Brevet FR2476804A1 — publié le 19810828

Economiseur pour chaudière de chauffage central à circulation d'eau L'invention concerne un économiseur destiné à équiper une chaudière de chauffage central à circulation d'eau et de façon plus précise, un réchauffeur de l'eau de retour à la chaudière au moyen de la chaleur restant dans les gaz de combustion après leur sortie de ladite chaudière. Même dans le cas où les chaudières comportent des équipements dit "ers tels que des chicanes de circulation, des régulateurs automatiques de tirage, des réchauffeurs d'air primaire, etc., afin d'obtenir le meilleur rendement thermique possible aus différentes allures de marche, ledit rendement dépasse rarement 80 % et est, le plus souvent, inférieur à 76 t. I1 est question ici, bien entendu, du rendement du générateur proprement dit, sans tenir compte des déperditions de chaleur des locaux. Les pertes sont dues, dans l'ordre croissant de leur importance, aux imbrûlés, à l'émission de chaleur des parois de la chaudière dans l'ambiance et, pour. les 2/3, à la chaleur sensible des fumées. C'est uniquement le choix du constructeur en ce qui concerne le type de foyer et son mode d'alimentation, qui peut influer sur le taux des pertes par imbrûlés. Les pertes par rayonnement et convection à partir du corps de la chaudière peuvent être réduites par une jaquette calorifuge, si toutefois il ne s'agit pas d'une chaudière d'appartement placée dans une pièce à chauffer. En dehors de cette isolation éventuelle, le rendement thermique ne peut être amélioré qu'en diminuant la perte par chaleur sensible des fumées. Cette perte p est donnée, lorsque la perte par imbrûlés gazeux est faible, par la formule simplifiée p = 5500 (tf - ti) / a Q, dans laquelle t f est la température des fumées à l'entrée de la cheminée t. est la température de la chaufferie 1 2 a est le pourcentage en volume du gaz carbonique (C0 ) dans les fumées, et Q est le pouvoir calorifique inférieur du combustible utilisé. Avec un combustible donné, il faut donc, pour diminuer cette perte, augmentera et diminuer tf Le pourcentage a dépend de l'allure de marche et du moyen d'alimentation et, pour l'augmenter, l'usager ne peut que suivre le mieux possible les indications d'emploi indiquées par le constructeur. Le seul paramètre restant est alors tfr mais là encore, la tepérature des fumées à la sortie de la chaudière dépend du co:.b stible utilisé, du moyen d'alimentation et de l'allure de marche, et, par conséquent, dépend avant tout du choix du constructeur. Par contre, il est possible dedisposer, comme cela est courant pour les chaudières industrielles, entre la chaudière et l'entrée de la cheminée d'évacuation, un économiseur dans lequel est organisé un échange de chaleur entre les fumées et l'eau de retour à ladite chaudière. Toutefois, la température tf à l'entrée de la cheminée condition- f ne le tirage etla récupération de calories doit être limitée pour que la force ascensionnelle des fumées puisse vaincre les pertes de charges et ménage la dépression nécessaire à la buse de la chaudière (entre 10 et 20 pascals en général). Dans la très grande majorité des installations domestiques (hauteur de la cheminée comprise entre 5 et 30 mètres) un tirage suffisant est obtenu pour une température t f au moins égale à 1200 C, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à un extracteur mécanique, ni même à un aspirateur statique des fumées.Or, pres que-toujours, la température des fumées à la sortie de la chaudière est nettement supérieure à 1200 C et peut parfois atteindre 3500 C, notamment lorsque la chaudière, construite avec un foyer à combustible solide, a été transformée par adjonction d'un brûleur à combustible liquide ou gazeux. Une récupération de calories est donc possible. Il- faut encore que l'économiseur n'impose pas aux fumées un parcours trop sinueux et une section de passage trop faible, afin de ne pas entraîner une diminution inadmissible du tirage. L'invention fournit un économiseur du type dit "à contre-courant", peu couteux, simple, robuste et qui peut être monté sur toute installation existante de chauffage à circulation d'eau. En outre, comme il sera dit ci-après, cet économiseur n'exige pratiquement aucun entretien et aucun ramonage. L'économiseur selon l'invention est constitué par une enceinte disposée entre la chaudière et la cheminée, traversée de bas en haut par les fumées et à l'intérieur de laquelle est logée au moins un ser pentin métallique parcouru de haut vers lue bas par l'eau de retour à la chaudière. I1 est remarquable en ce que l'enceinte est constituée par une caisse cylindrique sensiblement verticale, dont chaque extrémité