Brevet FR2461197A1 — publié le 19810130

- 2461197 La présente invention concerne un procédé de récupération de chaleur dans des fumées, au niveau du conduit d'évacuation desdites fumées, et applicable, notamment, à la récupération de chaleur dans des installations de chauffage domestiques. Ltin- vention couvre en outre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. On a déjà proposé d'insérer sur un conduit d'évacuation de fumées un circuit de dérivation comportant un échangeur de chaleur convenable. Toutefois, lorsque le circuit de récupéra- tion de chaleur est raccordé au réseau d'évacuation des fumées par tirage naturel sans autre précaution que la mise en place de moyens destinés à rejeter les fumées refroidies à grande vitesse et en direction de l'extérieur dans ledit réseau, les débits de fumées évacuées et les débits de fumées dérivées vers les instal- lations de récupération de chaleur dépendent étroitement: - des pertes de charge du réseau d'évacuation des fumées, - du tirage thermique, et - du tirage dé aux effets du vent. Si la résistance du réseau est importante et que le tirage naturel est faible, il y a recyclage d'une fraction des fumées dans le circuit de récupération 9 le débit de fumées évacuées est alors réduit, ce qui peut porter préjudice au fonctionnement de la chaudière. Si la résistance du réseau est faible, ou si le tirage naturel est important, les fumées refroidies qui sont rejetées entra nent par induction une quantité de gaz chaud sup- plémentaire inutile, dont l'énergie n'est pas récupérée. Pour limiter l'influence des pertes de charge différentes des réseaux à équiper, il est possible, pour un débit de fumées déterminé à évacuer, de prévoir des moyens permettant d'adapter la vitesse et l'orientation des flux refroidis rejetés dans ces réseaux aux caractéristiques de ces derniers. Mais les pertes de charge de tels réseaux sont mal connues des installateurs qui ne peuvent alors qu'effectuer des réglages peu précis. De plus, l'influence du tirage naturel n'est pas corrigée. Pour éviter le recyclage ou l'induction mentionnés ci- dessus, il est possible de disposer une vanne dans le réseau d'évacuation entre l'entrée et la sortie du circuit dérivé de récupération. Cette vanne doit être asservie au ventilateur de 2 2461197 circulation normalement disposé dans le circuit de récupéra- tion pour obturer localement le réseau d'évacuation lorsque ce ventilateur est en fonctionnement et pour s'ouvrir et opposer peu de résistance au tirage naturel lorsque le ventilateur est à l'arrêt. Une telle solution est coûteuse et elle implique, en outre, des dispositifs de sécurité pour pallier des défauts éven- tuels de l'asservissement de la vanne au ventilateur qui peuvent avoir des conséquences graves lorsque l'on évacue des gaz brû- lés de chaudières. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé et un dispositif permettant d'équiper un réseau conçu pour l'évacuation de fumées par tirage naturel, et dans lequel la résistance-la plus minime est opposée à l'éva- cuation des fumées par tirage naturel, hors fonctionnement du ven- tilateur de circulation. Conformément.au procédé selon l'invention, applicable à une installation comprenant un circuit de récupération muni d'un échangeur de chaleur et d'un ventilateur de circulation et disposé en dérivation sur un conduit de tirage naturel,on forme dans ledit conduit un barrage s'opposant au retour de fumées re- froidies vers l'entrée du circuit de récupération en fonction- nement ou au passage direct de fumées chaudes évitant ledit cir- cuit, en prélevant au moins une fraction du flux refroidi issu du circuit de récupération et en projetant ce flux à vitesse élevée selon une veine transversale au conduit de tirage, puis l'on oriente et l'on rejette vers la sortie dudit conduit le flux ainsi projeté, tout en opposant une résistance négligeable à l'é- vacuation des fumées par tirage naturel lorsque ledit circuit de récupération n'est pas en fonctionnement. Pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, le dispo- sitif selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend une buse d'éjection de gaz refroidis disposée à la sortie du circuit de récupération, à sa jonction avec le con- duit de tirage naturel, une série de canaux transversaux