Brevet FR2741426A1 — publié le 19970523

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés aux corps de chauffe de chaudières, notamment de chauffage central au gaz. Ces chaudières à usage domestique ou industriel doivent fournir a l'utilisateur, aussi bien l'eau chaude sanitaire dont la température ne doit pas excéder 65 C, que l'eau chaude de chauffage qui est mise en circulation en circuit fermé au sein du réseau de chauffage central de l'habitation. Ces corps de chauffe sont couramment appelés corps de chauffe mixtes car ils disposent de deux circuits d'eau séparés, l'un pour l'eau sanitaire, l'autre pour l'eau de chauffage, qui sont rendus solidaires de manière à ce qu'il existe entre eux un contact thermique intime. Généralement, il s'agit de circuits tubulaires disposés l'un à l'intérieur de l'autre, et comportant, soit des moyens pour réaliser les ponts thermiques entre les deux circuits, soit des circuits tubulaires séparés mais aplatis et accolés l'un contre l'autre. Ces corps de chauffe disposent par ailleurs d'un faisceau d'ailettes chargées de transmettre aux circuits tubulaires, le flux thermique véhiculé par les fumées résultant de la combustion au sein d'un brûleur placé en partie inférieure du corps de chauffe. Une contrainte principale qui agit sur ce type d'échangeur réside principalement dans le fait que les différents circuits d'eau circulent alternativement. Chacun des circuits en circulation doit être capable d'évacuer la totalité des calories présentes dans les fumées, sans que l'autre circuit stagnant ne monte exagérément en température ou en pression. A l'heure actuelle, les réglementations normatives imposent des seuils de température à ne pas dépasser, principalement sur le circuit de chauffage de l'eau sanitaire, cette barrière étant très difficile à observer avec le type de corps de chauffe mixte connu de l'art antérieur. Afin de répondre cependant à ces normes, les concepteurs du corps de chauffe mixte résolvent ce problème en incorporant à l'installation des dispositifs écrêteurs qui compliquent notablement la structure de l'échangeur. Une autre façon de résoudre ce problème est d'imposer au circuit de l'eau de chauffage des recirculations en boucle fermée au sein de la 2 2741426 chaudière lors du puisage de l'eau sanitaire. Cette solution impose qu'il existe sur le circuit de chauffage une vanne trois voies et une tuyauterie de raccordement, ce qui augmente le coût de fabrication et de maintenance. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients, en proposant un corps de chauffe qui dispose à la fois d'un circuit de chauffage d'eau sanitaire et un circuit d'eau de chauffage central, ces circuits étant imbriqués l'un dans l'autre mais disposant d'une optimisation au niveau des écoulements et des échanges thermiques au sein de l'échangeur. Selon une autre caractéristique de l'invention, elle a pour objet un procédé d'élaboration de ce type de corps de chauffe mixte. A cet effet, le corps de chauffe mixte, comportant un circuit de chauffage sanitaire et un circuit de chauffage central, ces derniers étant disposés l'un à l'intérieur de l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de premiers éléments pour le circuit de chauffage central, reliés par leurs extrémités à des nourrices et au sein desquels serpente une pluralité de seconds éléments à section droite complexe, destinés au circuit de chauffage sanitaire, ces seconds éléments débouchant également dans lesdites nourrices, le montage du second élément dans le premier élément délimitant en outre une pluralité de génératrices de contact entre lesdits seconds éléments et lesdits premiers éléments afin de réaliser au niveau de ces génératrices des ponts thermiques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures: - La figure 1 est une vue en perspective et en écorché, illustrant le montage dans une chaudière murale d'un corps de chauffe mixte selon l'invention; - La figure 2 est une vue en perspective d'un corps de chauffe mixte selon l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe, en élévation latérale, d'un corps de chauffe mixte selon l'invention; 3 2741426 - la figure 4 est une vue en coupe, en élévation frontale, de la figure 3. Selon un mode préféré de réalisation du corps de chauffe mixte 1, objet de l'invention, il comporte une pluralité de premiers éléments 2 réalisés sous la forme d'un tube de section droite circulaire ou ovale, au sein desquels sont incorporés une pluralité de seconds éléments 3 se présentant sous la forme d'un tube de section droite complexe, telle que notamment en croix, en X, en Y. Le premier élément 2 constitue le circuit de chauffage, l'eau