Brevet FR2911673A1 — publié le 20080725

L'invention concerne un turbulateur, notamment pour chaudière à tubes de fumées, une chaudière et un procédé de fabrication correspondant. Les chaudières à tubes de fumées sont en particulier utilisées pour des installations nécessitant un débit important. Une chaudière de ce type est représentée en figure 1. Ces chaudières 1 comportent une chambre de combustion 2 équipée d'un brûleur 3, à l'intérieur de laquelle les gaz de combustion sont brûlés et produisent des fumées. Des tubes 4, disposés verticalement dans cet exemple, débouchent 10 à une extrémité dans la chambre de combustion 2 et à l'autre extrémité dans une chambre d'évacuation 5, reliée à une cheminée 6. La chaudière comporte en outre un volume d'eau à chauffer 7, en contact avec la paroi extérieure des tubes 4. L'eau issue de l'installation entre au niveau de la partie inférieure 8 et, après chauffage, est expulsée au niveau 15 de la partie supérieure 9. Les parois des tubes forment ainsi des échangeurs de chaleurs, la longueur et la quantité de tubes 4 influant sur les performances de la chaudière. Un inconvénient apparaît du fait de l'écoulement laminaire des 20 fumées issues de la chambre de combustion à l'intérieur des tubes, ou des couches limites laminaires apparaissant en régime turbulent. En effet, dans ces deux cas, les fumées s'écoulent dans la direction longitudinale du tube en formant des veines distinctes. Ainsi seules les fumées en contact avec la paroi interne du tube 25 participent à l'échange thermique et se refroidissent, contrairement aux fumées chaudes s'écoulant dans la veine ou zone centrale du tube. Par conséquent, le rendement de la chaudière reste faible en écoulement laminaire et les fumées à évacuer ont une température très importante. 30 Dans ce cas, il est nécessaire d'augmenter la longueur ou le nombre de tubes afin d'améliorer les performances de la chaudière. Il est en outre nécessaire de prévoir un dispositif d'évacuation adapté, de manière à résister aux fortes températures des fumées. Afin de résoudre ces inconvénients, il est connu d'utiliser des 35 turbulateurs disposés à l'intérieur des tubes, de manière à éviter l'écoulement laminaire. Des turbulateurs sont décrits dans les documents US 1 632 888 et US 4 412 558. Ceux-ci se présentent sous forme de plaque pliée comportant une succession de lamelles contiguës constituant une forme de zig-zag. Ce type de turbulateur présente, en vue de dessus, une forme générale rectangulaire de sorte que, une fois inséré dans le tube cylindrique, les espaces situés entre les bords du 1:urbulateur et le tube peuvent constituer des zones d'écoulement laminaire, ce qui affecte le rendement de la chaudière comme vu précédemment. Le document US 2 067 133 décrit un turbulateur présentant une forme générale à deux hélices imbriquées l'une dans l'autre, chaque hélice étant réalisée par une successions de lamelles planes inclinées les unes par rapport aux autres. Ce turbulateur présente, entre les lamelles de chacune des hélices, des ouvertures permettant le passage du fluide au centre du tube, la forme 15 particulière du turbulateur permettant de brasser le fluide sans créer de pertes de charge importantes. Les performances d'un tel turbulateur reste toutefois limitées. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un turbulateur offrant un rendement maximum de la chaudière. 20 A cet effet, l'invention concerne un turbulateur, notamment pour chaudière à tubes de fumées dans laquelle les fumées circulent dans chaque tube d'une extrémité à une autre, le turbulateur étant destiné à être disposé dans un tube et étant constitué par un élément allongé en forme de lame comportant une succession de lamelles contiguës et présentant une forme de 25 zig-zag, caractérisé en ce que les lamelles comportent une zone médiane de plus grande largeur que leur extrémités et comportent des bords convexes arrondis. Le turbulateur présente ainsi, en vue de dessus, une forme arrondie adaptée à la forme du tube. L'espace entre les bords du turbulateur et 30 le tube peut alors être considérablement réduit. Le turbulateur selon l'invention affecte les fumées sur la majeure partie de la section du tube de manière à créer un brassage important. Ceci provoque une homogénéisation de la température sur la totalité de la section du tube et évite tout écoulement laminaire pouvant causer la présence de 35 veines chaudes. Avantageusement, les largeurs respectives de la