Brevet FR2570806A1 — publié le 19860328

La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour une source calorifique chauffée par un combustible, avec un boîtier qui renferme un élément échangeur de chaleur et des entrées et sorties d'une part pour les gaz de combustion à refroidir et, de l'autre, pour l'air à chauffer, cet échangeur de chaleur étant conçu comme échangeur secondaire disposé dans la conduite d'évacuation des gaz brûlés de la source calorifique, laquelle peut être un chauffe-eau instantané, un chauffe-eau à circulation ou une chaudière, en aval de l'échangeur de chaleur proprement dit, conception née du fait que les gaz de combustion, à la sortie de l'échangeur de chaleur primaire, sont encore assez riches en énergie thermique dont il faut profiter, de même que de la chaleur dégagée par la condensation. On connaît un tel échangeur de chaleur avec source calorifique. Dans ce cas, il s'agit du principe de construction d'une installation de chauffage comprenant d'une part des radiateurs alimentés par une conduite d'eau chauffée par le chauffe-eau à circulation, et d'autre part un système de chauffage à air chaud, alimenté à partir de l'échangeur de chaleur en aval du chauffeeau. La présente invention a pour but de définir la conception de l'échangeur de chaleur monté en aval et de l'adapter à la source calorifique chauffée par un combustible. Ce but est atteint par ce que l'entrée des gaz de combustion est prévue au centre ou non de la face in fdrieure du boîtier de l'échangeur de chaleur, les raccords d'admission et de sortie d'air, sur ses côtés, et la sortie des gaz de combustion, sur la face arrière dudit boîtier. Au choix, la sortie d'air peut être prévue sur la face avant 50. L'échangeur de chaleur est avantageusement combiné avec un chauffe-eau à gaz muni d'un ventilateur. Cette combinaison vise notamment le but de concevoir le boîtier de l'échangeur de chaleur aux mêmes cotes en plan que le chauffe-eau à gaz et de poser l'échangeur sur ledit chauffe-eau. De plus, il est avantageux de concevoir l'échangeur de chaleur en deux parties dont l'une sert au refroidissement des gaz de combustion et l'autre, au refroidissement plus poussé et à la condensation de ces gaz. Cela comporte l'avantage que seule la partie où doit s'opérer la condensation, doit être faite dans un alliage résistant à la corrosion. D'autres avantages résultent de la juxtaposition de ces deux parties et de l'écoulement perpendiculaire et à contre-courant de l'air et des gaz. Cela a pour résultat que l'air à chauffer peut être canalisé par un simple faisceau de tubes parallèles, d'abord à travers la chambre de condensation, puis à travers la chambre de refroidissement de l'échangeur, et qu'il existe toujours une différence maximale de température entre les deux fluides. Il en résulte un haut rendement et, par suite de la température basse de l'air à son entrée, un bon effet de condensation. De plus la chambre de refroidissement présente au moins deux renvois, ce qui permet de faire entrer les gaz chauds au bas de cette chambre et de les faire sortir par le haut. Il est de plus avantageux de faire écouler les gaz de combustion dans la chambre de condensation suivant la direction de la pesanteur. Cette disposition est étroitement liée à la conception décrite plus haut, l'égouttement de l'eau condensée étant favorisé par le sens d'écoulement des gaz. Cette eau est canalisée vers les zones de température basse des tuyaux à lamelles. Mais cela impose l'entrée des gaz de combustion dans la chambre de condensation par le haut. Un autre avantage réside en ce que tous les composants de la chambre de condensation de l'échangeur de chaleur sont faits en un alliage d'aluminium-magnésium, notamment d'un alliage du groupe AlMg1-3. Il est de plus très avantageux de disposer sous la chambre de condensation un collecteur d'eau condensée, dont la face inférieure est en contact avec une conduite d'air frais alimentant la source calorifique. Il en résulte d'une part un préchauffage de l'air avant qu'il n'arrive dans la chambre de combustion de la source calorifique, ce qui en fait augmenter le rendement. D'autre part, on obtient un refroidissement plus poussé de l'eau condensée dans le collecteur. Ces deux facteurs augmentent encore le gain d'énergie. Il est particulièrement avantageux d'entourer l' entrée et la sortie des gaz de combustion par des entrée et sortie annulaires d'air frais, la communication entre ces entrée et sortie étant réalisée par un espace au-dessous du collecteur d'eau condensée. Il est