Brevet FR2919711A1 — publié le 20090206

Echangeur thermique vertical à flux inversés Secteur technique de l'invention : La présente invention concerne le secteur technique du chauffage de bâtiments (industriels ou particuliers) par chaudières automatiques. L'invention concerne plus particulièrement un échangeur vertical. Art antérieur : On connaît des chaudières automatiques fonctionnant au fuel, charbon et autres combustibles. Le principe général revient à faire brûler un combustible dans un foyer possédant une surface réfractant la chaleur (briques, etc...) et à récupérer les fumées qui sont par la suite utilisées pour transmettre leur énergie calorifique à un fluide caloporteur. Ledit fluide ainsi chauffé circule dans toute l'installation de chauffage. Depuis quelques années, de nouveaux types de chaudières sont apparues. Elles utilisent de nouveaux combustibles issus des déchets de bois jusqu'alors non utilisés. Ces déchets peuvent être traités pour être présentés sous la forme de plaquettes, ou granulés, etc... pour faciliter leurs utilisations. L'un des intérêts de l'utilisation du bois déchiqueté tient au fait que le bois est une source d'énergie naturelle, renouvelable et disponible (si le bois provient d'une forêt gérée en ce sens par sylviculture). Elle ne peut donc pas s'épuiser contrairement aux énergies fossiles. Un autre intérêt environnemental est que le bois ne contient pas de soufre et ne libère dans l'atmosphère que le carbone qui a été nécessaire à son développement. Les chaudières automatiques actuelles à bois, raccordées au système de chauffage (radiateurs et/ou plancher chauffant) offrent un degré équivalent de confort à celui d'une chaudière à fuel moderne, et fonctionnent sensiblement de la même manière. La principale différence et contrainte, est le stockage beaucoup plus volumineux du bois (déchiqueté ou granulés). Le combustible est le plus souvent acheminé d'une pièce annexe jusqu'au brûleur par l'intermédiaire d'une vis sans fin ou par un autre dispositif d'alimentation (tapis roulant, piston etc...). Coopérant avec les chaudières (qu'elles soient à bois ou fuel ou autre combustible), l'homme du métier utilise des échangeurs thermiques. Ces dispositifs permettent de transférer l'énergie calorifique des gaz de combustion ou fumées issues de la chaudière, vers un liquide caloporteur qui circule dans le système de chauffage. Les échangeurs thermiques sont placés le plus près possible de la chaudière, et sont placés principalement de manière horizontale. Bien que le rendement soit déjà relativement élevé, celui peut et doit être amélioré. En effet, les échangeurs thermiques n'ont pas subi de réelles évolutions depuis leurs premières utilisations. On utilise principalement un échangeur thermique horizontal présentant une surface de contact relativement faible, ce qui entraîne un rejet de fumées qui possèdent encore une quantité de chaleur non utilisée. Cet inconvénient est d'autant plus accentué que l'homme du métier, pour éviter une possible corrosion du foyer du fait que les fumées sortant ont tendance à se condenser sur les parois, augmente la température des fumées. Cette augmentation de température entraîne un inconvénient qui est d'utiliser plus de combustibles pour maintenir le débit de fumées à la température choisie. Tout ceci entraîne le fait que pour éviter un inconvénient (la possible corrosion du foyer), on en crée deux autres : fumées à température élevée qui n'ont pas pu transmettre leur énergie calorifique au fluide caloporteur et combustion de plus de matière première. Un autre inconvénient est que les dispositifs de réglage de la température du foyer n'apportent pas une grande précision. Encore un autre inconvénient d'une chaudière à bois est qu'elle peut difficilement être éteinte puis rallumée. C'est au moment du démarrage de la chaudière que la condensation sur les parois du foyer est la plus marquée (principalement lorsque le démarrage est lent, mais existe également lors d'un démarrage rapide). De plus, les chaudières automatiques s'allument grâce à une résistance électrique qui consomme beaucoup de courant. Une des solutions actuelles pour remédier à ce problème est de couper la 10 circulation du fluide caloporteur. Ceci entraîne un inconvénient qui est que lorsque le fluide cesse de circuler, le foyer monte en température et il est donc nécessaire d'atténuer l'intensité du foyer. Problème technique posé : 15 Au regard de tous les inconvénients mentionnés précédemment, il est nécessaire de mettre au point un échangeur thermique permettant d'améliorer le rendement thermique tout en gardant des températures de fumées garantissant le bon fonctionnement de la chaudière. 