Brevet FR2512525A1 — publié le 19830311

Appareil de réchauffaqe d'un liquide à serpentin. L'invention concerne les appareils de réchauffage d'un liquide, tels que des chaufe-eau domestiques ou des chaudières de chauffage central. Les appareils connus de ce genre comportent essentiellement un tube-foyer, avec un bruleur à l'un de ses extrémités, qui est entouré, au moins en partie, par une enceinte de chauffage parcourue par le liquide à réchauffer et qui est relié à un ou plusieurs tubes de fumée assurant l'évacuation des produits de combustion hors du tube-foyer. Pour obtenir un meilleur échange thermique et un meilleur refroidissement des fumées, il a été proposé, par exemple dans le brevet français 2 244 140 ou dans le brevet belge 659 320, de former le tube-foyer par une chambre tubulaire à axe vertical dont l'extrémité supérieure, opposée à l'extrémité où est disposé le brûleur, est fermée par un fond, et de constituer le tube de fumée par un serpentin dont l'entrée est branchée sur ladite extrémité supérieure du tube-foyer et qui est enroulé en hélice, en spires descendantes, autour du tube-foyer, la sortie du tube de fumée en serpentin étant en communication avec l'atmosphère. Le tube-foyer et le tube de fumée sont entourés, au moins en partie, par une enceinte parcourue par le liquide à réchauffer.Généralement, l'arrivée du liquide froid est faite par le bas de ladite enceinte et la sortie par le haut, pour réaliser un échange à contre-courant entre le liquide et les gaz de combustion circulant dans le serpentin. Il a été proposé également, pour améliorer encore le rendement, de constituer le serpentin formait tube de fumée par deux tronçons de serpentin montés en parallèle, notamment deux tronçons de serpentin imbriqués. Une telle disposition a été décrite dans la demande de brevet français nO 80 07416 déposée le 2 avril 1980 au nom de la demanderesse. Si ces appareils, à tube de fumée en serpentin, ont un rendement thermique amélioré, ils présentent cependant l'inconvénient d'une construction relativement compliquée nécessitant des raccordements étanches des divers constituants, notamment entre le tube-foyer et le tube de fumée. D'autre part,si l'échange thermique se fait à contre-courant vis-à-vis du serpentin tube de fumée, il n'en est pas de même vis à vis du tubefoyer, ce qui limite le rendement L'invention a pour but, dans un appareil de chauffage du type précité, de remédier à ces inconvénients, notamment grâce à une construction beaucoup plus simple et grâce à l'obtention d'un rendement thermique encore amélioré. L'invention a pour but un appareil de chauffage dans lequel le tube foyer et le tube de fumée sont disposés dans le prolongement l'un de l'autre et constituent un tube unique dont au moins la majeure partie forme un serpentin enroulé en hélice. Le brûleur est monté dans ledit tube unique en serpentin, à l'une des extrémités de celui-ci. Dans cet appareil de chauffage, l'extrémité opposée dudit tube unique est en comunication avec l'atmosphère pour l'évacuation des produits de combustion et ledit tube unique enroulé en serpentin est entouré par une enceinte parcourue par le liquide à réchauffer. Suivant une forme de réalisation, le tube foyer et le tube de fumée sont constitués par un tube d'une seule pièce ayant une section constante sur toute sa longueur. Suivant une autre forme de réalisation, la partie d'extrémité du tube qui forme le tube foyer et dans laquelle est logé le brûleur a une section plus grande que le reste du tube, qui forme le tube de fumée enroulé en serpentin. De préférence, ce tube unique est enroulé en hélice à axe vertical à spires descendantes, le brûleur étant disposé dans l'extrémité supérieure du tube, et le liquide à réchauffer circulant du bas vers le haut de l'appareil dans l'enceinte précitée qui entoure le tube enroulé en serpentin. L'échange thermique se fait donc en totalité à contre-courant et non pas seulement partiellement, comme c'était le cas dans les appareils connus. Dans un appareil conforme à l'invention, l'enceinte qui entoure le serpentin et dans laquelle circule le liquide à réchauffer, peut être constituée par une enveloppe entourant tout le volume extérieur du serpentin, ou bien, elle peut être constituée par une chemise tubulaire qui entoure le serpentin et qui est enroulée en hélice comme lui, le liquide à réchauffer circulant dans l'intervalle annulaire compris entre le tube et-la chemise. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va su-ivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limitatif, divers modes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue en élévation et partiellement en coupe verticale d'un appareil suivant l'invention ; La figure 2 est une vue transversale du même appareil La figure 3 est une vue en élévation d'une variante de l'appareil suivant l'invention La figure 4 est une vue transversale du même appareil La figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4 La figure 6 est une vue transversale d'un autre mode de réalisation de l'invention. L'appareil représenté sur les figures 1 et 2 comprend un tube 2, d'une seule pièce, de section constante, enroulé pour former un serpentin 3. Dans ltextrémité supérieure 4 du tube 2 est monté un brûleur 6 ayant une arrivée de combustible 8, par exemple du gaz et des entrées d'air 10. L'extrémité opposée 12 du tube 2 débouche à l'atmosphère pour l'évacuation des produits de combustion. Le serpentin 3 est immergé dans un réservoir 14 comportant une arrivée d'eau froide (ou d'eau à réchauffer) 16 et un départ d'eau chaude 18, respectivement aux parties inférieure et supérieure. Les extrémités 4 et 12 du tube 2 sortent du réservoir 14 par des passages étanches 20-20'. De préférence, la portion terminale supérieure 4 du tube 2 est sensiblement rectiligne et c'est à l'extrémité de cette portion qu'est monté le brûleur 6, lequel est avantageusement du type "torche" On voit donc que la partie 4 du tube, formant le tubefoyer, et la partie 3 du tube, formant le tube de fumée, sont disposées directement dans le prolongement l'une de l'autre. I1 en résulte que la construction de 11 appareil est extrêmement simple puisque le tube 2 enroulé en serpentin constitue à lui tout seul le tube foyer, ou chambre de combustion du brûleur, et le tube de fumée. On voit également sur la figure 1 que l'échange thermique se fait entièrement à contre-courant, ce qui n'était pas le cas avec un tube-foyer et un tube de fumée distincts non situés dans le prolongement l'un de l'autre. Enfin, le serpentin à spires descendantes favorise la condensation des produits de combustion. Le tube unique peut avoir un diamètre intérieur de l'ordre de 40 à 60 mm pour les appareils à application domestique. Dans la variante représentée sur les figures 3,- 4,5, l'appareil comprend encore un tube 2, de section constante, formant tube-foyer et tube de fumée, qui est enroulé en serpentin à spires descendantes avec le brûleur 6 disposé dans sa portion terminale supérieure rectiligne Dans cette variante, l'enceinte entourant le tube 2 et dans laquelle circule le liquide à réchauffer est constituée par une chemise tubulaire 22, concentrique au tube 2 et enroulée comme lui en serpentin. L'eau à réchauffer circule dans le volume constitué par l'intervalle annulaire 24 compris entre le tube 2 et la chemise 22. Une arrivée d'eau froide 16' et un départ d'eau chaude 18' sont prévues aux extrémités de la chemise 22. La chemise peut avoir un diamètre tel que l'intervalle 24 ait environ 3 à 6 mm, pour la circulation de l'eau à réchauffer. Suivant cette variante, le serpentin est simplement logé dans une enveloppe ou carosserie 26 qui sert seulement d'habillage. Au voisinage des extrémités 4 et 12 du serpentin, des soudures 28-28' réunissent la chemise extérieure 22 au tube intérieur 2, pour fermer le volume intérieur compris dans l'intervalle annulaire 24. La variante représentée en coupe transversale sur la figure 6 concerne un appareil de chauffage analogue à celui représenté sur les figures 1 et 2. Suivant cette variante, la partie 4' du tube qui renferme le bradeur a une section plus grande que la section du reste du serpentin 3 formant le tube de fumée. Gracie à cette disposition, la flamme du brûleur, guidée par le flux d'air secondaire, peut se développer plus largement sans venir toucher la paroi du serpentin, ce qui évite le risque d'une combustion incomplète et de formation d'oxyde de carbone, Cette disposition, ménageant une section de passage plus importante de l'air autour du nez du mélangeur du brt- leur, peut permettre de faire pénétrer ce mélangeur dans la partie 4' de telle façon que la flamme ne se développe que dans une partie du serpentin qui soit immergée dans la capacité 14. Bien entendu, l'élargissement de section du tube dans la partie renfermant le brûleur peut avoir une forme différente de celle représentée sur la figure 6 mais, dans tous les cas, la partie du tube formant le tube de fumée se trouve toujours directement dans le prolongement de la partie formant le tube-foyer, si bien que les gaz de combustion parcourent toujours un trajét direct, sans changement de direction brusque, comme cela était le cas jusqu'à présent avec les appareils où le tube-foyer et le tube de fumée étaient distincts. Suivant une autre variante et en vue d'améliorer encore l'échange de chaleur, la partie basse 30 du serpentin, dans laquelle les produits de combustion sont les plus froids, peut avoir une section plus réduite que la partie centrale 3 du