Brevet FR2570173A1 — publié le 19860314

La présente invention est relative à un échangeur thermique destine, notamment, à l'équipement d'une chaudière à condensation. On sait que ce type de chaudière comporte un échangeur auxiliaire, placé sur le trajet des fumées après leur passage au travers de l'échangeur principal pour en récupérer la majeure partie des calories et les transférer au circuit de chauffe. L'invention se propose de réaliser un échangeur thermique de ce type remarquable par son faible encombrement et sa facilite de réa.lisation. Un échangeur thermique conforme à la présente invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il se compose d'une p.luralité de-serpentins plans identiques, au nombre de quatre, par exemple, montés selon une configuration dite en "échevaux" et alimentés par un distributeur unique dans lequel arrive l'eau de retour du circuit de chauffage. Selon une caractéristique de cette invention, l'ensemble des serpentins montés en écheveaux est disposé dans une boite parallélépipédique qui canalise les fumées du haut vers le bas et qui comporte une conduite d'évacuation des condensats, placée à sa partie inférieure, ces condensats circulant dans le même sens que les fumées. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en il.lustrent deux exemples de réalisation non limitatifs. Sur les dessins - la figure 1 est une vue de face de l'échangeur thermique objet de cette invention - la figure 2 est une vue schématique, de profil et en coupe verticale d'une chaudière munie de l'échangeur thermique représenté sur la figure 1 - les figures 3 et 4 sont des vues respectivement similaires aux figures 1 et 2, relatives à un second mode de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté sur les figures 1 et 2, .I'échangeur thermique se compose de quatre serpentins plans identiques 10 (ce nombre n'étant pas limitatif bien entendu), montés, comme on le voit sur les figures, selon une configuration dite en "écheveaux, c'est-à-dire que les axes des différents tubes qui constituent les serpentins 10 sont décalés les uns par rapport aux autres. Les serpentins sont alimentés par un distributeur unique 12, par lequel arrive l'eau à réchauffer en provenance du retour du circuit de chauffage alimenté par la chaudière 14. L'ensemble des serpentins 10 est positionné dans une boite parallélépipédique 16 comportant une évacuation 24 des condensats à sa partie inférieure, cette bofte canalisant les fumées du haut vers le bas. Les gaz brûlés, en provenance de la chaudière 14 et après avoir traversé l'échangeur principal (non représenté) dont est munie cette chaudière de façon connue, sont amenés dans la boite paralléléipédique 16, par l'intermédiaire du conduit 18, au travers duquel ils sont repoussés par l'extracteur 20. Les gaz brayés qui arrivent sur l'échangeur objet de l'invention, sont une température encore assez élevée et ils transmettent leurs dernières /notamment - - calories; par condensation, å l'eau qui circule dans les serpentins 10. L'eau qui arrive par le distributeur 12, en provenance du retour chauffage, est donc réchauffée dans les serpentins 10 et elle est ensuite dirigée vers l'échangeur principal de la chaudière 14, par l'intermédiaire de-la conduite 22. Afin d'adapter l'échangeur thermique qui vient d'etre décrit, à différentes conditions d'utilisation (notamment: puissance, encombrement, pressions etc.) on peut envisager deux chemins de circulation des produits de combustion. Dans l'exemple de réalisation illustré par les figures 1 et 2, l'ensemble des serpentins 10 est disposé dans la boite 16 et l'échangeur n'est parcouru qu'une fois par les gaz de combustion en provenance de la chaudière 14 alors que dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, la cloison 26 de la boite 16' contenant les serpentins 10' est disposée de façon à séparer le faisceau de serpentins pour qu'une partie 28 des serpentins soit située dans le conduit d'évacuation 30 des fumées. Grace à l'invention, on réalise un échangeur thermique simple, compact, apportant une optimisation des échanges thermiques par condensation, un écour lement hydraulique qui facilite la protection contre la corrosion et une compatibilité des pertes de charges sur l'eau et les fumées avec des pressions disponibles sur une chaudière murale à gaz. Parmi les avantages et effets techniques apportés par l'invention on peut citer en particulier A- Une grande facilité de mise en oeuvre La conception et la disposition particulières des serpentins maximise, dans l'encombrement considéré, le rayon de courbure des tubes de façon à faciliter leur cintrage. Le fait que tous les serpentins soient identiques permet d'envisager une mise en forme largement automatique sans