20 Résumé de l'invention : La présente invention concerne un échangeur thermique vertical à placer au-dessus d'une chaudière de préférence à bois. Ledit échangeur comprend un conduit central vertical, un élément supérieur de type couvercle empêchant les fumées de s'échapper, de multiples tubulures disposées en périphérie et en 25 parallèle par rapport audit conduit central vertical de préférence alignées sur des cercles ou polygones concentriques au conduit central vertical, d'une sortie permettant aux fumées de sortir vers l'environnement extérieur, d'un bain composé par un fluide caloporteur au sein duquel sont disposées les tubulures, et d'une entrée et d'une sortie permettant le renouvellement du fluide caloporteur. Description détaillée de l'invention : L'invention concerne donc un échangeur thermique vertical (1) adapté pour être placé au-dessus d'une chaudière. Ledit échangeur s'adapte de préférence sur les chaudières à bois déchiqueté ou en granulés ou tout autre type de déchets issus l0 du bois (pour les raisons citées précédemment d'intérêt environnemental), mais peut également s'adapter aux chaudières conventionnelles notamment celles fonctionnant au fuel, charbon, etc... Ledit échangeur thermique vertical (1) se compose : 15 - d'au moins un conduit central vertical (2) directement relié au foyer de la chaudière ; d'une cuve totalement hermétique (11) entourant ledit conduit vertical (2) et comprenant : au moins un cylindre vertical de séparation (9) parallèle au conduit central 20 vertical (2), ouvert sur sa partie supérieure et de hauteur légèrement inférieure à celle du conduit central vertical (2) mais de diamètre supérieur, au moins une tubulure (4) traversant de part en part ladite cuve disposée en parallèle et en périphérie dudit échangeur, c'est-à-dire qu'elle sera disposée entre la paroi externe de ladite cuve (11) et le cylindre de 25 séparation (9) ; au moins un bain composé par un fluide caloporteur (généralement constitué d'un rnélange d'eau et d'antigel), comprenant deux zones communiquant entre elles (5, 6) séparées par ledit cylindre de séparation (9) ; et au moins une entrée (7) et au moins une sortie (8) permettant le renouvellement du fluide caloporteur. Ledit échangeur (1) se compose également : d'au moins un élément supérieur de type couvercle (3) de forme arrondie et qui est positionné au-dessus de ladite cuve (11) ; d'au moins une sortie permettant aux fumées de s'échapper vers l'environnement extérieur ; La figure 1 représente ledit échangeur vertical selon un mode de réalisation préféré de la présente invention en coupe latérale. La figure 2 représente ledit échangeur en coupe horizontale vue de haut, selon le même mode de réalisation préféré de l'invention de la figure 1 (coupe A-A). La figure 3 représente une vue de l'élément de guidage (10) fixé entre le conduit central vertical (2) et le cylindre de séparation (9). L'échangeur thermique (1) est de manière très préférée de forme circulaire, même si celui-ci peut présenter d'autres formes (par exemple, carrée) selon les applications souhaitées par l'homme du métier ou par le futur utilisateur. Cette forme est idéale pour la répartition du fluide caloporteur et pour les échanges thermiques autour du conduit central vertical (2). Lesdites deux zones (5, 6) du bain communiquent entre elles grâce à une ouverture (0), entre la paroi supérieure (11') de ladite cuve (11) et ledit cylindre de séparation (9). Cette ouverture existe car le cylindre de séparation (9) est moins haut que le conduit central vertical (2). De manière très préférée, le nombre de tubulures (4) est un multiple de six, par exemple 36. De préférence, les tubulures sont alignées sur des cercles ou polygones concentriques au tube central. Il est possible de prévoir plus ou moins de tubulures (4) selon le rendement que 10 l'on souhaite obtenir. En effet, le rendement augmente avec le nombre de tubulures mais en contrepartie cela augmente le phénomène de condensation (du fait de l'augmentation du nombre de parois). Le nombre de tubulures peut être adapté selon les installations (à savoir si l'installation est étudiée pour un particulier, ou pour un immeuble entier). 