Brevet FR2585113A1 — publié le 19870123

2585113- -1- La présente invention concerne les chaudières à chauffage d'eau par rayonnement, et plus particulièrement une structure cylindrique perfectionnée pour celles-ci. Dans le brevet US antérieur 4 442 799 on décrit une chaudière à chauffage d'eau par rayonnement présentant un échangeur de chaleur qui comprend une enveloppe cylindriquedans laquel- le est disposé, de manière concentrique, un élément de combustion au gaz. Cet élément de combustion est relié a une source de chaleur,telle qu'un mélange gaz/air que l'on'allume à l'intérieur de l'élément de combustion, les gaz enflammés traversant l'élément jusque dans l'enveloppe creuse qui l'entoure. Un tube en serpentin hélicoïdal est disposé, suivant une dispo- sition laissant un jeu, autour de cet élément de combustion et de l'eau est pompée à travers ce tube, cette eau absorbant ainsi la chaleur degagee par rayonnement par cet élément de combustion. Dans la demande de brevet US n0 730 388 on décrit une structure perfectionnée de chaudière dans laquelle la Paroi intérne se présente sous la forme d'une paroi ondulee de façon à constituer un trajet en spirale pour l'eau et un trajet analogue à contre-courant pour la source de chaleur par rayonnement. Bien que ces structures soient d'une grande effica- cité et présentent un rendement plus grand que les agencements d'échange thermique précédemment connus, plusieurs inconvénients n'en ont pas été totalement surmontés. C'est ainsi par exemple que l'utilisation d'un tube en serpentin hélicoïdal ou une Daroi interne ondulée continue d'en- trainer des coûts élevés, une structure complexe et un travail considérable pour l'assemblage et la réparation. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir une chaudière cylindrique destinée à être utilisée dans un ensemble à chauffage d'eau par rayonnement et qui soit d'une structure plus simple que celles connues jusqu'ici et fournisse un rendement amélioré en cours de fonc- tionnement. Un autre but en est de fournir une telle chaudière cylindrique qui puisse être réalisée à partir de pièces aisément disponibles et/ou se fabriquant facilement et qui puisse s'assembler et se démonter aisement. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chauffage d'eau par rayonnement qui comporte une chaudière formee de deux enveloppes cylindriques venues d'extrusion, à extrémités ouvertes et disposées de manière concentrique, les parois inter néhes se faisant face - 2 - i1 étant lisses et délimitant entre elles une chambre destinée à recevoir un fluide. Une entrée de cette chambre traverse l'enveloppe externe à une extrémité et une sortie hors de cette chambre est prévue à l'autre extré- mité. Un fil métallique disposé de manière hélicoTdale continue est placé entre les enveloppes en étant en contact avec la paroi de chacune. Ce fil métallique s'étend d'une extrémité à l'autre et délimite, dans la chambre de fluide, un passage hélicoTdal allant de l'entrée à la sortie. Les extré- mités de la chambre formée entre les enveloppes sont thacune fermées par un couvercle amovible qui est muni de cavités annulaires recevant les ex- trémités de ces enveloppes, de façon à maintenir également fixe leur disposition coaxiale. Ces couvercles sont maintenus sur les enveloppes à li'aide'dlun dispositif amovible de serrage. Un élément de combustion s'étend dans l'enveloppe interne en traversant le couvercle situé à une extrémité et il est relié à une source de combustible tel qu'un mélange gaz/air qui s'allume dans cet élément de combustion en provoquant un rayonnement de chaleur vers l'extérieur de cet élément. L'échangeur de chaleur est de préférence équipé d'un chs itiJerfridsa tdegazcud'un diélrmncP,/.. se présentant sous la forme d'un tampon disposé le long de l'axe central en regard de l'élément de combustion. Les surfaces des enveloppes concentriques qui ne se font pas face l'une l'autre peuvent être munies de nervures, de cannelures ou analogues afin d'améliorer l'échange thermique et de maintenir en place le tampon. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront de la description qui va suivre, d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre non limitatif en regard des des- sins annexes sur lesquels: - la fig. 1 est une coupe partielle prise suivant la longueur d'une chaudière conforme à l'invention, - la fig. 2 est une vue en plan de cette chaudière, considérée suivant les flèches 22 de la fig. 1, - la fig. 3 est une vue en coupe transversale de cette chaudière, prise suivant la ligne 3-3 de la fig. 1 et - la fig. 4 est une vue en coupe longitudinale de cette chaudière, prise suivant la ligne 4-4 de la fig. 1. Comme on le voit sur les fig. 1 et 2, l'échangeur de chaleur est constitué par une chaudière désignée dans son ensemble par la référence 10 et formée d'une enveloppe cylindrique externer 12 et d'une enveloppe cylindrique inter ne 14, espacées l'une de l'autre, de manière - 3 - concentrique. Sur la fig. 4, les extrémités des deux enveloppes sont ouver- tes et sont fixées dans des fentes annulaires respectivement 16a, 16b et 18a, 18b qui sont ménagees dans un couvercle supérieur annulaire 20 et un couvercle inférieur 22, ce qui permet de maintenir l'enveloppe interne 14 dans une position fixe par rapport à l'enveloppe externe 12 de façon à définir entre elles et sur toute leur longueur une chambre annulaire fermee 24 dans laquelle peut être placee de l'eau à chauffer. Les couvercles supérieur 20 et inférieur 22 sont fixes de manière étanche aux fluides par rapport aux enveloppes à l'aide d'un collier de serrage 26 qui a une section transversale en forme de V et qui s'engage dans une gorge périphérique 28 située le long du bord de l'enveloppe exter ne et sur un bord chanfreins 30 du couvercle. On serre ce collier de serrage 26 en tirant l'une vers l'autre les extrémités 32 du collier à l'aide d'un boulon fileté 34. Les colliers supérieur et infé- rieur sont identiques et par conséquent interchangeables. Le boulon se desserre aisément, ce qui rend simple le retrait du couvercle lorsqu'on doit démonter la chaudière en vue d'une réparation. Les joints tenant la pression nécessaires entre le couvercle et les enveloppes sont de simples joints toriques 36 loges dans les gorges 16a et b et 18a et b. Un fil métallique enroulé en helice de manière con- tinue et allongée 38 est fermement maintenu entre les parois se faisant intérieurement face des enveloppes 12 et 14. Ce fil métallique 38 est d'une rigidité telle qu'il conserve une disposition fixe et est d'un diamètre tel qu'il vient en appui simultanément sur la surface de l'une et l'autre enveloppes. Il en résulte qu'il forme avec la paroi de la chambre inter,ie 24 un passage hélicoïdal s'étendant d'une extrémité de la chaudière à l'autre et destiné à l'écoulement des fluides, comme indiqué par la flèche A de la fig. 1. Pour l'introduction de l'eau de refroidissement, une entree 40 est prévue à travers l'enveloppe externe 12 au voisinage de son extrémité inférieure, tandis que, pour l'eau chauffée, une sortie 42 traverse l'enveloppe au voisinage de son extrémité supérieure. Un élément de combustion 44 poreux et présentant un collet d'entrée 46 est monté de manière convenable dans une position cen- trale présentant un jeu à l'intérieur de l'enveloppe interne 14. Ce col- let 46 de l'élément de combustion est monté par martelage dans une plaque analogue à une bride 48 qui repose sur un épaulement 50 entourant un trou central 52 ménage dans le couvercle supérieur 20. Un raccord de conduite 4 - 54 est monté sur le dessus du couvercle 20 de façon à reposer solidement sur cette plaque-bride 48, ce raccord communiquant avec une source de gaz combustible (non représentée) qui est introduit sous pression, suivant la direction de la flèche B, dans l'élément de combustion 44 et à travers la partie poreuse de sa structure de paroi de façon à donner lieu à un rayon- nement dans le sens radial à partir de celle-ci. Comme cela est representé, ce raccord de conduite 54 est fixé sur le couvercle 20 par au moins un des boulons à visser 56 et un joint convenable 58 est interposé autour du