Brevet FR2723632A1 — publié le 19960216

DISPOSITIF D'ECHANGE DE CHALEUR POUR UNE CHAUDIERE BASSE TEMPERATURE L'invention concerne un dispositif d'échange de chaleur pour une chaudière basse température. Dans une chaudière, un échange de chaleur entre un milieu gazeux, chauffé dans un foyer, et un milieu liquide s'effectue. Au centre du foyer se trouve un brûleur, au gaz ou au fioul, produisant un flux de gaz chauds, issus de la combustion. Ces gaz passent alors dans un dispositif d'échange de chaleur, où ils cèdent leurs calories à un milieu liquide, de l'eau en général. Dans une chaudière basse température, I'eau reste à des températures peu élevées. Il peut alors y avoir des problèmes de condensation dans l'échangeur de chaleur du côté des gaz. En effet, le flux gazeux produit par le brûleur contient de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, mais aussi des oxydes d'azote et de soufre. Dans les conditions de pression régnant du côté brûleur, la vapeur d'eau se condense lorsque la température descend en-dessous d'environ 5500. En se condensant, la vapeur d'eau se mélange aux oxydes de soufre et d'azote et forme alors de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique très corrosifs. L'eau, dans une chaudière basse température, pouvant être à une température bien inférieure à 550C, il y a le risque que la paroi de l'échangeur de chaleur se trouve, côté gazeux, à 550C voire à une température inférieure. Si cela se produit, il y a alors formation d'acides. Cette formation d'acides sulfurique et nitrique doit être évitée. Pour empêcher cette formation tout en conservant une température de l'eau peu élevée, il faut accroître le gradient de température entre la paroi de l'échangeur, côté gazeux, et l'eau. Il faut alors augmenter le flux de chaleur traversant l'échangeur. Le coefficient d'échange thermique étant faible du côté gazeux et relativement élevé du côté de l'eau, une solution consiste à augmenter la surface d'échange du côté gazeux. II est alors connu d'équiper l'échangeur d'ailettes du côté gazeux. Dans les chaudières basse température connues, du type à chambre sèche, c'est-à-dire comportant un foyer cylindrique borgne, entouré par l'échangeur de chaleur, les ailettes sont parallèles à l'axe du foyer. Ces ailettes forment alors des canaux, parallèles à l'axe du foyer et s'étendant sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur et dans lesquels s'écoulent les gaz issus de la combustion. L'inconvénient de ces échangeurs connus, est qu'à l'entrée des canaux formés par les ailettes, les gaz sont très chauds et le flux de chaleur du gaz vers l'eau est alors élevé, mais au fur et à mesure que les gaz progressent dans le canal, ils se refroidissent et à la sortie du canal, le flux de chaleur du gaz vers l'eau est faible. Un autre inconvénient de ces échangeurs réside dans le fait que l'écoulement des gaz dans les canaux est laminaire. Or, les échanges de chaleur sont plutôt favorisés par un écoulement turbulent. II est connu de placer des pièces en acier -appelées turbulateurs- créant des turbulences au coeur des canaux, mais ces pièces sont chères, car elles sont soumises à des contraintes thermiques élevées et doivent, de ce fait, être fabriquées dans un acier noble. De plus, les frottements des gaz sur les turbulateurs sont inutiles, car ces derniers ne constituent pas une surface d'échange. Le but de l'invention est de fournir un dispositif d'échange de chaleur pour une chaudière basse température, du type à chambre sèche, permettant un écoulement turbulent des gaz et pour lequel le flux de chaleur entre la zone d'entrée des gaz et la zone de sortie est sensiblement constant. A cet effet, le dispositif qu'elle propose est un dispositif d'échange de chaleur pour une chaudière basse température du type à chambre sèche, destiné à envelopper un foyer borgne de la chaudière, délimité par une surface de révolution, et à permettre l'échange de chaleur entre des gaz chauds produits par un brûleur au centre du foyer et de l'eau circulant autour dudit dispositif, et comportant des ailettes situées du côté du foyer. Il est caractérisé en ce que ses ailettes ne sont pas parallèles à I'axe