Brevet FR2694388A1 — publié le 19940204

Echangeur de chaleur à nappe de tubes d'eau notamment pour chaudière à condensation. L'invention qui se rapporte à un échangeur de chaleur notamment pour chaudière à condensation, concerne plus précisément la répartition des débits à l'intérieur de la nappe de tubes d'eau qui constituent l'échangeur cylindrique. Les échangeurs cylindriques de chaudières du type à condensation sont habituellement réalisés sous forme d'une nappe de tubes d'eau qui se répartissent verticalement -de façon régulière tout autour d'un brûleur central et qui délimitent une chambre de combustion. La nappe cylindrique est enveloppée d'une coquille étanche destinée à collecter les produits de combustion qui s'évacuent par une cheminée Cette disposition permet une récupération partielle ou totale de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion, grâce aux surfaces d'échange importante prévues entre les tubes d'eau et ces gaz Ces surfaces d'échange résultent d'un profil particulier de chaque tube d'eau, avantageusement de section oblongue et assez aplatie Dans ce type d'échangeur connu, l'eau de chauffage circule dans les tubes de la nappe en montant par quelques tubes voisins formant un faisceau, puis en descendant par un faisceau voisin, et ainsi de suite. Cette circulation montante et descendante se fait entre un anneau répartiteur inférieur et un anneau répartiteur supérieur, l'un des deux recevant un conduit d'alimentation et un conduit de sortie d'eau Dans chaque anneau répartiteur sont prévues des chicanes qui isolent entre eux les différents secteurs qu'elles délimitent Dans chaque secteur débouche ainsi un faisceau de tubes montants et un faisceau de tubes descendants De cette façon l'eau effectue plusieurs "aller et retour" d'un anneau à l'autre, entre le conduit d'alimentation et le conduit de sortie Les chicanes en question constituent des cloisons de séparation entre les secteurs et elles doivent être suffisamment étanches pour que lesdits secteurs soient parfaitement isolés les uns des autres Cela est encore plus important pour la chicane qui se trouve dans un anneau répartiteur, entre le conduit d'alimentation et le conduit de sortie d'eau A défaut au moins une partie du débit d'eau est bipassé vers la sortie ou le secteur voisin, au détriment du bon fonctionnement de l'échangeur Pour éviter cela il faut donc s'assurer de la qualité des étanchéités des chicanes Si l'on effectue pour cela des brasures, cela impose des opérations d'usinage coûteuses, et cela n'exclu pas d'avoir à effectuer des reprises ultérieures en atelier si des défauts d'étanchéité sont encore constatés en cours d'utilisation Certes on a pensé à utiliser des chicanes amovibles de conformation particulière qui s'emboîtent directement dans les tubes d'eau sans nécessiter de soudure et qui sont coiffées d'un joint d'étanchéité, comme décrit dans le FR-A 2 508 157 au nom de la Demanderesse, mais l'étanchéité des joints est parfois également douteuse après une longue période d'utilisation. Ce système de répartition des débits, hormis les difficultés précitées liées à l'existence des ces chicanes, présente d'autres inconvénients. En effet on s'est aperçu que dans chaque secteur des anneaux répartiteurs o, comme ont sait, l'eau subit un changement brutal de direction entre le faisceau de tubes montant et le faisceau descendant, il n'y a pas une répartition homogène du débit dans chaque tube d'un même faisceau. Les hétérogénéités de vitesses d'eau dans chacun d'eux et des effets tourbillonnaires dans les secteurs se traduisent par des irrégularités dans les températures des tubes et des bouchages internes de certains d'entre eux, résultant de la précipitation irrégulière des particules en suspension dans l'eau. L'invention propose par conséquent un échangeur de chaleur à nappe de tubes d'eau qui s'affranchit des inconvénients précités, en n'utilisant pas les chicanes habituelles, ledit échangeur permettant une répartition meilleure des débits, avec une faible perte de charge. Un objet principal de l'invention consiste donc en un échangeur de chaleur à nappe cylindrique de tubes d'eau disposés autour d'un brûleur central et qui débouchent dans des anneaux répartiteurs inférieurs et supérieurs