Brevet FR2487956A1 — publié le 19820205

- 1 - La présente invention se rapporte tout particulièrement mais non exclusivement aux chaudières domestiques de chauffage central à eau chaude par le gaz du type étanche à tirage forcé. Elle a pour objet un nouveau corps de chauffe échangeur qui permet de faire fonctionner lesdites chaudières avec une récupération partielle ou totale des calories contenues dans la vapeur d'eau produite par la condensation du gaz. En effet, on sait que lors de la combustion d'un gaz contenant du carbone et de l'hydrogène ce qui est le cas de presque tous les gaz combustibles, l'hydrogène se combine avec l'oxygène de l'air pour produire de la vapeur d'eau. Dans les chaudières équipées de corps de chauffe classiques, cette vapeur d'eau est évacuée par la cheminée en pure perte avec les produits de combustion à une température généralement comprise en- tre 110 et 2500C, cette perte qui est au moins égale à la chaleur latente de condensation ou de vaporisation de la vapeur d'eau re- présente environ 10 % du pouvoir calorifique du gaz. Pour récupé- rer ces calories perdues, il faut pouvoir condenser cette vapeur, c'est ce qui est réalisé dans les chaudières dites à condensation. Malheureusement, pour pouvoir condenser la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion, il faut pouvoir les refroidir au contact d'une paroi d'échange thermique à une température inférieu- re à la température dite de rosée qui se situe en général autour de 551C. Cela veut dire qu'on ne pourra jamais condenser cette vapeur d'eau si l'eau de chauffage circulant dans la chaudière est à une température supérieure à la température du point de rosée des produits de combustion qui dans la pratique, se situe autour de 550C, ou si les surfaces d'échange en contact avec les produits de combustion sont elles-même à une température supérieure à celle-ci. C'est pourquoi sur la plupart des chaudières à condensation connues, l'eau du circuit à chauffer est mise en contact direct avec les pro- duits de combustion en utilisant soit une pulvérisation de l'eau à travers les produits de combustion, soit le principe du brûleur sub- merge, soit le principe du lit fluidisé ou encore le principe du ruis- selement de l'eau sur des plateaux. - 2 - Mais dans toutes ces chaudières, il n'existe pas de séparation physique entre les produits de combustion et le circuit d'eau pri- maire. De plus, il est nécessaire de prévoir un échangeur entre le circuit primaire et le circuit secondaire, en raison de l'agres- sivité élevée de l'eau du circuit primaire en contact direct avec les produits de combustion. Par ailleurs, le contact direct eau- produits de combustion présente des inconvénients. Tout d'abord- il limite l'emploi de ce type de générateur par exemple au chauf- gade de l'eau de bassins ou de piscines car la température de sortie de l'eau est relativement basse et au cours de ce contact, l'eau s'acidifie par dissolution du gaz carbonique qui donne nais- sance à de l'acide carbonique ce qui diminue la longévité des appareils. Par ailleurs, on connait des chaudières à condensation dans les- quelles il existe une séparation physique entre l'eau et les pro- duits de combustion. La condensation apparait, par suite des carac- téristiques exceptionnelles de l'échangeur, dès que la température de l'eau de retour de la chaudière est inférieure à 500C. Cet échan- geur peut être du type à volute ou constitué par des nappes de tubes en cuivre lisses ou munies d'ailettes extrudées dans la masse. Mais ce type d'échangeur est d'un coût élevé et particulièrement volumineux puisqu'il fait intervenir une surface d'échange inter- médiaire importante en matériau très conducteur pour obtenir la condensation. On connait également des échangeurs pour chaudières à condensation réalisés à partir d'un faisceau de tubes longitudinaux de section allongée disposés suivant la génératrice d'un cylindre pour former une chambre de combustion intérieure cylindrique. Ces tubes de section allongée sont positionnés de telle sorte que le plan de symétrie de leur section passe par l'axe de révolution de l'échan- geur cylindrique, cette disposition étant prévue pour favoriser l'écoulement laminaire des gaz de combustion dans l'intervalle de faible épaisseur ainsi réalisé entre chacun des tubes. Mais du point de vue thermique, cette disposition crée un régime d'écoulement des gaz en général laminaire qui entraine deux consé- quences défavorables: d'une part le coefficient d'échange thermique - 3 - par convection à l'interface gaz, paroi des tubes est relative- ment faible, et d'autre part le coefficient d'échange thermique sur la face aval des tubes est négligeable vis-à-vis de sa valeur sur la face amont. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients et a pour but de réaliser un corps de chauffe-échangeur pour chaudières à condensation particulièrement simple et économique tout en créant un régime de turbulence dans l'écoulement des gaz de combustion entre les tubes longitudinaux en vue d'obtenir des coefficients d'échange thermique par convection plus élevés. A cet effet, l'invention a pour objet un corps de chauffe compre- nant un faisceau de tubes longitudinaux à section allongée dispo- sés suivant la génératrice d'un cylindre pour former une chambre de combustion intérieure cylindrique caractérisé par le fait que le plan médian longitudinal de chacun des tubes est incliné d'un cer- tain angle par rapport à la direction radiale d'écoulement des gaz de combustion dans la chambre de combustion pour créer une attaque oblique de ces gaz sur lesdits tubes. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante dans laquelle on se réfère aux dessins annexés qui représentent: - figure 1 une vue schématique en coupe transversale du corps de chauffe selon l'invention, - figure 2 une demi-vue en coupe transversale montrant l'inclinai- son minimum des tubes. On a représenté sur les figures un corps de chauffe-échangeur 1 constitué par des tubes 10 longitudinaux à section allongée uni- formément répartis suivant la génératrice d'un cylindre de façon à former une chambre intérieure cylindrique 2 pour l'introduction d'un brûleur 3 également cylindrique. Ces tubes 10 dans lesquels circule le fluide à réchauffer sont d'une part parallèles entre eux et d'autre part inclinés d'un angle a par rapport à une direction radiale AB d'écoulement des gaz de combustion dans une chambre de combustion cylindrique 2. - 4 - L'angle d'inclinaison a des tubes est défini par l'angle compris entre le plan médian longitudinal A1B1 d'un tube et le plan radial AB passant par l'intersection du plan médian A1B1 du tube et de la face amont de ce tube dans le sens d'écoulement des gaz. Ces angle d'inclinaison a des tubes 10 est par exemple voisin de 300. Mais on utilisera un angle d'inclinaison a des tubes supé- rieur à un angle limite a0 représenté sur la figure 2, et obtenu lorsque un plan radial AB! passant par l'axe de la chambre de com- bustion cylindrique 2 et entre deux tubes 10 voisins longitudinaux est tangent a ces deux tubes. Cette disposition présente de nombreux avantages. Tout d'abord, elle permet d'une part de créer un régime de turbulence dans l'é- coulement des gaz entre les tubes 10 malgré la faible valeur voisine de 50 à 200 du nombre de Reynolds caractérisant cet écoulement des gaz en vue d'obtenir des coefficients de convection élevés et d'au- tre part d'augmenter la surface des tubes exposée au rayonnement direct des flammes de la chambre de combustion, de manière à cons- tituer une surface d'échange thermique "optiquement fermée". Le terme "surface optiquement fermée" signifie qu'une source lumineu- se ayant pour axe l'axe de la chambre de combustion et du brûleur cylindrique n'est pas visible directement quand on regarde l'exté- rieur de cet échangeur donc du côté de la sortie des gaz de combus- tion. On ne peut donc apercevoir dans ce cas seulement des traces lumineuses indirectes sortant des intervalles entre les tubes engen- drées par les réflexions internes et la diffusion de la source lumineuse centrale constituée par les flammes du brûleur. De plus, cette disposition du fait de l'attaque oblique des gaz de combustion sur les tubes augmente d'une part la puissance ther- mique échangée par convection par la turbulence créée en amont des tubes et par suite obtenue entre tubes et d'autre part la puissance thermique échangée par rayonnement en exposant une plus grande sur- face des tubes au rayonnement direct des-flammes de combustion du gaz. Bien entendu on a envisagé l'utilisation de tubes d'eau dllongés mais on pourra de la même manière utiliser des tubes ovales a sec- tion elliptique ou des tubes à section en losange, ou des tubes à section allongée (oblongue) à contours différents sur la face 2487 956 - 5 - amont et la face aval comme par exemple des tubes à section dite en forme de quartier d'orange, ou en forme de goutte. - 6 - R E V E N D I C A T I O N S 1 / Corps de chauffe pour chaudières domestiques de chauffage central à eau chaude par le gaz du type étanche à tirage forcé comprenant un faisceau de tubes longitudinaux à sec- tion allongée dans lesquels circule le fluide à réchauffer, disposés suivant la génératrice d'un cylindre pour former une chambre de combustion intérieure cylindrique caractérisé par le fait que le plan médian longitudinal A1B1 de chacun des tubes (10) est incliné d'un angle a par rapport à la direction radiale AB d'écoulement des gaz de combustion pour créer une attaque oblique de ces gaz sur lesdits tubes. 2 / Corps de chauffe selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les tubes (10) forment une surface d'échange thermique optiquement fermée. / Corps de chauffe selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'angle d'inclinaison a est de l'ordre de 30-. / Corps de chauffe selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'angle d'inclinaison a est supérieure à un angle limite a0 qui est tel que tout plan radial AB' passant par l'axe de la chambre de combustion cylindrique (2) et entre deux tubes (10) voisins est tangent à ces deux tubes.