audit conduit et ménagés à travers des aubes profilées du point de vue aérodynamique et disposées d'une façon sensiblement longitudi- nale dans ledit conduit de tirage, ainsi qu'un collecteur d'éva- cuation des gaz refroidis issus de ladite buse vers la sortie 3 2461197 du conduit de tirage. Selon d'autres caractéristiques: - le collecteur d'évacuation des gaz refroidis issus de la buse d'éjection comporte un pavillon d'entrée dont le col est prolongé par une conduite divergente débouchant dans le conduit de tirage en aval des aubes disposées dans ce dernier; - les canaux transversaux et le col d'entrée du collecteur d'évacuation sont alignés selon la direction de la sortie de la buse d'éjection; - - la valeur de la section de passage des canaux transver- saux est sensiblement égale à celles de la sortie de la buse dté- jection et du col du collecteur, tandis que la forme de ladite sec- tion de passage des canaux transversaux est sensiblement identi- queà celle deladite sortie de la buse d'éjection et éventuelle- ment à celle dudit col du collecteur, - la distance séparant deux canaux transversaux successifs alignés correspond au maximum à 1,5 fois l'épaisseur de la veine transversale de gaz issue de la buse d'éjection. D'autres caractéristiques et avantages de la présente in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente le schéma général de l'installation d'un circuit de récupération de chaleur sur un conduit de tirage naturel; les figures 2 à 5 représentent des vues schématiques illus- trant les phénomènes intervenant dans la circulation des fumées dans une installation selon la figure 1; et les figures 6 à 8 représentent respectivement des vues sché- matiques de trois formes de réalisation possibles d'un dispositif selon l'invention. Sur ces dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments. En se référant aux figures 1 à 5, un conduit 1 de tirage naturel comprend une partie amont 2 reliée à une chaudière et une partie aval 3 formant sortie des fumées, et un circuit de récupé- ration de chaleur de référence générale 4, monté en parallèle ou en dérivation par rapport au conduit principal 1. Le circuit 4 comporte un échangeur de chaleur convenable 5, ainsi qu'un ven- tilateur de circulation 6. Selon cette disposition, la circulation des fumées s'effectue par tirage thermique naturel selon les flè- ches Fl et par circulation forcée selon les flèches F2, le venti- lateur 6 dérivant les fumées vers l'échangeur 5 et les rejetant vers la sortie 3 par ltintermédiaire du conduit 1 après récupé- ration de leur chaleur. Or, lorsque le ventilateur est à l'arrêt, soit du fait d'une panne, soit parce que la chaleur récupérable ne correspond pas temporairement à des besoins, le dispositif doit opposer peu de résistance dans le réseau qu'il équipe pour qu'il permette l'évacuation des fumées par tirage naturel. Comme mentionné plus haut, si la -résistance est importante et le tirage naturel faible, il y a recyclage d'une fraction F3 (figure 2) des fumées. Si la résistance est faible ou le tirage naturel important, les fumées refroidies entraînent une fraction F4 (figure 3) de gaz chaud par induction. On peut concevoir le fait d'adapter la vitesse et ltorien- tation des flux refroidis aux caractéristiques de pertes de char- ge du réseau, au moyen par exemple d'un volet articulé 7 régla- ble par un organe extérieur 8 (figure 4), mais ltinfluence-du ti- rage naturel n'est pas corrigée. Par ailleurs, pour éviter le recyclage ou ltinduction, on peut également concevoir de disposer une vanne 9 (figure 5) par exemple du type papillon, dans le conduit principal 1 entre lten- trée et la sortie du circuit 4. Cette disposition est cependant inacceptable pour des raisons évidentes de sécurité. Conformément à l'invention, des moyens constitués par des aménagements fixes opposant peu de résistance au tirage naturel sont disposés dansle réseau d'évacuation des fumées pour contrain- dre une fraction ou la totalité du flux refroidi issu du circuit de récupération à franchir transversalement à grande vitesse le réseau d'évacuation avant d'être orienté et rejeté vers ltexté- rieur par son intermédiaire. Ce flux transversal forme alors un barrage qui s'oppose au retour vers.l'amont de fumées refroidies, donc au recyclage et à l'entra