Brevet FR2704048A1 — publié le 19941021

La présente invention concerne un dispositif d'échange de chaleur destiné à équiper une chaudière pour réaliser un échange de chaleur entre de l'eau susceptible d'être chargée en calcaire, telle que de l'eau sanitaire et des produits de combustion de la chaudière. On a proposé des chaudières équipées de dispositifs d'échange de chaleur dans lesquels les produits de combustion circulent dans un faisceau de tubes verticaux supportés à leurs extrémités par deux plateaux fixés à l'intérieur de la chaudière et l'eau circule à l'extérieur des tubes entre les plateaux. La durée de vie de ces chaudières est courte car d'une part les tubes, sous l'effet de la dilatation, exercent de fortes contraintes mécaniques sur les plateaux et d'autre part des coquilles de calcaire se forment sur la surface externe des tubes, se détachent et tombent sur le plateau inférieur, sous lequel se trouve le brûleur de la chaudière, ce qui diminue l'échange de chaleur entre le plateau inférieur et l'eau circulant entre les plateaux, entraînant un échauffement excessif et une détérioration de ce dernier. La présente invention a pour objet un dispositif d'échange de chaleur destiné à équiper une chaudière pour réaliser un échange de chaleur entre de l'eau susceptible d'être chargée en calcaire et des produits de combustion de la chaudière, dans lequel les contraintes mécaniques dues à la dilatation des tubes sont réduites ainsi que les problèmes d'échauffement liés à l'utilisation d'une eau calcaire. De façon caractéristique, le dispositif comporte un faisceau de tubes reliant une paroi d'une chambre de distribution d'eau dans les tubes et une paroi d'une chambre de collecte de l'eau chaude sortant des tubes, après échange de chaleur avec des produits de combustion de la chaudière cheminant à l'extérieur des tubes entre lesdites parois, ces dernières étant montées libres de se déplacer l'une par rapport à l'autre sous l'effet de la dilatation des tubes. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les tubes sont rectilignes et verticaux, et les parois sont constituées par des plateaux perforés dans les perforations desquels sont insérés les tubes. De préférence, les tubes sont fixés aux plateaux par sertissage. En variante, les tubes sont fixés aux plateaux par soudage. Avantageusement, lesdites chambres de distribution et de collecte sont formées par des cloches rapportées sur chacun des plateaux. De préférence, la circulation de l'eau dans les tubes se fait de bas en haut et ladite chambre de distribution comporte un orifice équipé d'une vanne de vidange, pour l'évacuation de coquilles de calcaire accumulées au fond de cette chambre. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les produits de combustion cheminent entre lesdites parois à l'intérieur d'une boîte à fumées, fixée à l'une des parois, l'autre paroi étant munie d'un bandeau d'appui généralement tubulaire contre lequel la boîte à fumées est maintenue par cerclage, avec possibilité de déplacement axial sous l'effet de la dilatation des tubes. L'invention a également pour objet une chaudière équipée d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention et à l'examen du dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'une chaudière équipée d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique du dispositif d'échange de chaleur équipant la chaudière représentée sur la figure 1. On a représenté schématiquement sur la figure 1 une chaudière 1 comprenant une enceinte 2 dans laquelle est placé un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. Ce dispositif réalise un échange de chaleur entre de l'eau sanitaire amenée par une canalisation 4 dans la chaudière et des produits de combustion, encore appelés fumées, générés par un brûleur 3 rapporté sur l'enceinte 2. L'échange de chaleur s'effectue au moyen d'un faisceau de tubes 10 verticaux reliant une paroi 20 d'une chambre de distribution 21 de l'eau dans les tubes, dans laquelle débouche la canalisation d'amenée 4 et une paroi 30 d'une chambre 31 de collecte de l'eau sortant des tubes 10 et à laquelle est raccordée une canalisation de sortie 5.Les produits de combustion précités cheminent autour des tubes 10 entre les parois 20 et 30 dans une boîte à fumées 40 comportant une ouverture latérale 49 raccordée au brûleur 