zone médiane de cieux lamelles successives augmentent dans le sens de circulation des fumées. Du fait des échanges thermiques se produisant à l'intérieur du tube, la température des fumées en partie supérieure du tube, venant de la chambre de combustion, est très importante. Cette température est abaissée en partie basse du tube. A débit constant, du fait de la dilatation des gaz à haute température, la vitesse des fumées est plus importante en partie haute qu'en partie basse du tube. La perte de charge engendrée étant croissante avec la vitesse des fumées, celle-ci est très importante en partie haute du tube. Il en résulte nécessairement un surdimensionnement des moyens d'injection des gaz de combustion. La largeur réduite de la zone médiane dans la partie haute du tube permet de diminuer les pertes de charges créées dans cette partie du tube. En outre, l'efficacité du turbulateur en partie haute du tube n'est pas sensiblement affectée par la section réduite du turbulateur. En effet, du fait des vitesses importantes des fumées dans cette zone, un régime turbulent est facilement établi et ne nécessite pas une section de déflection importante, comme cela est le cas en partie basse. De plus, du fait de la faible vitesse des fumées en partie basse, une section importante du turbulateur n'entraîne pas une augmentation conséquente de la perte de charge. Préférentiellement, les lamelles sont sensiblement planes. Avantageusement, les zones de liaison entre deux lamelles successives sont disposées perpendiculairement à la direction longitudinale du turbulateur. Selon une possibilité de l'invention, l'angle formé entre deux lamelles successives est compris entre 90 et 135 , préférentiellement de l'ordre 30 de 120 . Cet intervalle offre un bon compromis entre la quantité de matière nécessaire à la réalisation d'un turbulateur et l'efficacité de celui-ci. Préférentiellement, la lamelle du turbulateur située en amont dans le sens de circulation des fumées comporte une largeur maximale comprise 35 entre 55 et 85 % du diamètre intérieur du tube. Avantageusement, la lamellle du turbulateur située en aval dans le sens de circulation des fumées comporte une largeur maximale comprise entre 80 et 95 % du diamètre intérieur du tube. L'invention concerne en outre une chaudière à tubes de fumées, 5 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un turbulateur selon l'invention, inséré dans au moins un tube de fumées. L'invention concerne de plus un procédé de fabrication de turbulateurs selon l'invention, à partir d'une feuille ou tôle en matériau résistant à la corrosion et à la température, par exemple en acier inoxydable réfractaire, 10 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - découpage de la feuille de manière à définir les contours des turbulateurs tout en formant des points de jonction sécables entre le turbulateur et la feuille, - pliage ou emboutissage de la feuille, 15 -rupture des points de jonction sécables de manière à séparer les turbulateurs de la feuille. Avantageusement, les turbulateurs sont découpés de manière à ce qu'ils soient disposés tête bêche. Cette caractéristique permet de limiter les chutes de la feuille ou de 20 la tôle en acier, notamment dans le cas où la largeur maximale des lamelles varie progressivement. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce turbulateur. 25 Figure 1 est une vue schématique d'une chaudière à tubes de fumées de l'art antérieur ; Figure 2 est une vue en coupe médiane d'un tube dans lequel est inséré un turbulateur selon l'invention ; Figure 3 est une vue de côté du turbulateur, 30 Figure 4 est une vue en coupe A-A du tube et du turbulateur ; Figure 5 est une vue de dessus du tube et du turbulateur. Les figures 2 et 3 représentent un turbulateur selon l'invention. Plus particulièrement, la figure 2 représente le turbulateur en position dans un tube de chaudière. 35 Un turbulateur 10 représenté au dessin est constitué par un élément allongé en forme de lame comportant une succession de lamelles contiguës 11 constituant une forme de zig-zag, c'est-à-dire s'étendant obliquement et alternativement dans deux directions opposées de manière à définir un motif périodique. Le turbulateur 10 est inséré dans un tube correspondant 4 par une 5 première extrémité 12 et vient reposer, au niveau d'une seconde extrémité 13, contre le bord supérieur 14 du tube 4 par l'intermédiaire d'une barre d'appui transversale 15 de longueur supérieure au diamètre du tube 4. Seules 3 lamelles ont été représentées aux figures 2 et 3, bien que le turbulateur 10 puisse comporter un nombre plus important de lamelles 11. 