nement de gaz chauds par induction du courant rejeté en aval. Lorsque le ventilateur du circuit de récupération est à l'arrêt, ce barrage aérodynamique disparaît et ltévacuation des fumées peut être assurée par tirage naturel. En se référant à la figure 6, selon le mode de réalisation le plus simple, un dispositif conforme à l'invention comporte un tron- çon de canalisation principal 10 destiné à être incorporé dans un réseau ou conduit 1 conçu pour l'évacuation de fumées par tirage naturel sur lequel sont greffés des branchements amont 11 et aval 12 pour le raccordement en parallèle ou en dérivation d'un circuit de récupération de chaleur avec ventilateur. Les aménagements associés au branchement aval 12 destiné au retour dans le réseau d'évacuation des fumées dérivées vers le cir- cuit de récupération comprennent: - une buse d'éjection 13 débouchant du branchement ou con- duit aval 12 dans le tronçon 10, qui contraint une fraction ou la totalité des fumées refroidies F2 à être projetées à grande vitesse dans le tronçon de canalisation principal 10 en y formant à leur sortie une veine transversale F5; - une série de canaux transversaux 14 alignés selon la di- rection du flux issu de la buse d'éjection, réservant des passages pour ce flux et dont les sections transversales sont sensiblement identiques à la section deesortie de la buse d'éjection, lesdits canaux étant ménagés en travers d'aubes 15a-15b disposées longi- tudinalement dans le tronçon principal 10; - un collecteur d'évacuation 16 présentant une forme con- vergente-divergente selon le sens d'écoulement des fumées et comportant un pavillon d'entrée 17 formant un convergent, un col intermédiaire 18 et un diffuseur 19 formant un divergent et débou- chant dans le tronçon principal 10 en aval du jeu d'aubes 15a-15b. Le col 18 forme évidemment la partie commune de section la plus étroite entre le pavillon d'entrée convergent 17 et le dif- fuseur de sortie divergent 19 et, selon une particularité de l'in- vention, ce col 18 est en alignement avec la buse d'éjection 13 et avec les canaux transversaux 14 ménagés à travers les aubes lon- gitudinales 15a-15b. En outre, la valeur de la section de passage des canaux transversaux 14 est sensiblement égale à celles de la sortie de la buse d'éjection 13 et du col 18 du collecteur d'é- 2461 197 vacuation 16 et la forme de ladite section de passage des canaux transversaux 14 est sensiblement identique à celle de ladite sortie de la buse d'éjection 13 et éventuellement à celle dudit col 18 du collecteur 16. Pour que les fumées puissent être évacuées par tirage na- turel lorsque le ventilateur du circuit de récupération de chaleur est à l'arrêt, les aubes 15a-15b sont profilées du point de vue aérodynamique de manière à ménager dans le tronçon de conduit prin- cipal des canaux longitudinaux 20 parallèles dont les sections de passage progressivement convergentes (entre les côtés amont 15a) puis divergentes (entre les côtés aval 15b) opposent peu de ré- sistance au passage des gaz. Lorsquele ventilateur du circuit de récupération est en fonc- tionnement et que son débit est adapté aux fumées à évacuer,pour limiter le recyclage de fumées à travers le circuit de récupé- ration ou l'induction et ltévacuation directe de fumées dont l'énergie n'est pas récupérée à des débits inférieurs à 10 % des débits de fumées à évacuer, il convient de respecter les règles approximatives suivantes (a) la section de sortie de la buse dtéjection 13 doit être suffisamment réduite pour que'les gaz qui en sortent aient une pression dynamique réglée à une valeur supérieure à environ quatre fois les pertes-de charge du réseau total d'évacuation; (b) la distance séparant deux canaux transversaux successifs 14 ne doit pas être supérieure à 1,5 fois l'épaisseur de la veine transversale F5 de gaz à la sortie de la buse d'éjection 13; (c) les pertes de charge opposées par l'ensemble du collec- teur d'évacuation 16 doivent être inférieures à 0,5 fois la pres- sion dynamique en sortie de la buse d'éjection 13 et les gaz sont rejetés en aval des aubes dans le tronçon principal 10 à une vitesse inférieure à 0,5 fois la vitesse ensortie de la buse d'éjection 13. Le tronçon de canalisation principal 10 présente une section carrée et ses extrémités comportent des-embouts