Brevet FR2681669A1 — publié le 19930326

ECHANGEUR DE CHALEUR POUR UNE CHEMINEE A FOYER METALLIQUE La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour une cheminée à foyer métallique entouré au moins partiellement par un circuit d'air pour récupération de chaleur, l'échangeur étant placé dans le circuit d'air et pourvu de conduits de fumées à parois métalliques entre au moins une entrée de fumées, raccordée à un avaloir du foyer métallique, et une sortie de fumées raccordée à un canal d'évacuation. Pour améliorer le rendement énergétique des cheminées de salon ou similaires, équipées d'une cassette métallique (appelée communément "insert") qui forme un foyer fermé, il est connu de laisser circuler de l'air, provenant du local à chauffer ou de l'extérieur, autour du foyer fermé et de recueillir cet air dans la partie supérieure de la cheminée pour le distribuer par des conduits à air chaud dans un ou plusieurs locaux. Le foyer fermé peut alors être surmonté d'un échangeur de chaleur comportant par exemple plusieurs tubes métalliques verticaux traversés par les fumées et léchés par l'air de récupération, lequel prélèvera le plus possible de chaleur résiduelle des fumées. Ces échangeurs connus ont toutefois certains inconvénients relatifs à leur installation et aux conditions d'exploitation de la cheminée. Ils sont relativement encombrants en hauteur et ne peuvent donc être installés que dans des cheminées particulièrement hautes. Comme le flux des fumées est divisé en plusieurs flux parallèles dans des tubes dont la section de passage est relativement faible, le tirage s'établit difficilement lors de l'allumage du feu. En outre, lors du ramonage, l'échangeur rend difficile l'évacuation des suies provenant du conduit à fumées et, dans bien des cas, nécessite un démontage partiel pour être lui-même ramone. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur simple et compact, susceptible d'être installé facilement sur un foyer fermé de type usuel et permettant à la fois un bon échange de chaleur et un bon tirage dans tous les régimes de fonctionnement. Un but supplémentaire consiste à agencer l'échangeur de façon à faciliter le ramonage. Dans ce but, l'invention concerne un échangeur de chaleur du type indiqué en préambule, caractérisé en ce que les conduits de fumées comprennent un caisson central, entouré par le circuit d'air, et au moins une paire de conduits latéraux entourés par ledit circuit, en ce que le caisson central comporte une chambre centrale raccordée à une entrée centrale de fumées, une chambre de sortie disposée au-dessus de la chambre centrale et raccordée à la sortie de fumées, et un orifice réduit reliant ces deux chambres et ayant une section de passage sensiblement plus petite que celle de la sortie de fumées, et en ce que les conduits latéraux relient l'avaloir ou une partie inférieure de la chambre centrale à la chambre de sortie. Le caisson central et les conduits latéraux peuvent avantageusement avoir, en plan, des sections transversales rectangulaires. De préférence, l'entrée centrale de fumées, ledit orifice réduit et la sortie des fumées sont alignés. Dans une forme particulièrement avantageuse de l'invention, la chambre centrale et la chambre de sortie sont formées par subdivision du caisson central au moyen d'une cloison dans laquelle est ménagé ledit orifice réduit, et ladite cloison a une forme en entonnoir au bas duquel se trouve ledit orifice réduit. Ladite cloison peut être amovible pour le nettoyage de l'échangeur. Différentes variantes de réalisation des conduits latéraux sont possibles. Dans une première variante, chacun des conduits latéraux comporte une entrée raccordée à l'avaloir. Dans une autre variante plus compacte, chacun des conduits latéraux comporte une entrée ménagée dans une paroi latérale de la chambre centrale. L'entrée de chaque conduit latéral peut être équipée d'un déflecteur ajustable entre différentes positions. L'entrée de chaque conduit latéral peut être équipée d'un déflecteur donnant aux fumées une trajectoire hélicoïdale. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de deux exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement en perspective une première forme de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, monté sur un foyer métallique fermé, les ailettes extérieures de l'échangeur étant supprimées pour clarifier le dessin, - la figure 2 est une vue en élévation latérale de l'échangeur de la figure 1, - la figure 3 représente l'échangeur de la figure 1, respectivement en élévation frontale dans sa partie de gauche (A) et en coupe verticale dans sa partie de droite (B), suivant la ligne III-III de la figure 4, - la figure 4 représente l'échangeur de la figure 1, respectivement en plan dans sa partie de gauche (A) et en coupe horizontale dans sa partie de droite (B), suivant la ligne