3 pour l'admission des produits de combustion et une extension latérale 41 s'étendant hors de l'enceinte 2 à l'opposé du brûleur 3 pour la sortie des fumées, raccordée à une canalisation d'évacuation des fumées non représentée. Plus particulièrement, cette canalisation, connue en elle-même, se raccorde sur la face supérieure 41a de l'extension 41 et cette dernière comporte à sa partie inférieure un orifice d'évacuation des condensats, équipé d'une vanne de purge 42. Un boîtier de commande 6 est fixé en façade sur l'enceinte 2 pour commander le fonctionnement du brûleur 3. De préférence, comme représenté sur la figure 2, les parois 20 et 30 des chambres de distribution et de collecte sont constituées par des plateaux ayant la forme de disques plans perforés, horizontaux, dans les perforations respectives 22 et 32 desquels sont insérés les tubes 10 à leurs extrémités. Les tubes 10 sont identiques et disposés verticalement, leurs tranches d'extrémités supérieure 12 et inférieure 13 se situant dans le plan des faces supérieure 30a et inférieure 20a des plateaux 30 et 20. Les tubes 10 sont fixés aux plateaux par tout moyen approprié connu de l'homme de l'art, par sertissage (encore appelé dudgeonnage) ou soudage. Les chambres de distribution 21 et de collecte 31 sont formées en rapportant respectivement sur chacun des plateaux 20 et 30, au moyen de brides 25 et 35, des cloches inférieure 23 et supérieure 33. Plus particulièrement, la cloche 23 délimitant la chambre de distribution 21 comporte une paroi de fond 23a généralement aplatie, symétrique de révolution autour d'un axe central X vertical, concave vers l'intérieur et prolongée vers le haut par une paroi verticale 23b cylindrique de révolution autour de l'axe X, sur le bord libre radialement externe de laquelle est soudée la bride 25 servant à la fixation par boulonnage sur la face inférieure 20a du plateau inférieur 20. La cloche 33 comporte une paroi 33a formant couvercle, symétrique de révolution autour de l'axe X, prolongée vers le bas par une paroi verticale 33b cylindrique de révolution autour de l'axe X, sur le bord libre radialement externe de laquelle est soudée la bride annulaire 35 servant à la fixation sur la face supérieure 30a du plateau supérieur 30. La cloche inférieure 23 repose par sa paroi de fond 23a sur un socle 50. La chambre de collecte 31 repose par l'intermédiaire des tubes 10 sur la chambre de distribution 21. Un bandeau 34 de support de la boîte à fumées 40 à sa partie supérieure, présentant une forme généralement cylindrique de révolution autour de l'axe X, est soudé par sa tranche supérieure sur la face inférieure 30b du plateau supérieur 30, en retrait du bord libre périphérique 30c de ce dernier. La boîte à fumées 40 comporte à sa base un élément de support 43 comportant une partie cylindrique de révolution autour de l'axe X, soudée par sa tranche inférieure sur la face supérieure 20b du plateau inférieur 20, en retrait du bord libre périphérique 20c de ce dernier et à l'aplomb du bandeau 34 et une partie s'étendant transversalement à l'axe X hors du plateau inférieur 20 pour former l'extension 41 précitée servant à l'évacuation des fumées.La boîte à fumées 40 comporte une enveloppe d'isolation thermique et d'étanchéité s'étendant verticalement entre le bandeau 34 et l'élément de support 43. Cette enveloppe comprend une garniture 44 à base de fibres céramiques, de forme générale cylindrique de révolution autour de l'axe X, recouvrant la surface radialement externe du bandeau 34 et de la partie cylindrique de l'élément de support 43 et comprend également une tôle métallique 47 de forme générale cylindrique autour de l'axe X, rapportée sur la garniture 44 et serrée sur le bandeau de support 34 au moyen d'un collier métallique 48. La garniture 44 et la tôle 47 sont découpées pour former l'ouverture 49 d'admission des produits de combustion dans la boîte à fumées et une ouverture 46 pour le passage de l'extension 41 servant à l'évacuation des fumées. On obtient, conformément à une caractéristique de l'invention, une possibilité d'écartement des plateaux selon l'axe X sous l'effet de la dilatation des tubes 10, donc l'élimination des contraintes mécaniques rencontrées auparavant dans les dispositifs connus, dans lesquels les plateaux étaient fixées à la chaudière. Sous l'effet de la dilatation