Brevet FR2799535A1 — publié le 20010413

La présente invention concerne une chaudière ali mentant un circuit de chauffage et comprenant un échangeur- condenseur tubes d'eau. Les chaudières, notamment de chauffage central, actuelles, sont d'une conception relativement compliquée et encombrante surtout si ces chaudière sont combinées un échangeur-condenseur, du fait des multiples branchements à réaliser. Cet encombrement est un inconvénient à la fois de manière intrinsèque et parce qu'il complique la mise en place des moyens d'isolation et renchérit l'ensemble de l'installation. En plus de ces problèmes d'isolation thermique, dans le cas des chaudières actuelles associées à un échan- geur-condenseur, il est également nécessaire de prévoir des moyens d'isolation phonique du fait du bruit généré les mouvements de dilatation des tubes de l'échangeur, causé par les variations de température suivant les cycles de fonction nement de la chaudière. En outre, dans les chaudières actuelles, les échangeurs tubes d'eau en épingle doivent être tenus entre l'entrée et la sortie de chaque tube. Or, ces tubes forment souvent plusieurs épingles ou méandres et il est très impor tant que l'ensemble soit raidi pour éviter les bruits, notam ment sous l'effet des variations de températures. Pour cela, les tubes sont soudés en différents points entre leur entrée et leur sortie. Les variations de température et les con traintes engendrées par les dilatations /rétractions qui en résultent fatiguent les soudures et risquent de provoquer au bout d'un certain temps la destruction de certaines soudures et par suite de nécessiter d'une intervention, en général dé- licate, d'autant plus que les soudures ne sont pas toutes fa cilement accessibles. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et se propose de développer une chaudière à échangeur- condenseur à tubes d'eau en épingle qui soit peu encombrant, facile à isoler sur le plan thermique et phonique et d'un fonctionnement silencieux et fiable, évitant les ris ques de fatigue des soudures aux extrémités des tubes. A cet effet, linvention concerne une chaudiere du type defini ci-dessus, caractérisée par : - un foyer cylindrique entouré d'une chemise d'eau, - un échangeur-condenseur à tubes d'eau, reliés à un collec teur d'entrée et un collecteur de sortie, - un conduit de liaison reliant la sortie de fumées du foyer à l'entrée de fumées de l' échangeur -condens eur, ce conduit étant entouré d'une chemise d'eau reliant la chemise d' du foyer au circuit d'eau de l'échangeur-condenseur, - le foyer étant assemblé au-dessus de l'échangeur à un bati unique la Circulation des fumées et de l'eau à travers le foyer et l' échangeur- condens eur se faisant principale ment à contre-courant, - le retour du circuit de chauffage arrivant à l'échangeur et la sortie vers le circuit de chauffage se faisant par le collecteur de la chemise d'eau du foyer, la sortie des mées se faisant par l'échangeur, - une enceinte d'isolation entourant globalement le foyer l'échangeur-condenseur avec le conduit de liaison. La combinaison directe du foyer et de l'échangeur-condenseur avec le foyer disposé au-dessus de 1 ' échangeur- condenseur permet une jonction particulièrement simple ces deux composants, favorisant non seulement la circulation des fluides (gaz chaud/eau chaude) mais permet tant également une isolation thermique efficace du fait du regroupement et du faible encombrement créés par les branche ments entre les deux composants. Cette isolation thermique assure en même temps une excellente isolation phonique puis que tous les éléments, dégageant de la chaleur ou suscepti bles d'émettre du bruit, sont à l'intérieur de l'enceinte. D'une manière particulièrement avantageuse, le conduit de liaison relie le fond de l'extrémité aval du foyer à la partie supérieure de l'enceinte de l'échangeur- condenseur située en dessous du foyer. Du fait de sa position, ce conduit de liaison est extrêmement court, ce qui réduit sa surface d'émission ther mique et favorise par ailleurs le passage des fluides entre le foyer et l'échangeur-condenseur pratiquement sans créer de perte de charge. De façon avantageuse, grâce à la superposition du foyer et de l'échangeur-condenseur, on peut réaliser l'échangeur-condenseur à deux étages superposés, l'entrée des fumées se faisant par le dessus de l'étage supérieur et la sortie par l'étage inférieur. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'échangeur-condenseur est modulaire et se compose de deux étages superposés constituant chacun un module. Cette réalisation de llechangeur en éléments mo dulaires permet de multiplier les combinaisons et de les adapter efficacement à chaque application. Ainsi, dans une chaudière le module supérieur de l'échangeur-condenseur modulaire muni d'un échangeur de chaleur et son module inférieur constitue un conduit de fu mées sans échangeur de chaleur. D'une façon particulièrement avantageuse, pour augmenter la fiabilité de l'installation et réduire l'émission de bruit, c'est-à-dire faciliter l'isolation pho nique, la chaudière comprend : - des tubes d'eau constitués chacun par une succession d'épingles formant plusieurs méandres entre l'entrée et la sortie du tube, ce dernier étant relié au collecteur d'entrée et au collecteur de sortie, en restant libre entre son entrée et sa sortie, et - des entretoises, dont les bords sont munis d'encoches de section correspondant à celle des tubes, ces encoches étant réparties le long des bords suivant l'écartement transver sal des tubes dans l'échangeur et l'intervalle entre les encoches d'un bord à l'autre correspond au pas de l'épingle d'un même tube, ces entretoises étant intercalées entre les épingles homologues des tubes juxtaposés. Grâce au montage flottant des tubes de l'échangeur entre leur entrée et leur sortie, tout en mainte nant les tubes les uns par rapport aux autres, ainsi qu'au niveau des épingles d'un même tube, on maintient l'écartement respectif des tubes et des parties d'un même tube pour per- mettre une circulation régulière des gaz balayant l'extérieur des tubes, sans créer de perte de charge -importante ni d'obstacle au ramonage des tubes. L'ensemble, constitué par les tubes de l'échangeur et les entretoises, forme un ensemble flottant, qui peut se dilater librement sans que les contraintes indui tes par les variations de température dans les tubes ne se répercutent sur les soudures d'extrémité des tubes. La réalisation selon l'invention est particuliè rement simple car la mise en place des entretoises se fait à partir de l'extérieur, par un simple mouvement de pivotement de l'entretoise, les encoches se plaçant automatiquement sur les tubes. De façon particulièrement avantageuse, l'entre toise est constituée par une bande de tôle pliée à l'équerre et de chaque côté les bords sont également formés par un pli à l'équerre, les encoches étant à cheval sur le pli de chacun des deux bords. Cette réalisation de l'entretoise aboutit à une entretoise mécaniquement rigide et offrant néanmoins une cer taine élasticité entre les deux bords ; cette élasticité ab sorbe facilement les variations dimensionnelles engendrées par les dilatations/rétractions. Ainsi, l'élasticité de l'entretoise entre ses deux bords s'adapte facilement à l'écartement des deux bran ches successives d'une même épingle de tube, ce qui évite tout jeu entre l'entretoise et les tubes, et permet un fonc tionnement silencieux et une excellente stabilité des tubes. Il est particulièrement avantageux que les enco ches aient une arête arrondie. L'arrondi de l'arête des encoches évite que le contact entre les encoches et les tubes ne crée des amorces de rupture en entaillant les tubes. Au contraire, la surface arrondie favorise à la fois le basculement des entretoises pour leur mise en place dans l'intervalle des deux branches des tubes et leur appui souple une fois que les entretoises sont mises en place. La présente invention sera décrite ci-apres de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les quels : - la figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'une chaudiere selon l'invention, la f igure 2A est une vue de côté coupée d'un second mode réalisation d'une chaudière selon l'invention, la figure 2B est une vue de gauche de la chau dière selon figure 2A, la figure 3A est une vue de côté partiellement coupée d'une chaudière selon une troisième variante de réali sation de l'invention, la f igure 3B est une vue de gauche de la chau dière de la figure 3A, - la figure 4 est une vue de dessus d'un segment d'entretoise selon l'invention, - la figure 5 est une vue de côté de l'entretoise de la figure 4, - la figure 5A montre le détail A de la figure 5, - la figure 6 est une vue partielle de la dispo sition d'une entretoise et des deux branches d'une épingle de tube. Selon la figure 1, l'invention concerne une chau dière, notamment une chaudière de chauffage alimentant un circuit de chauffage non représenté et comprenant un bâti unique 1 portant un foyer 2 au-dessus d'un échangeur- condenseur 3. Le foyer 2 est un foyer