Brevet FR2609537A1 — publié le 19880715

La présente invention concerne les échangeurs thermiques, et plus particulièrement ceux que l'on connais sous la dénomination de chaudières pour, par exemple, la production de vapeur, d'eau surchauffée, d'eau de chauffage, d'eau chaude domestique, de fluide thermique, etc... On connaît déjà des dispositifs permettant de transférer des calories d'un fuide à un autre quelle que soit, d'ailleurs, la nature de ce fluide, c'est-à-dire qutil soit en phase liquide, gazeuse ou mixte. Ces dispositifs sont plus particulièrement connus sous le terme d'échangeurs thermiques. Par contre, quand au niveau de ce dispositif il y a une production de fluide chaud, par exemple en brûlant des carburants comme du gaz, le dispositif est alors connu sous le nom de chaudière. Les chaudières trouvent plus particulièrement une application dans la production de vapeur, d'eau de chauffage ou d'eau chaude domestique. Dans ce domaine, il existe des dispositifs de différentes tailles utilisant des volumes de fluides plus ou moins importants. La structure de ces dispositifs permet d'assurer assez facilement leur construction quand il s'agit de chaudières de grande taille. Par contre, pour certaines applications, du fait notamment du peu de place disponible, il est nécessaire de réaliser des échangeurs thermiques ou des chaudières de très petite taille et/ou de faible volume de fluide. Dans ce cas, apparaissent alors des difficultés technologiques de conception, notamment pour obtenir en sortie un volume de fluide utile relativement important. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de réaliser une structure d'échangeur thermique qui trouve une application avantageuse dans ceux de petite taille, ou qui puisse traiter un faible volume de fluide, tout en produisant un débit de fluide traité important. Plus précisément, la présente invention a pour objet un échangeur thermique comprenant des premiers moyens de conduit d'un premier fluide, des seconds moyens de conduit d'un second fluide, les deux dits premiers et seconds moyens de conduits étant montés en coopération pour permettre l'échange de calories d'un fluide à l'autre, caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens de conduit comportent une première tubulure centrale d'une section sensiblement constante sur toute sa longueur, une seconde tubulure annulaire d'une section sensiblement constante sur toute sa longueur entourant ladite première tubulure, et une première chambre de répartition ayant une section de pénétration permettant un écoulement dudit premier fluide, cettedite première chambre de répartition reliant la sortie de ladite première tubulure centrale à ladite tubulure annulaire par une première ouverture d'une section donnée, la section de pénétration de ladite chambre de répartition, celle de la sortie de ladite première tubulure, celle de l'ouverture de communication entre ladite chambre de répartition et ladite tubulure annulaire, et celle de la section de ladite tubulure annulaire ayant sensiblement la même valeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels - la Figure unique représente, vu en coupe, un exemple de réalisation d'un échangeur thermique selon l'invention dans une application en chaudière. La Figure unique représente un échangeur thermique comprenant des premiers moyens de conduit 1 d'un premier fluide 2, des seconds moyens de conduit 3 d'un second fluide 4, les deux premiers et seconds moyens de conduits étant montés en coopération pour permettre l'échange de calories d'un fluide à l'autre. Les premiers moyens de conduit comportent une première tubulure centrale 5 d'une section 6 sensiblement constante sur toute sa longueur, une seconde tubulure annulaire 7 d'une section 8 sensiblement constante sur toute sa longueur et entourant la première tubulure 5, et une première chambre de répartition 9 reliant la sortie 10 de la première tubulure centrale 5 à la tubulure annulaire 7 par une première ouverture 11 d'une section déterminée.Tous ces éléments sont réalisés de telle sorte que la section de pénétration 12 de la chambre de répartition 9, celle de la sortie 10 de la première tubulure 5, celle de l'ouverture 11 de communication entre la chambre de répartition 9 et la tubulure annulaire 7, et celle 8 de la tubulure annulaire 7 ont sensiblement la même valeur que la