Brevet FR2487047A1 — publié le 19820122

L'invention se rapporte aux récupérateurs de chaleur à circulation d'eau, placée dans une cheminée à feu ouvert en association avec une installation de chauffage central (existante ou à construire) comportant une chaudière et des radiateurs à eau, et constitués par une grille tubu- laire qui peut comprendre, d'une manière connue, un faisceau inférieur de tubes horizontaux et un faisceau postérieur de tubes verticaux. Un tel récupérateur pour cheminée est un échangeur de chaleur. Le rendement optimal d'un échangeur de chaleur peut être obtenu en augmentant au maximum la surface d'échane entre le fluide caloporteur (eau) et le combustible déga- geant les calories. A cet effet, les tubes d'un échangeur de chaleur peuvent être pourvus, outre d'ailettes externes, d'ailettes internes, qui doivent avoir une surface de contact maximale avec les tubes afin d'obtenir de bonnes caractéristiques thermiques. Les échangeurs de chaleur connus comportant des tubes à ailettes internes sont réalisés en matériaux malléa- bles (cuivre, aluminium, etc) afin d'améliorer la qualité du contact et de permettre éventuellement un moletage de la surface extérieure des tubes. Ceux-ci sont donc inadéquats pour résister aux fortes températures et aux chocs, par conséquent pour constituer des récupérateurs pour cheminées. Par ailleurs, ils sont très peu résilients et neq'euvent être assemblés que par brasure ou soudure hétérogène. En outre les ailettes utilisées sont des produits spéciaux, donc de prix de revient élevé (produits obtenus par filage, fonderie ou étirage). La présente invention a notamment pour but de dé- finir une structure de tubes échangeur de calories pour récu- pérateurs de cheminées, comportant des ailettes internes fabriquées avec des produits courants du commerce et offrant une grande facilité de montage ainsi qu'un contact tube- ailettes très satisfaisant. A cet effet, les tubes de la grille d'un récupé- rateur selon l'invention comportent des ailettes internes sensiblement radiales, constituéespar des cornières juxtaposées dos à dos le long de leurs arêtes et introduites par enfoncement. De préférence, ces cornières sont des bandes de t8le pliées à 90 et introduites au nombre de deux dans lesdits tubes o elles forment des ailettes disposées en croix. On obtient ainsi des tubes échangeurs de chaleur de haut rendement, car le contact entre les ailettes et la paroi des tubes est excellent, les cornières possédant une élasticité propre et tendant à s'ouvrir sous les efforts conjugués de la force exercée pour les introduire dans les tubes et de la pression de réaction de ceux-ci. Les tubes à ailettes internes ottnus offrent une très grande résistance aux brusques variations de température, même accentuées ainsi qu'aux chocs. Ils se distinguent par un rendement excellent etun prix de revient très bas. De plus, leur structure particulière permet de réaliser les tubes et les à1Lettes en une mOme matière, savoir en acier, ce qui permet l'assemblage par soudure autogène et évite la présence de couples électriques générateurs de corrosion. Les tubes d'échange de chaleur peuvent en complément ttre pourvus d'ailettes externes. En particulier, lorsque le récupérateur comprend un faisceau inférieur de tubes horizontaux, ceieci comportent de préfézrnce au moins une ailette externe radiale dirigée vers le haut, -qul évite l'accumulation de cendre (isolant thermique) sur ces tu-bo et en améliore de ce fait le rendement. Dans une forme d'exécution avantageuse, le volume interne du récupérateur est partagé en deux moitiés par une cloison séparatrice située dans son plan médian de symétrie vertical, et l'eau, qui est amenée à passeiuar l'une puis par l'autre moitié, est introduite et évacuée en des endroits voisins dudit plan mian, situés de préférence à l'avant de la partie inférieure du récupérateur. Cette disposition permet d'augmenter le débit d'eau traversant la région centrale de la grille tubulaire du récupérateur, région