15 Les fumées (F) issues de la combustion dans le foyer de la chaudière, pénètrent dans ledit échangeur thermique par le conduit central vertical, montent naturellement vers le haut du conduit central vertical (2), sont ensuite bloquées par l'élément de type couvercle (3), puis sont dirigées vers les tubulures (4) 20 périphériques et redescendent vers la partie inférieure du dispositif. A cet emplacement est prévu un conduit d'évacuation des fumées (non représenté). Le fluide caloporteur (fc) issu des radiateurs suit le trajet inverse à celui de la fumée. Il est injecté par une pompe par la partie inférieure à une température ambiante puis se réparti tout autour du cylindre de séparation (9) et est donc 25 placé en contact avec les tubulures (4), ceci formant ainsi la première zone (5) dudit bain. Du fait de ce contact, la température du fluide augmente. Ensuite le fluide caloporteur continue sa progression vers le haut du dispositif (le fluide chaud présente une tendance naturelle à monter, ceci est bien connu de l'homme du métier). Une fois arrivé en haut, au niveau de la partie supérieure de 30 la cuve (11), le fluide (fc) passe par l'orifice (0) laissé libre entre le cylindre de5 séparation (9) et la partie supérieure de la cuve (11), et descend le long de la paroi dudit conduit central vertical (2), ceci formant ainsi la seconde zone (6) dudit bain. Selon un mode de réalisation préféré, on peut disposer, dans ladite seconde zone (6), un élément de guidage et d'entraînement du fluide de forme sensiblement hélicoïdale (10). Cet élément est fixé entre le conduit central vertical (2) et le cylindre de séparation (9). Ledit élément est incliné de telle manière qu'il permet notamment de créer un mouvement circulaire qui entraîne ledit fluide vers le bas du dispositif. Ledit élément permet donc de contrer la tendance naturelle du fluide qui en se réchauffant pourrait remonter le long du cylindre de séparation plutôt que de descendre. Ledit élément de guidage (10) permet également de créer un meilleur échange colorifique. En effet, cet élément permet de créer une rotation plus lente dudit fluide, avec pour conséquence le fait que le fluide reste plus longtemps en contact avec les parois du conduit central vertical (2), donc indirectement avec les fumées. Ledit élément de guidage (10) force, de préférence, le fluide à exécuter au moins une rotation complète autour du conduit central vertical (2). Cet élément de guidage (10) peut être remplacé par tout autre élément, 20 accessible à l'homme du métier, susceptible d'atteindre le même résultat. Une fois arrivé au niveau de la partie inférieure de la seconde zone (6) de bain, le fluide caloporteur est prélevé pour être redistribué vers les radiateurs ou planchers chauffants, et de manière plus générale vers tout système de chauffage, bouclant ainsi le cycle du fluide caloporteur. 25 Au fur et à mesure de son trajet, le fluide caloporteur se réchauffe donc de plus en plus. Ce réchauffement est d'autant plus remarquable que le fluide caloporteur en suivant ce trajet rencontre une fumée de plus en plus chaude. On dit que ce fonctionnement est en mode à flux inversé puisque le sens de circulation du fluide caloporteur est à l'inverse de celui des fumées. Tous les éléments constituant cet échangeur thermique (1) sont choisis parmi notamment les éléments en acier conventionnel, acier inoxydable, acier inoxydable réfractaire, isolant à haute résistance thermique. De manière très préférée, on utilisera de l'acier inoxydable, afin de réduire grandement l'effet de la corrosion sur les parois dudit échangeur et desdites tubulures. Certains éléments dudit échangeur thermique, comme l'élément de guidage (10), les tubulures (4), le cylindre vertical (2), peuvent néanmoins être fabriqués en cuivre pur, ou alliages de cuivre ou tout autre très bon conducteur thermique accessible à l'homme du métier, afin d'améliorer encore plus les échanges thermiques entre les fumées et le fluide caloporteur. A titre indicatif : le diamètre de l'échangeur vertical (1) est de préférence de 1,3 m. - le diamètre du conduit central vertical (2) est de 50 cm. - les tubulures (4) verticales présentent un diamètre de 7 cm. Le cylindre de séparation présente un diamètre de 70 cm. Il est donc situé à 20 cm du conduit central vertical (2). La hauteur de la cuve (111) est de 1,1 ni et le cylindre de séparation présente une hauteur de 1 m, donc l'orifice (0) présente une ouverture de 10 cm. Ces données sont particulièrement adéquates pour un échangeur thermique permettant le chauffage d'un bâtiment d'une surface d'environ 150 m2. Naturellement, toutes les valeurs sont données à titre d'exemples, et peuvent être modifiées par l'homme du métier selon les applications souhaitées (par exemple, augmenter la hauteur des éléments constituant ledit échangeur (1), et donc augmenter la durée de contact entre le fluide et les fumées). Il est également possible de combiner les chaudières et échangeurs selon la présente invention pour permettre de chauffer des surfaces nettement plus importantes. Ledit élément supérieur de type couvercle est, de manière