ainsi possible de réaliser un appareil indépendant de toute cheminée, l'air atmosphérique nécessaire pour la combustion étant aspiré à travers un orifice dans le mur, et les gaz de combustion, après un premier refroidissement dans l'échangeur de chaleur primaire et un deuxième refroidissement dans l'échangeur secondaire, objet de l'invention, étant évacués à l'extérieur. D'autres réalisations et des perfectionnements particulièrement avantageux de l'invention font l'objet de la description détaillée suivante d'un exemple de réalisation de l'invention avec les figures un à six du dessin à l'appui. Ce figures montrent: Figure un, la vue extérieure d'un chauffer-eau à gaz avec l'échangeur de chaleur; Figure deux, une coupe deJl'échangeur de chaleur proprement dit; Figure trois, une vue en plan de l'échangeur de chaleur; Figure quatre, une vue en élévation de l'échangeur de chaleur; Figure cinq, un modèle de l'échangeur de chaleur avec canalisation d'air/gaz de combustion concentrique; Figure six, une autre vue du modèle suiv-ant la figure cinq. Dans les six figures, les mêmes repères désignent les mêmes détails. La figure un représente un chauffe-eau à circulation destiné aussi bien à l'alimentation d'une installation de chauffage central à eau chaude qu'à la préparation d'-eau domestique chaude. Ce chauffe-eau à gaz comporte un boîtier 1 en tôle émaillée ou peinte, de forme essentiellement cubique. Ce boîtier renferme une partie inférieure 2 dont la face avant est occupée par une porte donnant accès à de nombreux organes de réglage. La partie moyenne 3 renferme à peu près l'échangeur de chaleur primaire où les gaz de combustion du brûleur cèdent leur chaleur à l'eau à chauffer. Les parties 2 et 3 sont couronnées par un boîtier 4 où est logé l'échangeur de chaleur secondaire et où arrivent les gaz de combustion après un premier refroidissement dans l'échangeur de chaleur primaire. Le boîtier 4 est conçu de sorte à avoir les mêmes dimensions en largeur et profondeur que le boîtier 1, sa hauteur étant fonction des performances voulues de 11 échangeur de chaleur. Le boîtier 4 est fait du même matériau que le boîtier 1 et traité de la même façon, c'est-à-dire émaillé ou peint. Le boîtier 4 est surpassé par l'élé- ment échangeur 5 proprement dit qui perce ici la face supérieure du boitier 4. Le boîtier 4 présente notamment les mêmes dimensions que la partie inférieure 2 de l'ensemble 1 et se compose de préférence des mêmes éléments que celle-ci. La figure deux montre une coupe verticale de l'élé- ment échangeur de chaleur 5 délimité par une face inférieure 10, une face supérieure 11 et les faces latérales 12 et 13. La paroi avant où peut être disposée la sortie d'air, est en partie enlevée, la paroi arrière forme'le fond 14. La paroi arrière 14 comporte la sortie de gaz 15, soit une tubulure raccordée à une cheminée ou à un caisson de traversée. L'entrée de gaz 16 se trouve à la face inférieure 10. Elle coopère avec la sortie de gaz du boîter 1. L'entrée des gaz est constituée par un tuyau 17 à section circulaire, qui perce avec un espace circulaire 19 qui l'entoure, une première paroi 18, puis une deuxième paroi 20 parallèle à la face inférieure 10 et, ensuite, se prolonge sous un angle de 900 vers la droite.Ainsi, l'intérieur 21 de l'entrée des gaz 16 communique avec une conduite 22 qui s'étend, à proximité du fond, en direction de la paroi latérale 12, droite. A une certaine distance de la paroi latérale 12 est prévue une paroi verticale 23 qui fait dévier la conduite 22 de 900 vers le haut, suivant 24, pour créer une entrée 25 d'un élément refroidisseur 26 de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur proprement dit se compose de l'élément refroidisseur 26 et de l'élément condenseur 27 disposé immédiatement à gauche de celui-ci. L'élément 26 a seulement pour fonction d'abaisser la température des gaz qui le traversent sans que, normalement, il y ait condensation.L'élément refroidisseur 26 est un échangeur de chaleur à faisceau de tubes lamellés, qui présente deux renvois 28 et 29 de sorte' à former trois conduites 30, 31 et 32 pour les gaz de combustion, montées en série, les gaz montant dans la conduite 30 pour descendre par la conduite 31 et remonter ensuite à travers la conduite 32. L'élément refroidisseur est traversé par une multitude de tubes 33 horizontaux et parallèles les uns par rapport aux autres. Dans ces tubes circule l'air depuis la face la térale 13, gauche, en direction de la paroi 12, droite, et est ainsi chauffé par les gaz de combustion circulant