Brevet FR2510245A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne les échangeurs statiques entre 2 gaz du type à surface d'échange, ainsi que, les intégrant, des systèmes de récupération des calories sèches et humides des gaz de fumées évacuées hors des foyers des chambres de combustion au profit d'un gaz, généralement de l'air , l'air ainsi chauffé pouvant être alors utilisé, soit à l'alimentation en comburant des dites chambres de combustion pour améliorer le rendement global de chaudières, chauffe-eau, fours, cheminées à foyer, soit au chauffage par air chaud proprement dit dans le bâtiment et les logements. Les échangeurs statiques à surface d'échange existant présentent tous au moins l'un des inconvénients suivants a - faibles surfaces d'échange par unité de longueur d'écoulement de gaz b - faibles rendements par unité de longueur d'appareil c - encombrements,masses élevés. d - entrées et sorties difficiles à intégrer au réseau. Les échangeurs statiques à plaques ne présentent pas ces inconvénients, mais, leur longueur d'échange est au maximum égal à 1 m. dans le cas des appareils de type à "échange croisé", limitant ainsi les rendements à environ 55 %. Les échangeurs statiques à plaques de type "échange contre courant" sont moins répandus que ceux de type "croisé", car plus coûteux. Ils ont aussi des rendements limités par les faibles longueurs d'échange. Les échangeurs dits "caloducs" ont peu d'encombrement, mais les rendements thermiques sont comparables aux rendements des échangeurs statiques à plaques de type à échange croisé. Considérons les systèmes existants intégrant les échangeurs cités plus haut : l'industrie utilise des techniques de préchauffage de l'air de combustion à partir de rejets de gaz divers sur lesquels est prélevée une partie des calories, mais il s'agit de calories hautes températures et les échangeurs utilisés, sont lourds et encombrants et du fait de leurs trop faibles rendements, ils ne permettent généralement pas la récupération des calories sur températures de fumées en-dessous du point de rosée. Le chauffage par air chaud à l'aide des calories sècheswet latentes contenues dans les fumées sortant des chaudières,et,donc,en complément permanent du chauffage traditionnel,par les dites chaudièresten combinaison avec échangeurs gaz-gaz, n'existe pas à cause du manque de performance du rendement des échangeurs existants. Dans l'invention, les rendements élevés des échanges thermiques entre deux gaz, sont obtenus à l'aide d'échangeurs caractérisés par une surface d'échange plissée longitudinalement et intégrée dans un caisson ménageant des chambres où chaque écoulement, le chaud ou le froid, en sortant de la surface plissée, peut être reconduit et guidé en sens inverse, avec une moindre perte de charge, et rentrer à nouveau dans les plis de la surface d'échange, et, cela de façon répétitive, de façon à augmenter le rendement global d'échange thermique de l'appareil, à chaque répétition. Selon l'invention, on se retrouve en échange contre courant sur.la quasi totalité des longueurs d'échange car les plis sont caractérisés par des longueurs de génératrices plus importantes que la hauteur des plis de directrices et, les sorties et entrées d'air sont situées aux extrémités des dites génératrices, ces dernieres etant toutes parallèles entre elles. Les surfaces d'échange de l'invention sont caractérisées par le fait qu elles sont réalisées en un premier temps à partir d'une surface de rquleau préalablement déroulé puis coupé à la longueur aussi longue soit-elle de pli souhaitée, supérieure à la dimension du rouleau suivant son axe. Sur cette surface, il est alors possible de réaliser, d'une façon ou d'une autre, des plis successifs de grande longueur, mais en nombre limité par la largeur de rouleau. Selon l'lliverition, on peut mettre, bout à bout, une 2ème surface de façon que la dernière génératrice de la 1ère surface entoure la première s génératrice de la 2ème surface, pour n'en former pratiquement qu'une seule. Ainsi, il n'y a pas de limitation des dimensions de la surface d'échange suivant l'invention, puisque l'on peut répéter I'opération autant de fois- qu'on le veut. Dans le cas de surfaces dont les plis ont des génératrices parallèles à l'axe du rouleau,les plis, qui sont de forme simple, en U, facile à réaliser, pourront être exécutés à volonté dans le sens de déroulement du rouleau. Une variante est caractérisée. par le fait que les parties de surface échange constituant la surface d'échange totale peuvent ne pas être de même nature, ni de même épaisseur. Ainsi, dans la partie d'échangeur où la corrosion par condensation n'est pas à craindre, on prendra de la tôle d'aluminium de faible