Brevet FR2462684A1 — publié le 19810213

ta présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur du type utilisé pour obtenir un transfert calorifique entre deux fluides en circulation à contre-courant sans contact de ces fluides entre eux, l'un de ces fluides étant gazeux. On connait des échangeurs dans lesquels un circuit de tubes est solidaire d'une paroi commune en contact avec eux, cette paroi etant fermée pour réaliser une enceinte de forme ronde ou rectangulaire qui constitue le corps de chauffe bien connu des appareils du genre chauffe-eau ou chauffe-bains à gaz. Dans ces appareils classiques on sait que la combustion du gaz, produit de la vapeur d'eau qui s'évacue par la cheminée en pure perte avec les produits de combustion. Cette perte qui est égale à la chaleur latente de condensation ou de vaporisation de la vapeur d'eau peut représenter 10 % du pouvoir calorifique du gaz. Pour récupérer ces calories perdues, il faudrait pouvoir condenser cette vapeur; c'est ce qui est réalise dans les chaudières dites à condensation. Les échangeurs mentionnés plus haut ne peuvent assurer cette mission car l'eau circulant dans les tubes est à une temperature supérieure à la temperature dite de rosée ctest- -dire que la vapeur d'eau ne peut pas se condenser. Pour obtenir ce résultat il faut donc que la température de l'eau admise à l'entrée de l'échangeur soit à une température inferieure a la température de rosee, c'est- -dire préférentiellement à contre-courant des gaz de combustion. Le cheminement particulier des gaz dans un échangeur de ce type comportant un réseau de tubes d'eau doit donc être réalisé en consequence. On connait à cet effet notamment un type d'échangeur obtenu à partir d'une plaque en alliage d'aluminium ou en alliage inoxydable portant un réseau de tubes d'eau, plaque qui est conformée en forme de spirale pour que le cheminement des gaz chauds émis au centre se fasse en suivant cette spirale jusqu'à la sortie de l'échangeur.Mais le prix de revient de ce type d'échangeur est elevé du fait de la nécessité, pour que le fluide gazeux circule perpendiculairement aux tubes d'eau et que les surfaces d'echange soient plus importantes, de disposer au moins une partie de ces tubes d'eau parallèlement à l'axe de la spirale et de prévoir par conséquent des tubes collecteurs perpendiculaires à eux, ce qui présente des difficultés de realisation. En outre, au diametre intérieur minimum de ce type d'é- changeur imposé par les dimensions du brûleur qu'il doit renfermer s'ajoute un écartement suffisant entre les spires pour le passage des produits de combustion, ce qui aboutit à un echangeur trop volumineux par rapport à la puissance thermique obtenue.Enfin dans ce type d'échangeur les gaz de combustion émis radialement par le brûleur de revolution viennent en butee contre la première paroi spirale de l'échangeur et doivent alors s'échapper de la chambre de combustion en cheminant dans toute la spirale de l'échangeur perpendiculairement à son axe, ce qui crée immanquablement des pertes de charges importantes difficilement acceptables.En outre le phénomène de condensation s'effectue essentiellement à la sortie de ces gaz c'est-à-dire d'un seul côte de l'échangeur, ce qui pose aussi des problèmes de récupération. On peut noter que les inconvénients de ce type d'échangeur à serpentin sont dûs à une sorte d'incompatibi- lité entre la fourniture radiale de gaz de combustion par un brûleur du type cylindrique de révolution et d'échange thermique par une surface et selon un cheminement gazeux essentiellement dissymétrique. En vue d'eviter ces inconvénients et pour atteindre des performances thermiques élevées dans un échangeur compact ainsi que diminuer notablement la prix de revient, l'invention propose un echangeur de chaleur, du type spirale connu en soi, mais dans lequel entre la spire intérieure suffisamment dimensionnée pour recevoir le brûleur, et la spire extérieure, l'espacement des spires intermediaires est réduit au minimum, échangeur dans lequel les gaz de combustion ne cheminent pas dans le serpentin mais le traversent radialement dans le sens de leur émission. En outre dans ledit échangeur la disposition des tubes d'eau perpendiculairement à l'axe de la spirale facilite la réalisation de l'enroulement. Selon une caractéristique principale de l'invention, des ouvertures sont prévues dans la paroi developpante de l'échangeur entre les tubes d'eau et sont disposees de telle sorte que lors de la conformation de ladite paroi en spirale les ouvertures de deux spires successives soient decalées et qu'ainsi le passage des gaz de combustion provenant du brûleur central s'effectue radialement au travers des parois avec des impacts successifs sur chacune des parois spirales. Selon une caractéristique particulière de l'invention le parcours des gaz dans l'échangeur à travers les ouvertures des parois, s'effectue autour des tubes d'eau disposés en quinconce par le fait qu'entre leur collecteur d'entrée et leur collecteur de sortie les tubes d'eau sont conformés sur la paroi développable pour être justement en quinconce entre spires voisines lors de l'enroulement en spirale de lBechangeur. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris a titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés qui représentent - figure 1 : une vue en perspective partiellement écorchée de l'e changeur, - figure 2 : une vue en plan de la surface développable à partir de laquelle est obtenu l'échangeur, - figure 3 : une vue en coupe verticale selon la ligne AA' de la figure 1. L'échangeur représenté à la figure 1 est essentiellement constitué d'une paroi 1 conformée en spirale qui porte un réseau de tubes d'eau 2 sensiblement horizontaux qui suivent la spirale et sont en communication à une de leurs extrémités avec un tube vertical 3 constituant le collecteur d'entree d'eau, et a l'autre de leurs extrémités avec un autre tube vertical 4 constituant le collecteur de sortie d'eau chaude. Dans le cas représenté l'échangeur s'étend sur quatre tours de spirale et la spirale interne délimite la chambre de combustion (5) de la chaudière à l'intérieur de laquelle est disposé un brûleur cylindrique non représenté. Des couvercles 6 sont prévus à la partie superieure et à la partie inferieure pour obturer 1 'échangeur jusqu'à la spirale externe. Cette spirale est obtenue a partir d'une paroi développable 1 repré sentée à la figure 2 sous une forme simplifiée. Cette paroi porte à chaque extremite latérale un tube collecteur (3, 4) entre lesquels est dispose le réseau de tubes parallèles sensiblement horizontaux 2. Selon un mode de réalisation connu en soi, l'assemblage des tubes à la paroi s'effectue de la façon suivante : on soude partiellement ensemble et face contre face, deux tôles en alliage d'aluminium ou en alliage inoxydable, et en laissant des bandes non soudées. Grâce à un gonflage par des moyens appropriés aux endroits non soudés, on obtient des zones longitudinales tubulaires qui constituent les tubes 2.Ce procéde connu en soi est particulièrement approprié pour mettre en oeuvre la présente invention, mais il va de soi que tout autre mode de réalisation des tubes d'eau, ou de fixation des tubes d'eau sur la paroi peut être utilisé pour constituer l'échangeur sans sortie du cadre de l'invention. Entre les tubes d'eau 2 la paroi 1 est percée d'ouvertures 7 reparties de telle sorte que lors de la conformation en spirale les ouvertures de deux spires successives soient décalées les unes par rapport aux autres. Les gaz de combustion émis latéralement par le brûleur central, tout autour de lui et sur toute sa hauteur traversent donc, dans le sens de leur emission les quatre parois constituant les quatres spirales de l'échangeur, par ces ouvertures. Du fait du décalage de ces ouvertures il y a sur chaque paroi impact du flux gazeux et donc une augmentation de la turbulence de ces gaz et amelioration de l'échange thermique. On peut encore, pour rendre plus efficace le transfert de chaleur à la paroi développable, faire varier sensiblement la section de passage des gaz de combustion à travers les parois spirales successives en utilisant selon les niveaux ou les sections des ouvertures de nombre et/ou de diamètre différents. On notera aussi qu'entre la spire intérieure suffisamment dimensionnée pour recevoir le brûleur et la spire extérieure, l'espacement des spires intermédiaire est réduit au minimum. Pour améliorer encore les échanges thermiques on cherche à obtenir une disposition des tubes d'eau 2 en quinconce selon chacune des parois spirales pour que le flux gazeux passant par les ouvertures contourne les tubes d'eau. La coupe de la figure 3 illustre cette disposition. Une telle répartition en quinconce de ces tubes est obtenue à partir d'une configuration particulière (par exemple avec des décrochements) des tubes d'eau parallèles et sensiblement horizontaux, ou de façon plus simple si les tubes 2 sont inclinés d'un petit angle a par rapport à l'axe longitudinal d'enroulement BB' comme on le voit à la figure 2. Dans l'échangeur illustré à la figure 1, l'eau de retour du circuit de chauffage, à 400C par exemple, circule dans le réseau de tubes à contre-courant des gaz en pénétrant par le collecteur 3 du côté de la sortie des gaz de combustion sur la paroi de la spirale extérieure et en sortant par le collecteur 4 vers le depart du circuit de chauffage à 600C par exemple dans la zone d'entrée des gaz de combustion. On peut donc atteindre le point de rosée des gaz de combustion pour la combustion des gaz naturels dans la zone d'echange thermique des spirales externes de l'échangeur à une température voisine de la température de retour du circuit chauffe et on peut donc fonctionne avec une condensation partielle de la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion. L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit mais en englobe egalewent toutes les variantes. REVENDICATIONS 10/ Echangeur de chaleur à deux fluides dont un gazeux circulant à contre-courant, comportant un réseau de tubes pour la circu lation du fluide liquide, lesdits tubes étant thermiquement solidaires d'une paroi commune de forme developpable et en contact avec elle par leurs generatrices, ladite paroi etant conformée en spirale d'au moins deux spires à partir d'une spire interne de diametre suffisant pour constituer une en ceinte renfermant un brûleur à echappement radial des gaz de combustion caractérisé par le fait que pour le passage des gaz de combustion radialement ét perpendiculairement à la paroi developpable 1, des ouvertures 7 sont prévues dans cette paroi développable entre un réseau de tubes d'eau 2 sensiblement hori zontaux qui suivent la spirale et sont en communication avec un collecteur d'entrée 3 et un collecteur de sortie d'eau 4. 20/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracterise par le fait que les ouvertures 7 sont décalées entre deux spires successives pour que le passage radial des gaz de combustion à travers les parois 1 s'effectue avec des impacts successifs sur chacune des parois spirales suivant un circuit en chicanes. 30/ Echangeur selon la revendication 1, caractérise par le fait que les tubes d'eau 2 des spires voisines présentent dans un plan vertical une disposition en quinconce pour que les gaz de com bustion contournent ces tubes d'eau. 40/ Echangeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la disposition en quinconce est obtenue à partir d'un réseau de tubes d'eau présentant une legere inclinaison a par rapport à l'axe BB' d'enroulement de la surface développable. 50/ Echangeur selon la revendication 1, caracterise par le fait que entre la spire intérieure suffisamment dimensionnée pour rece voir le brûleur et la spire extérieure, l'espacement des spires intermédiaires est réduit au minimum.