Brevet FR2850451A1 — publié le 20040730

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à condensation, associé - directement ou indirectement - à un brleur, notamment à gaz ou à fioul. Cet échangeur est destiné notamment à équiper une chaudière à gaz 5 pour des applications domestiques, en vue d'alimenter un circuit de chauffage central et/ou de fournir de l'eau à usage sanitaire. L'échangeur de chaleur qui fait l'objet de l'invention, plus précisément, est du même type général que celui décrit dans la demande de brevet français N0 02 12848 déposée le 16 octobre 2002 et intitulée "Echangeur de chaleur 10 à condensation, à enveloppe plastique". Il est destiné à être associé à un brleur à gaz ou fioul. Cet échangeur comprend au moins un faisceau de tubes, lequel consiste en un tube, ou un groupe de tubes disposés bout à bout, formant un enroulement en hélice, dans lequel la paroi du (des) tube(s) est réalisée dans un 15 matériau thermiquement bon conducteur et présente une section droite aplatie et ovale, dont le grand axe est perpendiculaire, ou approximativement perpendiculaire, à celui de l'hélice, tandis que la largeur de l'interstice séparant deux spires adjacentes est constante et notablement plus faible que l'épaisseur de ladite section droite, ce faisceau étant monté fixement à l'intérieur d'une enveloppe imperméable 20 aux gaz, des moyens étant prévus pour faire circuler un fluide à réchauffer, en particulier de l'eau froide, à l'intérieur de(s) tube(s) constitutif(s) dudit faisceau, cette enveloppe présentant une manchette d'évacuation des gaz brlés, cet échangeur étant ainsi agencé que les gaz chauds générés par le brleur traversent radialement, ou approximativement radialement, ledit faisceau en passant à travers 25 les interstices séparant ses spires. Cet échangeur est remarquable en ce que: - d'une part, ladite enveloppe est réalisée en matière plastique résistant à la chaleur et: - d'autre part, l'échangeur comporte des moyens de contention 30 mécanique dudit faisceau suivant sa direction axiale, aptes à absorber les efforts de poussée résultant de la pression interne du fluide qui y circule et qui tend à en déformer les parois, en évitant que ces efforts ne soit transmis à l'enveloppe. On dissocie ainsi les différents rôles dévolus jusqu'ici à l'enveloppe, à savoir servir d'enceinte pour la circulation et l'évacuation des gaz chauds, ainsi que pour le recueil et l'évacuation des condensats, et, d'autre part, assurer la tenue mécanique du faisceau de tubes. Un tel agencement permet de diminuer sensiblement à la fois le poids et le prix de revient de l'appareil, car il est doté d'une enveloppe qui, bien qu'en matériau sensiblement moins noble et moins coteux que l'acier inoxydable traditionnellement utilisé, en l'occurrence la matière plastique, ne pose pas de problème de résistance d'ordre chimique, ni d'ordre mécanique, en considération du 10 problème de dilatation axiale rencontré dans ce genre d'appareil. L'objectif de la présente invention est de perfectionner ce type d'échangeur afin que l'enveloppe plastique soit isolée au mieux de la chaleur générée par les gaz brlés traversant les spires de l'enroulement et, corrélativement, d'abaisser sensiblement le niveau des températures à laquelle l'enveloppe est 15 exposée, ceci en mettant en oeuvre des moyens simples, légers et peu coteux. Cet objectif est atteint grâce au fait que l'échangeur comporte une virole disposée à l'extérieur du faisceau de tube(s) et à l'intérieur de ladite enveloppe en matière plastique, cette virole assurant une fonction d'écran thermique apte à isoler cette dernière de la chaleur émise par les gaz brlés. Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, mais non limitatives de l'invention: - ladite virole est réalisée dans une tôle en acier inoxydable de faible épaisseur; - ladite virole est plaquée contre la surface interne de l'enveloppe en 25 matière plastique, mais est maintenue à une certaine distance de cette dernière, par exemple au moyen d'une série de bossages emboutis dans la paroi de la virole; - ladite virole est constituée de deux parties cintrées complémentaires accolées l'une contre l'autre de manière à former une enveloppe annulaire s'adaptant contre la surface interne de ladite enveloppe en matière 30 plastique; - les bords en regard desdites parties cintrées présentent une rangée d'encoches approximativement semi-circulaires, ou semi-ovalisés, aptes à enserrer les portions d'extrémité rectilignes du tube, ou des tubes, constitutif(s) de l'enroulement, lorsque ces parties cintrées sont accolées l'une contre l'autre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent un mode de réalisation possible. Sur ces dessins: - la figure l est une vue de face schématique d'un échangeur conforme à l'invention, coupé par un plan vertical passant par l'axe de l'enroulement; - la figure 2 est une vue de côté schématique de l'échangeur; - les figures 3 et 4 représentent, toujours de manière schématique, les 10 deux éléments (non encore cintrés) en forme de bandes, constitutives de la virole; la figure 5 est une vue de face partielle et schématique destinée à illustrer le mode de contention de l'enroulement. L'échangeur représenté sur les figures i et 2 comporte une coque, ou enveloppe, i qui délimite une enceinte à l'intérieur de laquelle est monté fixement 15 un faisceau tubulaire 2, lequel consiste en un enroulement hélicodal, d'axe X-X' d'un groupe de tubes disposés bout à bout et connectés en série. Il s'agit de tubes de section droite aplatie dont les grands côtés sont perpendiculaires à l'axe X-X'. Des bossages 200 prévus sur les grandes faces des tubes jouent le 20 rôle d'entretoises, permettant de délimiter entre chaque spire un interstice de valeur calibrée, sensiblement constante. Cet enroulement 2 est destiné à être traversé intérieurement par le fluide à réchauffer, qui est par exemple de l'eau. Dans le mode de réalisation illustré, il est prévu quatre éléments 25 tubulaires hélicodaux accolés, branchés en série, dans lequel le fluide à réchauffer circule de la gauche vers la droite. Des collecteurs appropriés fixés à l'enveloppe l permettent le branchement de l'appareil, de manière classique, sur un conduit d'amenée du fluide froid, qui doit être réchauffé, et d'évacuation du fluide chaud. Ces collecteurs assurent également le transfert du fluide en circulation, d'un élément tubulaire à l'enroulement voisin. Chaque élément tubulaire possède des portions d'extrémité droite, c'est-àdire d'axe rectiligne, et de section progressivement variable, dont la partie d'extrémité débouchante est circulaire. Dans l'exemple illustré, les deux portions d'extrémité 20', 21' opposées d'un enroulement tubulaire s'étendent coaxialement de telle sorte que leurs embouchures étant dirigées à l'opposé l'une de l'autre, selon une disposition conforme à celle illustrée à la figure 24 du brevet européen 0 678 186 auquel on pourra se référer au besoin. Les embouchures d'entrée et de sortie 20', 21' des éléments tubulaires 5 sont sertis convenablement et de manière étanche dans des ouvertures ad hoc prévues dans l'enveloppe 1. L'enveloppe 1 est en matière plastique. Elle est fabriquée par exemple par roto-moulage ou par moulage par injection. L'enveloppe est faite par exemple de deux demi coquilles qui sont 10 thermosoudées l'une à l'autre après que le faisceau tubulaire ait été installé à l'intérieur de l'une d'elles. L'enveloppe 1 est ouverte sur l'un de ses côtés, en l'occurrence du côté dit côté avant- situé sur la droite, si on considère la figure 1. La paroi arrière de l'enveloppe porte la référence 11; celle-ci affecte 15 une forme renfoncée. Sa partie supérieure se raccorde à une cloison 8 descendant verticalement sur une certaine hauteur, dont l'association avec la partie renfoncée 11 forme un canal permettant le passage des gaz brlés et des fumées et les canalisant vers le haut, vers une manchette d'évacuation 12. Une portion de cloison similaire 8' "montante" est disposée en partie 20 basse de l'enveloppe 1. En fait les portions 8 et 8' peuvent faire partie d'un seul et même élément en forme de collerette annulaire bordant le fond de paroi renfoncé 11, formant partie intégrante du reste de la paroi 1, et présentant une ouverture centrale 800 pour le passage des gaz refroidis ayant traversé l'enroulement 2. Le côté avant de l'enveloppe est obturé par un élément de façade 3. 