du foyer. Ainsi, les ailettes constituent des obstacles au passage des gaz chauds et favorisent la création de turbulences, qui permettent un meilleur échange de chaleur entre les gaz d'une part, et l'eau d'autre part. De préférence, les ailettes sont perpendiculaires à I'axe du foyer. Cette disposition permet d'avoir un maximum de turbulences. Pour éviter qu'entre les ailettes se forment, malgré la disposition perpendiculaire à l'axe du foyer des ailettes, des canaux parallèles à l'axe du foyer, dans lesquels l'écoulement serait laminaire, chaque ailette s'étend sur une partie de la périphérie du foyer, et les ailettes situées dans un même plan sont en quinconce par rapport à celles disposées dans un plan voisin décalé axialement. Dans une première forme de réalisation, la distance séparant deux plans voisins contenant des ailettes est constante sur toute la longueur du foyer. Afin d'adapter la disposition des ailettes à la température des gaz chauds, et ainsi d'obtenir sur toute la longueur du dispositif d'échange un flux de chaleur sensiblement constant des gaz vers l'eau, la distance séparant deux plans voisins contenant des ailettes est décroissante dans le sens de l'écoulement gazeux. Ainsi, les ailettes sont plus rapprochées les unes des autres dans la zone où les gaz sont le moins chauds. La surface d'échange dans cette zone est donc plus grande. De ce fait, malgré la température moins élevée des gaz, il est possible d'avoir, même près de la sortie de l'échangeur, un flux de chaleur vers l'eau comparable au flux de chaleur à l'entrée de l'échangeur. Afin d'avoir des ailettes toutes identiques pour un même type de chaudière, la hauteur des ailettes est constante sur toute la longueur du foyer. Cependant pour des raisons identiques à celles évoquées cidessus, il est également possible de faire varier la hauteur des ailettes. Celle-ci est, de préférence, croissante dans le sens de l'écoulement des gaz. On retrouve ainsi, près de la sortie de l'échangeur, des ailettes plus hautes et donc une surface d'échange plus grande qu'à l'entrée de l'échangeur. Dans ce cas, pour épouser la forme décrite par le sommet des ailettes, le foyer de la chaudière, au lieu d'être cylindrique, est légèrement conique. Les ailettes, lors du fonctionnement de la chaudière, sont plus chaudes du côté du foyer que du côté de l'eau. Elles sont donc soumises à des dilatations différentielles qui engendrent des contraintes. Pour minimiser ces contraintes, les ailettes comportent des fentes radiales débouchant sur l'arête faisant face au foyer. Ces fentes favorisent également les turbulences. En effet, elles sont sensiblement parallèles à l'axe du foyer et une légère différence de pression règne entre les deux faces des ailettes. Les gaz chauds ont alors tendance à traverser ces fentes et celles-ci étant étroites, ce flux est générateur de turbulences. L'invention concerne également les ailettes permettant de réaliser un tel dispositif d'échange de chaleur. Ces ailettes sont en forme de segment d'anneau, comportant des fentes radiales débouchant sur le côté correspondant à l'intérieur de l'anneau. De telles ailettes peuvent être soudées, par exemple, sur la paroi de l'échangeur du côté des gaz. II est également possible de regrouper plusieurs ailettes sur une même pièce. Dans ce cas, on obtient une couronne circulaire qui, selon l'invention, comporte des parties pleines formant les ailettes et des parties évidées formant un passage entre les ailettes. De toute façon, I'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, différentes formes d'exécution d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention Figure 1 est une vue en perspective d'une chaudière partiellement en coupe, comportant un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention; Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une chaudière telle que celle de la figure 1; Figures 3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale de deux variantes d'exécution d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention; Figure 5 est une vue de dessus d'une ailette Figure 6 est une vue de dessus d'une couronne comportant des ailettes. La figure 1 