Brevet FR2605091A1 — publié le 19880415

La présente invention concerne, de façon générale, les générateurs d'air chaud pour la climatisation d'ambiance et, plus particulièrement, un générateur de ce genre à haut rendement. Les générateurs d'air chaud comportent en général une unité de ventilation, un échangeur de chaleur, une carrosserie extérieure à panneaux et un brûleur à gaz ou à gasoil. L'écoulement d'air peut se faire à contre-courant ou bien à courant croisé par rapport au sens d'écoulement des fumé es . Le générateur de chaleur comporte une chambre de combustion où le combustible brûle, reliée à un collecteur qui dirige les produits de combustion (fumées) dans un faisceau tubulaire (tubes de fumée) pour les décharger ensuite dans l'atmosphère à travers une cheminée à tirage. La partie extérieure de l'échangeur de chaleur est soumise à l'air froid à rechauffer forcé par le système de ventilation. Un générateur d'air chaud de ce genre présente les caractéristiques suivantes 1.- Température des fumées à l'entrée des tubes de fumée, variable de 7000C à 8000C; température des fumées à la sortie desdits tubes, variable de-2500C à 3000C; 2- Le transfert de la chaleur des fumées a lieu pendant le passage à travers les tubes de fumée. A égalité de surface et de At, pour améliorer le transfert de la chaleur, ou l'échange thermique, et par conséquent pour augmenter le rendement du générateur, on doit empêcher l'écoulement laminaire et augmenter la vitesse relative de circulation. Le système le plus classique pour obtenir une telle amélioration du transfert de la chaleur prévoit l'emploi de dispositifs spéciaux générateurs de turbulence introduits dans les tubes de fumée pour produire un écoulement turbulent. Il en résulte une notable résistance (perte de charge) au parcours des fumées. Cette résistance (perte ie charge) crée une condition de pressurisation dans la chambre de combustion qui, dans les générateurs d'air chaud employés pour le chauffage, est déconseillé et même interdit par les mesures de sécurité de plusieurs pays.De plus, il faut noter que, habituellement, il n'est pas possible d'avoir recours à la dépression produite par le tirage de la cheminée pour éviter le phénomène susmentionné, soit à cause de basses valeurs de dépression qui peuvent être obtenues, soit à cause du fait que dans certains pays, il faut utiliser des sondes barométriques de stabilisation et de réduction du tirage. Il est aussi nécessaire que la température superficielle ne soit pas inférieure a 90 -/100 C dans aucun point de l'échan- geur. En effet, si ladite température est inférieure aux dites valeurs, il peut se produire des condensations acides très agressives et oxydantes qui corrodent le métal, en le perçant très rapidement. Le but de la présente invention est donc d'éviter ces inconvénients et, en particulier, ses buts sont les suivants 1.- Atteindre, à égalité de surface d'échange, le maximum du transfert de la chaleur des fumées, de façon que leur température de sortie soit à peu prés de 1500 C. 2.- Obtenir une distribution homogène et régulière de la température superficielle extérieure des tubes de fumée sans jamais atteindre le seuil de condensation (900C/1000C). 3.- Eviter une perte de charge importante pendant l'écoulement des fumées qui puisse creer une pressurisation dans la chambre de combustion. 4.- Maintenir l'uniformité de la vitesse des fumées pendant leur parcours à travers le faisceau tubulaire. 5.- Eviter le recours à l'emploi de dispositifs générateurs de turbulence qui non seulement augmentent la perte de charge, mais ont même besoin d'un entretien onéreux et d'un remplacement fréquent. A cet effet, la présente invention concerne un générateur d'air chaud comportant un ventilateur centrifuge, une chambre de combustion, un échangeur de chaleur à tubes de fumée et un brûleur a gaz, ou à gas-oil, caractérisé par le fait que les tubes de fumée formant l'échangeur de chaleur ont une section transversale et une section longitudinale en forme de trapèzes, avec les plus petites bases placées respectivement en partie supérieure et à côté de la sortie des fumées. Selon une caractéristique de la présente invention, les tubes de fumée comportent sur leurs parois latérales des empreintes destinées à éviter un écoulement laminaire des fumées. Selon une autre caractéristique encore de la présente invention, les empreintes formées sur les parois latérales des tubes de fumée présentent une forme allongée et s'étendent parallèlement aux bases du trapèze. L'invention sera mieux comprise et ses autres buts avec, à la lecture de la description suivante d'une forme préférée de réalisation en référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue en coupe d'un générateur d'air chaud du type vertical conforme à la présente invention selon la ligne I-I de la figure 2. La figure 2 est une