perpendiculairement et à contre-courant. Après la conduite 32, il y a un nouveau renvoi 34 suivi de l'entrée de l'élément condenseur que les gaz de combustion traversent en descendant. Donc la direction d'égouttement de l'eau condensée et la direction d'écoulement des gaz coincident, ce qui favorise sensiblement l'égouttement de l'eau condensée. Au niveau de l'élément condenseur se trouve, à sa face inférieure qui est limitée par un collecteur 35, la sortie de gaz 15. Le collecteur d'eau condensée présente des parois inclinées vers un centre 36 où est branchée une conduite d'évacuation 37. Comme le chauffe-eau marche au gaz naturel, l'eau condensée peut être conduite directement à l'égout. Du côté ne regardant pas l'élément refroidisseur 26, l'élé- ment 27 est limité par une paroi 38 qui se trouve à une certaine distance de la paroi latérale 13.Entre la paroi latérale 13 et la paroi 38 est prévue une chambre d'admission d'air 39 munie d'un ventilateur 40 qui sert exclusivement au refoulement de l'air à chauffer à travers l'échangeur de chaleur. Dans cette chambre, l'entrée du ventilateur 40 ou la paroi 38 peut être munie d'un filtre. L'entrée d'air peut être prévue sur la paroi latérale 13 ou la face supérieure ou la face arrière de l'appareil. Sur le côté droit de l'appareil est ménagé, entre la paroi latérale 12 et la paroi 23, une chambre de sortie d'air 41 d'où l'air pénètre dans le local où est installé l'appareil. L'orifice de sortie est protégé par une grille 42 qui peut- être fixée sur la tôle frontale 50, la paroi latérale 12 ou la face supérieure de l'appareil. Entre la paroi 20 et le collecteur d'eau condensée 35 est prévu un espace 43 limité latéralement par la partie inférieure de la paroi 38 et la tôle 59. L'espace 43 se trouve, par un orifice 44 dans la paroi 20, en communication avec l'espace annulaire 19. De plus, l'espace 43 peut être mis en communication avec un orifice d'aspiration d'air qui, cependant, ne communique pas avec le local d'installation de l'appareil, mais, par exemple, par l'intermédiaire d'un caisson de traversée, avec l'atmosphère, ou, par une cheminée spéciale, avec l'atmosphère au-dessus du toit de la maison où est installé l'appareil. Donc, à travers l'espace 43 s'écoule l'air frais qui refroidit le collecteur d'eau condensée de même que l'eau condensée.Il en résulte un réchauffement de l'air frais alimentant le chauffe-eau et par là une augmentation du rendement de l'installation qui comprend le chauffe-eau à circulation et le chauffage à air Le chauffe-eau à circulation est doté d'un ventilateur de gaz de combustion, qui aspire l'air atmosphérique à travers l'espace 43, l'orifice 44 et l'espace annulaire 19, et le renvoie à l'atmosphère, après combustion, par l'orifice 16, la conduite 22, les deux éléments 14 et 26 de l'échangeur de chaleur et la tubulure 15. La figure trois pressente une coupe horizontale de l'échangeur de chaleur 5. On voit ici la face avant 50 qui regarde le local d'installation de l'appareil. De plus, on voit que l'entrée des gaz 17 > est entourée d'un tube 51 qui délimite la canalisation d'air frais alimentant le chauffe-eau. On voit aussi que la tubulure de sortie 15 aboutit à une caisse de renvoi 52 sur laquelle est branché le tuyau d'évacuation 53 proprement dit des gaz de combustion. On reconnaît bien la sortie 54 du ventilateur 40, de même que le filtre à air 55 s'appuyant contre la paroi 38, à l'intérieur de la chambre 39. La figure quatre montre une vue latérale du boîtier 1 de l'échangeur de chaleur 5, soit une vue en élévation de la chambre 39, montrant bien le ventilateur 40 et sa sortie 54. On voit en outre que le centre de la caisse de renvoi 52 des gaz de combustion et celui du ventilateur 40 se trouvent sur le même axe 56. Les exemples de réalisation suivant les figures cinq et six représentent des variantes de ceux des figures trois et quatre avec simple écoulement des gaz de combustion par les conduites 15 et 53. L'exemple de réalisation suivant les figures cinq et six, par contre, présente une canalisation concentrique pour les gaz de combustion, un tel appareil servant notamment au branchement, dans des appartements sans cheminée, à un caisson de traversée monté dans un mur extérieur du bâtiment. Dans ce cas, la sortie de la caisse de renvoi 52 est réalisée sous forme de tubes concentriques, le tube d'évacuation des gaz 53 se trouvant à l'intérieur, entouré d'un tube extérieur 57. L'intérieur du tube 53 sert à l'évacuation des gaz, l'espace annulaire 58 entre les tubes 53 et 57 assurant la canalisation