir entre eux les collecteurs principaux des deux groupes d'échelles,pour réaliser un circuit primaire avec le premier groupe d'échelles et un circuit secondaire avec le second groupe d'échelles,les deux groupes d'échelles étant placés au contact d'un même liquide échangeur à l'intérieur d'une- enveloppe. le groupement des échelles peut encore être réalisé différemment, sans collecteurs principaux, en prévoyant des conduits de raccordement verticaux qui-relient le collecteur de sortie de chaque échelle au collecteur d'entrée de 11 échelle immédiatement supérieure.Les échelles ne sont alors plus séparées en deux groupes pour leur alimentation, mais montées toutes en série. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique anne- xé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de cet échangeur thermique à structure tubu laird Figure 1,2 et 3 sont des vues respectivement de face,de caté et en plan par dessus d'une première forme d'exécution de l'échangeur selon l'invention, avec deux groupes d'échelles montés en parallèle; Figures 4t5 et 6 sont des vues respectivement de face,de côté et en plan par dessus d'une deuxième forme d'exécution de l'échangeur selon l'invention,avec deux groupes d'échelles montés en série;; Figures 7,8 et 9 sont des vues respectivement de face,de c8tê et en plan par dessus d'une troisième forme d'exécution de l'échangeur selon l'invention, avec des échelles montées toutes en série; Figures 10 et 11 sont enfin des vues respectivement de face et en plan par dessus d'une quatrième forme d'exécution de l'échangeur selon l'invention, dans laquelle les deux groupes d'échelles réalisent des circuits indépendants,placés au contact d'un même liquide échangeur à l'intérieur d'une enveloppe représentée en coupe. De toutes les formes d'exécution représentées, un échangeur thermique est réalisé à partir d'éléments constitués par des tubes élémentaires parallèles 1 ou 1' ,prévus par exemple au nombre de six, tous de même longueur, reliés entre eux à leurs extrémités par un tube collecteur d'entrée 2 ou 2' et par un tube collecteur de sortie 3 ou 3' , ces deux tubes collecteurs étant parallèles entre eux et perpendiculaires aux tubes élémentaires, de manière à former avec ces tubes une sorte d'échelle, qui est disposée dans un plan horizontal. Les échelles se répartissent en deux groupes,celles du premier groupe étant indiquées par 4 et celles du second groupe étant indiquées par 4'. Dans le premier groupe d'échelles 4, tous les tubes élémentairés 1 sont parallèles;les collecteurs d'entrée 2 sont superposés, et il en est de même pour les collecteurs de sortie 3. Dans le second groupe d'échelles 4' ,tous les tubes élémentaires 1' sont aussi parallèles mais ils sont orientés suivant une direction qui fait un angle de 900 avec les tubes élémentaires 1'du premier groupe;les collecteurs d'entrée 2' sont superposés, et il en est de mme pour les collecteurs de sortie 3'.Ces collecteurs 2' et 3' sont orientés suivant une direction faisant un angle de 900 avec les collecteurs 2 et 3 du premier groupe d'échelles. Suivant une autre caractéristique importante,l'échangeur présente une alternance d'échelles 4 du premier groupe et d'échelles 4' du second groupe, de sorte que les tubes élémentaires 1 d'une échelle 4 sont orientés suivant une direction perpendiculaire aux tubes élémentaires 1' des échelles 4' immédiatement supérieure et inférieure. Chaque groupe se compose par exemple de quatre échelles superposées, imbriquées avec les quatre échelles de l t autre groupe. Dans la forme d'exécution représentée sur les figures 1 à 3, tous les collecteurs d'entrée 2 des échelles 4 du premier groupe sont raccordés à un collecteur principal d'entrée 5 d'axe vertical, et tous les collecteurs d'entrée 2' des échelles 4' du second groupe sont raccordés à un autre collecteur principal d'entrée 