épaisseur. Dans la partie d'échangeur où la corrosion est à craindre, on prendra une tôle plus épaisse, ou bien un matériau. inoxydable, ou bien un métal re-vêtu époxy. Le problème de fragilité se posera d'autant moins que les hauteurs de plis seront moindres vis-à-vis de l'épaisseur du matérIau et que, selon l'invention, chaque pli est maintenu entre structuré de bouts. Les deux plis extremes de la surface d'échange avant intégration dans le caisson peuvent comporter un bord ou partie à 900 d'angle, bord qui sera pris en sandwich entre le couvercle et les bords du corps d'un caisson au moment de la construction de l'appareil. Les côtés extérieurs des deux plis extrêmes, selon une variante, peuvent etre plus grands que la hauteur des autres plis afin de permettre une intégration des surfaces plissées dans le caisson de façon plus aisée. Pour certains cas d'appareils où les écoulements rentrent à nouveau, selon l'inventionnentre les plis, deux plis consécutifs de surface d'échange peuvent être reliés, soit par une partie plane de surface, afin de favoriser des changements de direction avec de moindres pertes de charges, soit par des pièces en forme de V afin de guider les écoulements. Concernant le caisson d'échangeur, il-se distingue par sa composition comportant un corps de réception de la surface d'échange, en forme d'un U, dont les bords ont des angles de 900, d'un couvercle latéral, et de deux couvercles de bout, prenant en sandwich la surface d'échange. Dans le caS de surfaces plissées comportant des côtés de plis plus grands que la hauteur des autres plis, le couvercle sera avantageusement plan et associé à une pièce en forme de surface plane à bords relevés afin de ménager des chambres en bout de plis guidant des changements de direction de l'un des écoulements de 1800 avec ralentissement des vitesses, répartitions plus uniformes des écoulements dans les plis de la surface d'échange > et,moindres pertes de charges. Pour l'autre écoulement, de mêmes chambres en bout de plis sont ménagées aux mêmes fins à l'aide d'une pièce analogue à la précédente. Dans le cas de surfaces plissées avec hauteurs égales de plis, le couvercle sera avantageusement réalisé en forme de U et encore complété par une pièce à bords relevés toujours aux memes fins de ménagement de chambres en extrémités dègénératrices de plis. Le couvercle de bout en partie haute d'appareil peut etre une simple plaque. Le couvercle de bout en partie basse d'appareil comporte un segment de tube. creux traversant près d'un bord la surface de couvercle afin de recevoir les condensats issus du gaz chaud-lors de son refroidissement. La réception de ces condensats est possiblesselon l'invention, en association avec un joint occupant les surfaces de fermeture de couvercle de bout. Ce joint peut être avantageusement un ciment ou un produit de synthèse chimique comme un élastomère aux silicones, afin de maintenir une liaison solide étanche entre bords ondulés de surface d'échange et caisson. Le système de récupération, sur gaz de fumées,des calories sèches et humides au profit d'air comburant afin d'augmenter le rendement global de combustion comporte,selon l'invention ,-un échangeur air/gaz brûlés, de rendement thermique élevé, supérieur à 85% dans le cas de chaudières classiques au gaz, afin de récupérer des calories de fumées de- nature latente, une amenée d'air neuf dans l'échangeur,-des conduits de liaisons entre é- changeur et chambre de combustion d'une part, et entre échangeur et sortie gaz brûlés d'autre part, une turbine mororisée (ventilateur, extracteur..;; Une variante est caractérisée par le by-passage des gaz de combustion et de l'air neuf comme si le tirage était naturel, Le by-passage des gaz de combustion est pratiqué selon l'invention à l'aide d une liaison/sortie des gaz brûlés de-chaudière, et entrée gaz brûlés dans le conduit de cheminée. Il est constitué principalement de deux tés et d'un dispositif commandant l'obturation du conduit. Le by-passage de l'air neuf est constitué d'un seul té et d'un dispositif analogue au précédent. Les dispositifs d'obturation de conduit sont caractérisés par une surface pivotant autour d'un axe dans la limite de 900 afin de pouvoir oc- cuper soit une-position pleine fermeture, soit une position pleine ouverture. Chaque dispositif d'obturation est constitue d'un tronçon de conduit à l'intérieur duquel se trouve, mobile autour -d'un axe perpendiculaire à l'axe XY de conduit, une surface plane, obturatrice du passage sous l'effet de la pression forcée et, solidaire de la surface plane, un contrepoids ouvrant le passage de l'écoulement sous l'effet de sa force de rappel en cas d'arrêt du fonctionnement de la ventilation forcée. Le système