Brevet FR3125327A1 — publié le 20230120

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à condensation (10) comprenant : -au moins un tube (7), en forme d'enroulement hélicoïdal (70), présentant une face plane avant (71) et une face plane arrière (72), et logé dans une enveloppe (2), -des moyens (5) de production d’un gaz chaud à l’intérieur de ladite enveloppe, -un déflecteur discoïde (8), muni d’une collerette périphérique (823), disposé dans l’enroulement hélicoïdal (70), de façon que sa collerette soit intercalée dans un interstice entre deux spires successives et à ménager dans l’enveloppe (2), une chambre de combustion (25) et une chambre de condensation (26). Cet échangeur est remarquable en ce que la face avant (8231) de ladite collerette (823) est fixée de manière étanche aux gaz à la face arrière (72) de la dernière spire (702) dudit enroulement (70) se trouvant dans la chambre de combustion (25), en ce qu’au moins un élément saillant (8233) est disposé entre la face arrière (8232) de ladite collerette (823) et la face avant (71) de la première spire (703) se trouvant dans la chambre de condensation (26), de façon à ménager entre elles un interstice de circulation des gaz (73’) et en ce que le diamètre extérieur du déflecteur discoïde (D1) est inférieur au diamètre intérieur (D2) de l’enroulement hélicoïdal (70), de façon à ménager un passage de circulation des gaz chauds (27). Figure pour l’abrégé : figure 3 Echangeur de chaleur à condensation. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se situe dans le domaine des échangeurs de chaleur à condensation. La présente invention concerne plus précisément la structure du déflecteur, disposé entre la chambre de combustion et la chambre de condensation de cet échangeur, ainsi que le mode de fixation de ce déflecteur. ETAT DE LA TECHNIQUE La jointe représente une vue en coupe d’un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur à condensation, conforme à l'état de la technique. Sur cette figure, on peut voir que l'échangeur de chaleur à condensation 1 comprend une enveloppe 2, un tube 3 enroulé en spirale, une porte 4, des moyens 5 d'amenée ou de production de gaz chauds et un déflecteur 6. Cet échangeur de chaleur 1 s'étend selon un axe longitudinal X-X'. Sur la , il est représenté dans sa position normale d'utilisation. L'enveloppe 2 comprend un corps 20 tubulaire, d'axe X-X', fermé à son extrémité arrière par un fond 21 et comprenant une façade 22 à son extrémité avant. Par convention, dans la suite de la description et des revendications le terme « face avant » désigne une face tournée vers l’avant de l’échangeur, c’est-à-dire vers la façade 22 tandis que le terme « face arrière » désigne une face tournée vers l’arrière de l’échangeur, c’est à dire vers le fond 21. L'enveloppe 2 comprend une manchette 23 d'évacuation des gaz brûlés. En outre, la partie inférieure de l'enveloppe 2 est légèrement en pente, de façon à permettre l'évacuation des condensats par gravité, via un orifice de sortie 24, connecté à un conduit d'évacuation 240 de ces condensats. La façade 22 présente à sa périphérie, un rebord 220, qui est fixé, de préférence soudé ou serti, de manière étanche aux gaz, sur le bord avant du corps 20 tubulaire. La façade 22 comprend une ouverture centrale 221, apte à être obturée par la porte 4. La porte 4 supporte dans sa partie centrale, un brûleur 50, par exemple un brûleur à gaz ou à fioul, qui constitue un exemple de réalisation d'un moyen de production de gaz chauds 5. Ce brûleur 50 pourrait être remplacé par des moyens d'amenée d'un gaz chaud, produit en dehors de l'enveloppe 2 et propulsé à l'intérieur de celle-ci, par exemple à l'aide d'un ventilateur. Le tube 3 est enroulé sur lui-même en hélice, de façon à former un enroulement hélicoïdal 30, d'axe longitudinal X-X'. Il présente deux extrémités formant une embouchure d'entrée et une embouchure de sortie, non visibles sur les figures. Il est réalisé dans un matériau thermiquement bon conducteur, notamment en métal, de façon avantageuse en acier inoxydable. Il