outillage complexe et permet l'utilisation de cintreuses à commande numérique. Les caractéristiques géométriques des serpentins (diamètres, rayon de courbure . . .) sont telles que cet échangeur peut être réalisé en différents métaux comme le cuivre, I'acier inoxydable ou l'aluminium. Le soin particulier donné à l'étude des échanges thermiques assure à l'échangeur une bonne efficacité quel que soit le métal utilisé. B- Une optimisation des échanges thermiques L'absence de toute ailette affaiblit au maximum la résistance thermique entre l'eau et les fumées et permet d'obtenir au voisinage de la totalité de la surface d'échange, un gradient de pressions partielles de vapeur d'eau important et donc de bénéficier d'excellents échanges en condensation. Malgré les faibles vitesses des fumées, le montage des serpentins en "écheveaux" accroit les turbulences et donne aux coefficients locaux d'échanges par convection des valeurs supérieures à celles obtenues en écoulement laminaire. L'écoulement des fumées dans le sens des condensats ainsi que les surfaces lisses des tubes, assurent une évacuation rapide. des condensats. L'épaisseur du film d'eau sur les parois du tube, qui est toujours faible, ne gene pas les échanges thermiques et permet d'obtenir un mode d'apparition des condensats qui se rapproche de la condensation "en goutte". C- Une excellente résistance à la corrosion Puisqu'aucune concentration locale de condensats dûs à des reséchages dans des angles morts ou le long des bords d'attaque, n'est à redouter dans l'écoulement (comme on l'observe pour des échangeurs à ailettes), la conception meme de cet échangeur est déjà une assurance pour sa résistance dans le temps aux phénomènes de corrosion. En particulier, l'espace entre les boucles des serpentins permet l'écoulement naturel des condensats vers le bas et réduit les enrichissements en produits corrosifs qui se produisent en des endroits qui voient les condensats stagner puis s'évaporer avant de recevoir une nouvelle goutte de condensats lors des cycles alternés chauffage-sanitaire. Parmi les applications de l'échangeur thermique objet de cette invention, on peut citer en particulier les chaudières à combustibles liquides ou gazeux dites à condensation. L'échangeur objet de cette invention peut s'appliquer, en particulier, à une chaudière à condensation du type objet du brevet français n" 83 17 647, déposé le 7 novembre 1983 par la présente titulaire, le faisceau de serpentins étant alors placé dans un canal étanche disposé dans la partie arrière de la chaudière, entre la sortie des fumées de la chaudière et l'évacuation de ces fumées vers l'atmosphère. I1 demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. - Echangeur thermique caractérisé en ce qu'il se compose d'une pluralité de serpentins plans identiques (10) montés selon une configuration dite en écheveaux et alimentés en fluide primaire par un distributeur unique (12). 2. - Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte quatre serpentins. 3. - Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble des serpentins (10) est monté dans une boite parallélépipédique (16) qui canalise de haut en bas .les fumées provenant d'une chaudière (14) et qui comporte une conduite d'évacuation (24), des condensats, placés à sa partie inférieure, les condensats circulant dans l'échangeur, dans le même sens que les fumées. 4. - Echangeur thermique selon lsune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des cloisons (26) de la boite (16') contenant les serpentins (10') est disposée de façon à séparer le faisceau de serpentins pour qu'une partie (28) de ceux-ci soit située dans le conduit d'évacuation (30) des fumées. 5. - Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les serpentins (10-10') sont réalisés à partir de tubes lisses, dépourvus d'ailette. 6. - Chaudière à condensation, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un échangeur thermique auxiliaire constitué d'un échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, cet échangeur étant alimenté par l'eau de retour du circuit chauffage de la chaudière et l'eau réchauffee dans cet échangeur auxiliaire par les calories récupérées par condensation dans les fumées, avant leur rejet dans la cheminée, traversant ensuite l'échangeur principal de la chaudière avant d'etre dirigée dans l'installation de chauffage. 7. - Chaudière à condensation, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur auxiliaire constitué d'un échangeur selon l'une quelconque des reven dications 1 à 5, le faisceau de serpentins étant placé dans un canal étanche dis posé dans la partie arrière de la chaudière, entre la sortie-des fumées de cette chaudière et l'évacuation de ces fumées vers l'atmosphère.