qui reçoit le eus de calories du feu brûlant dans la cheminée. Le rendement thermique du récupérateur s'en trouve notablement amélioré. D'une manière plus précise, lorsque le récupérateur comprend un faisceau inférieur de tubes horizontaux, reliés antérieurement par un tube transversal horizontal qui est partagé en son milieu par ladite cloison séparatrice, l'arrivée et la sortie de l'eau peuvent s'effectuer par des tuyaux pénétrant coaxiale- ment à l'intérieur dudit tube transversal, symétriquement en direction de ladite cloison, et débouchant à proximité de cette dernière. Il convient de brancher un récupérateur selon l'invention en parallèle sur les radiateurs de l'installa- tion et de relier son entrée à la tuyauterie alimentant ceux-ci via une électro-manne commandée à l'ouverture -ou à la fermeture suivant que l'eau contenue dans le récupé- rateur est plus chaude ou moins chaude que l'eau contenue dans la chaudière. De préférence, l'électro-vanne est commandée par un thermostat différentiel dont les deux sondes sont placées respectivement dans- le récupé- rateur et dans la chaudière. On obtient ainsi une récupération des calories du feu de bois optimale et entièrement automatisée, sans aucune manipulation avant ou après avoir allumé le feu de bois, et sans que le récupérateur se comporte jamais comme un radiateur dont les calories seraient évacuées en pure perte dans la cheminée lorsque le feu tombe. Pour éviter tout accident dû à une surchauffe de l'eau dans le récupérateur, son entrée est avantageusement reliée à la tuyauterie alimentant les radiateurs via un clapet anti-retour placé en série avec ladite électro-vanne, ainsi qu'à une source d'eau froide via une vanne de sécurité normalement fermée et commandée mécaniquement à l'ouverture par une sonde thermométrique à fonctionnement autonome (c'est-à-dire ne nécessitant pas une source d'énergie auxiliaire) qui mesure la température de l'eau dans le récupérateur. Ainsi, de l'eau froide vient automatiquement refroidir l'eau du récupérateur lorsque celle-ci atteint une température limite déterminée, en raison de la défaillance d'un organe de l'installation, d'une panne d'Iimentation électrique, d'une erreur de manipulation ou de la production dans la cheminée d'une quantité de chaleur supérieure à la consommation et tendent à conduire à l'ébullition l'eau contenue dans le récupérateur. Le fonctionnement du récupérateur bénéficie donc d'une sécurité totale. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à tfre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut Otre mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement une instal- lation de chauffage central incorporant un récupérateur selon l'invention. La figure 2 représente, en coupe et à plus grande échelle, un récupérateur selon l'invention comportant une grille tubulaire dont les deux parties ont été supposées rabattues dans une même plan. La figure 3 représente la section droite, à échelle encore agrandie, d'un tube à ailettes internes d'un récupérateur selon l'invention. On voit sur la figure 1 que l'installation de chauffage central donnée en exemple comprend essentiellement une chaudière 1, un réseau de radiateurs 2 alimentés par la chaudière 1 à travers une vanne mélangeuse & quatre voies 3 et un accélérateur 22, et un vase d'expansion 4. Un ballon d'eau chaude sanitaire 5 est prévu. Sur le réseau de radiateurs 2 est branché en parallèle unxtcupérateur 6 placé dans une cheminée à feu ouvert 7. Ce récupérateur comprend une grille composée d'un faisceau tubulaire horizontal 6a, servant de chenets, et d'un faisceau tubulaire vertical 6b surmontant le rjécédent, ces faisceaux étant formes de tubes 8 parallèles dont les extrémités sont reliées respectivement par des tubes transversaux hori- zontaux9(à l'avant du faisceau inférieur 6a), 10 (réunis- sant les faisceaux 6a et 6b) et 11 (au sommet du faisceau 3o vertical 6b). Comme le montre la figure 2, le volume interne de l'en emble de la grille 6a, 6b est