cylindrique d'axe hori zontal avec une entrée 21 recevant un brûleur non representé et une chemise d'eau 22 périphérique reliée à un manchon de sortie 23 raccordé au départ du circuit. Le foyer 2, placé au-dessus de l'échangeur 3, communique avec celui-ci une virole de passage des fumées. Cette virole constitue con duit de liaison 4 reliant la sortie des fumées 24 du foyer 2 à l'entrée de fumées 31 de l'échangeur-condenseur 3. con duit de liaison 4 est entouré par une chemise d'eau 41 elle- même directement reliée à la chemise d'eau 22 du foyer 2 et au collecteur de sortie d'eau 32 de l'échangeur-condenseur 3. La circulation de l'eau dans l' échangeur -condens eur 3 sera décrite ultérieurement. Le circuit des gaz ou fumées commence à l'entrée 21 du foyer 2, pour passer dans l'axe du foyer 2, descendre à travers le conduit de liaison 4 puis traverser l'échangeur 3 dans deux directions et sortir par la sortie de fumées 33. Le second fluide, c'est-à-dire l'eau, arrive par le raccord de retour 34 dans l'échangeur-condenseur 3 et sort par le raccord de départ d'eau chaude 23. Dans cet exemple l'échangeur-condenseur 3 est formé de deux étages 34A, 34B placés l'un au-dessus de l'autre et montés en série pour le passage des fumées. Chaque étage 34A, 34B est composé de tubes d'eau 5, 6 ayant une forme d'épingles avec des branches verticales 51 réunies par des coudes inférieurs 52 et supérieurs 53 (fig. 6) . Suivant la puissance à échanger, on utilise des épingles de longueur plus ou moins grande.Pour les échangeurs de forte puissance, la longueur développée des épingles dé- passe les longueurs standards des tubes disponibles sur le marché. On compose alors les épingles en deux parties 34Al, 34A2 ou 34B1, 34B2 reliées par un collecteur 35A, 35B. La circulation de l'eau se fait de la manière suivante : L'eau de retour de chauffage arrive par le rac cord 34 dans l'échangeur 3, passe par la lame d'eau 341A et alimente les épingles des parties 34B1, 34B2 de l'étage infé rieur. Puis l'eau sort.de cet étage inférieur 34B par le collecteur de sortie 342B et remonte au collecteur d'entrée 342A de l'étage supérieur 34A pour alimenter les épingles de cet étage (reliées en série dans les parties 34Al, 34A2. L'eau sort de l'étage supérieur 34A par le collecteur de sor tie 32, la chemise 41 et enfin la chemise 22 du foyer 2 pour sortir par la manchette 23 de sortie d'eau de chauffage. Pour faciliter l'installation, le foyer 2 est mu ni de boucles d'accrochage 25. Il en est de même du conden- seur-échangeur 3 qui comporte des boucles 39 dans sa partie supérieure 34A, celles de la partie inférieure 34B nilapparaissant pas. Le bâti 1, le foyer 2 et l'échangeur-condenseur 3 avec le conduit de liaison 4 sont entourés par une isolation thermique et phonique non représentée, en général en forme de boîte parallélépipédique. La description de l'organisation des épingles se ra faite ultérieurement. Les figures 2A, 2B et 3A, 3B explicitent le ca ractère modulaire de la chaudière selon l'invention dans deux modes réalisation. Dans ces figures on utilisera les mêmes référen ces que ci-dessus augmentée respectivement de 100 et 200 pour désigner des éléments identiques ou analogues dont la des cription ne sera pas nécessairement reprise. Ainsi, selon les figures 2A, 2B, le foyer 102 installe sur un condenseur-échangeur 103 formé de deux modu les superposés 103A, 103B. Le module supérieur 103A est relié à la sortie foyer le conduit de liaison 104 à chemise d'eau 141. Les deux modules 103A, 103B communiquent par la liaison 142 et les fumées sortent du module inférieur 103B par la sortie de fumées 133. Chacun des modules 103A, 103B est équipé de fais ceaux de tubes d'eau exposés aux fumées. Le circuit d'eau est double Un premier circuit entre dans l'échangeur de mo dule supérieur 103A par l'entrée 134A pour se répartir dans les tubes 105, 106, passer par la chemise 141 puis la chemise 122 du foyer 102 et sortir par la sortie 123. Un second circuit traverse uniquement le module inférieur 103B en arrivant par l'entrée 134B pour se répartir entre les tubes d'eau non référencés puis passer dans un col lecteur et sortir par la sortie 134BB. Les entrées/sorties apparaissent clairement à figure 2B. Les figures 3A, 3B montrent une variante de chau dière qui diffère de celle des figures 2A, 2B par le module inférieur 203B du condenseur-échangeur 203 qui ne comporte pas d'échangeur mais constitue uniquement un c*onduit de fu mées relié à la sortie 233. Le circuit d'eau de cette variante est unique il y a une