Brevet FR2703767A1 — publié le 19941014

La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'échange de chaleur, et plus particulièrement mais non exclusivement un dispositif d'échange de chaleur destiné à équiper une chaudière de chauffage central du type à condensation. On connaît des dispositifs d'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur, gazeux ou liquide, circulant dans un faisceau de tubes parallèles entre eux, insérés à leurs extrémités dans deux plaques de support et un deuxième fluide caloporteur, gazeux ou liquide, cheminant à l'extérieur des tubes entre les plaques. Pour assurer un bon transfert de chaleur entre les premier et deuxième fluides caloporteurs on a proposé de réaliser les tubes dans des matériaux très bons conducteurs de la chaleur comme le cuivre ou l'aluminium. Toutefois, l'emploi de ces métaux est à proscrire pour réaliser certains dispositifs d'échange de chaleur, notamment ceux destinés à équiper des chaudières du type à condensation dans lesquelles de l'eau circule dans les tubes et des produits de combustion gazeux à l'extérieur. Dans ce type de chaudières, les produits de combustion, encore appelés fumées, se condensent en partie sur les tubes et contiennent des substances, telles que de l'acide sulfurique, qui corrodent le cuivre, tandis que de l'oxygène normalement dissout dans l'eau attaque l'aluminium. On a proposé, pour remédier à ces problèmes de corrosion, de réaliser les tubes en acier inoxydable. Ce dernier matériau présente néanmoins un mauvais coefficient de conduction thermique et pour disposer d'une surface d'échange permettant un transfert de chaleur équivalent à celui des dispositifs connus utilisant des tubes lisses en aluminium ou en cuivre, il faut utiliser un grand nombre de tubes en acier inoxydable ou munir ces derniers d'ailettes, ce qui conduit à des dispositifs d'échange de chaleur encombrants, complexes et d'un coût élevé. L'invention a pour objet de proposer un dispositif d'échange de chaleur remédiant aux inconvénients précités. La présente invention y parvient par le fait que les tubes présentent des portions d'extrémités rétrécies. Ainsi, ces derniers peuvent être fixés de manière simple (par sertissage ou soudure) aux plaques de support sans risquer d'affaiblir mécaniquement les plaques et les tubes ménagent un espacement suffisamment faible entre eux et avec les plaques de sorte que le faisceau de tubes offre une perte de charge élevée à Ia traversée par un fluide caloporteur. On obtient ainsi, avec un nombre réduit de tubes et sans qu'il soit nécessaire de munir ces derniers d'ailettes, un bon échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur circulant dans les tubes et un deuxième fluide caloporteur cheminant à l'extérieur des tubes. Avantageusement, lesdites portions d'extrémités rétrécies présentent un diamètre externe DR égal à DM - 4, OÙ DM, exprimé en millimètres, correspond au diamètre externe de la portion principale des tubes s'étendant entre lesdites portions d'extrémités rétrécies. De préférence, l'espacement entre les tubes, mesuré entre lesdites portions principales, est inférieur à 1,6 mm. De préférence, chacune desdites portions d'extrémités rétrécies s'étend au moins sur toute l'épaisseur de la plaque de support dans laquelle elle est insérée. Avantageusement, les tubes présentent une portion d'extrémité rétrécie de longueur au moins égale à la somme des épaisseurs des deux plaques de support. L'invention a également pour objet une chaudière équipée d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. Dans ce cas, de préférence, le premier fluide caloporteur est de l'eau et le deuxième fluide caloporteur est un produit gazeux de combustion. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe axiale, schématique et partielle, d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus, schématique et partielle, selon l'axe des tubes représentés sur la figure 1, et - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une extrémité d'un tube conforme à un mode de réalisation avantageux de l'invention. Un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention est avantageusement destiné à équiper une chaudière de chauffage central du type à condensation, pour réaliser un échange de chaleur entre des produits de combustion gazeux, encore appelés fumées" et un liquide caloporteur tel que de l'eau, circulant en circuit fermé dans un circuit de chauffage comprenant des radiateurs. Le dispositif d'échange de chaleur