est destiné à recevoir un fluide à réchauffer, tel que de l'eau. Le tube 3 présente une section droite ovale (ce cas n’étant pas représenté sur la figure) ou une section droite rectangulaire dont les deux côtés longitudinaux sont aplatis et dont le grand axe est perpendiculaire ou approximativement perpendiculaire à l'axe X-X' de l'enroulement hélicoïdal. Le tube 3 présente ainsi une face avant 31 et une face arrière 32. Ces faces 31, 32 sont planes ou sensiblement planes en fonction de la section. Il existe un interstice 33 de valeur calibrée, entre deux spires voisines du tube 3. Cet interstice 33 peut être obtenu par exemple à l'aide de bossages 34 formés sur l'une des deux faces planes du tube 3, ici par exemple la face avant 31. Ces bossages apparaissent mieux sur la jointe. Le déflecteur 6 est disposé à l'intérieur de l'enroulement hélicoïdal 30 du tube 3, perpendiculairement à l'axe X-X', de façon à ménager à l'intérieur de l'enveloppe 2, d'une part une chambre de combustion 25, qui s'étend entre la porte 4 et le déflecteur 6 et qui contient le brûleur 50, et d'autre part, une chambre de condensation 26, qui s'étend entre le déflecteur 6 et le fond 21 de l'enveloppe 2. Par convention, la première spire de la partie de l'enroulement hélicoïdal du tube 3 se trouvant dans la chambre de combustion 25 est celle située au contact de la façade 22 et elle est référencée 35, tandis que la dernière spire de cette même partie est référencée 36. De façon similaire la dernière spire de la partie de l'enroulement hélicoïdal du tube 3 se trouvant dans la chambre de condensation 26 est celle située au contact du fond 21 et elle est référencée 38, tandis que la première spire de cette même partie est référencée 37. Le déflecteur 6 comprend un disque 61 en matériau thermiquement isolant, porté par une armature en tôle métallique mince 62, cette dernière étant munie d'une collerette périphérique radiale 63. Le déflecteur 6 est monté à l'intérieur de l'enroulement 30 du tube 3, de façon que sa collerette 63 soit insérée et positionnée de manière étanche aux gaz, dans l’ interstice 33 existant entre la dernière spire 36 du tube 3 se trouvant dans la chambre de combustion 25 et la première spire 37 du tube 3 se trouvant dans la chambre de condensation 26. Le fonctionnement de cet échangeur de chaleur 1 est le suivant. Le fluide (eau) à réchauffer circule à contre-courant des gaz chauds. Il est introduit dans la dernière spire 38 et ressort de l'enroulement hélicoïdal par la première spire 35. Les gaz chauds, produits par le brûleur 50 à l'intérieur de la chambre de combustion 25, ne peuvent sortir de celle-ci qu'en passant dans les interstices 33, de l'intérieur vers l'extérieur, (flèches i). Ce faisant, ils réchauffent les parois du tube 3 et donc l'eau qui y circule. Lorsque les gaz chauds parviennent au contact du corps 20 de l'enveloppe 2, ils sont dirigés vers la chambre de condensation 26 (flèches j), puis ils retournent à l'intérieur de la chambre de condensation 26, en traversant les interstices 33, cette fois-ci de l'extérieur vers l'intérieur (flèches k). Comme on peut le voir sur la , compte tenu du mode de montage du déflecteur 6, il n'y a pas de passage de gaz chauds entre la dernière spire 36 et la collerette 63 ni entre la première spire 37 et la collerette 63. L’échange thermique entre les gaz chauds et l'eau circulant dans la première spire 37 et dans la dernière spire 36 est donc moins bon et le rendement global de l'échangeur 1 est donc moindre. Par ailleurs, cette obturation du passage entre les deux spires 36 et 37 génère une perte de charge des gaz chauds circulant dans l’enveloppe 2. Un but de l’invention est donc de résoudre les inconvénients précités, et notamment d’améliorer l’échange thermique entre les gaz chauds et l'eau circulant dans la première spire du tube coté chambre de condensation et dans la dernière spire coté chambre de combustion et d’accroître le nombre de passages entre les spires. Un autre but de l’invention est de diminuer les pertes de charge des gaz chauds