section 6 de la premiére tubulure centrale 5. I1 est précisé que la section de pénétration 12 de la chambre de répartition 9 est la section qui permet au fluide sortant de la tubulure 5 de pouvoir s'écouler à la sortie 10 de cette tubulure et pénétrer dans la chambre de répartition 9. Dans un mode de réalisation mécaniquement avantageux, la chambre de répartition 9 est de forme annulaire de révolution et entoure sensiblement la première tubulure centrale 5. Dans ce cas, la section d'écoulement est constituée par deux demi-couronnes entourant la tubulure 5 pour se rejoindre en un point diamétralement opposé à la sortie 10. La première ouverture 11 reliant la chambre de répartition 9 et la tubulure annulaire 7 est alors définie par l'intersection de la section de la chambre de répartition 9 et de celle de la seconde tubulure annulaire 7. Comme mentionné ci-dessus l'échangeur comporte des seconds moyens de conduit du second fluide 4. Ils comprennent au moins une première chambre annulaire 13 formée entre la premiére tubulure centrale 5 et la seconde tubulure annulaire 7, et des moyens de conduction thermique 15 entre les première 5 et seconde 7 tubulures et la chambre annulaire 13. En fait l'échangeur comprend en plus, et avantageusement, une deuxième chambre annulaire 14 entourant la tubulure annulaire 7, et des moyens de conduction thermique 16 entre cette tubulure annulaire et cette deuxième chambre annulaire 14. Les moyens d'échanges thermiques 15 et 16 sont essentiellement constitués par des parois communes aux tubulures et aux chambres réalisées en un matériau relativement bon conducteur de la chaleur comne par exemple de l'acier doux. Dans ce cas, l'échangeur comporte alors une chambre de réunion 17 réunissant, d'un côté, à une extrémité des deux première 5 et seconde 7 tubulures, les première 13 et deuxième 14 chambres annulaires. De plus pour que ces chambres puissent être alimentées par le second fluide 4, au moins une des deux première et deuxième chambres annulaires comporte une entrée 18 du second fluide 4 et la chambre de réunion 17 comprend une sortie 19. La première chambre de répartition 9 est sensiblement située à une extrémité 21 des deux première 5 et seconde 7 tubulures. Dans le mode de réalisation illustré, la chambre de répartition est définie en étant encastrée dans la deuxième chambre 14. Mais il est bien évident que celle-ci pourrait être, par exemple, "9 cheval sur la deuxième chambre et la première tubulure, ou alors uniquement en partie encastrée dans la première chambre 13 et la première tubulure 5. Les premiers moyens de conduit 1 comportent des moyens de sortie 20 du premier fluide 2. Ces moyens sont avantageusement sensiblement situés à l'extrémité 22 de la seconde tubulure annulaire 7 opposée à celle qui est reliée à la première chambre de répartition 9. Ils comprennent aussi une deuxième chambre de répartition 23 reliée à la seconde tubulure annulaire 7 par une deuxième ouverture 24, cette seconde chambre de répartition 23 comportant une bouche de sortie 25. Il est à remarquer que la section de la deuxième ouverture 24, celle de la circulation de la seconde chambre de répartition 23, et celle de la bouche de sortie 25 ont sensiblement la même valeur que la section annulaire 8 de la seconde tubulure annulaire 7. Comme dans le mode de réalisation de la première chambre de répartition 9, cette deuxième 23 est aussi de forme sensiblement annulaire entourant la première tubulure centrale 5 et peut donc avoir la même configuration que celle mentionnée précédemment notamment quant à son encombrement par rapport aux différentes chambres et tubulures. Dans le cas d'une application d'un tel échangeur thermique à la réalisation d'une chaudière, la longueur de la deuxième chambre annulaire 14 est supérieure à celle des première 5 et seconde 7 tubulures, pour définir à l'entrée de la première tubulure 5 un volume relativement important. Ce volume permet, dans le cas de l'application mentionnée ci-avant, la réalisation d'une chambre de combustion 30 pour la production de calories pour le premier fluide chaud 2. L'échangeur thermique décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante Le second fluide 4, par exemple de l'eau, est amené par l'entrée 18 et remplit les deux chambres annulaires 13 et 14, pour être ensuite évacué par la sortie 19. Le premier fluide 