col- let 46 afin d'assurer l'étanchéité contre les fuites de gaz/air ou de produits de combustion. De cette manière, le couvercle 20, l'élément de combustion 44, le conduit d'entrée et le raccord de conduite 54 sont réa- lisés sous forme d'un ensemble unique, si bien que l'on peut les retirer en commun. D'autre part, le retrait des boulons 56 permet à lui seul le retrait du raccord de conduite 54, si bien que l'on peut aisément retirer le joint 58 et l'élément de combustion 44 en les soulevant à travers le trou 52 et sans troubler l'agencement des enveloppes de chaudière 12 et 14 et/ou du couvercle 20. La forme des surfaces des enveloppes 12 et 14 qui se trouvent à l'extérieur et à l'intérieur par rapport à la chambre 24 n'est pas critique et elles peuvent être planes, mais on a constaté que l'on obtenait une conductibilité thermique améliorée lorsque la surface interne de l'enveloppe interne 14 est conformée de façon à présenter plusieurs cannelures 60 orientées dans le sens de la longueur et parallè- lement et offrant des surfaces de transmission thermique améliorées. Ces cannelures 60 devraient avoir subi un brunissage ou être anodisées, de façon à accroître fortement la capacité d'absorption de chaleur par rayon- nement, notamment dans la zone voisine du brOleur à rayonnement 44 et du dessus du tampon 66. La surface externe de l'enveloppe externe est munie de nervures larges 64 qui s'étendent également dans le sens de la longueur. Ces nervures 64 fournissent une résistance mécanique supplémentaire et présentent les moyens permettant de fixer les colliers de serrage 26 et les raccords d'entrée et de sortie d'eau 40 et 42. Cette structure élimine tout soudage. La réalisation préférentielle de cette chaudière est en aluminium ou en un autre type de produit extrudé pour les enveloppes 12 et 14. Les couvercles 20 et 22 peuvent être des pièces moulées. Un tampon 66, réalisé en matière céramique ou métal- lique, est situé à l'intérieur de l'enveloppe inter ne. Il est préférable que ce tampon soit monté en ajustement serré, à frottement dur, contre les - 5- arêtes des cannelures 60, en étant situé à l'intérieur de l'enveloppe inte- rne de manière à s'étendre vers le haut à partir de l'extrémité infé- rieure ou éloignée, située à l'opposé de l'élément de combustion. Ce tampon empêche un dégagement rapide du noyau incandescent des gaz d'échappement, hors de l'enveloppe intérieure 14. Le couvercle inférieur 22 est muni d'une sortie d'échappement 68. Le tampon 66 règle le dégagement des gaz d'échappe- ment, tout en permettant simultanément une transmission thermique très efficace entre les gaz chauds et les canaux élémentaires, longitudinaux et cannelés, de transmission thermique 100 (figure 3) formés par les cannelu- res 60 et ce tampon 66. Ce résultat réduit la taille de la chaudière. Lors- qu'on utilise un tampon en céramique, les gaz incandescents rendent le tam- pon lui-même chaud et incandescent, ce qui accroît la chaleur régnant dans l'enveloppe inter ne. Les gaz se trouvent refroidis alors qu'ils passent autour de ce tampon et ils sortent par une sortie 68 située dans l'extré- mité inférieure et traversant le couvercle inférieur 22 (flèche C). Les écoulements des gaz incendescents et de l'eau de la chaudière sont à contre-courant. Bien que la structure décrite soit différente de cel- le décrite dans le brevet et la demande de brevet antérieurs précités, le fonctionnement de base de l'échangeur de chaleur est analogue, si bien que d'autres détails de l'élément de combustion, du tampon et du circuit d'eau seront évidents aux spécialistes en la matière se reportant à ces divulga- tions. La configuration de l'enveloppe extérieure 12 et de l'enveloppe in- terne cannelée 14 présente également l'avantage supplémentaire de r6- duire la demande de pression pour l'écoulement de l'eau, ainsi que la souf- flante qui fournit le mélange gaz/air au brûleur 44, ce qui réduit les coûts de fonctionnement et le prix de fabrication lorsqu'on les compare au brevet antérieur précité. Comme cela a été expliqué et décrit dans le brevet