de chauffage circule dans les sections délimitées entre les parois extérieures 4 du tube de section droite complexe et la paroi intérieure 5 du premier élément 2. Le second élément 3 constitue le circuit de chauffage sanitaire, l'eau sanitaire chemine à l'intérieur de la section droite complexe. Selon une caractéristique avantageuse, le montage du second élément 3 dans le premier élément 2 délimite une pluralité de génératrices de contact 6 entre le tube de section droite complexe 3 et le tube externe 2; ces génératrices de contact 6 sont rendues solidaires au niveau des premiers 2 et seconds éléments 3 par l'intermédiaire de moyens connus tels que notamment par une opération de brasage ou de soudage, afin de réaliser au niveau de ces génératrices des ponts thermiques. Grace à ce montage entre ces deux éléments 2, 3, lors du fonctionnement sanitaire, le flux thermique chemine en grande partie directement par conduction entre l'eau sanitaire et le matériau en contact avec les fumées, sans utiliser outre mesure le circuit d'eau de chauffage comme fluide caloporteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le profil complexe du second élément 3 garantit que celui-ci dispose d'une surface d'échange suffisante pour permettre d'évacuer la totalité de la puissance thermique délivrée par le brleur 7, positionné dans sa partie inférieure. Par contre, le montage particulier entre les premiers 2 et seconds 3 éléments assure que, lors du fonctionnement en chauffage central, la température de paroi des canaux périphériques 8 - ceux-ci étant délimités par le premier élément 4 2741426 et les zones de connexion du second élément - atteint au niveau de leur section mouillée une température homogène et très voisine de celle du premier élément, ce qui permet d'atteindre, grâce au coefficient d'échange élevé et à la surface développée importante, le niveau du rendement côté chauffage requis par les normes. Les contraintes d'industrialisation et de fabrication d'une chaudière à chauffage central équipée d'un corps de chauffe mixte i selon l'invention demandent de dimensionner au plus juste le circulateur ou l'accélérateur monté sur le circuit de chauffage. La puissance de ce dernier est calculée de manière à compenser les pertes de charge hydrauliques de l'ensemble du circuit. En ce qui concerne les pertes de charge, on relève celles-ci au niveau de la tuyauterie et des radiateurs constituant l'installation de chauffage central, mais aussi au niveau de la chaudière et tout particulièrement au niveau du corps de chauffe, principalement sur les tuyauteries formant les premiers 2 et seconds 3 éléments. Ces premiers 2 et seconds 3 éléments, dont le diamètre hydraulique est optimisé de manière à réduire l'encombrement du corps de chauffe 1, génèrent la majeure partie des pertes de charge hydraulique et, afin de réduire au minimum la puissance installée du circulateur, les premiers éléments 2 du circuit de chauffage central sont reliés à des nourrices 9, 10 disposées de part et d'autre de l'échangeur. La circulation de l'eau de chauffage central s'effectue en parallèle au sein de ces nourrices, de manière à garantir un débit identique dans chacun des canaux 8. Par contre, la circulation de l'eau sanitaire est réalisée en série et successivement au sein de la pluralité des seconds éléments 3. Selon un procédé d'élaboration d'un corps de chauffe 1 selon l'invention, celui-ci comporte une succession d'étapes simples se décomposant en: - Une première étape qui consiste à réaliser deux demi- coquilles 11, 12. Chaque demi-coquille 11, 12 comporte essentiellement une pluralité de premiers éléments 2 s'étendant sous la forme de tubes semi-cylindriques ou semi-ovales, 2741426 préférentiellement au nombre de cinq à huit, disposés en parallèle et reliés à chacune de leurs extrémités à une nourrice 9, 10. Ces divers éléments sont réalisés selon le cas, en cuivre ou en acier inoxydable. Selon un premier mode d'obtention, ces demi-coquilles 11, 12 sont réalisées directement par emboutissage d'une feuille métallique, étant entendu qu'il existe deux matrices différentes respectivement en fonction de l'obtention d'une demi-coquille supérieure et d'une demi-coquille inférieure. Selon un second mode de réalisation, les divers éléments (les premiers éléments 2 semi-cylindriques ou semi-ovales, les demi-nourrices latérales 9, 10) sont élaborés séparément, notamment par emboutissage, et sont rendus solidaires par une seconde opération consistant par exemple en une phase de soudage ou de brasage. Les demi-coquilles 11, 12 inférieure et supérieure diffèrent l'une de l'autre principalement en ce que l'une d'elles dispose sur