IV-IV de la figure 3, - la figure 5 représente schématiquement en perspective une seconde forme de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, monté sur un foyer métallique fermé, les ailettes extérieures de l'échangeur étant supprimées pour clarifier le dessin, et - la figure 6 est une vue analogue à la figure 3, pour l'échangeur de chaleur de la figure 5. En référence à la figure 1, un échangeur de chaleur 1 selon l'invention est monté sur un foyer métallique fermé 2 d'un type usuel, pourvu d'une porte frontale 3 et d'un avaloir 4 en forme de tronc de pyramide, qui rassemble les fumées vers un orifice supérieur raccordé à une entrée de l'échangeur 1. L'ensemble des éléments 1 et 2 est destiné à être installé dans une cheminée comportant un circuit d'air de récupération de chaleur autour de ces deux éléments, comme expliqué plus haut. L'échangeur 1 est pourvu d'une sortie de fumées 5 qui peut être raccordée comme d'habitude au canal d'évacuation des fumées et qui comporte un clapet pivotant de réglage 6 commandé de manière connue par une tringlerie 7 et une poignée 8. Vu de l'extérieur, l'échangeur 1 présente essentiellement un caisson central 10, monté sur le sommet de l'avaloir 4, et deux conduits latéraux 11 disposés de part et d'autre du caisson 10 et raccordés au foyer 2 sur des faces latérales inclinées 12 de l'avaloir 4. En référence aux figures 2 à 4, le caisson central 10 de l'échangeur de chaleur a une forme rectangulaire en plan, avec des parois extérieures planes permettant une construction économique en tôle pliée et soudée. Des ailettes métalliques 14 sont soudées sur les faces extérieures du caisson, pour augmenter la surface d'échange thermique et pour guider en même temps l'air circulant le long de l'échangeur. Dans la figure 3(A), les trajectoires de cet air sont représentées par des flèches en traits mixtes. Les conduits latéraux ont également une section transversale rectangulaire et sont pourvus d'ailettes extérieures 15. Afin que l'air montant autour du foyer 2 soit forcé de suivre les parois de l'échangeur 1, une paire de déflecteurs extérieurs 13 entoure la majeure partie de l'échangeur et peut être raccordée aux parois environnantes du manteau de la cheminée, ces déflecteurs étant découpés sur place pour s'adapter aux dits parois. Ils sont inclinés de façon à canaliser l'air en direction de la zone médiane de l'échangeur, qui est généralement la plus chaude. L'intérieur du caisson central 10 est subdivisé en deux chambres superposées, à savoir une chambre centrale 16 et une chambre de sortie 17, par une cloison en tôle 18 ayant en son centre un orifice réduit 19 par où un débit limité de fumées peut passer de la chambre 16 à la chambre 17. La cloison 18 a une forme en entonnoir destinée non seulement à dévier les fumées dans la chambre 16, comme on le décrira plus loin, mais aussi à rassembler vers l'orifice 19 tout déchet solide susceptible de tomber dans l'échangeur quand on ramone le canal de fumées. L'orifice 19 est centré au-dessus d'un orifice d'entrée 20 par lequel les fumées (représentées par des flèches en traits gras) peuvent monter de l'avaloir 4 à la chambre centrale 16.Chaque conduit latéral Il aboutit latéralement dans la chambre de sortie 17 du caisson central 10, et part d'un orifice d'entrée 21 ménagé dans la paroi inclinée correspondante 12 de l'avaloir 4 et entouré par un rebord de tôle 22 dans lequel le conduit 11 est emboîté. A l'intérieur de Avaloir, ce rebord porte des supports à crans 23 sur lesquels est inséré un déflecteur 24 en tôle légère qu'on peut placer à une distance réglable de l'orifice d'entrée du conduit 11. Cette distance est ajustée lors de l'installation de l'échangeur, en fonction des conditions particulières de tirage de la cheminée. De préférence, un déflecteur hélicoïdal 25 est monté au-dessus de chaque déflecteur 24, pour provoquer dans le conduit 11 un mouvement circulaire améliorant l'échange thermique sur les parois.On notera que les déflecteurs 24 et 25, ainsi que la cloison 18, sont facilement démontables en cas de besoin pour le ramonage. La figure 3 (B) illustre le circuit des fumées en régime normal. Le flux principal 26 des fumées montant dans l'avaloir 4 du foyer entre dans la chambre centrale 16, où il se subdivise en un flux restreint 26a qui traverse l'orifice réduit 19 et va directement à l'orifice de sortie 5, et un flux principal 26b qui dévié par la cloison 18 de façon à redescendre le long des parois latérales de la chambre 16. Ce flux 26b est alors aspiré vers les faces latérales de l'avaloir 4 par les conduits latéraux 11. Les fumées s'échappent ensuite par la chambre 17 et l'orifice 5. L'orifice réduit 19 joue un rôle important parce qu'il empêche la formation d'un tampon de fumées refroidies dans la partie supérieure de la chambre centrale 16. De plus, il facilite notablement