représente une chaudière 1 du type basse température à chambre sèche. Elle comporte un foyer 2, un dispositif d'échange de chaleur 3, et une enveloppe 4 d'eau entourant ce dispositif. Au centre du foyer 2, se trouve un brûleur 5, alimenté en carburant -gaz ou fioul- et en comburant. Le foyer 2 est de forme cylindrique tubulaire. II est ouvert du côté du brûleur et comporte un fond 6 du côté opposé. Les gaz chauds produits par le brûleur 5 sont propulsés vers le fond 6 du foyer et reviennent vers le brûleur le long de la paroi cylindrique 7 du foyer (Figure 2). Ils sortent alors du foyer 2 et rentrent dans le dispositif d'échange de chaleur 3 qu'ils traversent en cédant de la chaleur à travers la paroi de l'échangeur à l'eau de l'enveloppe 4. Enfin, ils passent dans un conduit 8 les amenant à une cheminée. Le fond 6 du foyer 2 et la paroi sur laquelle se trouve le brûleur 5 sont réfractaires et isolants. En effet, L'échange de chaleur ne doit pas se réaliser au niveau de ces parois, mais uniquement au niveau du dispositif d'échange afin d'améliorer le rendement de la chaudière 1. Le dispositif d'échange de chaleur 3 est constitué d'un tube cylindrique 9 métallique sur la surface intérieure duquel sont fixées des ailettes 10. Il est disposé concentriquement au foyer 2 de la chaudière. Les ailettes 10 se trouvent donc entre le tube cylindrique 9 et le foyer 2. Il existe divers moyens pour fixer les ailettes 10 : elles peuvent être par exemple frettées si elles sont en fonte, ou bien être soudées sur le tube 9. Les ailettes 10 sont disposées perpendiculairement à l'axe du foyer 2 et donc à l'axe du tube cylindrique 9. Elles ont donc la forme d'un segment d'anneau, de diamètre extérieur le diamètre intérieur du tube 9 et de diamètre intérieur sensiblement le diamètre extérieur du foyer 2. Ces ailettes 10 sont disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe du foyer 2. Entre deux ailettes d'un même plan, un espace permet le passage des gaz qui s'écoulent globalement dans le sens de l'axe du foyer. Sur les figures 1 et 2, les plans contenant des ailettes 10 sont régulièrement espacés le long de l'axe du foyer. Chacun de ces plans contient un même nombre d'ailettes 10, mais les ailettes 10 de deux plans voisins ne se font pas face, au contraire, elles sont placées en quinconce, de telle sorte que du gaz se déplaçant axialement et passant entre deux ailettes d'un plan, se trouve face à une ailette du plan suivant. Sur le côté des ailettes faisant face au foyer 2, des fentes radiales 11 sont ménagées. Ces fentes 11 ont deux fonctions. La première fonction est également remplie par les fentes ménagées sur les ailettes des échangeurs de l'art antérieur. La partie de l'ailette 10, située du côté du foyer, étant au cours du fonctionnement de la chaudière plus chaude que celle située du côté de l'enveloppe d'eau 4, des contraintes mécaniques dues à une dilatation différentielle apparaissent. Les fentes 11 sont alors destinées à minimiser les contraintes, en permettant à la partie chaude de se dilater plus que la partie "froide". Par ailleurs, ces fentes 11 créent des passages pour des gaz chauds. Comme une différence de pression règne entre les deux faces d'une ailette, les gaz chauds ont tendance à s'écouler à travers ces fentes 11. Ces dernières étant relativement étroites, I'écoulement est turbulent, et il favorise donc un meilleur échange de chaleur. La figure 3 représente un dispositif d'échange de chaleur 3 semblable à celui des figures 1 et 2, mais où l'espacement entre deux plans voisins contenant des ailettes 10 est variable. Du côté du brûleur 5, là où les gaz sont le plus chaud, la distance entre deux plans est relativement grande, alors qu'à l'opposé, là où les gaz sont moins chauds car ils ont déjà cédé une certaine quantité de chaleur à l'eau, les ailettes sont plus rapprochées. Ce moyen permet d'avoir un flux de chaleur des gaz vers l'eau sensiblement constant sur toute la longueur du parcours des gaz. En effet, le flux de chaleur est proportionnel à la différence de température entre les gaz et l'eau d'une part, et à la surface d'échange d'autre part. La température de l'eau variant peu, lorsque les gaz