de chauffage par air chaud à partir de la récupération des calories sèches et humides contenues dans les gaz de fumées comporte, selon l'invention, les mêmes composants que le -système précédent, à ceci près que la liaison entre échangeur et chambre de combustion est supprimée. Ainsi, l'air neuf chauffé sort de l'echangeur pour entrer dans un ventilateur pulsant l'air chaud dans le réseau de distribution. Pour ces systèmes, il est nécessaire, à l'aide de ventilateurs ou d'extracteurs, de vaincre les pertes de charges entraînées par la présence de l'échangeur. Ainsi, on maîtrise l'ajustement de débits d'air neuf et de gaz. On peut placer un appareil, soit en amont d'échangeur, soit en entrée de chambre de combustion, associé à un brûleur pour constituer un brûleur à air soufflé,- soit en aval de la sortie gaz brûlés d'échangeur, sur sortie cheminée. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après et des dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif des réalisations d'échangeurs et des exemples de systèmes les intégrant, ainsi - la fig. l montre en perspective un échangeur et ses composants - la fig. 2 présente une surface d'échange initiale avant plis et des re pères a, b, c, d - la fig. 3 montre une déformation suivant une directrice ab de la sur face initiale abcd - la fig. 4 montre une déformation suivant une directrice ad de la sur face initiale abcd - la fig. 5 montre une coupe de surface d'échange perpendiculairement à la direction génératrice des plis avec le mode de raccordement de deux surfaces contigus - la fig. 6 représente le schéma d'écoulement du côté du-couvercle latéral dans le cas de l'échangeur de la fig. 6 vu en traits pleins au travers du couvercle latéral de l'appareil supposé complet. - la fig. 7 représente le schéma de l'écoulement de l'autre cté de la surface d'échange, vu en traits discontinus également au travers due la fig. 8 - la fig. 8 montre en perspective un échangeur, sans le montage des couver clesocomPOrtant deux changements de direction sur-chaque écoulement con formément aux fig. 6 et 7 - la fig. 9 montre le dispositif d'obturation commandant la présence de débit dans une liaison - la fig. 10 montre, vu de dessus, un système d'augmentation de rendement de chaudière - la fig. 11 montre la représentation de la fig. 10 vue de côté - la fig. 12 représente les schémas des écoulements dans l'échangeur de la fig. il - la fig. 13 montre en vue de dessus, un système de chauffage à air chaud à partir des calories des gaz brûlés sortant d'une chaudière - la fig. 14 montre la représentation de la fig. 13 en vue de côté - la fig. 15 représente les schémas des écoulements dans l'échangeur de la fig. 14. Suivant l'exemple de la fig. 1, les échangeurs comportent une surface d'échange 1, dont la forme est donnée en fig. 3, et une caisse de réception composée d'un corps de réception 2, d'un couvercle latéral 3, d'un couvercle de bout supérieur 4, d'un couvercle de bout inférieur 5, et, de deux pièces 6, préalablement fixées l'une sur couvercle 3, l'autre symétriquement en fond du corps 2. Le corps de réception a une section en forme de U dont les deux extrémités 7, présentent un bord à 900 dont-la surface est parallèle à la surface des bords du couvercle 3. Le corps de réception comporte une entrée 8 et une sortie 9. Les extrémités du corps de réception forment des bords 10 à 900 pour recevoir les couvercles 4 et 5. Le couvercle latéral 3 comporte une entrez 11 et une sortie 12, ses extrémités forment des bords 13 à 900. le couvercle de bout 4 est une surface plane rectangulaire. Le couvercle de bout 5 comporte des pieds 13,-et un tuyau 14 le traversant. Pour assembler l'échangeur, le corps 2 est placé à l'horizontal, on y dispose alors la surface d'échange 1, puis on fixe le couvercle 3, puis les deux couvercles 4 et 5. Pour réaliser l'étanchéité, on place l'appareil en position verticale et on introduit sur le couvercle 5 un ciment suffisamment fluide au travers de l'entrée 11 et de la sortie 9 jusqu'à obtenir une épaisseur uniforme suivant les pointillés 18, égale à la hauteur de la partie de tuyau 14 placée du côte intérieur d'échangeur. Ensuite, après séchage, on retourne l'appareil pour recommencer la mêmeopération sur le couvercle 4. En fonctionnement, l'appareil sera placé verticalement, les pieds 13 étant en appui sur le sol. Le gaz chaud, dont on voudra extraire les calories sèches et latentes, entrera dans l'appareil au travers de 11, emplira la chambre 15 entre couvercles 3 et 5, bord 16 de la pièce 6 et surface d'échange, pénètrera uniformément entre les plis de la surface d'échange pour prendre la direction figurée par la flache 17, guidé par la pièce 6, puis sortira de l'appareil