25 Ce dernier est fixé sur toute sa périphérie par un rebord qui est serti de manière hermétique aux gaz sur un bourrelet périphérique bordant l'entrée de l'enveloppe. Un joint d'étanchéité, par exemple en silicone (non représenté) peut avantageusement être prévu à ce niveau. La plaque de façade 3, qui est par exemple en acier inoxydable, est 30 normalement obturée par une porte amovible 4. Dans le mode de réalisation représenté, la porte 4 est en deux parties; elle est composée d'une plaque externe 40, en métal ou en matière plastique résistant à la chaleur, et d'une plaque interne 41 en matériau isolant, par exemple à base de céramique. Ces deux plaques sont traversées en partie centrale par une ouverture qui est traversée par un brleur 6, par exemple un brleur à gaz, qui est solidarisé avec la porte 4 par des moyens non représentés. Des moyens appropriés raccordés sur le brleur 6 permettent d&amener à l'appareil un mélange de combustible gaz et d'air, tel que propane + air. Ces moyens peuvent consister notamment en un ventilateur fixé sur la porte, apte à insuffler le mélange gazeux dans le brleur, ou en un conduit flexible branché sur la porte. Le brleur 6 est un tube cylindrique à extrémité fermée, dont la paroi 10 est percée d'une multitude de petits trous qui permettent le passage du mélange combustible, radialement vers l'extérieur du tube. La surface extérieure de cette paroi constitue la surface de combustion. Un système d'allumage de type connu, non représenté, comportant par exemple une électrode génératrice d'une étincelle, est bien évidement associé au 15 brleur. Ce dernier est situé coaxialement au milieu de l'enroulement 2, mais il ne s'étend pas sur toute sa longueur. En effet, le faisceau tubulaire 2 est subdivisé en deux parties, l'une 2a située à l'avant (à droite) d'un déflecteur 7, et l'autre 2b située à l'arrière (à gauche) 20 de celui-ci. Le déflecteur 7 est un disque en matériau thermiquement isolant, par exemple à base de céramique; il est porté par une armature en forme de plaque mince 70, en acier inoxydable, dont le bord périphérique est inséré entre deux spires adjacentes du faisceau. On a ici affaire à un échangeur double, tel que représenté à la figure 8 du brevet européen précité, qui permet d'obtenir un excellent rendement. La partie 2b du faisceau réalise un préchauffage du fluide, lequel circule de la gauche vers la droite si on considère la figure 1. La partie 2a réalise le chauffage proprement dit. 30 Les spires du faisceau tubulaire 2 sont fermement maintenues appliqués les unes contre les autres au moyen d'un système de contention mécanique. Il s'agit, en l'occurrence, d'un ensemble de quatre tirants 5, visibles sur la figure 5, constitués par des tiges cylindriques en acier inoxydable, et qui sont 35 associés à des éléments d'appui pour chacune des deux extrémités opposées du faisceau. Ces tiges, parallèles à l'axe XX', s'étendent à l'extérieur de l'enroulement 2, à faible distance de ce dernier. Du côté avant, les tirants 5 sont fixés par des écrous 500 à la plaque de façade 3. Comme expliqué dans la demande de brevet antérieure N0 02 12848 5 précitée, les portions d'extrémité des tirants 5 qui dépassent à l'extérieur des écrous 50 ont également pour fonction d'assurer le centrage et la fixation de la porte 4 contre la façade 3. Du côté opposé, les tirants 5 sont fixés à une paire de tiges plates coudées 30a, 30b, dont les zones centrales sont en appui contre un secteur angulaire 10 de la spire d'extrémité correspondante (voir figure 2). On notera (voir figure 1) que la partie haute de la paroi 1 présente un renfoncement 80 situé au-dessus de l'enroulement tubulaire, à proximité des tubes situés en sortie de la partie 2a constitutive de l'échangeur principal. Dans ce renfoncement est montée une sonde de température 9 dont la 15 fonction est expliquée dans la demande antérieure N0 02 12848 susmentionnée. A l'observation de la figure 5, on comprend que l'ensemble constitué par la façade 3, les tirants 5 et les éléments d'appui d'extrémité 30a-30b forme un ensemble autonome et cohérent. Les dilatations qui tendent à se produire sous