sont moins chauds, pour conserver un flux de chaleur constant, il faut alors augmenter la surface d'échange. Dans ce cas, cette surface d'échange est augmentée en multipliant le nombre d'ailettes. II est également possible, pour augmenter la surface d'échange, de placer en sortie d'échangeur 3 des ailettes 10 plus grandes que celles situées à l'entrée. La figure 4 combine cette solution à la solution précédente. On y trouve donc, du côté de la sortie des gaz, plus d'ailettes 10 et des ailettes 10 plus grandes. Dans ce cas, le foyer 2 n'est non plus cylindrique mais légèrement conique. Outre le fait d'avoir un flux de chaleur constant, ce dispositif d'échange de chaleur offre l'avantage d'être très silencieux. En effet, les gaz passent dans des chicanes, et la disposition des ailettes permet d'amortir les bruits, de la même façon que les bruits sont amortis dans un pot d'échappement. La figure 5 représente une ailette 10 telle que celles décrites cidessus. Une telle ailette 10 peut être soudée sur la surface intérieure du tube cylindrique 9, et elle peut aussi bien s'adapter au cas où le foyer 2 est cylindrique, qu'au cas où il est tronconique. La figure 6 représente une couronne 1 2 comportant des parties pleines formant les ailettes 10 et des parties évidées formant un passage entre les ailettes. En soudant plusieurs couronnes les unes aux autres, en décalant les ailettes 10 d'une couronne 12 par rapport aux ailettes 10 d'une couronne 12 voisine, on obtient un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention. Comme il va de soi, I'invention ne se limite pas aux formes d'exécution décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. Ainsi par exemple, les ailettes ne sont pas forcément perpendiculaires à l'axe du foyer. II suffit qu'elles fassent un angle avec celui-ci pour que des turbulences soient créées et améliorent ainsi le rendement de l'échangeur. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange de chaleur (3) pour une chaudière (1) basse température du type à chambre sèche, destiné à envelopper un foyer cylindrique borgne (2) de la chaudière, délimité par une surface de révolution, et à permettre l'échange de chaleur entre des gaz chauds produits par un brûleur (5) au centre du foyer et de l'eau circulant autour dudit dispositif, et comportant des ailettes (10) situées du côté du foyer, caractérisé en ce que les ailettes (10) ne sont pas parallèles à l'axe du foyer. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes (10) sont perpendiculaires à l'axe du foyer. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque ailette (10) s'étend sur une partie de la périphérie du foyer, et en ce que les ailettes (10), situées dans un même plan sont disposées en quinconce par rapport à celles disposées dans un plan voisin décalé axialement. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance séparant deux plans voisins contenant des ailettes (10) est constante, sur toute la longueur du foyer. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance séparant deux plans voisins contenant des ailettes (10) est décroissante dans le sens de l'écoulement gazeux. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la hauteur des ailettes (10, est constante sur toute la longueur du foyer. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la hauteur des ailettes (10) est croissante dans le sens de l'écoulement gazeux, et en ce que le foyer (2) de la chaudière est non pas cylindrique, mais légèrement conique pour épouser la forme décrite par le sommet des ailettes (10). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les ailettes (10) comportent des fentes radiales (11) débouchant sur l'arête faisant face au foyer. 9. Ailette (10) destinée à être fixée sur la paroi intérieure d'un dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est en forme de segment d'anneau, comportant des fentes radiales (11) débouchant sur le côté correspondant à l'intérieur de l'anneau. 10. Couronne circulaire (12) pour un dispositif d'échange de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des parties pleines formant les ailettes (10) et des parties évidées formant un passage entre les ailettes (1 O).