serpentin. Ceci permet de maintenir une vitesse d'écoulement linéaire importante qui est favorable à l'obtention d'un bon coefficient d'échange surfacique. On a décrit dans ce qui précède des appareils de réchauffage d'un liquide dans lesquels on utilise un serpentin unique faisant office à la fois de tube-foyer et de tube de fumée. Mais il est bien entendu que, dans un réservoir commun analogue au réservoir 14 des figures 1, 2 et 6, on peut monter plusieurs serpentins en parallèle, chaque serpentin étant équipé de son brûleur. Une telle disposition peut etre avantageuse, notamment pour des appareils de forte capacité, car elle évite d'utiliser un seul serpentin'de gros diamètre qui nécessiterait un outillage de cintrage important donc coûteux et qui conduirait à adopter un diamètre d'enroulement important conduisant à un encombrement qui pourrait être excessif. Au contraire, avec des serpendints montés en parallèle, la section de chacun d' eux est plus réduite et l'enroulement du serpentin est plus facile et moinsencombrant. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 1 - Appareil de réchauffage d'un liquide, tel qu'un chauffe-eau domestique ou une chaudière de chauffage central, du type qui comprend un tube-foyer, avec un brûleur à l'une de ses extrémités, et dont l'autre extrémité est raccordée à au moins un tube de fumée constitué par un serpentin enroulé en hélice, l'ensemble constitué par le tube-foyer et par le tube de fumée étant entouré, au moins en partie, par une enceinte parcourue par le liquide à réchauffer, ledit appareil étant caractérisé : en ce que le tube-foyer et le tube de fumée sont disposés directement dans le prolongement l'un de l'autre et constituent un tube unique (2) dont au moins la majeure partie forme un serpentin (3) enroulé en hélice ; en ce que le brûleur (6) est monté dans ledit tube unique en serpentin, à l'une des extrémités (4) de celui-ci; en ce que l'extrémité opposée (12) dudit tube unique est en communication avec l'atmosphère pour l'evacua- tion des produits de combustion; en ce que ledit tube unique enroulé en serpentin est entouré par une enceinte (14) parcourue par le liquide à réchauffer. 2 - Appareil de chauffage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube unique (2), formant à la fois tube-foyer et tube de fumée, est enroulé en hélice à axe vertical à spires descendantes ; en ce que le brûleur (6) précité est disposé dans l'extrémité supérieure (4) dudit tube; et en ce que le liquide à réchauffer circule du bas vers le haut de l'appareil dans l'enceinte (14) précitée. 3 - Appareil suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube unique précité est enroulé en serpentin sur la quasi totalité de sa longueur, à l'exception d'une portion au voisinage d'au moins une de ses extrémités (4) qui est sensiblement rectiligne sur une faible longueur, ledit brûleur (6) étant disposé à l'extrémité de ladite portion sensiblement rectiligne. 4 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le tube unique, formant à la fois tube-foyer et tube de fumée, est un tube de section constante sur toute sa longueur. 5 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube unique présente une section plus grande,- au voisinage de son extrémité dans laquelle est monté le brûleur, que dans la majeure partie dudit tube enroulée en serpentin formant tube de fumee. 6 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube unique présente une section plus étroite dans les spires d'extrémité voisines de l'extrémité en communication avec l'atmosphère. 7 - Appareil suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé : en ce que l'enceinte entourant le tube unique (2) enroulé en serpentin est une enveloppe formant un réservoir (14) ; en ce que ladite enveloppe comporte une arrivée d'eau froide (16) à la partie inférieure et un départ d'eau chaude (18) à la partie supérieure ; et en ce que les extrémités supérieure (4) et inférieure (12) du tube enroulé en serpentin dépassent hors de ladite enveloppe. 8 - Appareil suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé : en ce que l'enceinte entourant le tube unique enroulé en serpentin est constitué par une chemise tubulaire (22) concentrique audit tube (2) et enroulée en spirale, l'intervalle annulaire (24) compris entre la surface extérieure du tube et la surface intérieure de la chemise formant un volume de réchauffage dans lequel circule le liquide à réchauffer; et en ce que ladite chemise est pourvue, à son extrémité inférieure, d'une arrivée d'eau froide (16') et à son extrémité supérieure, d'un départ d'eau chaude (18') 9 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de tubes-serpentin en parallèle, chacun desdites tubes comportant un brûleur à l'une de ses extrémités.