entrée d'eau 234A dans le module supérieur 203A qui passe dans les tubes 205, 206 de l'échangeur de ce module 203A puis par la chemise 241 du conduit 204 et à travers la chemise 222 du foyer 202 puis la sortie d'eau 223. Dans les modules échangeurs 103A, 103B, 203A les tubes sont maintenus par des épingles 107, 207. Selon le mode de réalisation de la figure 1 (et aussi selon celui des figures 2A, 2B, 3A, 3B mais dont les références ne seront pas utilisées ci-après), les tubes d'eau 5,6 ont tous sensiblement la même forme et comprennent un nombre entier d'épingles. Ces tubes 5, 6 sont reliés aux col lecteurs de liaison 35A, 35B par un embranchement constitué par une soudure 51A, 61A, 51B, 61B ; Les autres extrémités 52A des tubes 5A sont reliées au collecteur de sortie 32 par la soudure 52A ; les secondes extrémités des tubes 6A sont reliées au collecteur d'entrée 342A, des épingles de l'étage supérieur 34A. De la même manière, les secondes extrémités des tubes 5B sont reliées par une soudure 52B à la lame d'eau 341A elle-même reliée au retour de chauffage 34. Les secondes extrémités des tubes 6B sont reliées par une soudure 62B au collecteur de sortie 341B des épingles de l'étage inférieur 34B.Dans l'exemple représenté (figure 1), on a un ensemble de tubes 5A, 5B situés à droite et un ensemble de tubes 6A, 6B situés à gauche du collecteur de liaison 36A, 36B. La lon gueur des tubes 5, 6 n'est pas la même. Toutefois, ces tubes 5, 6 sont tous constitués par une succession d'épingles, comme celle représentée schématiquement à la figure 6 qui montre ces épingles composées de segments 51 verticaux reliés à chaque extrémité par un coude 52, 53 assurant la liaison avec les segments. Ces tubes d'eau, en épingles ou en méandres, sont disposés entre deux parois, une paroi inférieure 37B et une paroi supérieure 37A. Ces parois sont percées suivant l'organisation de l'échangeur pour permettre la circulation du fluide extérieur aux tubes (fumées). Les coudes 52, 53 sont représentés comme touchant les parois 37A, 37B sans être soudés ou solidarisés à ces pa rois car les coudes s'appuient librement sur ces parois res pectives 37A, 37B. Le maintien de l'ensemble des faisceaux de tubes de l'échangeur-condenseur 3 assuré par des entretoises 7 (figures 1, 4, 5, 6) . Ces entretoises 7 sont placées entre deux bran ches 51 d'une épingle et assurent l'écartement des différents tubes 5, 6 (dans la direction perpendiculaire au plan des fi gures 1 et 6). Les tubes 5, 6 sont situés les uns derrière les autres par rapport au plan de la figure 1 alors que les par ties d'un même tube sont situées dans un plan correspon dant par exemple à celui de la feuille des dessins. En fait, les tubes 5, 6 ne sont pas contenus cha cun dans un plan mais ils ont des segments 51 disposés de part et d'autre d'un plan longitudinal pour arriver à une disposition en quinconce, avantageuse pour le balayage des fumées et l'efficacité de l'échange thermique. La disposition en quinconce des tubes se constate dans la vue de dessus de l'entretoise 7 selon la figure 6 dans laquelle les deux branches 51 verticales d'un même tube ont été représentées à titre d'exemple (c'est-à-dire dans la direction longitudinale de l'entretoise 7 selon la figure 4). En d'autres termes, ce décalage se répète à l'identique d'un tube à l'autre dans la direction perpendiculaire à la feuille de la figure 1 (ou de la figure 6). Les entretoises 7 sont prévues en petit nombre, à des intervalles aussi réguliers que possible, pour traverser l'ensemble des faisceaux de tubes et constituer des points d'appui maintenant les tubes transversalement et longitudina lement. Ces entretoises 7 reposent sur des appuis laté raux 38 prévus de chaque côté du condenseur 3. Un tel appui 38 est représenté par un trait interrompu à la figure 1. Les figures 4, 5, 5A montrent de manière plus dé- taillée un mode de réalisation d'une entretoise 7. Cette entretoise 7 est obtenue à partir d'une bande de tôle munie d'encoches de forme elliptique. Cette bande de tôle est pliée suivant une section carrée avec un pli principal 71 formant le sommet et deux plis latéraux 72, 73 formant les côtés 74, 75 bordant l'arête 71 ; les petits côtés 76, 77 au-delà des lignes de pliage 72, 73 forment les arêtes latérales ou les bords de l'entretoise 7. Cette forme apparaît à la figure 5 ; la largeur de l'entretoise se mesure dans la direction horizontale entre les bords de pliage 72, 73. En vue de dessus, l'entretoise 7 a l'aspect re présenté à la figure 4. Dans cette vue de