5' d'axe vertical. Un conduit horizontal 6 relie directement,dans la partie supérieure de 11 échangeur, les extrémités supérieure s des deux collecteurs principaux d'entrée 5 et 5'. L'extrémité inférieure du collecteur principal 5 est ouverte,comtae indiqué en 7, et sert d'entrée générale comme le suggère la flèche.Au contraire, l'extrémité inférieure da collecteur principal 5' est obturée,comme indiqué en 7' D'une manière similaire,tous les collecteurs de sortie 3 des échelles 4 du premier groupe sont raccordés à un collecteur principal de sortie 8 d'axe vertical, et tous les collecteurs de sortie 3' des échelles 4' du second groupe sont raccordés à un autre collecteur principal de sortie 8'. Un conduit horizontal 9, parallèle au conduit 6, relie directement,dans la partie supérieure de l'échangeur, les extrémités supérieures des deux collecteurs principaux de sortie 8 et 8'. L'extrémité inférieure du collecteur principal 8' est obturée,comme indiqué en 10'. Au contraire, l'extrémité inférieure du collecteur principal 8 est ouverte,comme indiqué en 10, et sert de sortie générale comme le suggère la flèche. Un petit conduit Il formant un " pont n entre les conduits supérieurs horizontaux 6 et 9 porte un dégazeur 12. Le fluide caloporteur qui entre en 7 est distribué dans les deux collecteurs principaux d'entrée 5 et 5' punis dans les collecteurs d'entrée 2 et 2', et il se répartit dans tous les tubes élémentaires 1 et 1' Les débits se réunissent & nouveau dans les collecteurs de sortie 3 et 3i puis dans les collecteurs principaux de sortie 8 et 8', et le fluide récupéré sort finalement en 10. Par leur montage et par cette circulation, les deux groupes d'échelles sont ici n en parallèle ". Au contraire, dans la forme d'exécution représentée sur les figures 4 à 6, les deux groupes d'échelles, dont la structure tubulaire et la disposition relative ne sont pas modifiées, les éléments correspondants étant indiqués par les mimes repères, sont montés n en série " Le collecteur principal d'entrée 5 du premier groupe d'échelles 4 est toujours ouvert à son extrémité inférieure, comme indiqué en 7, mais il est obturé à son extrémité supérieure, comme indiqué en 13. Le collecteur principal de sortie 8 du premier groupe d'échelles 4 est obturé à son extrémité inférieure,comme indiqué en 10.Un conduit horizontal 14 relie directement,dans la partie supérieure de l'éphangeur,l'extré- mité supérieure du collecteur principal de sortie 8 du premier groupe d'échelles 4 à l'extrémité supérieure du collecteur principal d'entrée 5' du second groupe d'échelles 4'. Ce collecteur 5' est obturé à son extrémité inférieure,comme indiqué en 7'. Enfin, le collecteur principal de sortie 8' du second groupe d'échelles 4' est obturé à son extrémité supérieure, comme indiqué en 13', mais ouvert à son extrémité inférieure, comme indiqué en 10'. Le dégazeur 12 est porté par le conduit supérieur horizontal unique 14. Comme l'indiquent les flèches,l'entrée générale se trouve à l'extrémité inférieure 7 du collecteur principal d'entrée 5 du premier groupe d'échelles 4, et la sortie généra le se trouve à l'extrémité inférieure 1O'du collecteur principal de sortie 8' du second groupe d'échelles 4'. Ainsi le fluide caloporteur est distribué d'abord par le collecteur principal 5 dans les tubes collecteurs d'entrée 2 pour être réparti dans tous les tubes élémentaires 1. Les débits se réunissent à nouveau dans les collecteurs de sortie 3 puis dans le collecteur principal 8, qui récupère le débit total et l'envoie dans le collecteur principal 5'. Le fluide caloporteur est alors distribué dans les collecteurs d!entrée - pour être réparti dans tous les tubes élémentaires 1'.Les débits se réunissent à nouveau dans les collecteurs de sortie 3" puis dans le collecteur principal 8t. Par cette circulation, les deux-groupes d'échelles