vue frontale du générateur dtair chaud de la figure 1, partiellement en coupe selon la ligne II-II de figure 3. La figure 3 est une vue en plan du générateur d'air chaud vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. La figure 4 est une vue en élévation latérale du tube de fumée pour l'échangeur de chaleur. La figure 5 illustre le tube de fumée de la figure 4 vu du côté de l'entrée des fumées. La figure 6 illustre le tube de fumée de la figure 4 vue du côté de la sortie des fumées. La figure 7 est une vue en coupe transversale du tube de fumée selon la ligne VII-VII de la figure 4 et La figure 8 est une vue, semblable à celle de la figure 1, d'un générateur d'air chaud du type horizontal selon la présente invention. En référence aux dessins, et plus particulièrement aux figures 1, 2 et 3, le générateur d'air chaud du type vertical comporte une carrosserie 1 à panneaux calorifugés, pourvue d'un fond 2 et d'un panneau supérieur 3 avec une ouverture 4 pour la sortie de l'air chaud, comme illustré par la flèche de direction AC de la figure 2, l'air froid extérieur entrant latéralement par le bas, comme illustré par les flèches AF de la figure 2.Dans le fond 5 de la carrosserie est disposé le groupe motoventilateur destiné à l'aspiration de l'air de l'extérieur et à son insufflation vers le haut autour d'une chambre de combustion 7 et à travers l'échangeur de chaleur 8. 9 désigne le collecteur antérieur des fumées sortant de la chambre de combustion et 10 désigne le collecteur postérieur placé à la sortie de ltéchangeur de chaleur 8 et communiquant avec la cheminée 11. Un brûleur 12 permet la combustion du combustible dans la chambre de combustion 7 et des filtres 13 sont disposés en face des ouvertures d'entrée de l'air froid extérieur. L'échangeur de chaleur 8 comporte une pluralité de tubes de fumée 14 disposés horizontalement et supportés par des plaques tubulaires 15 et 16. Sur les figures 4 à -7, on peut mieux voir que les tubes de fumée 14 de l'échangeur de chaleur 8 ont une section sensiblement en forme de trapèze ayant sa base plus grande 18 placée en partie inférieure et sa base plus petite 19 placée en partie supérieure. Ces bases sont ici arrondies. Les tubes de fumée ont une section longitudinale elle-même en forme de trapèze dont les côtés convergent dans le sens la du parcours des fumées, indiqué par la flèche F de/figure 4, et ils comportent sur leurs parois latérales opposées des empreintes 20 destinées à produire un écoulement turbulent à l'intérieur. La figure 5 montre un tube de fumée 14 vu du côté de l'entrée des fumées de l'échangeur de chaleur et la figure 6 montre le tube de fumée 14 vu du côté de la sortie des fumées. les tubes de fumée 14 présentent une section transversale plus grande du côté de l'entrée des fumées et une section transversale plus petite du côté de la sortie des fumées. Les empreintes 20 ont de préférence la forme de rectangle avec leurs petits côtés en demi-cercle et sont disposés en séries décalées sur chaque paroi latérale des tubes de fumée, comme on peut mieux le voir sur la figure 7 et sur la figure 4, où les empreintes 20 de la paroi latérale du tube de fumée, opposée à celle qu'on voit, sont indiquées en ligne brisée. Comme on peut le voir sur la figure 7, les empreintes 20 sont destinées à détourner l'écoulement des fumées de façon à produire dans les tubes de fumée la turbulence nécessaire afin d'éviter l'écoulement laminaire qui, autrement, entraverait le fonctionnement de l'échangeur de chaleur. La figure 8 montre un générateur d'air chaud du type horizontal où l'entrée de l'air froid, indiquée par la flèche AF, s'effectue par le haut à travers l'ouverture 17. L'air va ensuite lécher la cheminée 11, et en passant à travers les filtres 13, entre dans la chambre 5 où se trouve le groupe motoventilateur 6; l'air passe autour de la chambre de combustion 7 et sort par l'ouverture 4 après passage à travers l'échangeur de chaleur 8, formé par le faisceau des tubes de fumée 14, comme exposé ci-dessus. D'après ce qu'on vient d'exposer le coeur de l'invention consiste à prévoir des tubes de fumée 14 dont la première caractéristique est liée à la forme, les dimensions et l'agencement des empreintes 20 dont le rôle principal est d'éviter qu'un écoulement laminaire n'aUtlieu à travers les tubes de fumée et de produire ainsi une turbulence qui mélange les fumées en permanence, en éliminant de cette façon la perte de charge dans les tubes mêmes. Ceci est obtenu parce que la turbulence est engendrée par la forme du tube et non pas par les discontinuités de la section comme dans les dispositifs générateurs de turbulence connus mentionnés ci-dessus. La deuxième caractéristique des tubes de fumée est liée aux dimensions et aux proportions de la section transversale en forme de trapèze du tube de fumée. Le but principal de cette forme