préférée, rendu amovible, par tous moyens connus par l'homme du métier (charnières, vis, etc), afin de permettre un accès aux tubulures et audit conduit central vertical. Ceci présente évidemment l'avantage de faciliter le nettoyage des conduits de fumées ou le remplacement de pièces défectueuses. De manière préférée, ledit échangeur thermique est entouré par un isolant thermique (laine de roche, etc...) afin d'éviter les pertes de chaleur et afin d'améliorer encore plus le rendement thermique. Cet isolant est maintenu en place par une tôle métallique de finition bien connue de l'homme du métier. La forme générale de l'ensemble isolant + échangeur peut être ronde, carrée, etc, selon les souhaits de l'homme du métier ou des futurs utilisateurs. Il est également tout à fait possible de rajouter divers éléments bien connus de l'homme du métier dans le but d'augmenter les surfaces de contact entre le fluide et la fumée . A titre non limitatifs, ces éléments peuvent être des éléments de type pâles placées au niveau des tubulures. A aucun moment, le fluide caloporteur n'est en contact direct avec les fumées. Une pompe assure la progression du fluide dans les différents conduits. De 25 manière générale, le circulateur de chauffage utilisé est standard, et est donc bien connu par l'homme du métier. Concernant le réglage de la température, le moyen le plus couramment utilisé est de couper l'alimentation d' air. Notons également que le procédé de soudage doit tenir compte des phénomènes de micro-fissuration et de porosité des soudures. Ces deux phénomènes sont connus dans le domaine de la chaudronnerie. La porosité est souvent due à la présence de calamine sur le métal et est relativement facile à éliminer. La micro-fissuration est due aux contraintes mécaniques subies par les soudures. Il est nécessaire alors de doubler les cordons de soudure : l'un pour l'accroche mécanique, l'autre pour l'étanchéité. L'invention couvre également tous les modes de réalisation et toutes les applications qui seront directement accessibles à l'homme de métier à la lecture de la présente demande, et de ses connaissances propres. REVENDICATIONS 1. Echangeur therrnique vertical (1) pour chaudières de tous types, de préférence destiné aux chaudières à bois déchiqueté ou en granulés ou tout autre type de déchets issus du bois, caractérisé en ce qu'il se compose : - d'au moins un conduit central vertical (2) directement relié au foyer de la chaudière ; - d'une cuve totalement hermétique (11) entourant ledit conduit vertical (2) et comprenant : au moins un cylindre vertical de séparation (9) parallèle au conduit central vertical (2), ouvert sur sa partie supérieure et de hauteur légèrement inférieure à celle du conduit central vertical (2) mais de diamètre supérieur, au moins une tubulure (4) traversant de part en part ladite cuve disposée en parallèle et en périphérie dudit échangeur, c'est-à-dire qu'elle sera disposée entre la paroi externe de ladite cuve (11) et le cylindre de séparation (9) ; au moins un bain composé par un fluide caloporteur (généralement constitué d'un rnélange d'eau et d'antigel), comprenant deux zones communiquant entre elles (5, 6) séparées par ledit cylindre de séparation (9) ; et au moins une entrée (7) et au moins une sortie (8) permettant le renouvellement du fluide caloporteur.25 2. Echangeur thermique vertical selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il se compose égalernent: d'au moins un élément supérieur de type couvercle (3) de forme arrondie, positionné au-dessus de ladite cuve (11) ; d'au moins une sortie permettant aux fumées de s'échapper vers l'environnement extérieur. 3. Echangeur thermique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que on dispose dans ladite seconde zone (6), un élément de guidage et d'entraînement du fluide de forme sensiblement hélicoïdale (10), ledit élément (10) étant fixé entre le conduit central vertical (2) et le cylindre de séparation (9), et étant incliné de telle manière qu'il permet notamment de créer un mouvement circulaire qui entraîne ledit fluide vers le bas du dispositif 4. Echangeur thermique selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que il présente une forme circulaire, forme idéale pour la répartition du fluide caloporteur et pour les échanges thermiques autour du conduit central vertical (2). 5. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites deux zones (5, 6) du bain communiquent entre elles grâce à une ouverture (0), entre la paroi supérieure (11') de ladite cuve (11) et ledit cylindre de séparation (9) ; cette ouverture existe car le cylindre de séparation (9) est moins haut que le conduit central vertical (2). 