dessus, les bords 72, 73 laissent apparaître des encoches 78, 79, qui, en vue en plan, ont une section circulaire (semi-circulaire) corres pondant à la section des tubes 51 de 1 ' échangeur- condens eur 3. Lorsque la bande formant l'entretoise 7 est dé- ployée à plat, avant d'être pliée suivant la section repré sentée à la figure 5, les encoches 78, 79 ont une forme de demi-ellipse allongée dans la direction transversale et re présentant la contre-projection d'une section circulaire. La largeur (1), entre les bords 72, 73 de l'entretoise 7, correspond au pas ou à la largeur 1 des épin gles d'un même tube. Ces épingles sont les mêmes pour un même tube et pour tous les tubes. Dans le sens longitudinal, le pas (p), séparant les encoches 78, 79 des deux bords 72, 73 correspond à la disposition en quinconce des branches 51 d'un même tube. La figure 2 montre que les branches successives sont chaque fois placées dans l'intervalle des deux branches de deux tubes voisins, en amont ou en aval pour occuper efficacement toute la section du passage des fumées dans l' é changeur- conden s eur 3. Cette disposition est la même dans les deux étages 34A, 34B de l'échangeur-condenseur 3. Enfin, comme le montre la figure 5A, les encoches 78, 79 ont un bord arrondi. R E V E N D I C A T 1 0 N S l') Chaudière alimentant un circuit de chauffage et compre nant un échangeur-condenseur, caractérisee par : - un foyer cylindrique (2) entouré d'une chemise d'eau (22), - un échangeur-condenseur (3) à tubes d'eau (5, 6), reliés un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, - un conduit de liaison (4) reliant la sortie de fumées (24) du foyer (2) à l'entrée de fumées (31) de l'échangeur- condenseur (3), ce conduit (4) étant entouré d'une chemise d'eau (41) reliant la chemise d'eau (22) du foyer au cir cuit d'eau de l'échangeur-condenseur (3), - le foyer (2) étant assemblé au-dessus de l'échangeur (3) à un bâti unique (1) et la circulation des fumées et de l'eau à travers le foyer (2) et l'échangeur-condenseur (3) se faisant principalement à contre-courant, - le retour du circuit de chauffage (34) arrivant à l'échangeur (3) et la sortie (23) vers le circuit de chauf fage se faisant par le collecteur de la chemise d'eau (22) du foyer (2), la sortie des fumées (33) se faisant par l'échangeur-condenseur (3), - une enceinte d'isolation entourant globalement le foyer (2) l'échangeur-condenseur (3) et le conduit de liaison (4). 2') Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conduit de liaison (4) relie le fond de l'extrémité aval du foyer (2) à la partie supérieure de l'échangeur-condenseur (3) en dessous du foyer (2). 3') Chaudiere selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur-condenseur (3) est à deux étages superposés (34A, 34B), l'entrée des fumées (31) se faisant par le dessus de l'étage supérieur (34A) et la sortie (33) par l'étage infé rieur (34B). 4') Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'échangeur-condenseur (103, 203) est modulaire' et se compose de deux étages superposés (103A, B, 203A, B) constituant cha cun un module. 5') Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que le module supérieur (203A) de 1 ` é changeur- condens eur modu laire muni d'un échangeur de chaleur (205, 206) et son module inférieur (203B) constitue un conduit de fumées sans échangeur de chaleur. 6') Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend - des tubes d'eau (5, 6) constitués chacun par une succession d'épingles formant plusieurs méandres entre l'entrée et la sortie du tube, chaque tube (5, 6), relié au collecteur d'entree et au collecteur de sortie, étant libre entre son entrée et sa sortie, et - des entretoises (7), dont les bords (72, 73) sont munis d'encoches (78, 79) de section correspondant celle des tubes (5, 6), ces encoches étant réparties le long des bords suivant l'écartement transversal (P) des tubes (5, 6) dans 1 ` é changeur- condens eur (3) et l'intervalle entre les encoches d'un bord à lautre correspond au pas (1) de l'épingle d'un même tube, ces entretoises (7) étant inter calées entre les épingles homologues des tubes juxtaposés. 7') Chaudière selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'entretoise (7) est constituée par une bande de tôle pliée à l'équerre (71) et de chaque côté les bords (72, 73) sont éga lement formés par un pli à l'équerre, les encoches (78, 79) étant à cheval sur le pli de chacun des deux bords. 8') Chaudière selon la revendication 6, caractérisée en ce que les encoches (78, 79) ont une arête arrondie.