pour le raccor- dement à un réseau de conduits cylindriques. Sur l'une de ses parois latérales sont greffés d'une part un branchement amont 21 pour dériver les fumées vers un circuit de récupération, d'autre part un branchement aval 22 pour le retour de ces fumées refroidies vers le réseau d'évacuation. La buse d'éjection 13 est disposée dans le branchement aval 22; sa sortie ménage à travers toute la largeur de la paroi une fente transversale pour le passage des fumées. Plusieurs aubes identiques sont disposées longitudinalement dans le conduit 10, ces aubes étant découpées localement pour ménager les canaux transversaux 14, en alignement avec la sortie de la buse 13, dont les sections sont identiques à celles de ladite sor- tie. Sur la paroi opposée, est greffé le collecteur d'évacuation 16 dont le col 18 du pavillon d'entrée 17 est relié à un diffuseur de sortie 19, progressivement divergent, débouchant dans le tron- çon 10 en aval des aubes 15a-15b et comportant une partie coudée munie intérieurement d'ailettes directrices 23. Lorsque le ventilateur du circuit de récupération de cha- leur est à l'arrêt, les fumées évacuées par tirage naturel emprun- tent l'itinéraire Fl2 les aubes profilées opposant peu de ré- sistance à leur passage et leur présence ayant peu d'influence sur le débit. Lorsque le ventilateur du circuit de récupération de cha- leur est en fonctionnement, les fumées empruntent l'itinéraire-F2. Pour que le flux F5 coupant transversalement le conduit 10 s'oppose à la fois au recyclage de fumées du branchement 22 vers le branche- ment 21 et au passage direct de fumées évitant le circuit 4 et induites par celles issues du branchement 22, il y a lieu de res- pecter au mieux les conditions suivantes: - la section de la sortie de la buse 13 doit être suffisam- ment faible pour que les fumées soient éjectées à grande vitesse avec une pression dynamique supérieure à quatre fois les pertes de charge du réseau d'évacuation; - les veines libres entre les aubes 15a-15b et entre ces dernières et les parois du tronçon 10 doivent avoir une largeur inférieure à 1,5 fois l'épaisseur des canaux longitudinaux 20. Les fumées conservent ainsi leur vitesse et forment un barrage efficace; - le collecteur d'évacuation coudé 16 avec ses ailettes di- rectrices associées 23 oppose peu de résistance au rejet des fu- nées dans le tronçon 10 en aval des aubes pour ne pas favoriser des débordements de la veine à grande vitesse entre les canaux - la section de sortie du diffuseur 19 du collecteur d'éva- cuation coudé 16 est au moins deux fois plus importante que celle du col 18. En se référant à la figure 7, un dispositif selon l'invention peut avantageusement remplacer un coude à angle droit; si la section de passage pour les fumées évacuées par tirage naturel est plus faibles, le guidage de ces fumées qui changent de direction est mieux assuré et les pertes de charge ne sont pas plus fortes. Selon cette forme de réalisation, le dispositif est compris dans un coude de référence générale 24 et comporte, comme dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, un branchement amont 21, un branchement aval 22 muni d'une buse d'éjection 13 et formant un canal 14 de circulation de la veine F5 qui est sensiblement transversal par rapport à au moins une aube 25a-25b profilée du point de vue aérodynamique. Cette aube étant disposée dans le coude proprement dit, sa partie aval 25b présente une direction générale courbe incluse dans ledit coude et assurant une fonction directrice pour les fumées FI lorsqu'elles sont évacuées par tirage naturel. Un collecteur d'évacuation 26 est alors disposé en alignement avec la sortie de la buse 13 et la branche aval 27 du coude. Ce collec- teur dtévacuation 26 permet ainsi de canaliser en outre une frac- tion des fumées Fl en tirage naturel et de réduire les pertes de charge. Sur la forme de réalisation représentée sur la figure 7, les canaux 20 disposés de part et d'autre de l'aube profilée sont eux-mêmes délimités par des parois arrondies convenables 28 et 29. En se référant à la figure 8, on peut améliorer l'effi- cacité du dispositif selon l'invention, à partir par exemple de la forme de réalisation représentée sur la figure 6, en effectuant un recyclage partiel de la veine issue de la buse d'éjection 13. A cet effet, le pavillon d'entrée 17 du collecteur est prolongé, à partir du col 18, par un conduit de recyclage 30 dont la sortie 31 débouche en amont du ventilateur 6, un conduit d'évacuation 32 des fumées refroidies P6 ayant une première extrémité disposée entre le ventilateur 6 et la buse 13 et une seconde extrémité débouchant dans le conduit général 1. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décri- te et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toute modification dans le domaine des équi- valences techniques sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de récupération de chaleur dans des fumées, au niveau du conduit d'évacuation desdites fumées et par l'intermé- diaire d'un circuit de récupération muni d'un échangeur de cha- leur et d'un ventilateur de circulation et disposé en dérivation sur un conduit de tirage naturel, caractérisé par le fait qu'on forme dans ledit conduit un barrage s'opposant au retour de fumées refroidies vers l'entrée du circuit de récupération en fonction- nement ou au passage direct des fumées chaudes évitant ledit cir- cuit, en prélevant au moins une fraction du flux refroidi issu du circuit de récupération et en projetant ce flux à vitesse éle- vée selon une veine transversale au conduit de tirage, puis qu'on oriente et qu'on rejette vers la sortie dudit conduit le flux ainsi projeté, tout en opposant une résistance négligeable à l'évacua- tion des fumées par tirage naturel lorsque ledit circuit de récu- pération n'est pas en fonctionnement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on règle la pression dynamique de la veine transversale à une valeur supérieure à environ quatre fois les pertes de charge du réseau total d'évacuation. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté- risé par le fait qu'on effectue un recyclage d'une fraction des gaz de la veine transversale. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend une buse d'éjection de gaz refroidis disposée à la sortie du circuit de récupération, à sa jonction avec le conduit de tirage naturel, une série de canaux transversaux audit conduit et ménagés à travers des aubes profilées du point de vue aérodynamique et dis- posées d'une façon sensiblement longitudinale dans ledit conduit de tirage, ainsi qu'un collecteur d'évacuation des gaz refroidis issus de ladite buse vers la sortie du conduit de tirage, compor- tant un pavillon d'entrée.dont le col est en alignement avec la buse d'éjection et les canaux transversaux. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la valeur de la section de passage des canaux transversaux est sensiblement égale à celles de la sortie de la buse d'éjection h1 2 4 6 1 1 9 7 et du col du collecteur d'évacuation et que la forme de ladite section de passage des canaux transversaux est sensiblement identique à celle de ladite sortie delabuse d'éjection et éven- tuellement à celle dudit col du collecteur. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, ca- ractérisé par le fait que la distance séparant deux canaux transversaux successifs alignés correspond au maximum à 1,5 fois l'épaisseur de la veine transversale de gaz issue de la buse d'éjection. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que le collecteur d'évacuation des gaz refroidis issus de la buse d'éjection présente à sa sortie la forme d'un divergent. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que l'ensemble du collecteur d'é- vacuation est tel que les pertes de charge qu'il oppose sont in- férieures à 0,5 fois la pression dynamique en sortie de la bu- se d'éjection, et que les gaz sont rejetés dans le conduit de tirage en aval des aubes à une vitesse inférieure à 0,5 fois la vitesse en sortie de ladite buse. 9e Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait qu'il est compris dans un coude du conduit de tirage, la partie profilée des aubes étant cour- be, et que le collecteur d'évacuation est en alignement avec la branche aval dudit coude. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un conduit de recyclage partiel des gaz éjectés, débouchant en amont du venti- lateur,et un conduit d'évacuation dont une première extrémité est disposée entre ledit ventilateur et la buse d'éjection et une seconde extrémité débouche dans le conduit général.