est raccordée au tronçon correspondant du conduit de fumées par une partie tronconique, que dans la partie tronconique inférieure est disposé un déflecteur ayant la structure d'un entonnoir dont la paroi évasée est sensiblement parallèle à celle de ladite partie tronconique et dont l'extrémité inférieure tubulaire, relativement courte, s'ega- ge dans le conduit de fumée et prés-ente un diamètre compris entre la moitié et les deux tiers de celui dudit conduit, et, qu'enfin, dans 1' enceinte, sont logés trois serpentins tubulaires hélicoidaux, coaxiux, de pas sensiblement égaux et dont les extrémités hautes et basses sont respectivement branchées sur une canalisation d'entrée et sur une canalisation de sortie qui traversent la paroi latérale de l'enceinte pour se raccorder à la canalisation de retour à la Chaudière, tandis qu '1:ne vanne est disposée à l'extérieur de l'enceinte sur chacune desdites canalisations d'entrée et de sortie et qu'une troisième vanne est disposée sur la canalisation de retour à la chaudière entre les deux points de raccordement. Cette disposition entraîne, à l'intérieur de l'enceinte, pour le courant des fumées, la formation de deux zones de plus forte densité, à savoir un courant cylindrique central qui lèche le serpentin inter leur de plus faible diamètre, et un courant à section annulaire qui lèche les deux serpentins extérieurs. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques appa- raîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure unique est une vue schématique de l'économiseur selon l'invention, avec arrachement partiel en haut et en bas et coupe diamétrale dans chaque arrachement. Sur le dessin, une chaudière (non représentée) de chauffage central à eau chaude comporte un circuit d'eau comprenant une canalisation de retour 10 et, de préférence, ce circuit d'eau est muni d'un accélérateur de circulation, non représenté comme étant indépendant de l'invention. Les fumées provenant de la chaudière sont dirigées par un conduit vers une cheminée. Le conduit des fumées est scindé en deux tronçons Ila et llb et entre ces tronçons est intercalé un économiseur 12 du type échangeur de chaleur à contre-courant. De façon classique, le tronçon lia, le plus voisin de la cSaudiè- re, est aussi court que les contraintes matérielles le permettent afin que l'économiseur soit alimenté avec des fumées les plus chaudes qu'il soit possible. De façon également connue, une dérivation 13 du tronçon llb, à la sortie de l'économiseur, peut conduire à un modérateur permettant d'établir un tirage auxiliaire. L'économiseur 12 est constitué par une caisse cylindrique 14, sensiblement verticale, dont chaque extrémité est raccordée au tronçon correspondant lia ou-llb du conduit de fumées par une partie tronconique inférieure 15 et supérieure 16. Dans le raccordement tronconique inférieur 15 est disposé un déflecteur 17 en forme d'entonnoir dont la paroi évasée est -sensiblement parallèle à celle du raccordement 15 et dont l'extrémité inférieure tubulaire s'engage dans le tronçon lia du conduit de fumée et présente un diamètre compris entre la moitié et les deux tiers de celui dudit tronçon. A l'intérieur de la caisse 14 sont loqés trois serpentins hélicol- daux 21, 22 et 23, coaxiaux, de PaS sensiblement-éqaux et dont lesex- trémités hautes et basses sont respectivement branchées sur une canalisation d'entrée 18 et sur une canalisation de sortie 19 qui traversent la paroi latérale de la caisse 14 pour se raccorder à la canalisation 10 de retour à la chaudière. Sur chacune des canalisations 18 et 19 est disposée une vanne 18a, respectivement 19a, et sur la canalisation 10, une vanne 10a est placée entre les raccordements des canalisations 18 et 19. Un purgeur d'air 20 est disposé au point le plus haut du circuit d'eau de l'économiseur, ici en-un point quelconque de la canalisation 18 qui est pratiquement horizontale. Dans la pratique, pour permettre d'effectuer aisément le montage ou le démontage de lféconomiseur, chacune des canalisations 18 et 19 est en deux parties, avec un raccordement par brides situé entre la caisse 14 et la vanne correspondante 18a ou 19a. La présence du déflecteur 17 empêche la formation d'un passage trop direct entre les tronçons lia et llb du conduit de fumées et crée dans la caisse 14, pour le courant des fumées, deux zones de plus forte densité, à savoir un flux cylindrique central qui baigne le serpentin central 21 et un flux à section annulaire qui lèche la paroi de la caisse 14 et baigne les deux serpentins extérieurs 22 et 23. On obtient ainsi l'échange maximal de chaleur puisque les dimensions relatives du conduit lla et du déflecteur 17 fait que le débit du flux central est au plus égal à la moitié du débit du flux périphérique. Bien entendu, les dimensions de la caisse 14 (hauteur et diamètre) doivent être fonction du diamètre du conduit de fumées et donc de la puissance de la chaudière. De même, le diamètre des tubes des serpentins seront adaptés au débit de l'eau de retour et par conséquent également à la puissance de la chaudière (tube de 10/12 pour une chaudière de 20 000 calories, tube de 16/18 pour une chaudière jusqu'à 50 000 c?