la paroi externe des nourrices latérales 9, 10, d'orifices 13 permettant la connexion aux divers circuits de chauffage sanitaire et de chauffage central. - Une deuxième étape consistant en la fabrication des seconds éléments 3 destinés à la circulation de l'eau du circuit de chauffage sanitaire. Ces seconds éléments 3, dont la section droite est complexe, notamment de profil cruciforme, sont obtenus à partir de tubes cylindriques livrés en couronne, par un cycle soit de profilage en croix puis cintrage de ces derniers de manière à conformer une succession d'épingles formant un serpentin, soit de cintrage de tube cylindrique suivi d'une étape d'hydroformage. Ces procédés d'élaboration des seconds éléments 3 permettent d'obtenir une épaisseur constante tout au long du serpentin, ce qui garantit l'absence de points faibles au niveau de la corrosion. On peut noter également que le recours à un serpentin monobloc supprime toute liaison brasée entre le circuit de chauffage de l'eau sanitaire et le circuit de chauffage de l'eau de chauffage central. 6 2741426 - Une troisième étape consiste à disposer, au sein des demi- coquilles 11, 12 constituées essentiellement de premiers éléments 2 reliés à leurs extrémités à des nourrices 9, 10, le serpentin de seconds éléments 3. Avantageusement, le serpentin est disposé dans la demi- coquille inférieure 12 car cette dernière comporte les orifices 13 de connexion aux divers circuits. - Une quatrième étape consiste à interposer entre les plans de joints 14 délimités par les demi-coquilles 11, 12 inférieure et supérieure, des baguettes de brasure 15 et à placer au-dessus des tubes cylindriques ou ovales des premiers éléments 1, une pluralité d'ailettes 16, et à ramener les bords rabattus des ailettes initialement perpendiculaires au- dessus des tubes de manière à conformer un corps de chauffe mixte 1 manipulable, mécaniquement solidaire. - Une cinquième étape consiste à positionner à la base des ailettes 16 et au contact des premiers éléments 2 formant le corps de chauffe, des baguettes de brasure et à disposer l'ensemble dans un four de brasage fonctionnant avantageusement sous atmosphère neutre ou réductrice. En sortie de ce four, les échangeurs sont prêts à alimenter la chaine d'assemblage des chaudières sans recours à des étapes ultérieures pour l'assemblage de raccords, coudes divers, nourrices... Selon un autre mode d'assemblage du corps de chauffe, objet de l'invention, l'étape de brasage dit "fort" est remplacée par une étape de brasage dit "doux", consistant essentiellement en une phase d'étamage par trempage. Le corps de chauffe 1 entier est trempé dans un bain d'étain de manière à disposer, d'une part une pellicule d'étain qui protège l'échangeur contre la corrosion et d'autre part, en gardant au matériau de construction de l'ensemble, tel le cuivre, son caractère écroui, d'éviter aux ailettes 16 de se déformer aisément lors des manipulations. Selon un autre mode d'obtention des ailettes, celles-ci au lieu d'être sous forme d'ailettes séparées, se présentent sous la forme d'un accordéon. Le corps de chauffe tel que décrit précédemment permet un échange thermique parfait entre les fluides contenus dans les deux circuits, par l'intermédiaire d'une surface d'échange importante entre les conduits, obtenue grace à leur disposition relative. Par ailleurs, l'absence de coudes rapportés sur chacun des circuits, les changements de direction étant obtenus par cintrage des tubes des différents circuits, simplifie le mode de fabrication d'échangeur, plus de brasure ni de soudure, ce qui évite les risques de fuites. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci- dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 8 2741426 REVENDICATIONS i - Corps de chauffe mixte (1), comportant un circuit de chauffage sanitaire et un circuit de chauffage central, ces derniers étant disposés l'un à l'intérieur de l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de premiers éléments (2) pour le circuit de chauffage central, reliés par leurs extrémités à des nourrices (9, 10) et au sein desquels serpente une pluralité de seconds éléments (3) à section droite complexe, destinés au circuit de chauffage sanitaire, ces seconds éléments (3) débouchant également dans lesdites nourrices (9, 10), le montage du second élément (3) dans le premier élément (2) délimitant en outre une pluralité de génératrices de contact (6) entre lesdits seconds éléments (3) et lesdits premiers éléments (2) afin de réaliser au niveau de ces génératrices des ponts thermiques. 