entre lesquels l'eau effectue plusieurs inversions de sens de circulation en montant et en descendant successivement dans les faisceaux de tubes adjacents, échangeur selon lequel une pluralité de séparateurs coiffant chacun un secteur de plusieurs tubes d'eau sont régulièrement répartis à l'intérieur et sur tout le pourtour de chaque anneau répartiteur et isolent leur secteur du secteur voisin non pourvu de séparateur, les séparateurs de l'anneau répartiteur supérieur et ceux de l'anneau répartiteur inférieur étant décalés les uns par rapport aux autres et le conduit d'arrivée d'eau et le conduit de départ d'eau étant montés de façon diamétralement opposée sur un même anneau répartiteur. Selon une caractéristique particulière de l'invention, les séparateurs de l'anneau répartiteur supérieur coiffent un nombre impair de tubes d'eau et les conduits d'arrivée et de départ d'eau prennent sur l'anneau répartiteur supérieur chacun dans un secteur comportant un nombre pair de tubes d'eau, dépourvu de séparateur. Dans l'anneau répartiteur supérieur, le nombre de tubes d'eau du secteur d'arrivée d'eau est différent de celui du départ d'eau. Enfin tous les secteurs de l'anneau répartiteur inférieur, ceux coiffés d'un séparateur et ceux qui ne le sont pas ont un nombre impair et identique de tubes, et à l'aplomb des conduits d'arrivée et de départ d'eau deux séparateurs sont placés en limite du diamètre de l'anneau, au droit desdits conduits. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, chaque séparateur est constitué d'une tôle pliée formant un pont au-dessus de plusieurs tubes voisins, les deux flancs verticaux du séparateur qui convergent vers le centre de l'anneau venant en appui contre la base de l'anneau répartiteur, entre deux tubes voisins. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'une forme de réalisation, prise à titre d'exemple, dans laquelle il sera fait référence aux dessins annexés qui représentent: figure 1 une vue générale en perspective de l'échangeur de chaleur; figure 2 une vue en coupe verticale diamétrale dudit échangeur; figure 3 une vue en perspective du séparateur et figure 4 ledit séparateur monté au-dessus de plusieurs tubes d'eau; figures 5 et 6 des vues en plan respectivement de l'anneau répartiteur supérieur et de l'anneau répartiteur inférieur dont les couvercles ont été ôtés; figure 7 une vue déroulée schématique en élévation d'une moitié de l'échangeur. En se référant aux figures 1 et 2, on voit que l'échangeur est constitué d'une nappe cylindrique de tubes d'eau 1 qui relient un anneau répartiteur supérieur 2 et un anneau répartiteur inférieur 3 Les tubes 1 délimitent une chambre de combustion 4 à l'intérieur de laquelle est disposé un brûleur radial non représenté L'anneau répartiteur supérieur 2 est fermé par un couvercle annulaire 5 et l'anneau inférieur 3 également par un autre couvercle 6 La chambre de combustion 4 est obturée, au niveau de l'anneau répartiteur inférieur par un fond 7. L'anneau répartiteur supérieur 2 est solidaire d'une plaque support 8 grâce à laquelle l'échangeur est maintenu en place dans l'appareil Sur cette plaque sont prévues des pattes d'accrochage 9 pour le brûleur L'anneau répartiteur supérieur 2 communique avec les conduits d'arrivée et de départ d'eau respectivement par un raccord d'alimentation et par un raccord de sortie 11, les deux raccords étant diamétralement opposés sur l'anneau. Une pluralité de séparateurs 12 dont on voit mieux le profil et le montage aux figures 3 et 4 sont placés à l'intérieur de chaque anneau répartiteur Chaque séparateur 12 est constitué d'une tôle pliée, formant un pont 15 au- dessus de plusieurs tubes 1 voisins et les deux flancs verticaux 13 du séparateur qui convergent vers le centre de l'anneau viennent en appui contre la base de l'anneau répartiteur, entre deux tubes voisins La partie centrale du séparateur 12 forme une légère surélévation 14 par rapport au pont 15 et vient en appui contre le couvercle annulaire 5 ou 6 de l'anneau répartiteur considéré, auquel elle est brasée Le séparateur est ainsi parfaitement maintenu en place On notera que les flancs verticaux de chaque séparateur sont écartés d'une distance correspondant à neuf tubes 1. La figure 5 illustre la place