Brevet FR2523695A1 — publié le 19830923

La présente invention concerne les échangeurs recupéra- teurs de chaleur pour cheminée et, plus particulierement, pour cheminée du type ouvert, dont le foyer est utilisé pour assurer la combustion de combustibles divers et, plus généralement, de bois. L'invention vise, plus spécialement, les échangeurs récupérateurs de chaleur destinés à être mis en place dans le foyer de telles cheminées établies l'intérieur de locaux. Dans le domaine technique ci-dessus, on a proposé, depuis longtemps déjà, des échangeurs récupérateurs de chaleur traversés par un véhicule caloporteur prélevé, le plus souvent, d'une installation de chauffage au moyen de radiateurs. De tels échangeurs comprennent, habituellement, des tubes qui sont raccordés à deux collecteurs, respectivement d'entrée et de sortie, branchés en dérivation sur l'installation de chauffage. Les tubes d'un tel échangeur récupérateur sont, en général, au moins partiellement coudés, de maniere à former une partie sensiblement plane représentant une sole ajourée s'étendant au-dessus de l'autre de la cheminée et une partie sensiblement plane s'étendant parallèlement au contrecoeur. La circulation du fluide caloporteur a 1' ntérieur d'un tel échangeur récupérateur s'effectue à partir du collecteur d'entrée qui est chargé d'assurer une distribution du fluide dens l'ensemble des tubes. Dans d'autres réalisations, il a été pr:co- nisé d'établir une circulation en série de chacun des tubes. Les échangeurs récupérateurs, selon l'un ou l'autre des types ci-dessus, permettent, effectivement, de récupérer des calories résultant de la mise en service de la chemia:e. Cependant, oo a constaté que de tel échangeurs récupérateurs n'assumaient pas une fonction de récupération opti inule et que la quantité de calories transmise au véhicule caloporteur n'était pas en rapport avec celle diffusée par le fonctionnesent de la cheminée. Ceci est du, en général, au mauvais échange s'effectuant entre le véhicule caloporteur et la source de chaleur que représente globalement, par convection, conduction et rayonnement, une cheminée 'en service. Par ailleurs, on a constaté aussi que de tels échangeurs récupérateurs faisaient rapidement l'objet de fuites au niveau des raccordements entre les tubes et les collecteurs, malgré tout le soin apporté à la fabrication et le choix de matériaux de bonne qualité pour l'exécution des tubes et des collecteurs. De telles détériorations sont à mettre au compte de contraintes de dilatation différentielles très élevées qui proviennent également d'un mauvais échange entre le fluide caloporteur et la source de chaleur considérée, au sens général. La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un échangeur récupérateur de conception nouvelle permettant d'améliorer notablement l'échange entre le fluide caloporteur et la source chaude que constitue la cheminée. Un autre objet de l'invention est de réduire, d'une façon importante, les dilatations différentielles auxquelles peuvent être soumises certaines au moins des parties constitutives de l'échangeur récupérateur. Pour atteindre le but ci-dessus, l'échangeur rtcupéra- teur de chaleur est caractérisé en ce qu'il comprend des tubes disposés de maniere à définir, à partir d'un collecteur d'entrée bas, deux circuits latéraux c échange primaire menant à au moins un collecteur de reprise haut et, à partir dudit collecteur de reprise, au moins un circuit central d'échange principal conduisant à un collecteur de sortie bas. Diverses autres caractéristiques ressortent de a description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés gi montrent, à titre d'exemples non liottatifs, des formes de réali dion åe l'objet de l'inenti La fig. 1 est une perspective de l'échangeur récupérateur de chaleur conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe prise selon le plan II-II de la fig. 1. Les fig. 3 et 4 sont des coupes-élévations partielles illustrant deux variantes de'réalisation de certains des éléments constitutifs de l'objet de l'invention. Les fig. 5 et 6 sont des coupes schématiques montrant deux autres variantes de réalisation d'éléments constitutifs de l'objet de l'invention. La fig. 1 montre l'échangeur récupérateur de chaleur selon l'invention, destiné à être mis en place dans le foyer d'une cheminée dont l'autre 1, le contrecoeur 2 et l'avaloir ou appareil fumivore 3 sont représentés en traits mixtes. L'échangeur récupérateur de chaleur est constitué de tubes d'échange 4 s'étendant parallelement les uns aux autres, de manière à couvrir, au moins partiellement, la