au travers de I2 de la même façon qu'il était entré. Le gaz froid que l'on voudra chauffer entrera par l'entrée 8, suivra un trajet inverse, de la même façon que le gaz chaud, pour sortir au travers de 9. Les deux gaz pourront ainsi échanger en contre courant, de part et d'autre de la surface 1, dans la zone d'échange entre les deux pièces 6, sur une longueur de-plis. Dans l'exemple de la fig. 8, l'échangeur comporte, en sus des carac- téristiques précisées dans la description de la fig. 1, dans la surface d'échange 1, des liaisons planes 20 constituées par une partie de la sur face d'échange, des liaisons planes 21 de longueur égale à la longueur des plis de surface d'échange et faisant pont entre deux plis 22et 23, de part et d'autre des liaisons 20, et des guides 24 de section en forme de V pour pincer les liaisons 20 ou 21, placees entre pièces 6 et couvercles. En fonctionnement, suivant les fig. 6 et 8, l'un des gaz entrera suivant la flèche 25 au travers d'un orifice tel que 11 ou 12 placé audessus de la chambre 26 limitée par le guide 24, se déplacera ensuite entre plis et guides 6 suivant la direction 27 pour sortir hors des plis en 28 dans une chambre 29 limitée par un guide 24, passer par-dessus une liaison 20 suivant la direction 30, rentrer à nouveau entre plis en 31 avant de pénétrer sous un guide tel que 6, suivant la direction 32, accomplissant ainsi un parcours en épingle à cheveux, pour sortir a nouveau en 33 pour effectuer un second virage en épingle à cheveux et déboucher de l'appareil suivant la flèche 34. L'autre gaz suivra un parcours analogue suivant la fig. 7, mais en entrant au travers d'une entrée telle que 11 ou 12 suivant la flèche 35, pour sortir en suivant la flèche 36. En superposant les schémas des fig. 6 et 7, on constate que les échanges ont toujours lieu en contre courant. La présence de chambres telles que 15, 26,2S , permetGune diminution des pertes de charges. Selon le brevet, le problème d'étanchéité ne se posera ni au travers de la surface d'échange, ni en bordure de ladite surface, grâce au verrouillage en sandwich de la surface entre couvercle 3 latéral et corps de caisson 2 d'une part, et grâce au joint épais réparti suivant 18 et, collant aux différentes surfaces : les appareils seront donc parfaitementétanches, et ce, pour chaque écoulement. La réalisation des surfaces d'échange se fait à partir te rouleaux 37 de matière première que l'on déroule de façon à obtenir (fig. 2) une surface 38 suivant abcd, plane. Lorsque l'on désire des plis de grande longueur, on coupe alors suivant cd, la surface à la longueur des plis et l'on rêalise un formage mécanique en suivant la directrice représentée fig. 3, les plis étant alors tous parallèles à la direction ad. Lorsqu'on désire des plis de longueur égale à celle du rouleau, il suffit de réaliser le formage en suivant la directrice représentée fig. 4, les plis étant alors tous parallèles à la direction ab. Lorsque l'on désire raccorder deux surfaces, on superpose des géné ratrices suivant des formes de directrice indiquée fig. 5 en 19, se superposant. Suivant l'exemple de la figure 10, le système d'augmentation de rendement de chaudière comporte, sur air neuf, une amenée 41, une liaison 44 entre échangeur 40 et brûleur .67, un bypass 52 constitué d'un té avec dispositif 51 d'obturation et, sur fumées, une liaison 45 entre sortie 42 des gaz brûlés et échangeur 40, unbypass 48.La turbine motorisée 66 est placée sur la liaison 44. Le bypass 48 est composé de tés 49 et 50, d'un dispositif 51- et de deux liaisons entre té 49 et dispositif 51 d'une part, et entre dispositif 51 et té 50, d'autre part. Le dispositif 51 comporte-en fig. 9,un conduit rectiligne 53, une surface plane 57 fixe, fermant une demi-section de conduit, une seconde surface plane 58 mobile autour du diamètre 54 commun aux deux surfaces. Pour un conduit en position axe XY verticalsshors fonction ig.9), la surface 58 se trouvera sous le plan de la surface 57. Afin de se situer dans une position faible ouverture, la surface 58 est solidaire d'un contre poids balancier de rappel comportant un bras 55, faisant un angle d'environ 600 avec la surface 58, et.fixé à elle au milieu 0 de l'axe 54, et, une masselotte 56 réglable en position le long du bras 55 Une butée solidaire du conduit 53 limitera le déplacement de 58 jusqu'en 59. En fonctionnement normal, les gaz brûlés suivent le trajet des flèches 61 tandis que l'air neuf suit le trajet des fleches 62. Ainsi, comme décrit précédemment, s 7opère une récupération des calories gaz brûlés au travers de l'Echangeur 40. Dans le bypass (fig. 9), du fait de la différence des pertes de charges P2-P1, due à la présence de l'échangeur 40, s'exerce une pression amont P2 imposant la mise en butée fermée de la surface 58 : sous réserve d'étanchéitej la totalité des fumées, pulsées par la présence dans le Cil- cuit d'écoulement de la turbine motorisée nécessaire, traversera alors l'échangeur 40. En cas d'arret de la ventilat0Sn, la perte de charge due à l'écharr geur chutera de façon å libérer la pression de fermeture exercée sur 58. en ouvrant le bvupass, permettant alors un fonctionnement du système en tirage naturel. Suivant l'exemple de lafig. 