Brevet FR2853398A1 — publié le 20041008

i L'invention concerne un échangeur de chaleur hélicoïdal à ailettes pour fluide caloporteur, et une chaudière équipée d'un tel échangeur. Il est connu de réaliser une chaudière de chauffage notamment à condensation au moyen d'un échangeur hélicoïdal dans lequel circule un fluide 5 caloporteur, généralement de l'eau, et au-dessus ou dans la partie haute duquel est aménagé un brûleur. C'est par exemple le cas de la chaudière décrite dans le document EP0 825 392 A2 ou encore dans le document DE-4309598 AI. Dans ces dispositifs connus, l'échangeur de chaleur pour chaudière de 10 chauffage munie d'au moins un brûleur, se présente sous la forme d'un tube hélicoïdal cylindrique dans lequel circule le fluide caloporteur et autour duquel s'effectuent les échanges thermiques grâce aux gaz de combustion provenant du brûleur. Le document précité DE-4309598 AI montre par ailleurs un tube muni d'ailettes qui augmentent la surface d'échange et/ou permettent de laminer les gaz de 15 combustion. Les ailettes se présentent généralement sous la forme de lamelles annulaires régulièrement réparties sur le tube constitutif de l'échangeur. Afin d'améliorer le rendement d'une chaudière munie d'un tel échangeur et notamment pour tenir compte de la variation du volume des gaz de combustion sur la 20 hauteur de l'échangeur, l'invention préconise un échangeur hélicoïdal à ailettes qui est notamment remarquable en ce que le pas de répartition des ailettes varie de manière continue ou discontinue le long de l'échangeur afin que celui-ci présente un nombre d'ailettes qui augmente au fur et à mesure que la zone concernée de l'échangeur s'éloigne du brûleur. En outre, on réduit ainsi les risques d'entartrage des ailettes, 25 ainsi que les risques de fissuration de celles-ci du fait des chocs thermiques. Selon un mode de réalisation, les spires de l'échangeur sont réparties par ensembles, chaque ensemble étant constitué par une ou plusieurs spires ou portions de spires contiguës pour lesquelles le pas de répartition des ailettes est constant tandis que ledit pas diminue d'un ensemble à l'autre de telle sorte que le nombre 30 d'ailettes augmente au fur et à mesure que ledit ensemble concerné s'éloigne du brûleur. Selon un autre mode de réalisation, le pas de répartition des ailettes diminue régulièrement -et de manière continue le long de l'échangeur de telle sorte que le nombre d'ailettes augmente de manière continue au fur et à mesure que les spires s'éloignent du brûleur. Par exemple, au moins une portion de la première spire la plus proche du brûleur est dépourvue d'ailette puisqu'à cet endroit la température est la plus élevée, 5 tandis que le tube constitutif de l'échangeur est enroulé selon une hélice cylindrique ou tronconique. L'invention concerne bien sûr aussi une chaudière munie d'au moins un brûleur et d'un corps dans lequel est aménagé un échangeur de chaleur hélicoïdal à ailettes tel que défini ci-avant. Selon un mode de réalisation d'une telle chaudière, le brûleur est disposé dans la partie supérieure du corps tandis qu'un pot de récupération des condensats et d'évacuation des gaz de combustion est aménagé sous l'échangeur dans la partie inférieure dudit corps de manière à réaliser ainsi une chaudière à condensation, la condensation étant d'ailleurs ici améliorée grâce au pas variable de répartition des 15 ailettes. Plus particulièrement encore son corps est entouré par une chemise de fluide qui communique avec l'extrémité supérieure de l'échangeur tandis que le retour dans ledit échangeur du fluide caloporteur refroidi s'effectue par une conduite branchée à l'extrémité inférieure de l'échangeur, le départ du fluide réchauffé de l'échangeur étant réalisé au moyen d'une conduite qui débouche dans la partie haute de ladite chemise 20 de fluide. Avantageusement dans