l'effet de la pression 20 interne régnant dans le tube de l'enroulement 2 sont contrariées par les tirants et les éléments d'appui qui absorbent intégralement les efforts de la poussée axiale. Il n'y a aucune répercussion de cette poussée contre la paroi de l'enveloppe contenant cet ensemble. C'est pour cela qu'elle peut être réalisé en matière plastique. La matière plastique constitutive de l'enveloppe est choisie pour résister en continu à des températures de l'ordre de 1500 à 160'C. Il s'agit avantageusement d'un matériau composite à base de résine chargé de fibres ou d'écailles de verre. Comme type de résine particulièrement approprié on peut citer un 30 composé de polyphénilène oxyde, de polystyrène et de polypropylène, un tel matériau étant approprié pour résister aux agressions chimiques des fumées chaudes et des condensats. La paroi de l'enveloppe 1 peut être relativement fine, par exemple d'épaisseur comprise entre 2 et 6 mm, du fait qu'elle n'est pas exposée à des 35 contraintes mécaniques importantes. Les gaz chauds générés par le brleur 6 traversent tout d'abord la première partie 2a du faisceau 2 en passant entre les interstices des tubes radialement, de l'intérieur vers l'extérieur. Ils traversent ensuite la partie arrière 2b de l'échangeur, cette fois de 5 l'extérieur vers l'intérieur, réalisant un préchauffage de l'eau qui circule dans le faisceau tubulaire. Enfin, les gaz refroidis s'échappent via le canal arrière délimité par la paroi l l et la cloison 8, pour rejoindre la manchette d'évacuation 12. Le gain de poids obtenu par l'utilisation d'une enveloppe plastique est 10 de l'ordre de 20 % par rapport à un appareil similaire, ayant les mêmes performances, mais dont l'enveloppe est métallique. Conformément à l'invention, la partie annulaire de paroi de l'enveloppe I qui entoure l'enroulement 2 est garnie intérieurement d'une virole 100. Elle est réalisée en tôle mince d'acier inoxydable, dont l'épaisseur est par exemple 1 5 de l'ordre de 0,3 à 0,4 mm environ. Cette virole prend appui contre la face interne de l'enveloppe, avec un certain espacement j (voir figure 1), de l'ordre de 2 mm par exemple. Cet écartement est assuré grâce à une pluralité de plots d'appui 101 constitués par des cuvettes de faible dimension embouties dans la tôle de manière à former des 20 bossages en saillie vers l'extérieur de la virole. Comme le montre la figure 3 qui représente un développé de la tôle en deux parties constitutives de la virole, ces bossages 101 ont une répartition géométrique régulière dans la surface de la tôle, en l'occurrence suivant une disposition selon des triangles équilatéraux égaux. L'espacement j et la présence des bossages 101, dont l'appui contre 25 l'enveloppe 1 se fait par des zones de très faible surface - quasi ponctuelles - permet de réduire considérablement la transmission de la chaleur absorbée par la virole 100 à la paroi qui l'entoure. A ses extrémités, cette virole prend appui, du côté avant contre la façade 3, et de l'autre côté contre les cloisons 8-8'. Sa longueur axiale, qui correspond sensiblement à celle de l'enroulement 2, est référencée K sur la figure 1. Dans le mode de réalisation illustré, la virole 100 est constituée de deux parties distinctes, initialement planes représentées sur les figures 3 et 4, et référencées 1OOa, respectivement OOb. Ce sont des bandes de tôle en acier inoxydable de largeur K et de longueur Li, respectivement L2. Sur ses bords longitudinaux, chacune des bandes lOOa, 1O0b, présente une série de quatre encoches 102, de forme sensiblement semi-circulaire ou semi-ovalisée, complémentaire de la forme de la section des portions d'extrémité des tubes au niveau de la paroi 1 qu'ils traversent. La longueur LI de la bande lOOa est notablement supérieure à celle L2 de la bande 1Ob. La somme LI + L2 correspond approximativement (compte tenu de l'espacement j) à la circonférence de la paroi interne de l'enveloppe 1 contre laquelle viennent s'appliquer les bandes lOOa et lOOb après avoir été cintrées pour 10 s'accommoder à la courbure de la paroi de l'enveloppe 1. Comme on le voit sur la figure 2, celle-ci a une section droite dont le contour est intermédiaire entre