2, par exemple chaud, est amené par la tubulure centrale 5 et la parcourt en léchant sa paroi 50 qui, comme celle de la chambre annulaire 13, est en un matériau relativement bon conducteur de la chaleur comme un acier doux. Au cours de cette première circulation, le premier fluide commence à s'échauffer et parcourt la tubulure 5, débouche par la sortie 10 dans la chambre de répartition 9 et, du fait que la section de pénétration de cette chambre est au moins égale à celle de-la sortie 10, le fluide peut facilement pénétrer dans cette chambre et s'y écouler sans subir de ralentissement puisqu'ainsi les pertes de charge sont minimisées et n'ont pas une valeur importante. I1 traverse ensuite l'ouverture 11 et parvient dans la tubulure annulaire 7 et la parcourt, toujours sans être notablement ralenti puisque la section annulaire de cette tubulure est égale à celle de la sortie 10. Arrivé à l'extrémité 22 de la tubulure annulaire 7, le fluide se répartit dans la deuxième chambre de répartition 23 qui débouche sur la sortie 25. I1 est à remarquer que, les sections mentionnées ci-avant ayant des valeurs égales, le fluide ne rencontre jamais de pertes de charge importantes au cours de son déplacement. I1 peut donc s'écouler dans les deux tubulures 5 et 7 avec une vitesse relativement constante et rapide, sans ralentissements, ce qui est nécessaire à un bon échange thermique. Bien entendu, en parcourant la tubulure annulaire 7, le fluide chaud 2 peut échanger des calories avec le fluide froid 4 contenu dans la chambre annulaire 14, et dans la chambre annulaire 13, du fait que les parois 51 et 52 sont en un matériau relativement bon conducteur thermique. Le premier fluide 2 peut donc échanger des calories avec le second fluide 4 qui, dans l'exemple choisi, s'échauffe jusqu'à avoir la température voulue au niveau de la sortie 19, et meme être dans la phase physique voulue, liquide ou gazeuse. On voit donc les avantages des caractéristiques structurelles décrites ci-dessus, notamment les tubulures concentriques permettant des épaisseurs de voies de circulation de fluides les plus faibles possible, et les valeurs sensiblement égales des sections des différentes tubulures et chambres de répartition permettant une circulation du premier fluide sans ralentissement et donc un très bon échange thermique. La Figure unique illustre le mode de réalisation décrit cidessus d'un échangeur thermique selon l'invention. Cependant, elle représente également, à titre d'exemple d'application, une chaudière apte à brûler un carburant, par exemple un gaz, avec un comburant, en général I'oxygène de l'air. C'est ainsi que l'échangeur 60 décrit ci-dessus est, par exemple, disposé verticalement sur un socle 61 formé d'un caisson 62 comportant deux conduites d'alimentation, respectivement d'un gaz combustible 63 et d'air 64, débouchant toutes les deux dans le bas de la chambre 30 définie ci-avant oU se produit la combustion 66 et la production du premier fluide 2, en l'occurrence de gaz chaud et de fumées aptes å s'élever dans la première tubulure centrale 5 après en avoir traversé l'entrée 65 disposée en regard et dans le prolongement des brûleurs 67 constitués par la réunion des alimentations en gaz 63 et oxygène 64.Bien entendu, comme dans toute chaudière, le comburant peut etre accéléré et mis en pression dans la chambre 30 au moyen d'un ventilateur 68 monté en tête de colonne 64 ou alors aspiré au moyen d'un aspirateur monté en aval, par exemple à la sortie 25. De même, un tel échangeur thermique utilisé comme chaudière comprend tous les éléments nécessaires à son bon fonctionnement, notamment pour sa surveillance en pression et en température. Par exemple, il peut comprendre un manomètre de pression pour connaître, notamment, la valeur de la pression du second fluide lorsque la chaudière est prévue pour fournir de la vapeur, des niveaux d'eau, des soupapes de sécurité, des robinets de vidange, etc. Tous ces éléments étant bien connus en eux-mêmes, et étant déjÈi utilisés en coopération avec des chaudières, n'ont pas été représentés, dans un souci de simplification, aussi bien du dessin que de la description. REVENDICATIONS 1- Echangeur thermique comprenant des premiers moyens de conduit (1) d'un premier fluide (2), des seconds moyens de conduit (3) d'un second fluide (4), les deux dits premiers et seconds moyens