fonctionnent bien ici én "série fl. Dans les deux formes d'exécution examinées jusqu'ici,les échelles d'un même groupe 4 ou 4' sont montées toutes en parallèle entre le- collecteur principal d'entrée 5 ou 5' et le collecteur principal de sortie 8 ou 8', respectivement. Au contraire, dans la forme d'exécution représentée sur les figures 7 à 9, les échelles 4 et 4' , dont la structure tubulaire et la disposition alternée ne sont pas modifiées,sont montées toutes en série. Les collecteurs principaux verticaux sont tous supprimés et remplacés par d'autres conduits verticaux ~ et 16 Les conduits 15 raccordent le collecteur de sortie 3 de chaque échelle 4 du premier groupe au collecteur d'entrée 2' de l'échelle 4' du second groupe immédiatement supérieure. Les conduits 16 raccordent le collecteur de sortie 3' de chaque échelle 4' du second groupe au collecteur d'entrée 2 de l'échelle 4 du premier groupe immédiatement supérieure. Comme le montre le dessin, tous les conduits 15 sont disposés suivant un même axe vertical, et il en est de même pour tous les conduits 16. L'entrée du fluide se fait à la base de l'échangeur, par le collecteur d'entrée 2 de l'échelle 4 inférieure,et la sortie du fluide se fait au sommet de l'échangeur,par le collecteur de sortie 3' de l'échelle 4' supérieure,comme le suggèrent les flèches. Entre l'entrée et la sortie,le fluide passe successivement au travers des tubes élémentaires 1 ou 1' de chacune des échelles. Sur les figures 1 à 6 on a indiqué en 17 l'enveloppe d'un réservoir de chauffe-eau avec stockage dans lequel peut être placé l'échangeur thermique. Les figures 10 et 11 se rapportent à une dernière forme d'exécution, correspondant à une autre application de l'invention dans laquelle l'échangeur, placé à l'intérieur d'une enveloppe isolante 17, constitue un échangeur de transfert sans stockage. Dans cette forme d'exécution, deux collecteurs principaux verticaux 5 et 8 sont raccordés, respectivement, à tous les collecteurs d'entrée 2 et de sortie 3 des échelles 4 du premier groupe, et deux autres collecteurs principaux verticaux 5' et 8' sont raccordés, respectivement, a' tous les collecteurs d'entrée 2' et de sortie 3' des échelles 4' du second groupe, suivant une disposition similaire à celle des figures 1 à 6. Toutefois les extrémités inférieures 7, 7', 10,10' des quatre collecteurs principaux sont toutes ouvertes et leurs extrémités supérieures sont toutes obturées. On réalise ainsi deux cir cuits indépendantsa Le premier circuit est constitué par les échelles 4 du premier groupe, montées en parallèle; son entrée générale est en 7 et sa sortie générale en 10, comme l'indiquent les flèches. il peut être parcouru par le fluide primaire de l'échangeur. Le deuxième circuit est constitué par les échelles 4' du second groupe, montées en parallèle; son entrée générale est en 7' et sa sortie générale en 10',comme l'indiquent les flèches. Il peut être parcouru par le fluide secondaire de ltéchangour. Le liquide échangeur est placé en 18, à l'intérieur de l'enveloppe 17, au contact simultané des deux groupes d'échelles 4 et 4'. L'échangeur thermique à structure tubulaire pour chauffe-eau conforme à l'invention possède les avantages suivants 1. il forme un ensemble modulaire, obtenu à partir des éléments simples et standards que sont les échelles 4 et 4' 2. La distribution du fluide est améliorée, d'où un meilleur échange thermique, car la surface de 1' échangeur est exploitée au maximum dans les différents cas de montage. 3. Cet échangeur est compact et offre une surface d'échange maximum dans un volume minimum. 4. Le stationnement du film d'eau chaude au niveau des surfaces d'échange est pratiquement nul, ceci en raison de la disposition dans des plans horizontaux des tubes échangeurs, d'uù un meilleur rendement. 