l'allumage de la cheminée, puisqu'il permet à ce moment un passage direct des fumées le long de l'axe vertical du foyer et de l'échangeur. Un débit de fumées substantiel ne s'établit dans les canaux latéraux 11 que lorsque le tirage est suffisant. La description ci-dessus montre qu'en régime de fonctionnement normal, la plus grande partie des fumées effectue une trajectoire relativement longue le long des parois métalliques de la chambre 16, puis des conduits latéraux 11 et de la chambre de sortie 17 avant d'être évacuée. Il en résulte une récupération importante de chaleur par abaissement de la température de sortie des fumées. Néanmoins, les sections de passage des fumées à l'intérieur de l'échangeur sont relativement larges et freinent donc peu l'écoulement des gaz. Ceci facilite aussi le ramonage, d'autant plus que les conduits latéraux ne peuvent pas recevoir de suie provenant du canal d'évacuation. Les figures 5 et 6 représentent une autre forme de réalisation d'un échangeur de chaleur 30 selon l'invention. Pour faciliter la compréhension, les éléments de cet échangeur qui sont semblables à ceux de lléchangeur 1 décrit ci-dessus portent les mêmes références. L'échangeur 30 diffère de l'échangeur 1 par le fait que ses conduits latéraux 31 ne partent pas de l'avaloir 4 du foyer 2, mais d'orifices latéraux 32 ménagés dans la partie inférieure des parois latérales de la chambre centrale 16 du caisson 10. Par conséquent, tout le flux 26 des fumées entre dans lléchangeur par l'orifice central 20, où le clapet de réglage 10 peut être installé. Cet orifice est défini par une buse cylindrique 33 qui forme la base de l'échangeur et qui peut, le cas échéant, être interchangeable pour s'adapter au diamètre de sortie d'un foyer 2 de type donné. Pour le reste, l'échangeur 31 fonctionne de la même manière que l'échangeur 1 et présente les mêmes avantages. La présente invention n' est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, mais elle s'étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier. Grâce à sa conception et à sa construction compacte, un échangeur selon l'invention peut généralement être installé sans difficulté dans une cheminée neuve ou une cheminée existante, et il peut être combiné à différents types de foyers fermés. Revendications I. Echangeur de chaleur pour une cheminée à foyer métallique entouré au moins partiellement par un circuit d'air pour récupération de chaleur, I'échangeur (1,31) étant placé dans le circuit d'air et pourvu de conduits de fumées à parois métalliques entre au moins une entrée de fumées (20, 21), raccordée à un avaloir (4) du foyer métallique (2), et une sortie de fumées (5) raccordée à un canal d'évacuation, caractérisé en ce que les conduits de fumées comprennent un caisson central (10), entouré par le circuit d'air, et au moins une paire de conduits latéraux (11,31) entourés par ledit circuit, en ce que le caisson central (10) comporte une chambre centrale (16) raccordée à une entrée centrale de fumées (20), une chambre de sortie (17) disposée au-dessus de la chambre centrale et raccordée à la sortie de fumées (5) et un orifice réduit (19) reliant ces deux chambres et ayant une section de passage sensiblement plus petite que celle de la sortie de fumées, et en ce que les conduits latéraux (11,31) relient l'avaloir (4) ou une partie inférieure de la chambre centrale (16) à la chambre de sortie (l7). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le caisson central (10) et les conduits latéraux (11, 31) ont, en plan, des sections transversales rectangulaires. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée centrale de fumées (20), ledit orifice réduit (19) et la sortie des fumées (5) sont alignés. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre centrale (16) et la chambre de sortie (17) sont formées par subdivision du caisson central au moyen d'une cloison (18) dans laquelle est ménagé ledit orifice réduit. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cloison (18) a une forme en entonnoir au bas duquel se trouve ledit orifice réduit (19). 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite cloison (18) est amovible pour le nettoyage de l'échangeur. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des conduits latéraux (11) comporte une entrée (21) raccordée à l'avaloir (4). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des conduits latéraux (31) comporte une entrée (32) ménagée dans une paroi latérale de la chambre centrale (16). 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'entrée (21, 32) de chaque conduit latéral (11, 31) est équipée d'un déflecteur (24) ajustable entre différentes positions. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'entrée (21, 32) de chaque conduit latéral (11, 31) est équipée d'un déflecteur (25) donnant aux fumées une trajectoire hélicoïdale.