d'air frais. Cet espace annulaire 58 communique avec l'espace 43 dejà mentionné; voir figure deux. Il est avantageux que la caisse de renvoi 52 puisse pivoter de sorte à permettre la rotation de 3600 du tube d'évacuation ou de la combinaison des tubes d'évacuation et d'admission de sorte que ou la tubulure de raccordement du tube d'évacuation seul ou le raccord combiné des tubes d'évacuation et d'admission peut être orienté aussi bien en haut que vers les deux côtés pour permettre le branchement universel de l'appareil. De plus, la caisse de renvoi 52 porte une tôle de recouvrement 60 qui bouche, dans la version présentée, un orifice de raccordement d'air/gaz de combustion arrière. Au besoin, cette tôle peut être changée contre les sections latérales des tubes 53 et 57 de sorte que l'admission d'air frais et l'évacuation des gaz de combustion se branchent sur l'arrière. Revendications 1. Echangeur de chaleur pour une source calorifique chauffée par un combustible, avec un boîtier qui renferme un élément échangeur de chaleur et des en trées et sorties d'une part pour les gaz de com bustion à refroidir et, de l'autre, pour l'air à chauffer, caractérisé par le fait que la tubulure de raccordement (17) de l'entrée des gaz de combus tion (16) est disposé à la face inférieure (10), les raccords d'admission et de sortie d'air, aux parois latérales (12, 13), et la sortie des gaz de combustion (15), à la face arrière (14). 2. L'assemblage d'un échangeur de chaleur gaz de com bustion/air frais ou air ambiant avec un chauffe eau à gaz muni d'un ventilateur, les cotes en lar geur et en profondeur du boîtier de l'échangeur (5)*correspondant à celles du chauffe-eau à gaz. 3. Echangeur de chaleur pour une source calorifique chauffée par un combustible, avec un boîtier qui renferme un élément échangeur de chaleur et des en trées et sorties d'une part pour les gaz de com bustion à refroidir et, de l'autre, pour l'air à chauffer, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur (5) se compose de deux parties (26, 27) dont l'une sert exclusivement au refroidissement des gaz de combustion et l'autre, avant tout à la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion. 4. Echangeur de chaleur suivant la revendication un ou trois, caractérisé par le fait que les deux par ties (26, 27) sont disposées l'une à côté de l'au tre et que les gaz de combustion y circulent per pendiculairement et à contre-courant par rapport à l'écoulement de l'air. 5. Echangeur de chaleur suivant la revendication qua tre, caractérisé par le fait que la partie (26) où s'opère le refroidissement, comporte aux moins deux renvois (28, 29). 6. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendica tions un ou quatre, caractérisé par le fait que la partie (27) servant à la condensation, est tra versée par les gaz de combustion dans la direction de la pesanteur. 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication trois ou six, caractérisé par le fait que tous les élé ments se trouvant dans la zone de condensation, sont, faits dans un alliage d'aluminium-magnésium, notamment l'un des alliages AlMg1-3. 8. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendica tions un, trois, six ou sept, caractérisé par le fait qu'au-dessous de la partie (27) est prévu un collecteur d'eau condensée (35) dont la face infé rieure est en contact avec une conduite d'air frais (43) alimentant la source calorifique. 9. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendica tions un à huit, caractérisé par le fait que les entrée et sortie de gaz de combustion (17, 53) sont entourées par des entrée et sortie d'air frais an nulaires (51, 57),-la communication entre ces en trée et sortie étant realisée par un espace (43) au-dessous du collecteur d'eau condensée. 10. Echangeur de chaleur suivant l'une des'revendlca- tions un à neuf, caractérisé par le fait que la partie (26) servant au refroidissement est reliée à l'entrée des gaz de combustion (16) par une con duite (22) horizontale, prévue à proximité de la face inférieure (10) du boîtier (4), et que la zone de la partie (26) dont l'entrée regarde 11 an- trée des gaz de combustion (25), se trouve à pro ximité immédiate d'une chambre de sortie d'air (41). 11. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendica tions un à dix, caractérisé par le fait que l'en trée d'air frais (57) entoure la sortie des gaz de combustion (53), et que cet ensemble peut être dis posé sur le côté ou à l'arrière, la section d'en tréesortie non utilisée étant recouverte par une tôle (60).