des tubes 10, la chambre de collecte 31 est soulevée et la garniture 44 glisse librement sur le bandeau de support 34 tout en maintenant l'étanchéité de la boîte à fumées 40. Conformément à un autre aspect de l'invention, les coquilles de calcaire qui se forment sur la surface interne des tubes 10 se détachent lors de la dilatation de ceux-ci et tombent dans le fond de la chambre de distribution 21. La cloche inférieure 23 comporte en son fond un orifice 24, équipé d'une vanne de vidange connue en elle-même et non représentée, pour l'évacuation périodique des coquilles de calcaire accumulées. On évite ainsi tout risque d'entartrage et d'échauffement localisé. En variante, l'évacuation des coquilles de calcaire peut se faire par démontage de la paroi de fond 23a. La chambre de collecte 31 est de préférence dimensionnée pour servir de réservoir d'accumulation d'eau chaude et présente dans l'exemple de réalisation décrit un volume environ double de celui de la chambre de distribution 21. La sortie d'eau chaude est avantageusement située au sommet de la paroi formant couvercle 33a tandis que l'amenée d'eau froide dans la chambre de distribution 21 se fait de façon excentrée par rapport à l'axe X. La chambre de collecte 31 est de préférence munie, comme représenté sur la figure 1, d'une anode d'anti-corrosion 60 en magnésium connue en ellemême. On veillera de préférence à ce que la traversée de l'enceinte 2 par la canalisation de sortie de l'eau chaude n'entrave pas le soulèvement de la chambre de collecte 31 sous l'effet de la dilatation des tubes 10. Des chicanes connues en elles-mêmes et non représentées sont avantageusement disposées entre les tubes dans la boîte à fumées 40 pour augmenter la quantité de chaleur transférée à l'eau circulant dans les tubes. Finalement, l'invention permet la réalisation de chaudières dont la durée de vie est considérablement allongée par rapport aux chaudières antérieurement connues, notamment en cas d'utilisation intensive avec une eau très chargée en calcaire. On peut bien entendu, sans sortir du cadre de la présente invention, proposer d'utiliser le dispositif d'échange de chaleur selon l'invention pour chauffer tout liquide chargé d'une substance susceptible de précipiter et de se déposer sur les parois des tubes sous l'action de la chaleur. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'échange de chaleur destiné à équiper une chaudière (1), caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau de tubes (10) reliant une paroi (20) d'une chambre (21) de distribution d'eau dans les tubes et une paroi (30) d'une chambre (31) de collecte de l'eau chaude sortant des tubes, après échange de chaleur avec des produits de combustion de la chaudière cheminant à l'extérieur des tubes entre lesdites parois, ces dernières étant montées libres de se déplacer l'une par rapport à l'autre sous l'effet de la dilatation des tubes. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tubes sont rectilignes et verticaux. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites parois sont constituées par des plateaux perforés dans les perforations (22, 32) desquels sont insérés les tubes. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les tubes sont fixés aux plateaux par sertissage. 5/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les tubes sont fixés aux plateaux par soudage. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lesdites chambres de distribution (21) et de collecte (31) sont formées par des cloches (23, 33) rapportées sur chacun des plateaux. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la circulation de l'eau dans les tubes se fait de bas en haut et en ce que ladite chambre de distribution (21) comporte un orifice (24) équipé d'une vanne de vidange, pour l'évacuation de coquilles de calcaire accumulées au fond de cette chambre. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les produits de combustion cheminent entre lesdites parois à l'intérieur d'une boîte à fumées (40), fixée à l'une (20) desdites parois, l'autre paroi (30) étant munie d'un bandeau d'appui (34) généralement tubulaire contre lequel la boîte à fumées est maintenue par cerclage, avec possibilité de déplacement axial sous l'effet de la dilatation des tubes. 9/ Chaudière (1) équipée d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8.