10 Pour des raisons de lisibilité du dessin, seules les lamelles situées respectivement en partie haute 11 a, médiane 11 b et basse 11 c du tube ont été représentées. Chaque lamelle 11 comporte des bords 16 convexes arrondis. Les largeurs maximales La, Lb, Lc de trois lamelles successives augmentent dans 15 le sens F d'écoulement des fumées. C'est ainsi que la lamelle située en partie haute 11 a est moins large que celle située en partie basse 11 b. A titre d'exemple, pour un tube 4 de diamètre interne égal à 33 mm, la largeur maximale de la lamelle située en partie haute 11 a du tube 4 est de l'ordre de 20 mm. De même, la largeur maximale de la lamelle située en partie 20 basse 11 c du tube 4 est de l'ordre de 30 mm. Pour un tube 4 d'une longueur d'environ 600 mm, le turbulateur comporte entre 10 et 20 lamelles suivant l'angle de pliage a. Le turbulateur 10 est réalisé par pliage à partir d'un élément en acier inoxydable réfractaire, de manière à obtenir des lamelles sensiblement 25 planes 11 dont les plis 17 sont disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal A du turbulateur 10 et dont les angles de pliage a sont constants. L'angle a formé entre deux lamelles 11 successives est compris entre 90 et 135 , préférentiellement de l'ordre de 120 . L'angle a et la dimension des lamelles 11 sont adaptés de sorte 30 que le turbulateur 10 vienne se positionner, par l'intermédiaire des zones de pli 17 situées entre les lamelles, contre la paroi interne 18 du tube 4. Chaque bord 19 des zones de pli 17 vient ainsi en contact de la paroi interne 18 du tube 4, de sorte que le turbulateur 10 soit correctement positionné à l'intérieur du tube 4, comrne représenté aux figures 4 et 5. 35 Les étapes du procédé de fabrication du turbulateur 10 sont détaillées ci-après. On utilise une feuille ou tôle en acier inoxydable réfractaire, sur laquelle le contour de plusieurs turbulateurs est découpé au laser. Plus précisément, on réalise une découpe incomplète de manière à former des points de jonction sécables. Les turbulateurs sont disposés tête-bêche de manière à réduire les chutes après découpe. Une opération de pliage ou d'emboutissage permet ensuite de former les plis selon un angle prédéterminé. Enfin, chaque turbulateur est détaché cle la feuille en sectionnant les points de jonction correspondant. Bien évidemment, la découpe peut être réalisée par tout moyen connu et les turbulateurs peuvent ne pas être disposés tête bêche. Le turbulateur permet d'obtenir des résultats considérablement accrus par rapport aux turbulateurs de l'art antérieur. Ces résultats sont présentés ci-après à l'aide d'exemples illustrant plusieurs configurations différentes de turbulateurs. Pour chaque exemple, sauf indication contraire, la température des fumées en partie haute du tube est de l'ordre de 1000 C, le turbulateur comporte 20 lamelles, le diamètre intérieur du tube est égal à 33 mm et l'angle de pliage est égal à 90 . Les paramètres permettant d'évaluer l'efficacité du turbulateur sont 20 la température des fumées en sortie, c'est-à-dire en partie basse du tube ainsi que la perte de charge engendrée. Pour un turbulateur à section constante et rectangulaire en vue de dessus, correspondant aux turbulateurs du type de ceux décrits dans les documents US 1 632 888 et US 4 412 558, avec une largeur constante des 25 lamelles de l'ordre de 22 mm, on obtiens: une température de sortie des fumées importante, de l'ordre de 116 C, et une perte de charge de l'ordre de 50 Pa. Dans des conditions similaire, le turbulateur décrit dans le document US 2 067 133 permet d'obtenir une perte de charge moindre, de l'ordre de 19 Pa mais avec une température de sortie des fumées très 30 importante, de l'ordre de 130,9 C. Pour un turbulateur selon l'invention comportant des bords arrondis comme décrit précédemment, avec des lamelles de section identique, quelle que soit leur position dans le tube, chaque lamelle présentant une zone médiane d'une largeur maximale de 29 mm et une largeur minimale aux plis de 35 20,6 mm, on obtient une température de sortie des fumées de l'ordre de 84 C et une perte de charge de l'ordre de 186 Pa. On constate, comme vu dans précédemment, qu'une section de forme arrondie permet d'augmenter ales échanges de chaleur et donc de diminuer la température des fumées. Cependant, cette amélioration