13, le système de chauffage par air chaud diffère du système d'augmentation de rendement de chaudière d'abord par la suppression de la liaison 44 et la présence d'un ventilateur 68 sur brûleur 67. L'échangeur 40 est un échangeur selon l'invention dans lequel les gaz brulés entrent en 64 pour sortir en 65, tandis que la sortie aux fins de chauffage direct par air chaud est située en partie haute d'échangeur, en 63, à entrée du ventilateur 66. Le fonctionnement du système de chauffage est tel que le débit du gaz auquel on veut fournir l'énergie est avantageusement plus élevé que le débit du gaz afin d'améliorer d'autant la récupération d'énergie. Cette inégalité des débits entraîne alors la présence de 2 flux gazeux indépendants, comportant chacun une turbine motorisée, comme pour un système dit "double flux". L'étanchéité de chaudière n'est alors plus nécessaire pour ce second système. Les échangeurs, objets de l'invention, peuvent être utilisés dans les cas où l'on désire transférer des calories d'un gaz chaud au profit d'un gaz froid et, tout particulièrement lorsque l'on désire une grande efficacité de transfert thermique, dès lors qu'il est possible de forcer les débits de chacun des deux gaz pour vaincre les pertes de charges. Ils peuvent être principalement utilisés pour les économies d'énergie, dans l'industrie, et dans le bâtiment, généralement entre air vicié et air neuf. Des applications particulièrement intéressantes seraient leur insertion dans des montages soit en parallèle de foyers de combustion ouverts ou fermés, pour améliorer le rendement de combustion, soit en sortie de chambre de combustion comme moyen économique de chauffage par air chaud. REVENDiCATTONS 1 - Echangeur de chaleur entre un écoulernant -de gaz chaud et un écoulement de gaz froid du type à surface d'échange continue disposée dans un caisson comportant une entrée et une sortie pour chaque écoulement, caractérisé en ce qu'il comprend une surface d'échange constituée parallèlement à une même direction, de plis successifs reliés au caisson dont les entrées et les sorties sont situées en extrémité de plis. 2 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'échange est réalisée à partir d'une surface déroulée et coupée à une longueur de génératrice de plis supérieure à la longueur du rouleau suivant son axe. 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface d'échange est constituée en au moins 2 parties mises bout à bout. 4 - Echangeur de chaleur selon 2a. revendication 3, caractérisé'en ce que les parties sont constituées de matériaux de nature et d'épaisseur diffçrentes. ~ . 5 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ciment assemble le caisson aux extrémités des plis de surface d'échange. 6 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des chambres (15), (26), (29), limitées par le caisson et la surface d'échange plissée. 7 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par la présence de pièces (6) prenant appui sur les plis de surface.d'échange et dont les bords limitent les chambres (15j (26), (29). 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est assemblé à une turbine motorisée (63), un moyen (44) conduisant l'air neuf entre l'échangeur et une chambre de combustion, un moyen (45) conduisant les fumées de combustion dans l'échangeur. 9 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est assemblé à une turbine motorisée, une sortie d'air chaud pulsé, un conduit d'écoulement de fumées comportant une seconde turbine motorisée et un moyen (45) conduisant les fumées entre la sortie d'une chambre de combustion et l'échangeur. 10 - Echangeur de chaleur selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce que l'assemblage comporte un bypass des gaz brûlés (48) monté en parallèle de l'échangeur. 11 - Echangeur de chaleur selon les revendications (7) et (8) caractérisé en ce que l'assemblage comporte au moins un dispositif (51) d'obturation de conduit composé d'un tronçon (53), d'une surface (57) d'obturation partielle de section, et, d'une surface (58) mobile autour d'un axe (54). 12 - Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif (51) comporte un contrepoids balancier solidaire de la surface (58).