occupée par les séparateurs 12 à l'intérieur de l'anneau répartiteur supérieur 2 On voit sur cette figure la répartition régulière des soixante douze tubes 1 qui constituent l'échangeur On a représenté en pointillés l'arrivée d'eau et le départ d'eau 11 qui se trouvent sur le même diamètre AA', de chaque coté de l'anneau répartiteur. Du côté de l'entré d'eau 10, huit tubes, c'est-à- dire quatre de chaque côté du diamètre AA' sont alimentés en eau et ne sont pas coiffés par un séparateur De part et d'autre, par contre, neuf tubes voisins sont coiffés par un séparateur 12; les tubes apparaissent alors en pointillés sur la figure Puis les neuf tubes voisins sont ouverts et les suivants coiffés d'un séparateur et ainsi de suite On remarquera que le secteur du tube de sortie d'eau 11 est - comme le secteur du tube d'entrée d'eau 10 dépourvu de séparateur Chaque séparateur coiffe donc un secteur de neuf tubes d'eau soit un nombre impair de tubes, et l'isole du secteur voisin non pourvu de séparateur. La figure 5 montre qu'il y a quatre secteurs avec séparateur, coiffant 36 tubes Entre chaque secteur équipé de séparateur, il y a un secteur qui ne l'est pas On a vu que le secteur d'entrée occupait huit tubes Les secteurs intermédiaires ont neuf tubes Par contre le secteur de sortie du côté du conduit 11, sur le diamètre AA' concerne tubes Il y a donc entre la zone d'entrée et la zone de sortie d'eau une différence du nombre de tubes dont l'intérêt apparaîtra plus loin Ainsi les conduits d'arrivée 10 et de départ 11 prennent sur l'anneau répartiteur supérieur dans un secteur comportant un nombre pair de tubes d'eau, dépourvu de séparateur. La figure 6 montre que la place occupée par les séparateurs 12 à l'intérieur de l'anneau répartiteur inférieur 3 Par rapport au même diamètre AA' de l'échangeur, on voit que les séparateurs sont décalés par rapport aux séparateurs de la figure 5 et sont en limite dudit diamètre Ainsi du côté de l'arrivée d'eau 10 un flanc vertical 13 du séparateur 12 se trouve sur le diamètre AA', c'est-à- dire que le séparateur est décalé de quatre tubes par rapport à celui de l'anneau répartiteur supérieur On retrouve ce décalage du côté de la sortie d'eau 11 Un flanc vertical du séparateur se trouve aussi sur le diamètre AA', mais il est cette fois décalé de cinq tubes par rapport à celui de l'anneau répartiteur supérieur On remarquera ainsi que les huit secteurs de l'anneau répartiteur inférieur, soit les quatre qui sont coiffés d'un séparateur et les quatre qui ne le sont pas, couvrent tous chacun 9 tubes. En se référant également à la figure 7, on décrit maintenant de quelle façon l'eau circule dans l'échangeur entre l'entrée 10 et la sortie 11. L'eau admise par l'arrivée 10 dans l'anneau répartiteur supérieur 2 va descendre dans les huit tubes du secteur considéré Un déflecteur non représenté est avantageusement placé dans le raccord d'alimentation 10 pour que l'eau se répartisse dans les huit tubes de départ. Les parties verticales 13 des deux séparateurs (figure 5) isolent les huit tubes de leurs voisins L'eau descendante dans ces huit tubes atteint l'anneau répartiteur inférieur 3 Du fait de la cloison que constitue le flanc vertical 13 du séparateur localisé comme on l'a vu, sur le diamètre AA', c'est-à-dire au milieu du secteur des huit tubes, l'eau descendante va se répartir de part et d'autre de cette cloison et remonter dans les tubes voisins On voit que ce premier flux descendant va être scindé de part et d'autre du diamètre AA' Cela veut dire que la circulation d'eau se fera de l'entrée 10 vers la sortie 11, par les deux côtés de l'échangeur ce qui diminue considérablement les pertes de charge par rapport à une circulation unique. La figure 7 montre schématiquement une moitié de l'échangeur en vue déroulée entre l'arrivée d'eau 10 et la sortie 11 L'eau admise en 10 descend donc par les huit tubes de départ puis se sépare pour remonter par cinq tubes voisins avant de redecendre par quatre et ainsi de suite jusqu'à la sortie 11 Cette alternance de cinq et quatre tubes s'explique de la façon suivante L'eau descendante dans les quatre premiers tubes dispose des cinq tubes voisins coiffés par le même séparateur pour remonter vers l'anneau répartiteur supérieur. Cette