ce cas, entre la conduite de retour du fluide et la partie basse de la chemise de fluide, est prévue une dérivation de telle sorte que ledit fluide se partage au retour entre l'échangeur et la chemise de fluide. De la sorte, on refroidit la partie basse de la chemise de fluide. La dérivation est par exemple réalisée au moyen d'un petit conduit reliant la conduite de retour du fluide et le bas de la chemise de fluide, ou encore au moyen de la conduite de retour du fluide qui traverse à cet effet la partie inférieure de la chemise de fluide tandis que la partie traversante de ladite conduite est pourvue d'un orifice de passage pour le fluide. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une chaudière équipée d'un- échangeur hélicoïdal cylindrique selon les figures 4 ou 6, - la figure 2 représente schématiquement une chaudière équipée d'un échangeur hélicoïdal tronconique selon les figures 5 ou 7, - la figure 3 montre une dérivation du fluide au niveau de la conduite de retour de la chaudière, qui est une variante par rapport à celle représentée sur les figures 1 et 2. - les figures 4 et 5 représentent schématiquement des échangeurs selon un 10 premier mode de réalisation dont le tube constitutif est enroulé selon une hélice respectivement cylindrique et tronconique, - les figures 6 et 7 correspondent aux figures 4 et 5 mais selon un autre mode de réalisation, Sur les figures 1 à 3, on peut voir, à titre d'exemple, une chaudière à fluide caloporteur (généralement de l'eau), du type ici à condensation. La chaudière représentée comporte un corps 1 (figure 1) ou 1' (figure 2) dans la partie haute duquel est aménagé un brûleur 2, ici à flammes renversées, et à la 20 base duquel est disposé un pot 3 récupérateur des condensats et qui est muni ici d'une évacuation 4 pour lesdits condensats et d'une évacuation 5 pour les gaz de combustion. Dans le corps 1, 1' est disposé un échangeur de chaleur hélicoïdal à tube à ailettes, 6 (figure 1) ou 6' (figure 2) et dont il sera question plus en détail ci-après. Autour du corps 1, 1' est prévue ici une chemise de fluide 7 tandis que l'échangeur hélicoïdal 6, 6' est alimenté par une conduite 8 de retour du fluide refroidi, qui est branchée à l'extrémité inférieure du tube constitutif dudit échangeur 6, 6', son extrémité supérieure débouchant comme le montrent les figures dans la chemise de fluide 7, celle-ci étant en outre pourvue ici, du côté opposé o débouche l'échangeur 30 6, 6', d'une conduite 9 de départ du fluide chauffé. Au centre de l'échangeur 6, 6', est en outre prévu un pot 10 muni d'un isolant 11 (figures 1 et 2). Dans -les modes de réalisation représentés, la conduite 8 de retour est de plus pourvue d'une dérivation sous la forme d'un conduit 12 (figures 1 à 4) reliant ladite conduite 8 et la partie inférieure de la chemise de fluide 7, ou sous la forme d'un orifice 13 ménagé dans une partie de la conduite 8 qui traverse alors à cet effet le bas de la chemise de fluide 7 comme le montre la figure 5. Cette dérivation 12, 13 a pour effet d'alimenter la chemise de fluide 7 avec le 5 fluide de retour et donc de refroidir ladite chemise 7 à sa base afin notamment de favoriser la condensation et le rendement de la chaudière. Comme le montrent bien les dessins, si le corps 1 de la figure 1 est cylindrique, le corps 1' de la figure 2 est tronconique avec sa partie la plus large tournée vers le brûleur 2. De même, l'échangeur 6, 6' à ailettes est constitué d'un tube 10 enroulé selon une hélice respectivement cylindrique ou tronconique et dans ce dernier cas, sa partie la plus large est tournée vers ledit brûleur 2. La forme tronconique de l'échangeur 6' présente des avantages du fait notamment de la variation du volume des gaz de combustion en fonction de l'éloignement de la zone correspondante de l'échangeur par rapport au brûleur et du 15 fait