en trapèze de ladite section transversale est d'éviter la tendance des fumées de température plus élevée à s'écouler dans la partie le plus haute du tube. En effet, compte tenu du fait que les fumées ont tendance à s'écouler par le passage le plus facile, la forme trapèze entraine le fait qu'elles restent dans la partie basse du tube dont la section est plus grande, en améliorant ainsi soit l'homogénéité de la distribution de la température superficielle extérieure, soit la quantité de chaleur amenée par le courant d'air qui va lécher l'échangeur de chaleur, en le traversant, avec un rendement du système qui s'en trouve augmenté. La troisième caractéristique des tubes de fumée selon la présente invention est liée aux dimensions et aux proportions des tubes de fumée qui, même en vue longitudinale, ont une forme en trapèze. La forme en trapèze des tubes de fumée en vue longitudinale a principalement pour but de maintenir la haute vitesse d'écoulement des fumées, dont le volume se réduit à cause de leur refroidissement. Un autre but est de maintenir les conditions telles que créées grâce à la deuxième caractéristique, inchangée pendant l'écoulement des fumées, compte-tenu du changement de volume résultant du changement de température. Avec les tubes de fumée selon la présente invention, les résultats suivants ont été obtenus 1.- La température des fumées de sortie s'abaisse jusqu'à 1500C, comparée à la température de 2500C/3000C qu'on avait avec les générateurs d'air chaud connus, en obtenant par conséquent un transfert du contenu calorique à l'air froid plus remarquable et en élevant le rendement du générateur d'air chaud, même à égalité de surface d'échange. 2.- La distribution de la température le long des tubes de fumée est si homogène que, malgré le fort abaissement de la température, dans aucun de leurs points la température ne s'approche de celle, critique, de condensation (90 C/100 C), en évitant par conséquent la formation de condensation très agressive et oxydante qui attaque le métal dont les tubes de fumée sont faits. 3.- La perte de charge le long des tubes de fumée est pratiquement réduite à zéro. il est ainsi évident, d'après ces résultats, qu'en employant les tubes de fumée selon l'invention, le rendement, du générateur de l'air chaud qui passe à travers l'échangeur de chaleur suivant une circulation croisée par rapport au sens d'écoulement des fumées, en d'autres termes sensiblement perpendiculaire à ce sens d'écoulement, est très élevé, et cela sans recours à des moyens coûteux ni à'des moyens supplémentaires qui entraineraient une augmentation du coût du générateur. Même si la présente invention a été illustrée dans une forme préférée de réalisation en ce qui concerne son objet principal,à savoir les tubes de fumée, on pourra y apporter tous changements et modifications. En particulier, la forme des empreintes prévues sur les parois latérales des tubes de fumée pourra être différente de celle illustrée et décrite et l'angle d'inclinaison du côté oblique ou des côtés obliques du trapèze pourra changer dans des limites admissibles. Revendications 1.- Générateur d'air chaud comportant un ventilateur centrifuge, une chambre de combustion, un échangeur de chaleur à tubes de fumée et un brûleur à gaz, ou à gas-oil, caractérisé par le fait que les tubes de fumée (14) formant l'échangeur de chaleur (8) ont une section transversale et une section longitudinale en forme de trapèzes, avec les plus petites bases placées respectivement en partie supérieure et à côté de la sortie des fumées. 2.- Générateur d'air chaud selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes de fumée (14) présentent une section transversale plus grande du côté de l'entrée des fumées et une section transversale plus petite du côté de la sortie des fumées. 3.- Générateur d'air chaud selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les tubes de fumée (14) présentent sur leurs parois latérales des empreintes (20) destinées à éviter un écoulement laminaire des fumées. 4.- Générateur d'air chaud selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les empreintes (20) prévues sur les parois latérales des tubes de fumée (14) ont une forme allongée et s'étendent parallèlement aux bases du trapèze. 5.- Générateur d'air chaud selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les empreintes (20) prévues sur les parois latérales des tubes de fumée (14) ont la forme de rectangle dont les petits côtés sont en demi-cercle. 6.- Générateur d'air chaud selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le trapèze formant la section transversale des tubes de fumée comporte des bases arrondies. 7.- Générateur d'air chaud selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait-que les tubes de fumée sont disposés sensiblement perpendiculairement au sens d'écoulement de l'air à réchauffer.