eau montante dispose ensuite des quatre tubes voisins coiffés par le même séparateur de l'anneau répartiteur supérieur pour redescendre vers l'anneau répartiteur inférieur et ainsi de suite L'indication à la figure 7 des quatre tubes descendants et des cinq tubes montants ainsi que le marquage par des flèches de la circulation de l'eau, illustre bien ce processus de fonctionnement. Du fait de cette disposition particulière selon laquelle le nombre de tubes d'eau montants diffère du nombre de tubes descendants, au niveau du changement de direction de l'eau sous le séparateur, se crée une certaine turbulence qui évite la formation de filets d'eau continus entre un tube montant et un tube descendant De ce fait tous les tubes sont alimentés en eau avec des débits sensiblement équivalents L'absence d'hétérogénéités dans les vitesses d'écoulement élimine les risques de surchauffe localisée et de bouchage interne des tubes De ce fait, il n'est plus nécessaire d'utiliser des pontets pour favoriser la répartition des fluides dans les anneaux répartiteurs. On a vu que le fait d'éloigner le tube d'alimentation d'eau du tube de sortie, et de répartir le débit d'eau en circulation des deux côtés de l'échangeur diminuait les pertes de charges Ce montage présente aussi l'avantage qu'en cas de défaut d'étanchéité au niveau des séparateurs et plus précisément de leurs cloisons, la petite fuite d'eau qui en résulte est sans incidence sur le fonctionnement de l'échangeur, et en tout cas il n'y a plus de bipass direct entre l'entrée et la sortie puisque les deux conduits correspondants sont éloignés l'un de l'autre. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur à nappe cylindrique de tubes d'eau disposés autour d'un brûleur central et qui débouchent dans des anneaux répartiteurs inférieurs et supérieurs entre lesquels l'eau effectue plusieurs inversions de sens de circulation en montant et en descendant successivement dans des faisceaux de tubes adjacents caractérisé en ce que une pluralité de séparateurs ( 12) coiffant chacun un secteur de plusieurs tubes d'eau ( 1) sont régulièrement répartis à l'intérieur et sur tout le pourtour de chaque anneau répartiteur et isolent leur secteur du secteur voisin non pourvu de séparateur, en ce que les séparateurs de l'anneau répartiteur supérieur ( 2) et ceux de l'anneau répartiteur inférieur ( 3) sont décalés les uns par rapport aux autres et en ce que le conduit d'arrivée d'eau ( 10) et le conduit de départ d'eau ( 11) sont montés de façon diamétralement opposée sur un même anneau répartiteur. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les séparateurs ( 12) de l'anneau répartiteur supérieur ( 2) coiffent un nombre impair de tube d'eau ( 1) et en ce que les conduits d'arrivée ( 10) et de départ d'eau ( 11) prennent sur l'anneau répartiteur supérieur chacun dans un secteur comportant un nombre pair de tubes d'eau, dépourvu de séparateur. 3 Echangeur de chaleur selon la revendication 2 caractérisé en ce que, dans l'anneau répartiteur supérieur ( 2), le nombre de tubes d'eau ( 1) du secteur d'arrivée d'eau ( 10) est différent de celui du départ d'eau ( 11). 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que tous les secteurs de l'anneau répartiteur inférieur ( 3), ceux coiffés d'un séparateur ( 3) et ceux qui ne le sont pas, ont un nombre impair et identique de tubes 1. Echangeur de chaleur selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que dans l'anneau répartiteur inférieur ( 3), à l'aplomb des conduits d'arrivée ( 10) et de départ d'eau ( 11), deux séparateurs ( 12) sont placés en limite du diamètre AA' de l'anneau au droit desdits conduits. 6 Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque séparateur ( 12) est constitué d'une tôle pliée formant un pont ( 15) au-dessus de plusieurs tubes ( 1) voisins et en ce que les deux flancs verticaux ( 13) du séparateur qui convergent vers le centre de l'anneau viennent en appui contre la base de l'anneau répartiteur, entre deux tubes voisins. 7 Echangeur de chaleur selon la revendication 6 caractérisé en ce que la partie centrale de séparateur ( 12) forme une surélévation ( 14) par rapport au pont ( 15) et vient en appui contre le couvercle ( 5, 6) de l'anneau répartiteur considéré.