surface de l'âtre 1 et du contrecoeur 2. Les tubes 4 sont établis de manière à définir deux circuits latéraux I et un circuit central Il. A cette fin, les tubes 41 constitutifs des circuits latéraux I sont raccordés à un collecteur d'entrée 5 qui est relié par une tubulure 6 à une dérivation branchée sur une installation d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau, par exemple en provenance de radiateurs de chauffage central. Les tubes 41 s'étendent parallèlement entre eux, depuis les parties terminales du collecteur 5, de manière à former une sorte de nappe susceptible d'être placée parallèlement ou sensiblement parallèlement à l'âtre 1. Les tubes 41 sont ensuite coudés pour s'élever de façon sensiblement parallèle au contrecoeur 2.Les tubes 41 sont ensuite raccordés à un collecteur de reprise haut 7, à partir duquel s'étendent les tubes 42 du circuit central II. Les tubes 42 sont conformés de façon semblable aux tubes 41 pour s'étendre normalement dans le même plan que ces derniers, parallèlement au contrecoeur 2 et à l'autre 1. Toutefois, les extrémités des tubes 42 orientées vers le collecteur d'entrée 5, sont raccordées ensemble par un collecteur de sortie bas 8 ne possédant aucune liaison physique avec le collecteur d'entrée 5. Le collecteur de sortie 8 est relié par une tubulure 9 à la seconde dérivation menant à 11 installation de circulation du fluide caloporteur. Ainsi que cela ressort des fig. 1 à 3, le fluide caloporteur pénètre dans le sens de la flèche f1 dans le collecteur d'entrée 5, par lequel il est réparti en deux veines empruntant les tubes 4 des deux circuits latéraux I. Ensuite, le fluide caloporteur monte dans les parties de tube 41 s'élevant parallèlement au contrecoeur, afin d'être repris par le collecteur 7 qui en assure le retour vers les tubes 42 du circuit central dans lequel ledit fluide suit un cheminement descendant selon la flèche f3, pour être ramené dans le collecteur de sortie 8, assurant son retour par la tubulure 9 vers l'installation de circulation. Lorsque la cheminée est mise en service, le combustible est normalement placé sur l'alignement des tubes 4-1 et 42 s'étendant parallèlement à l'autre 1, lesquels forment une sorte de sole susceptible de supporter un combustible de nature hétérogène, tel que des bûches de bois. Le fluide caloporteur, cheminant comme dit ci-dessus, est, par conséquent, progressivement chauffé, en empruntant les parties sensiblement horizontales des tubes 41 formant les circuits latéraux I. Le fluide continue de prélever progressivement des calories lors de son cheminement dans les parties de tubes sensiblelent verticales. Il en résulte une montée progressive en température de ce fluide, avant qu'il ne soit astreint à emprunter le circuit central II, lui assurant un échange de chaleur beaucoup plus important, étant donné la position centrale occupée par ledit circuit par rapport au foyer en combustion. L'échange maximal de calories intervient au niveau de la partie des tubes 42 constituant la sole, c'est- -dire juste avant la reprise du fluide caloporteur par le collecteur de sortie 9. Le cheminement suivi par le fluide caloporteur aboutit à un prélèvement de calories progressif, en fonction de la température propre des zones de l'échangeur sollicitées par convection et rayonnement par le foyer en combustion puis, ensuite, les parties dudit échangeur qui peuvent être considérées comme étant élevées en température par rayonnement, convection et aussi conduction. Le prélèvement de chaleur s'effectue ainsi de façon régulière et progressive et permet une récupération maximale, en mettant en oeuvre deux circuits latéraux d'échange primaire et un circuit central d'échange principal. Etant donné que la montée en température du fluide caloporteur s'établit progressivement, il en résulte une moindre sollicitation en dilatation différentielle des différents éléments constitutifs de l'échangeur récupérateur. En outre, étant donné que le circuit central II est constitué de tubes qui sont indépendants à partir du collecteur de reprise 7 et qui sont reliés ensemble uniquement par le collecteur de sortie 8, il en résulte la formation d'une sorte de boucle de dilatation différentielle qui permet de compenser les effets d'une plus grande chaleur appliquée à la partie du circuit central il par rapport aux circuits latéraux I, en considération de l'importance du foyer de combustion. Ces deux aspects permettent de réduire, sinon de supprimer, les risques de détérioration et de fuite susceptibles de naître au droit des raccordements entre les tubes et