- bries) Cependant, certaines proportions resteront sensiblement constantes. C'est ainsi que le pas de l'hélice formée par le tube de chaque serpentin est de l'ordre de deux fois le diamètre dudit tube de manière à avoir des spires serrées mais non jointives. La hauteur de la caisse 14 est, de préférence, de l'ordre de deux fois son diamètre.En prenant comme unité A le diamètre du conduit de fumées lla, qui dépend, comme il a été dit, de la puissance de la chaudière, le diamètre d'axe en axe du serpentin extérieur 23 sera égal à environ 1,5 A, celui du serpentin intermédiaire 22 environ A, et celui du serpentin central 21, un peu supérieur à 0,5 A, c'est-à-dire d'après ce qui a été dit ci-avant, de l'ordre de grandeur du diamètre de la partie cylindrique du déflecteur 17. Les vannes prévues sur les canalisations d'eau permettent une mise en service aisée. La vanne haute 18a étant fermée et la vanne centrale lOa ouverte, on ouvre la vanne basse 19a puis on purge l'air en ouvrant le purgeur 20. Après la purge, on ferme la vanne centrale et on ouvre la vanne haute 18a pour établir le circuit par l'économiseur. On peut ainsi prévoir un purgeur automatique à la place du purgeur manuel 20. I1 est avantageux de prendre des tubes de cuivre pour les serpentins et de prévoir un tronçon Ila en té, comme représenté sur le dessin, fermé en partie basse un tempon 24. En effet, les serpentins sont soumis à des variations continues de température et le fort coefficient de dilatation de cuivre entraîne un auto-ramonage, la suie se détachant d' elle-même et tombant dans la boite à suie ainsi constituée. Bien entendu, si nécessaire, la caisse 14 et le tronçon de conduit lla peuvent être calorifugés. REVENDICATIONS 1) Economiseur pour chaudière de chauffage central à circulation d'eau, du type échangeur de chaleur à contre-courant entre les fumées et l'eau de retour à la chaudière, constitué par une enceinte disposée entre la chaudière et la cheminée, traversée de bas en haut par les fumées et à l'intérieur de laquelle est logé au moins un serpentin métallique parcouru du haut vers le bas par l'eau de retour à la chaudière, caractérisé en ce que l'enceinte est constituée par une caisse cylindrique (14) sensiblement verticale, dont chaque extrémité est raccordée au tronçon correspondant (lla, llb) du conduit de fumées par une partie tronconique, que dans la partie tronconique inférieure (15) est disposé un déflecteur (17) ayant la structure d'un entonnoir dont la paroi évasée est sensiblement parallèle à celle de ladite partie tronconique (15) et dont l'extrémité inférieure tubulaire, relativement courte, s'engage dans le conduit de fumées et présente un diamètre compris entre la moitié et les deux tiers de celui dudit conduit, et, qu' enfin, dans enceinte, sont logés trois serpentins (21, 22, 23) tubulaires hélicoidaux coaxiaux, de pas sensiblement égaux et dont les extrémités hautes et basses sont respectivement branchées sur une canalisation d'entrée (18) et sur une canalisation de sortie (19) qui traversent la paroi latérale de l'enceinte pour se raccorder à la canalisation (10) de retour à la chaudière, tandis qu'une vanne (18a, l9a) est disposée à l'extérieur de l'enceinte sur chacune desdites canalisations d'entrée et de sortie et qu'une troisième vanne (lOa) est disposée sur la canalisation (10) de retour à la chaudière entre les deux points de raccordement. 2) Economiseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1' hélice formée par le tube de chaque serpentin (21, 22, 23), a un pas qui est de l'ordre de deux fois le diamètre dudit tube de façon à avoir des spires serrées mais non jointives. 3) Economiseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les serpentins (21, 22, 23) sont en cuivre et que le tronçon inférieur (lla) du conduit de fumées est en té de manière à former en partie basse une boîte à suie d'axe vertical. 4) Economiseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la caisse (14) à une hauteur de l'ordre de deux fois son diamètre et que, si le diamètre du conduit de fumées (lla) est égal à A, les diamètres des serpentins mesurés à l'axe des tubes sont d'environ 0,5 A, A et 1,5 A.