antérieur et la demande de brevet précités, le fonctionnement de l'élément de combustion 44 orevoit J 'inflammation des gaz de combustion, ce qui entraine qu'à. la périphérie, ou au voisinage, de la surface de cet élément 44, il se produit la réaction de combustion mentionnée qui se manifeste par une incandescence du corps poreux. Il en résulte que les gaz d'échappement qui s'écoulent dans le sens radial se trouvent à une tempé- rature élevée à laquelle peut s'effectuer une transmission thermique en faveur d'un fluide d'échange thermique en écoulement, tel que de l'eauj situé dans la chambre 24. - 6 - Comme cela a déjà été indiqué, la présente invention diffère du dispositif antérieur en fournissant un échanqeur thermique à double enveloppe, les deux enveloppes, interne et externe, étant formées par des tubes métalliques uniques à extrémités ouvertes. Comme on le voit mieux sur la fig. 4, on comprendra que, en cours de fonctionnement, le débit de fluide est tel que l'ensemble de la chambre 24 délimit-éé entre ces enveloppes interne et externe se trouve rempli de fluide, celui- ci passant au contact de la surface extérieure de l'enveloppe interne réalisant ainsi une conduction thermique sur cette surface entière. La tranche ou l'épaisseur de la colonne de fluide contenue dans la chambre 24 est relativement faible, si bien que la conduction thermique à partir de l'enveloppe interne s'effectue très rapidement et que la masse d'eau entière située dans la chambre 24 est soumise à tout moment à une transmis- sion thermique. En cours de fonctionnement, le fluide à chauffer adopte un trajet d'écoulement hélicoïdal, ce qui réduit l'effet des couches limites isolantes et assure une transmission thermique élevée. La chaudière peut être enfermée dans une couche d'isolation venant au contact de la surface extérieure de l'enveloppe ex- ter ne, ainsi qu'une armoire décorative l'entourant. Il est clair que, dans certains cas, certaines des caractéristiques de l'invention pourront être employées sans que l'on uti- lise de manière correspondante d'autres caractéristiques. - 7 - -7- REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Chaudière pour système de chauffage d'eau par rayonnement, caractérisee en ce qu'elle comprend deux enveloppes cylindri- ques, exter.ne (12) et interne (14), disposées de manière concentri- que et à extremités ouvertes, ces enveloppes délimitant entre elles une chambre (24) destinée à contenir de l'eau, un couvercle (20, 22) obturant chaque extrémité de ladite paire d'enveloppes cylindriques (12, 14) et fixe de manière amovible à celles-ci, une entrée (40) d'alimentation d'eau vers ladite chambre (24), traversant l'enveloppe externe.-. (12) à une ex- trémité, et une sortie (42) d'évacuation d'eau hors de cette chambre à l'autre extrémité, un élément de combustion (44) s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe interhe (14) à partir de ladite autre extrémité et four- nissant une source de chaleur rayonnant vers l'extérieur à partir de lui, en direction de l'enveloppe inter.'ne (14), un fil métallique enroule en helice, de manière continue et allongée (38), disposé entre lesdites enve- loppes (12, 14) et venant au contact de chaque paroi en divisant ladite chambre (24) suivant un passage hélicoïdal continu allant de ladite entrée (40) à ladite sortie (42), et plusieurs nervures (60) s'étendant dans le sens de la longueur sur la surface intérieure de ladite enveloppe inte- rne (14) afin de faciliter une transmission thermique dudit élément de combustion (44) vers de l'eau s'écoulant dans ladite chambre (24) entre les enveloppes (12, 14). 2. Chaudière selon la revendication I, caztàiséa. en ce qu'ell.ecomprend un tampon poreux (66) disposé dans la première extrémité de ladite enveloppe interne 14) de façon à regler l'échappement de ladite source de chaleur à travers celle-ci, ce tampon (66) étant maintenu en ajustement serré par rapport aux nervures (60) de ladite enveloppe inter'oe (14) et présentant une sortie (68) qui traver- se le couvercle (22) situé à ladite première extrémité.