en outre d'une meilleure orientation forcée du flux des gaz de combustion vers la chemise de fluide 7, mais l'invention concerne aussi bien une forme cylindrique que tronconique comme il sera expliqué ci-après. En effet, l'échangeur de référence générale 6 de la figure 1 peut être conçu comme les échangeurs référencés 6a, 6b et représentés plus en détail sur les figures 20 4 et 6 et l'échangeur 6' de la figure 2, peut être conçu comme les échangeurs 6'a, 6'b des figures 5 et 7. Les échangeurs 6a et 6b des figures 4 et 6 présentent la même forme hélicoïdale cylindrique mais sont réalisés selon deux modes de réalisation distincts. De même, les échangeurs 6'a et 6'b des figures 5 et 7 présentent la même 25 forme hélicoïdale tronconique mais sont réalisés selon deux modes de réalisation correspondant respectivement aux échangeurs 6a et 6b, toute forme extérieure mise à part. Sur les figures 4 et 5, on peut voir des échangeurs 6a, 6'a formés d'un tube hélicoïdal enroulé selon une hélice cylindrique (figure 4), ou tronconique (figure 5), et 30 muni d'ailettes telles que 14a généralement formées chacune par un anneau entourant le tube, lesdites ailettes étant réparties le long dudit tube constitutif, à l'exception toutefois ici d'au moins une partie de la première spire 15 destinée à être la plus proche du brûleur. On peut voir sur les figures 4 et 5 une répartition tout à fait originale des ailettes 14a. En effet, le pas de répartition des ailettes 14a varie par paliers ou par ensembles. Dans l'exemple représenté, il y a trois ensembles noté A, B, C comportant 5 ici chacun environ une spire et demi, soit trois hauteurs de tube, les spires avec les ailettes étant ici jointives. Le pas des ailettes 14a est toutefois constant pour chaque ensemble A, B et C mais il diminue d'un ensemble à l'autre de telle sorte que le nombre d'ailettes augmente au fur et à mesure que ledit ensemble s'éloigne de la première spire, c'est10 à-dire que ledit ensemble concerné s'éloigne du brûleur (B possède plus d'ailettes que A et C plus d'ailettes que B). Toutefois, la répartition pourrait être différente, chaque ensemble ayant au moins une portion de spire mais pouvant aller jusqu'à plusieurs spires. Après avoir décrit les échangeurs des figures 4 et 5, on peut constater que le 15 mode de réalisation des échangeurs 6b et 6'b des figures 6 et 7 se distingue de ceux des échangeurs 6a, 6'a du fait que le pas des ailettes référencées 14b varie ici de manière continue en diminuant de haut en bas de telle sorte que le nombre d'ailettes augmente de manière continue au fur et à mesure que les spires s'éloignent du brûleur. De la sorte, quel que soit le mode de réalisation choisi (figures 4, 5 ou figures 6, 7), plus on s'éloigne du brûleur, plus les gaz de combustion qui se refroidissent sont laminés par les ailettes dont le nombre augmente. Au contraire, aux endroits les plus chauds, c'est-à-dire le plus près du brûleur, il n'y a pas d'ailettes, ou moins d'ailettes, réduisant en outre, comme déjà dit, les 25 risques d'entartrage et de fissuration des ailettes. On comprend bien que l'invention concerne essentiellement l'échangeur, que les ailettes soient réalisées comme sur les figures 4, 5 ou les figures 6,7, mais aussi toute sorte de chaudière équipée d'un tel échangeur. A cet effet, il a paru inutile de montrer d'autres chaudières que celles 30 représentées sur les figures 1 et 2, équipées selon l'invention et qui peuvent être bien entendu à condensation ou non, à chemise de fluide ou non. Par exemple aussi, le brûleur peut être différent et notamment présenter une forme cylindrique avec des flammes latérales, lequel brûleur s'introduisant dans la partie haute de l'échangeur, la conduite de départ pourrait être du même côté que celui o débouche l'extrémité de l'échangeur dans le chemise de fluide, l'isolant central 11 