représenté sur les figures réalise un échange de chaleur entre de l'eau circulant dans un faisceau de tubes identiques 10, d'axes X verticaux et des fumées cheminant à l'extérieur 7 des tubes à travers le faisceau selon le chemin F par exemple. Le plan de coupe de la figure 1 contient l'axe longitudinal X des tubes 10 représentés sur cette figure. Les tubes 10 sont insérés respectivement à leurs extrémités axiales supérieures 12 et inférieures 13 dans des perforations 21 et 31 de plaques de support perforées supérieure 20 et inférieure 30 formant entretoises pour les tubes. Les plaques de support 20 et 30 sont planes et horizontales et présentent une forme générale annulaire symétrique de révolution autour d'un axe central vertical non représenté, situé vers la gauche sur la figure 1.La plaque de support inférieure 30 est respectivement soudée sur ses bords radialement interne 33 et externe 34 à des parois 39a et 39b d'une chambre 1 de distribution de l'eau dans les tubes, connue en ellemême et non décrite plus en détail. La plaque de support supérieure 20 est respectivement soudée sur ses bords radialement interne 23 et externe 24 à des parois 29a et 29b d'une chambre de collecte 2, connue en elle-même et non décrite plus en détail. Les parois 29a, 29b, 39a et 39b sont de préférence symétriques de révolution autour de l'axe central vertical précité. Comme indiqué par les flèches E, l'eau circule de bas en haut à l'intérieur 6 des tubes 10.Un brûleur de chaudière connu en lui-même et non représenté est placé au centre de la chaudière, selon l'axe central vertical précité et le faisceau de tubes 10 s'étend tout autour de cet axe central vertical, de sorte que les produits de combustion traversent le faisceau de tubes 10 radialement depuis l'espace 3 radialement intérieur au faisceau, contenant le brûleur, vers l'espace 4 radialement extérieur au faisceau, pour réchauffer l'eau circulant à l'intérieur des tubes. De préférence, des chicanes connues en elles-mêmes et non représentées sont insérées entre les tubes pour forcer les produits de combustion à effectuer des aller et retour radialement de 3 en 4 et inversement à travers le faisceau, de façon descendante, afin de réaliser un échange de chaleur méthodique à contre-courant entre les produits de combustion et l'eau circulant à l'intérieur des tubes. Conformément à l'invention, les tubes présentent des portions d'extrémités 12 et 13 rétrécies. Ces portions d'extrémités rétrécies 12 et 13 sont obtenues par déformation de tubes de diamètre externe constant DM, par tout moyen approprié connu de l'homme de métier. Elles se raccordent au reste du tube non déformé, appelé portion principale et référencée 16, par des zones de transition 14 inclinées sensiblement à 45 , dans l'exemple décrit, sur les axes longitudinaux X des tubes.De préférence, comme représenté, les tranches d'extrémités des tubes sont coplanaires avec la face supérieure de la plaque supérieure 20 et la face inférieure de la plaque inférieure 30 respectivement Avantageusement, les portions d'extrémités rétrécies 12 et 13 présentent un diamètre externe DR égal à DM - 4, où DM est exprimé en millimètres, de façon à ménager un espacement de préférence supérieur à 5 mm entre les perforations 21 et 31 des plaques, permettant d'assurer une bonne tenue mécanique de ces dernières lors de la fixation des tubes et un espacement de préférence inférieur à 1,6 mm entre les portions principales des tubes, de sorte que le faisceau de tubes présente une perte de charge élevée à la traversée par les fumées.A titre indicatif, dans l'exemple de réalisation décrit, le diamètre externe DM des portions principales des tubes entre lesdites portions d'extrémités rétrécies vaut 20 mm et le diamètre externe DR de ces dernières vaut 16 mm. En ménageant un espacement minimal d entre les surfaces externes de deux portions principales de tubes 10 adjacents égal à 1 mm, les portions d'extrémités rétrécies des tubes sont espacées de e = 20 + 1 - 16 = 5 mm, de sorte que l'on peut fixer les tubes sur les plaques de support par sertissage (encore appelé dudgeonnage) ou soudage sans détérioration de ces dernières. Dans la réalisation décrite sur la figure 1, les portions d'extrémités rétrécies 12 et 13 ont une longueur égale à l'épaisseur des plaques de support 20 et 30 dans lesquelles celles-ci sont respectivement engagées. Dans le mode de réalisation avantageux correspondant à la figure 3, la portion d'extrémité rétrécie inférieure des