du rendement de la chaudière est réalisée au détriment d'une augmentation sensible des pertes de charge. Pour un turbulateur selon l'invention, comportant des lamelles de section arrondie et dont la largeur maximale varie progressivement en fonction de la position de la lamelle correspondante dans le tube, avec les caractéristiques suivantes : largeur maximale de la lamelle située en partie haute du tube : 24,7 mm, largeur maximale de la lamelle située en partie basse du tube : 30,6 mm, on obtient une température de sortie des fumées de l'ordre de 86 C et une 15 perte de charge de l'ordre de 154 Pa. On remarque que, par comparaison avec l'exemple précédent, la progressivité de la taille des lamelles permet de diminuer sensiblement la perte de charge tout en ayant peu d'effet sur la température de sortie des fumées, c'est-à-dire sur la performance du turbulateur. 20 Si, en partant des caractéristiques de l'exemple précédent, on réalise un angle de pliage plus ouvert, par exemple de 115 , il est possible de réduire le nombre de lamelles, à savoir 12 lamelles dans ce cas, tout en diminuant la perte de charge sans augmenter sensiblement la température de sortie des fumées. 25 On obtient ainsi une température de sortie des fumées de l'ordre de 87 C et une perte de charge de l'ordre dle 97 Pa. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de cet ensemble, décrites ci-dessus à titre d'exemples, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi notamment que le 30 turbulateur peut être utilisé pour des chaudières à tubes de fumées dans lesquelles les tubes ne sont pas disposés verticalement. REVENDICATIONS 1. Turbulateur (10), notamment pour chaudière (1) à tubes de fumées (4) dans laquelle les fumées circulent dans chaque tube d'une extrémité à une autre, le turbulateur étant destiné à être disposé dans un tube et étant constitué par un élément allongé en forme de lame comportant une succession de lamelles contiguës (11 a, 11 b, 11 c) et présentant une forme de züg-zag, caractérisé en ce que les lamelles (11 a, 11 b, 11c) comportent une zone médiane de plus grande largeur (La, Lb, Lc) que leur extrémités et comportent des bords convexes arrondis (16). 2. Turbulateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les largeurs respectives (La, Lb, Lc) de la zone médiane de deux lamelles successives (11 a, 11 b, 11c) augmentent dans le sens de circulation des fumées. 3. Turbulateur (10) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les lamelles (11 a, 11 b, 11 c) sont sensiblement planes. 4. Turbulateur (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé 20 en ce que les zones de liaison (17) entre deux lamelles successives (11 a, 11 b, 11c) sont disposées perpendiculairement à la direction longitudinale (A) du turbulateur (10). 5. Turbulateur (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé 25 en ce que l'angle (a) formé entre deux lamelles successives (Il a, 11 b, 11c) est compris entre 90 et 135 , préférentiellement de l'ordre de 120 . 6. Turbulateur (10) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la lamelle du turbulateur (10) située en amont (11a) dans le sens de 30 circulation des fumées (F) comporte une largeur maximale (La) comprise entre 55 et 85 % du diamètre intérieur du tube (4). 7. Turbulateur (10) selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la lamelle du turbulateur (10) située en aval (11c) dans le sens de 35 circulation des fumées (F) comporte une largeur maximale (Lc) comprise entre 80 et 95 % du diamètre intérieur du tube (4). 15 8. Chaudière (1) à tubes de fumées (4), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un turbulateur (10) selon l'une des revendications 1 à 7, inséré dans au moins un tube de fumées (4). 9. Procédé de fabrication de turbulateurs selon l'une des revendications 1 à 7, à partir d'une feuille ou tôle en matériau résistant à la corrosion et à la température, par exemple en acier inoxydable réfractaire, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - découpage de la feuille de manière à définir les contours des 10 turbulateurs tout en formant des points de jonction sécables entre le turbulateur et la feuille, - pliage ou emboutissage de la feuille, - rupture des points de jonction sécables de manière à séparer les turbulateurs de la feuille. 10. Procédé de fabrication cle turbulateurs selon la revendication 9, caractérisé en ce que les turbulateurs sont découpés de manière à ce qu'ils soient disposés tête bêche.