les collecteurs par suite des contraintes alternées appliquées en fonction des variations de dilatation différentielles. La construction de l'échangeur, comme décrit ci-dessus, permet de monter les tubes 4 sur toute la hauteur du contrecoeur 2 et, par suite, de disposer d'une plus grande surface d'échange permettant de récupérer plus de calories. Selon l'invention, il est en outre prévu de faiie comr porter, aux tubes 4 des circuits I et II, un coude supérieur définissant un tronçon de retour suivant la surface de l'avaloir ou de l'appareil fumivore 3. Etant donné que cette zone de la cheminée représente un obstacle à l'évacuation des fumées er de l'air baud, il en résulte une tursulence locale qui permet de prélever cet endroit une quantité maximale de calories pour les parties des tubes constituant, indifféremment, les circuits I ou II. La fig. 3 montre que, dans certains cas, il peut être prévu de constituer le collecteur de reprise 7 sous une forme unique, commune à l'ensemble des tubes. Cependant, il peut également être prévu de placer, à l'intérieur d'un tel collecteur, une cloison séparatrice médiane 10, délimitant deux enceintes collectrices 7a et 7b qui sont chacune raccordées à l'ensemble des tubes d'un circuit latéral I et à la moitié des tubes du circuit central Il. La fig. 4 montre que, dans certains cas, il peut être prévu de remplacer le collecteur unique 7 par deux collecteurs et 72 assumant les fonctions des enceintes collectrices 7a et 7b de l'exemple précédent. Dans une telle forme de réalisation, lten- semble des tubes 4 des circuits I et II peut alors être considéré comme formant deux boucles de dilatation différentielle indépendantes. Pour favoriser la circulation du fluide porteur à l'intérieur des tubes 41 et 42 il peut être prévu, comme illustré par la fig. 5, de constituer le circuit II avec des tubes de même aec- tion de passage, mais prévus en un nombre au moins égal à celui des deux circuits latéraux I. La fig. 6 illustre un exemple différent selon lequel les circuits I et II comportent un même nombre de tubes, les tubes du circuit Il possédant une section de passage supérieure à celle des tubes des circuits 1. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Echangeur récupérateur de chaleur pour cheminée, du type comprenant des tubes de circulation d'un fluide caloporteur en liaison avec des collecteurs en formant, pour certains au moins d'entre eux, un coude pour comporter deux parties droites s'étendant, de façon sensiblement parallèle, respectivement à l'atre et au contrecoeur d'une cheminée, caractérisé en ce qu'il comprend des tubes (4) disposés de manière à définir, à partir d'un collecteur d'entrée bas (5), deux circuits latéraux (I) d'échange primaire menant à au moins un collecteur de reprise haut (7) et, à partir dudit collecteur de reprise, au moins un circuit central (II) d'échange principal conduisant à un collecteur de sortie bas (8). 2 - Echangeur récupérateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (4) constitutifs du circuit central (II) forment ensemble avec le collecteur de sortie (8) une boucle de dilatation différentielle indépendante des deux circuits latéraux (I). 3 - Echangeur récupérateur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes (4) sont coudés en retour en partie supérieure pour comporter un tronçon s'étendant de façon sensiblement parallèle à l'avaloir ou appareil fumivore (3) de la cheminée. 4 - Echangeur récupérateur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tubes (4) sont prévus en un même nombre pour chaque circuit mais présentent une section de passage plus grande pour ceux du circuit central d'échange principal. 5 - Echangeur récupérateur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tubes (4) posse- dent une section de passage identique mais sont prévus, pour le circuit central d'échange principal, en un nombre au moins égal celui des deux circuits latéraux. 6 - Echangeur récupérateur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes (4) sont raccordés en partie haute à un collecteur de reprise (7) commun divisé par une cloison interne (10) en deux enceintes collectrices (7a-7b) propres chacune à un circuit latéral (I) et à la moitié du circuit central (II). 7 - Echangeur récupérateur selon l'une des revendications 1 et 3 à 6, caractérisé en ce que les tubes (4) de chaque circuit latéral (I) et de la moitié du circuit central sont reliés en partie haute à un collecteur de reprise (71-72) propre et définissant ainsi pour l'ensemble de l'échangeur deux boucles de dilatation différentielle indépendantes.