tubes, référencée 13', présente une longueur égale à la somme des épaisseurs des plaques de support inférieure 30 et supérieure 20 et la portion d'extrémité supérieure 12 une longueur égale à l'épaisseur de la plaque de support supérieure 20, de façon à permettre un montage aisé des tubes et des plaques de support, en procédant de préférence de la façon suivante. La plaque de support inférieure 30 est soudée aux parois 39a et 39b et les tubes sont insérés par leur portion d'extrémité rétrécie inférieure 13' dans les perforations 31 de la plaque de support inférieure 30 jusqu'à venir en butée axialement par les zones de transition 14 contre la face supérieure 30a de cette dernière.La plaque de support supérieure 20 est alors positionnée de sorte que sa face inférieure 20a se situe légèrement au-dessus des extrémités supérieures 12 des tubes, puis la plaque supérieure 20 est soudée aux parois 29a et 29b. Ensuite, les tubes sont relevés et engagés par leur portion d'extrémité supérieure rétrécie 12 dans les perforations 21 de la plaque supérieure 20. Les tubes sont fixés aux plaques 20 et 30 de façon connue en soi, de préférence par sertissage et le cas échéant par soudage. Dans le cas où des chicanes sont utilisées, celles-ci sont enfilées sur les tubes avant que ces derniers ne soient relevés et fixés à la plaque supérieure.Les portions d'extrémités rétrécies inférieures 13' ménagent alors un espace assez important entre elles audessus de la plaque inférieure 30, facilitant le passage des produits de combustion et diminuant la perte de charge opposée par le faisceau à ce niveau. Ceci n'est pas gênant dans le cas où l'on utilise des chicanes comme précité pour réaliser un échange méthodique à contre-courant car la quantité de chaleur échangée à ce niveau, après plusieurs traversées du faisceau par les produits de combustion, est faible. Dans le cas où les plaques de support supérieure 20 et inférieure 30 présentent la même épaisseur, la longueur de la portion d'extrémité rétrécie inférieure 13' vaut bien entendu le double de la portion d'extrémité supérieure 12. De préférence, les tubes et plaques de support sont réalisés en acier inoxydable. On peut bien entendu proposer d'utiliser un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention dans d'autres applications, pour réaliser un échange de chaleur entre deux liquides par exemple. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur circulant dans un faisceau de tubes (10) parallèles entre eux, insérés à leurs extrémités dans deux plaques de support (20, 30) et un deuxième fluide caloporteur cheminant à I'extérieur des tubes entre les plaques, caractérisé en ce que les tubes présentent des portions d'extrémités rétrécies (12, 13). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites portions d'extrémités rétrécies (12, 13) présentent un diamètre externe DR égal à DM - 4, où DM, exprimé en millimètres, correspond au diamètre externe de la portion principale (16) des tubes (10) s'étendant entre lesdites portions d'extrémités rétrécies (12, 13). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'espacement (d) entre les tubes (10), mesuré entre lesdites portions principales (16), est inférieur à 1,6 mm. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune desdites portions d'extrémités rétrécies (12, 13) s'étend au moins sur toute l'épaisseur de la plaque de support (20, 30) dans laquelle elle est insérée. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes (10) présentent une portion d'extrémité rétrécie (13') de longueur au moins égale à la somme des épaisseurs des deux plaques de support. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier fluide caloporteur est de l'eau. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième fluide caloporteur est un produit gazeux de combustion. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les plaques de support (20, 30) présentent une forme annulaire. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes et plaques de support sont réalisés en acier inoxydable. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes sont fixés à leurs extrémités aux plaques de support par sertissage. 11/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes sont fixés à leurs extrémités aux plaques de support par soudage. 12/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est destiné à équiper une chaudière du type à condensation. 13/ Chaudière équipée du dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 12.