partagé par une oosee/ cloison 12e deux éléments obturant respectivement les tubes 9 et 10 en leurcentre. L'arrivée d'eau dans le récupérateur 6 s'effectue par un tube 13 s'enfonçant coaxialement dans le tube antérieur 9 et débouchant non loin de la cloison 12; de mime, la sortie de l'eau échauffée est assurée par un tube 14 péirtrant dans le tube 9 symétriquement par rapport à la cloison médiane 12. Il en résulte que non seulement l'eau parcourt succes- sivement les deux moitiés du récupérateur 6 définies par la cloison 12, mais encore que son débit est plus important dans les tubes 8 cenraux du récupérateur que dans ses tubes 8 latéraux, comme le suggèrent les flèches de la figure 2. La zone de débit fort correspond à la zone centrale du foyer o le brasier du feu de bois se situe géréralement, c'est-à-dire à la région o apparatt la plus grande partie des calories à récupérer; par contre, les tubes 8 des bords sont beaucoup moins exposés à la chaleur et Mur débit peut être plus faible. On voit sur la figure 3 la structure d'un tube 8 du récupérateur 6. Ce tube, de section circulaire, est doté d'ailettes internes en croix, lesquelles sont constituées par deux cornières 15 obtenues par pliage à 90 de --- plats étirés ou laminés ------- - en acier doux, préala- blement coupés à la longueur des tubes 8. Les deux cornières sont placées dos à dos, comme représenté, à l'aide d'un gabarit de montage, puis enfilées à force dans chaque tube 8 à l'aide d'une presse. Les dimensions des fers plats sont choisies en fonction du diamètre intérieur des tubes 8 afin d'assurer un serrage maximal des cornières dans ceux-ci. Les tubes 8 du faisceau horizontal 6a de la grille peuvent en outre, comme le montre la figure 3, être pourvus d'ailettes externes 16, fixées par soudage. Ces ailettes augmentent la surface d'échange thermique; de plus, l'ailette supéreure empeche les cendre de s'amasser sur les tubes et de réduire le rendement en raison de leur grand pouvoir isolant. On peut indiquer à titre d'exemple de réalisation qu'un échangeur de calories comportant 14 tubes 3/4" (21-27) horizontaux (longueur 460 mm) et 14 tubes 3/4" (21-27) verticaux (longueur 600 mm), réunis entre eux /transversaux/ par des tubes/de section carrée de 40 x 40 mm, a été construit. Chaque tube de l'échangeur était muni d'ailettes internes comme décrit ci-dessus. L'appareil ainsi conçu a été placé dans une cheminée à feu ouvert o brûlait un feu de bois de moyenne importance, et alimenté en eau, une vanne limitant le débit de sortie de l'appareil. Les chiffre suivant ont été relevés: Température de l'eau à l'entrée: 8 C; Température de l'eau à la sortie: 80 C; Débit: 15 1 en 3 mn, soit 300 l/h; Gain: 72 C. D'o la puissance de l'appareil: 300 1/h x 72 C = 21 600 kcal/h, soit environ 25 kW. Revenant à la figure 1, on voit que le récupérateur 6 reçoit l'eau à réchauffer par un tuyau 17 dans lequel est interposée ure électro-vanne 18. Celle-ci est commandée par un thermostat différentiel 19 comportant deux sondes: une sonde 20 plongeant dans le récupérateur 6 et une sonde 21 plongeant dans la chaudière 1. Dès que la température de l'eau contenue dans le récupérateur 6 est supérieure à la température de l'eau contenue dans la chaudière 1, le thermostat 19 commande l'ouverture de l'électro-vanne 18, ainsi que la mise en marche de l'accé- lérateur 22 si celui-ci se trouvait à l'arrût. Par contre, lorsque l'eau du récupérateur 6 est moins chaude que celle de la chaudière 1, le thermostat 19 commande la fermeture de l'électro-vanne 18, de sorte que le récupérateur, qui ne saurait alors apporter des calories, est isolé, la circu- lation d'eau à travers lui étant arrttée. Un dispositif de sécurité est prévu, qui entre en action en cas d'élévation anormale de la température de l'eau contenue dans le récupérateur 6 par suite d'une Zoud'ue insuffian.c& absence/de circulation due par exemple à une panne de secteur électrique, à un arrêt intempestif du circulateur 22 ou à une défaillance de