de conduits étant montés en coopération pour permettre l'échange de calories d'un fluide à l'autre, caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens de conduit comportent une première tubulure centrale (5) d'une section (6) sensiblement constante sur toute sa longueur, une seconde tubulure annulaire (7) d'une section (8) sensiblement constante sur toute sa longueur entourant ladite première tubulure (5), et une première chambre de répartition (9) ayant une section de pénétration permettant un écoulement dudit premier fluide (2), cettedite première chambre de répartition reliant la sortie (10) de ladite première tubulure centrale (5) à ladite tubulure annulaire (7) par une première ouverture (11) d'une section donnée, la section de pénétration (12) de ladite chambre de répartition (9), celle de la sortie (10) de ladite première tubulure (5), celle de l'ouverture (11) de communication entre ladite chambre de répartition et ladite tubulure annulaire, et celle (8) de ladite tubulure annulaire ayant sensiblement la même valeur. 2- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite première chambre de répartition (9) est de forme annulaire entourant sensiblement ladite première tubulure centrale (5). 3- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite première ouverture (11) reliant ladite première chambre de répartition (9) et ladite seconde tubulure annulaire (7) est constituée par l'intersection de la section de ladite première chambre de répartition (9) de forme annulaire et de celle de ladite seconde tubulure annulaire (7). 4- Echangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdits seconds moyens de conduit (3) d'un second fluide (4) comprennent une première chambre annulaire (13) formée entre ladite première tubulure centrale (5) et ladite seconde tubulure annulaire (7), et des moyens de conduction thermique (15) entre lesdites première et seconde tubulures et ladite chambre annulaire (13). 5- Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdits seconds moyens de conduit (3) d'un second fluide (4) comprennent au moins une deuxième chambre annulaire (14) entourant ladite seconde tubulure annulaire (7), et des moyens de conduction thermique (16) entre ladite seconde tubulure annulaire et ladite deuxième chambre annulaire (14). 6- Echangeur selon les revendications 4 et 5, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre de réunion (17) située d'un côté, à une extrémité des deux première (5) et seconde (7) tubulures, lesdites première (13) et deuxième (14) chambres annulaires débouchant dans ladite chambre de réunion (17), au moins une (14) des deux dites première et deuxième chambres annulaires comportant une entrée (18) du second fluide (4) et ladite chambre de réunion (17) comportant une sortie (19) de ce second fluide. 7- Echangeur selon l'une des revendications 1 à6, caractérisé par le fait que ladite première chambre de répartition (9) est sensiblement située à une extrémité (21) des deux dites première (5) et seconde (7) tubulures, lesdits premiers moyens de conduit (1) comportant des moyens de sortie (20) du premier fluide (2), sensiblement situés à l'extrémité (22) de ladite seconde tubulure annulaire (7) opposée à celle qui est reliée i ladite première chambre de répartition (9). 8- Echangeur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens de sortie (20) du premier fluide (2) comprennent une deuxième chambre de répartition (23) reliée à ladite seconde tubulure annulaire (7) par une deuxième ouverture (24), ladite seconde chambre de répartition (23) comportant une bouche de sortie (25), la section de ladite deuxième ouverture (24), celle d'écoulement de ladite seconde chambre de répartition (23), celle de ladite bouche de sortie (25), et celle (8) de ladite seconde tubulure annulaire (7) ayant sensiblement la même valeur. 9- Echangeur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ladite seconde chambre de répartition (23) est de forme sensiblement annulaire entourant ladite première tubulure centrale (5). 10- Echangeur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la longueur de ladite deuxième chambre annulaire (14) est supérieure a celle desdites première (5) et seconde (7) tubulures, pour définir à l'entrée de ladite première tubulure (5) un-volume (30) de production de calories pour ledit premier fluide chaud (2).