pourrait être plus important pour une meilleure isolation phonique, etc. REVENDICATIONS 1) Echangeur de chaleur hélicoïdal (6a,6'a; 6b,6'b) à ailettes (14a,14b) pour fluide caloporteur, qui est destiné à équiper une chaudière munie d'au moins un 5 brûleur (2) et qui est constitué d'un tube enroulé en hélice et muni sur au moins une partie de sa longueur d'ailettes (14a,14b) , caractérisé en ce que le pas de répartition des ailettes varie de manière continue ou discontinue le long de l'échangeur afin que celui-ci présente un nombre d'ailettes qui augmente au fur et à mesure que la zone concernée de l'échangeur s'éloigne du brûleur. 2) Echangeur de chaleur hélicoïdal (6a,6'a) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les spires de l'échangeur (6a,6'a) sont réparties par ensembles (A,B,C), chaque ensemble étant constitué par une ou plusieurs spires ou portions de spires contiguës pour lesquelles le pas de répartition des ailettes (14a) est constant tandis que ledit pas diminue d'un ensemble à l'autre de telle sorte que le nombre 15 d'ailettes augmente au fur et à mesure que ledit ensemble concerné s'éloigne du brûleur. 3) Echangeur de chaleur hélicoïdal (6b,6'b) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas de répartition des ailettes (14b) diminue régulièrement et de manière continue le long de l'échangeur de telle sorte que le nombre d'ailettes 20 augmente de manière continue au fur et à mesure que les spires s'éloignent du brûleur. 4) Echangeur de chaleur hélicoïdal selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une portion de la première spire (15) la plus proche du brûleur est dépourvue d'ailettes. 5) Echangeur de chaleur hélicoïdal (6a,6b) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube constitutif de l'échangeur est enroulé selon une hélice cylindrique. 6) Echangeur de chaleur hélicoïdal (6'a,6'b) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube constitutif de l'échangeur est enroulé selon une 30 hélice tronconique. 7) Chaudière de chauffage à fluide caloporteur munie d'au moins un brûleur (2) et d'un corps (1,1') dans lequel est aménagé un échangeur (6,6') de chaleur hélicoïdal à ailettes selon l'une des revendications 1 à 6. 8) Chaudière de chauffage selon la revendication 7, caractérisée en ce que le brûleur (2) est disposé dans la partie supérieure du corps (1,1') tandis qu'un pot (3) de récupération des condensats et d'évacuation des gaz de combustion est aménagé sous l'échangeur dans la partie inférieure dudit corps. 9) Chaudière selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que son corps (1,1') est entouré par une chemise (7) de fluide qui communique avec l'extrémité supérieure de l'échangeur (6,6') tandis que le retour dans ledit échangeur du fluide caloporteur refroidi s'effectue par une conduite (8) branchée à l'extrémité inférieure de l'échangeur, le départ du fluide réchauffé de l'échangeur étant réalisé au 10 moyen d'une conduite (9) qui débouche dans la partie haute de ladite chemise (7) de fluide. 10) Chaudière selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'entre la conduite (8) de retour du fluide et la partie basse de la chemise (7) de fluide, est prévue une dérivation (12,13) de telle sorte que ledit fluide se partage au retour entre 15 l'échangeur (6,6') et la chemise (7) de fluide. 11) Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ce que la dérivation est réalisée au moyen d'un petit conduit (12) reliant la conduite (8) de retour du fluide et le bas de la chemise (7) de fluide. 12 Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ce que la dérivation 20 est réalisée au moyen de la conduite (8) de retour du fluide qui traverse à cet effet la partie inférieure de la chemise (7) de fluide tandis que la partie traversante de ladite conduite est pourvue d'un orifice (13) de passage pour le fluide.