5. Àvec ce genre d'échangeur modulaire, il est possible d'obtenir un ensemble de grande surface et de faible épaisseur,ce qui, dans le cas d'un montage en réservoir (du type chauffe-eau) augmente la possibilité de stockage en eau chaude avec une meilleure homogénéisation de l'ensemble, étant donné que la surface du plan de distribution est très voisine due la surface de la cuve. S,Dans le cas d'un échangeur de transfert sans stockage (voir la forme d'exécution des figures 10 et 11), il est possible de réaliser un ensemble modulaire à haut rendement et bas prix de revient.Le bon rendement est du ici notamment au fait que les éléments du circuit primaire et du circuit secondaire sont intercalés et croisés. Les applications de l'invention sont aussi bien les chauffe-eau traditionnels que les chauffe-eau solaires. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cet échangeur thermique qui ont été décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle en embrasse,au contraire,toutes les variantes de réalisation et d'application relevant du même principe général. REVENDICATIONS 1.-Echangeur thermique à structure tubulaire,destiné notamment à la réalisation d'un chauffe-eau, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pluralité d'échelles qui sont faites de plusieurs tubes élémentaires parallèles reliés entre eux à leurs extrémités par deux tubes collecteurs, respectivement d'entrée et de sortie, les échelles étant disposées horizontalement et superposées de telle manière que les tubes élémentaires de l'une d'elles soient orientés suivant une direction faisant un angle de 900 avec les tubes élémentaires des échelles immédiatement supérieure et inférieure. 2.-Echangeur thermique selon la revendication 1,caractérisé en ce que sont réunis entre eux, d'une part,par deux collecteurs principaux verticaux, respectivement tous les collecteurs d'entrée et tous les collecteurs de sortie des échelles dont les tubes élémentaires sont orientés suivant une première direction, et d'autre part, par deux autres collecteurs principaux verticaux, respectivement tous les collecteurs d'entrée et tous les collecteurs de sortie des échelles dont les tubes élémentaires sont orientés suivant une direction faisant un angle de 900 avec les tubes élémentaires du premier groupe d'échelles. 3.- Echangeur thermique selon la revendication 2,caractérisé en ce que le collecteur principal d'entrée du premier groupe d'échelles est relié directement, dans la partie supérieure de l'échangeur, au collecteur principal d'entrée du second groupe d'échelles, et en ce que le collecteur principal de sortie du premier groupe d'échelles est relié directement,dans la partie supérieure de l'échangeur, au collecteur principal de sortie du second groupe d'échelles. 4.~ Echangeur thermique selon la revendication 2,caractérisé en ce que le collecteur principal de sortie du premier groupe d'échelles est relié directement, dans la partie supérieure de l'échangeur, au collecteur principal d'entrée du second groupe d'échelles. 5. Echangeur thermique selon la revendication 3 ou 4,caractérisé en ce qu'il est prévu un dégazeur sur le ou les conduits qui raccordent les collecteurs principaux entre eux dans la par tie supérieure de l'échangeur. 6.- Echangeur thermique selon la revendication 2,caractérisé en ce que les collecteurs principaux des deux groupes d'échel les ne sont pas réunis entre eux et en ce que l'on réalise:un circuit primaire avec le premier groupe d'échelles et un circuit secondaire avec le seonnd groupe d'échelles, les deux groupes d'échelles étant placés au contact d'un même liquide échangeur à l'intérieur d'une enveloppe. 7.- Echangeur thermique selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il est prévu des conduits de raccordement verticaux qui relient le collecteur de sortie de chaque échelle au collecteur d'entrée de l'échelle immédiatement supérieure.