6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le nombre de tubulures (4) est un multiple de six, par exemple 36 ; il est possible de prévoir plus ou moins de tubulures (4) selon le rendement que l'on souhaite obtenir car le rendement augmente avec le nombre de tubulures mais en contrepartie cela augmente le phénomène de condensation (du fait de l'augmentation du nombre de parois) ; et est caractérisé en ce que les tubulures sont alignées sur des cercles ou polygones concentriques au tube central. 7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que tous les éléments le constituant sont choisis parmi les éléments en acier conventionnel, acier inoxydable, acier inoxydable réfractaire, isolant à haute résistance thermique ; on utilisera principalement de l'acier inoxydable, afin de réduire grandement l'effet de la corrosion sur les parois dudit échangeur et desdites tubulures. 8. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que certains éléments dudit échangeur thermique, comme l'élément de guidage (10), les tubulures (4), le cylindre vertical (2), sont fabriqués en cuivre pur, ou alliages de cuivre ou tout autre très bon conducteur thermique accessible à l'homme du métier, afin d'améliorer encore plus les échanges thermiques entre les fumées et le fluide caloporteur. 9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que il comprend les valeurs suivantes : - le diamètre de l'échangeur vertical (1) est de préférence de 1,3 m ; - le diamètre du conduit central vertical (2) est de 50 cm ; - les tubulures (4) verticales présentent un diamètre de 7 cm ; le cylindre de séparation présente un diamètre de 70 cm et il est donc situé à 20 cm du conduit central vertical (2) ; la hauteur de la cuve est de 1,1 m et le cylindre de séparation présente une hauteur de 1 m, donc l'orifice (0) présente une ouverture de 10 cm; ces données sont particulièrement adéquates pour un échangeur thermique permettant le chauffage d'un bâtiment d'une surface d'environ 150 m2. 10. Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit 25 élément supérieur de type couvercle est rendu amovible, par tous moyens connus par l'homme du métier (charnières, vis, etc). 11. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique est entouré par un isolant thermique (laine de roche, etc...) afin d'éviter les pertes de chaleur et afin d'améliorer encore plus le rendement thermique, ledit isolant est maintenu en place par une tôle métallique de finition bien connue de l'homme du métier. 12. Procédé de fonctionnement dudit échangeur thermique décrit selon les revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les fumées (F) issues de la combustion dans le foyer de la chaudière, pénètrent dans ledit échangeur thermique par le conduit central vertical, montent naturellement vers le haut du conduit central vertical (2), sont ensuite bloquées par l'élément de type couvercle (3), puis sont dirigées vers les tubulures (4) périphériques et redescendent vers la partie inférieure du dispositif. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le fluide caloporteur (fc) issu des radiateurs suit le trajet inverse à celui de la fumée : il est injecté par une pompe par la partie inférieure à une température ambiante puis se réparti tout autour du cylindre de séparation (9) et est donc placé en contact avec les tubulures (4), ceci formant ainsi ladite première zone (5) dudit bain. 14. Procédé selon les revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le fluide caloporteur continue ensuite sa progression vers la partie haute du dispositif, et une fois arrivé en haut, au niveau de la partie supérieure de la cuve (11), le fluide (fc) passe par l'orifice (0) laissé libre entre le cylindre de séparation (9) et la partie supérieure de la cuve (11), et descend le long de la paroi dudit conduit central vertical (2), ceci formant ainsi la seconde zone (6) dudit bain. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que une fois arrivé au niveau de la partie inférieure de la seconde zone (6) de bain, le fluide caloporteur est prélevé pour être redistribué vers les radiateurs ou planchers chauffants, et de manière plus générale vers tout système de chauffage, bouclant ainsi le cycle du fluide caloporteur qui s'est réchauffé de plus en plus, réchauffement d'autant plus remarquable que le fluide caloporteur en suivant ce trajet rencontre une fumée de plus en plus chaude et reste en contact avec la fumée. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que il est également possible de combiner échangeurs thermiques (1) selon la présente invention pour atteindre des surfaces de chauffage nettement plus importantes.5