l'électro-vanne 18. Ce dispositif comprend une vanne 23 reliée par un tube capillaire 24 à une sonde de commande 25 plongeant dans un doigt de gant prévu à cet effet dans le récupérateur. La vanne 23, dont le fonctionnement ne fait appel à aucune alimentation en énergie électrique, est interposée dans un tuyau 26 reliant une source froide constamment sous pression au tuyau 17 d'entrée du récupérateur 6, en aval de l'électro-vanne 18 et d'un clapet anti-retour 27 empochant l'eau froide d'aller vers les radiateurs 2. Lorsque la sonde 25 détecte une température égale ou supérieure à 95 C, elle commande l'ouverture de la vanne 23, qui envoie alors de l'eau froide dans le récupérateur 6 que celle-ci refroidit; lorsqueLe refroidissement est suffisant, la vanne de sécurité 23 se referme. L'eau en excédent s'évacue par le trop-plein 28 du vase d'expansion 4, celui-ci étant O10 du type dit "nà l'air libre". REVENDICATIONS 1.- Récupérateur de chaleur à circulation d'eau, placé dans une cheminée à feu ouvert et associé à une installation de chauffage central (existante ou à construire) comportant une chaudière et des radiateurs à eau, ce récu- pérateur, constitué par une grille tubulaire qui peut comprendre un faisceau inférieur de tubes horizontaux et un faisceau postérieur de tubes verticaux, étant caracté- risé par le fait que les tubes de ladite grille comportent des ailettes internes sensiblement radiales, constituées par des cornières juxtaposées dos à dos le long de leurs ar8tes et introduites par enfoncement. 2.- Récupérateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les cornières sont des bandes de tele pliées à 90ô et introduites au nombre de deux dans lesdits tubes o elles forment des ailettes disposées. Dn croix. 3.- Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un faisceau intérieur de tubes horizontaux et que ceux-ci comportent en outre au moins une ailette externe radiale, dirigée vers le haut. 4.- Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'ensemble de ses tubes et des ailettes que ceux-ci comportent est réalisé en acier. 5.- Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que son volume interne est partagé en deux moitiés par c::e cloison séparatrice située dans son plan médian de symétrie vetical et que l'eau, qui est amenée à passer par l'une puis par l'autre moitié, est introduite et évacuée en des endroits voisins dudit plan médian. 6.- Récupérateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'eau y pénètre et en sort par l'avant de sePartie inférieure. 7.- Récupérateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un faisceau infé- rieur de tubes horizontaux, reliés antérieurement par un tube transversal horizontal partagé en son milieu par ladite cloison séparatrice, et que l'anivée et la sortie de l'eau s'effectuent par des tuyaux pénétrant coaxiale- ment à l'intérieur dudit tube transversal, symétriquement en direction de ladite cloison, et débouchant à proximité de cette dernière. 8.- Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il est branché en parallèle sur les radiateurs de l'installation et que son entrée est reliée à la tuyauterie alimentant ceux-ci via une électrovanne commandée à l'ouverture ou à la fermeture suivant que l'eau contenue dans le récupérateur est plus chaude ou moins chaude que l'eau contenue dans la chaudière. 9.- Récupérateur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'électro-vanne est commandée par un thermostat différentiel dont les deux sondes sont placées respectivement dans le récupérateur et dans la chaudière. 10.- Réeupérateur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que son entrée est reliée à la tuyauterie alimentant les radiateurs via un clapet anti-retour placé en série avec ladite électro-vanne, ainsi qu'à une source d'eau froide via une vanne de sécu- rité normalement fermée et commandée mécaniquement à l'ouverture par une sonde thermométrique à fonctionnement autonome mesurant la température de l'eau dans le récupérateur.