2 - Corps de chauffe mixte selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers éléments (2) sont réalisés sous la forme d'un tube de section droite circulaire ou ovale, au sein desquels sont incorporés une pluralité de seconds éléments (3) se présentant sous la forme d'un tube de section droite complexe, telle que notamment en croix, en X, en Y. 3 - Corps de chauffe mixte selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'eau de chauffage circule dans les sections délimitées entre les parois extérieures (4) du tube de section droite complexe et la paroi intérieure (5) du premier élément (2). 4 - Corps de chauffe mixte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil complexe du second élément (3) garantit que celui-ci dispose d'une surface d'échange suffisante pour permettre d'évacuer la totalité de la puissance thermique délivrée par le brûleur (7), positionné dans sa partie inférieure. - Corps de chauffe mixte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la circulation de l'eau de chauffage central s'effectue en parallèle au sein des nourrices (9, 10), de manière à garantir un débit identique dans chacun des canaux (8), la circulation de l'eau sanitaire 9 2741426 étant réalisée en série et successivement au sein de la pluralité des seconds éléments (3). 6 - Corps de chauffe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les demi- coquilles (11, 12) inférieure et supérieure diffèrent l'une de l'autre principalement en ce que l'une d'elles dispose sur la paroi externe des nourrices latérales (9, 10), d'orifices (13) permettant la connexion aux divers circuits de chauffage sanitaire et de chauffage central. 7 - Procédé d'élaboration d'un corps de chauffe mixte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte: - Une première étape consistant à réaliser deux demi- coquilles (11, 12), chaque demi-coquille (11, 12) comportant essentiellement une pluralité de premiers éléments (2) s'étendant sous la forme de tubes semi-cylindriques ou semi- ovales, préférentiellement au nombre de cinq à huit, disposés en parallèle et reliés à chacune de leurs extrémités à une nourrice (9, 10), ces divers éléments étant réalisés selon le cas, en cuivre ou en acier inoxydable. - Une deuxième étape consistant en la fabrication des seconds éléments (3) destinés à la circulation de l'eau du circuit de chauffage sanitaire. - Une troisième étape consistant à disposer, au sein des demi- coquilles (11, 12) constituées essentiellement de premiers éléments (2) reliés à leurs extrémités à des nourrices (9, 10) le serpentin de seconds éléments (3). - Une quatrième étape consistant à interposer entre les plans de joints (14) délimités par les demi-coquilles (11, 12) inférieure et supérieure, des baguettes de brasure (15) et à placer au-dessus des tubes cylindriques ou ovales des premiers éléments (1), une pluralité d'ailettes (16), et à ramener les bords rabattus des ailettes initialement perpendiculaires au- dessus des tubes de manière à conformer un corps de chauffe mixte (1) manipulable, mécaniquement solidaire. - Une cinquième étape consistant & positionner à la base des ailettes (16) et au contact des premiers éléments (2) formant le corps de chauffe, des baguettes de brasure et à disposer 2741426 1' ensemble dans un four de brasage fonctionnant avantageusement sous atmosphère neutre ou réductrice. 8 - Procédé d'élaboration d'un corps de chauffe mixte selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape de brasage dit "fort" est remplacée par une étape de brasage dit "doux", consistant essentiellement en une phase d'étamage par trempage. 9 - Procédé d'élaboration selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les ailettes (16) séparées sont remplacées par des ailettes sous forme d'accordéon. - Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications 7 & 9, caractérisé en ce que les demi-coquilles (11, 12) sont réalisées directement par emboutissage d'une feuille métallique. 11 - Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les divers éléments (les premiers éléments (2) semi-cylindriques ou semi-ovales, les deminourrices latérales (9, 10) sont élaborés séparément, notamment par emboutissage, et sont rendus solidaires par une seconde opération consistant par exemple en une phase de soudage ou de brasage. 12 - Procédé d'élaboration d'un corps de chauffe selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les seconds éléments (3), dont la section droite est complexe, notamment de profil cruciforme, sont obtenus à partir de tubes cylindriques livrés en couronne, par un cycle soit de profilage en croix puis cintrage de ces derniers de manière à conformer une succession d'épingles formant un serpentin, soit de cintrage de tube cylindrique suivi d'une étape d'hydroformage.