un cercle et un carré à coins arrondis. L'élément court IOOb est placé du côté o sont situées les embouchures des tubes, à l'extérieur de ces dernières (sur la gauche de la figure 2), 15 tandis que l'élément long iOOa est placé de l'autre côté. Ils sont accolés par leurs bords longitudinaux (parallèles à X-X') et enserrent avec un faible jeu par leurs encoches 102 - convenablement conformées et positionnées à cet effet - les portions d'extrémité, ou embouchures, des tubes constituant l'enroulement 2. En raison de leur élasticité, les deux bandes de tôle s'appliquent intimement, par l'intermédiaire de leurs bossages 101 contre la face interne de l'enveloppe, sans nécessité de recourir à des moyens de fixation spécifiques. Ils forment ainsi une virole qui isole de manière relativement étanche ladite face interne de l'enveloppe des gaz chauds circulant dans l'échangeur, jouant le rôle d'un 25 écran thermique. Ceci permet d'abaisser la température à laquelle la paroi de l'enveloppe est exposée d'une valeur de l'ordre de 15 à 20 C, ce qui permet de faire usage d'une matière plastique moins noble et par conséquent moins coteuse, et/ou d'en améliorer la tenue dans le temps et la longévité. 30 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à condensation, associé à un brleur à gaz ou fioul (6), qui comprend au moins un faisceau (2) de tubes, lequel consiste en un tube, ou un groupe de tubes disposés bout à bout, formant un enroulement en hélice, dans lequel la paroi du (des) tube(s) est réalisée dans un matériau thermiquement 5 bon conducteur et présente une section droite aplatie et ovale, dont le grand axe est perpendiculaire, ou approximativement perpendiculaire, à celui (X-X') de l'hélice, tandis que la largeur de l'interstice séparant deux spires adjacentes est constante et notablement plus faible que l'épaisseur de ladite section droite, ce faisceau étant monté fixement à l'intérieur d'une enveloppe (1) imperméable aux gaz, des moyens 10 étant prévus pour faire circuler un fluide à réchauffer, en particulier de l'eau froide, à l'intérieur de(s) tube(s) constitutif(s) dudit faisceau (2), cette enveloppe (1) présentant une manchette (12) d'évacuation des gaz brlés, cet échangeur étant ainsi agencé que les gaz chauds générés par le brleur (6) traversent radialement, ou approximativement radialement, ledit faisceau en passant à travers les interstices 15 séparant ses spires, dans lequel, d'une part, ladite enveloppe (1) est réalisée en matière plastique résistant à la chaleur et, d'autre part, il est prévu des moyens de contention mécanique (5; 3-30) dudit faisceau suivant sa direction axiale, aptes à absorber les efforts de poussée résultant de la pression interne du fluide qui y circule et qui tend à en déformer les parois, en évitant que ces efforts ne soit 20 transmis à l'enveloppe (1), caractérisé par le fait qu'il comporte une virole (100) disposée à l'extérieur dudit faisceau (2) et à l'intérieur de ladite enveloppe (1) en matière plastique, cette virole (100) assurant une fonction d'écran thermique apte à isoler cette dernière de la chaleur émise par les gaz brlés. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 25 ladite virole (100) est réalisée dans une tôle en acier inoxydable de faible épaisseur. 3. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite virole (100) est plaquée contre la surface interne de ladite enveloppe (1) en matière plastique, mais est maintenue à une certaine distance de cette dernière, par exemple au moyen d'une série de bossages (101) emboutis dans 30 la paroi de la virole (100). 4. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ladite virole (100) est constituée de deux parties cintrées complémentaires (lOOa, lOOb) accolées l'une contre l'autre de manière à former une enveloppe > 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les bords en regard desdites parties cintrées (1 00a, 10 b) présentent une rangée 5 d'encoches (102), approximativement semi-circulaires, ou semiovalisées, aptes à enserrer les portions d'extrémité rectilignes du tube, ou des tubes, constitutif(s) de l'enroulement, lorsque ces parties cintrées (10Oa, 10Ob) sont accolées l'une contre l'autre.