circulants dans les interstices entre les spires du tube. A cet effet, l’invention concerne un échangeur de chaleur à condensation comprenant : -au moins un tube, enroulé en hélice de façon à former un enroulement hélicoïdal et à l’intérieur duquel circule un fluide à réchauffer, tel que de l’eau, ce tube étant réalisé dans un matériau thermiquement bon conducteur et présentant une face avant et une face arrière opposées, planes ou sensiblement planes, qui sont perpendiculaires, ou approximativement perpendiculaires à l’axe dudit enroulement hélicoïdal, cet enroulement étant agencé de façon à ménager un interstice entre les spires adjacentes, - une enveloppe étanche aux gaz à l’intérieur de laquelle ledit au moins un tube est monté, cette enveloppe comprenant un fond et une façade sur laquelle est montée une porte, cette enveloppe étant munie d’une manchette d’évacuation des gaz brulés, -des moyens d’amenée et/ou de production d’un gaz chaud à l’intérieur de ladite enveloppe, tel un brûleur à gaz ou à fioul, montés sur ladite porte, -un déflecteur discoïde étant disposé à l’intérieur de l’enroulement hélicoïdal du tube, de façon à ménager à l’intérieur de l’enveloppe, d’une part une chambre de combustion entre la porte et ledit déflecteur et d’autre part, une chambre de condensation entre ledit déflecteur et le fond de l’enveloppe, ce déflecteur comprenant un disque (81) en matériau thermiquement isolant, porté par une armature en tôle métallique, munie d’une collerette périphérique, cette collerette étant intercalée dans un interstice entre deux spires successives dudit enroulement. Conformément à l’invention, ladite collerette présente une face avant et une face arrière opposées, ladite face avant étant positionnée de manière étanche aux gaz contre la face arrière de la dernière spire de l’enroulement se trouvant dans la chambre de combustion, au moins un élément formant entretoise est disposé entre la face arrière de ladite collerette et la face avant de la première spire dudit enroulement se trouvant dans la chambre de condensation, de façon à ménager entre elles un interstice dit « de circulation des gaz » et le diamètre extérieur du déflecteur discoïde est inférieur au diamètre intérieur de l’enroulement hélicoïdal pris au niveau des extrémités intrados de ses spires, de façon à ménager, entre le bord dudit déflecteur discoïde et l’extrémité intrados de la première spire dudit enroulement se trouvant dans la chambre de condensation, un passage dit « de circulation des gaz chauds », de sorte que ces gaz chauds traversent radialement ou approximativement radialement ledit interstice de circulation des gaz, de l’extérieur vers l’intérieur, puis traversent axialement ledit passage de circulation des gaz de l’avant vers l’arrière, en direction de la chambre de condensation. Grâce aux caractéristiques de l'invention, les gaz chauds peuvent circuler entre la dernière spire du côté chambre de combustion et la première spire du tube coté chambre de condensation. L’échange thermique s’en trouve amélioré. Ainsi, dans l’exemple de réalisation représenté sur les figures 1 et 3, où il y a quatre spires dans la chambre de condensation, alors qu’il n’y avait que trois passages pour les gaz chauds entre ces quatre spires dans l’état de la technique (voir ), il y a désormais quatre passages avec la solution de l’invention (voir ), soit une augmentation de 33% de passage de gaz chauds. En outre, le fait de créer ledit interstice de circulation des gaz et ledit passage de circulation des gaz chauds permet de diminuer les pertes de charge des gaz circulant. De ce fait, le ventilateur (non représenté sur les figures) qui permet de propulser le mélange air/gaz dans le brûleur 50 ou le ventilateur des moyens 5 d’amenée d’un gaz chaud, n’a pas besoin d’être aussi puissant que celui de l’état de la technique et sa consommation électrique est moindre. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - la face avant de la première spire de l’enroulement se trouvant dans la chambre de condensation est munie d’un épaulement annulaire qui s’étend depuis l’extrémité intrados de cette spire et ledit au moins un élément formant entretoise s’étend entre ledit épaulement annulaire et ladite face arrière de la collerette, de façon à former ledit interstice de circulation ; - la face arrière de la dernière spire de l’enroulement se trouvant dans la chambre de combustion est munie d’un épaulement annulaire qui s’étend depuis l’extrémité intrados de cette spire, la face avant de la collerette est disposée de manière étanche aux gaz contre cet épaulement annulaire ; - ledit élément formant entretoise est constitué d’un élément saillant, tel un embouti, formé sur la face arrière de la collerette, cet élément saillant étant en appui contre la face avant de la première spire de l’enroulement se trouvant dans la chambre de condensation, ou contre l’épaulement annulaire de cette face avant, de façon à ménager ledit interstice de circulation des gaz ; - ledit élément formant entretoise est constitué d’un élément saillant, tel un bossage formé dans la paroi du tube, cet élément saillant faisant saillie depuis la face avant de la première spire de l’enroulement se trouvant dans la chambre de condensation ou depuis l’épaulement annulaire de cette face avant et cet élément saillant est en appui contre ladite face arrière de la collerette, de façon à ménager ledit interstice de circulation des gaz ; - ledit élément formant entretoise est constitué d’un peigne dont une dent est intercalée entre la face avant de la première spire de l’enroulement se trouvant dans la chambre de condensation et la face arrière de ladite collerette, de façon à ménager ledit interstice de circulation des gaz ; - ledit déflecteur discoïde comprend une armature en tôle métallique présentant un fond circulaire bordé par un rebord annulaire perpendiculaire à ce fond, de façon à ménager une cavité discoïde de réception du disque en matériau thermiquement isolant et la collerette périphérique fait saillie vers l’extérieur depuis ce rebord annulaire ; - le disque en matériau thermiquement isolant présente une extrémité saillante, qui fait saillie depuis la cavité discoïde vers l’intérieur de la chambre de combustion et le diamètre de cette extrémité saillante est égal au diamètre intérieur de l’enroulement hélicoïdal du tube, pris au niveau des extrémités intrados des spires du tube, de sorte que le bord latéral de cette extrémité saillante est en contact étanche aux gaz avec l’extrémité intrados de la dernière spire du tube se trouvant dans la chambre de combustion, en empêchant ainsi le passage des gaz chauds entre les deux ; - l’échangeur comprend un tube unique formant l’enroulement hélicoïdal et la collerette périphérique de l’armature en tôle métallique du déflecteur est hélicoïdale ; - l’échangeur comprend au moins deux tubes enroulés en hélice pour former au moins deux enroulements hélicoïdaux adjacents, l’un étant disposé dans la chambre de combustion et l’autre dans la chambre de condensation et la collerette périphérique de l’armature en tôle métallique du déflecteur, disposée entre lesdits deux enroulements adjacents, est annulaire et perpendiculaire à l’axe des deux enroulements hélicoïdaux adjacents. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur à condensation, conforme à l'état de la technique. est une vue en perspective d'une partie du tube de l'échangeur de chaleur de la . est une vue en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à condensation, conforme à l'invention. est une vue en perspective d'une partie du tube de l'échangeur, situé dans la chambre de condensation de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention. est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du déflecteur, destiné à être positionné dans l'échangeur de chaleur conforme à l'invention. est une vue en perspective d'un second mode de réalisation du déflecteur, destiné à être positionné dans l'échangeur de chaleur conforme à l'invention. est une vue de détail de la partie inférieure de l’échangeur de chaleur à condensation de la montrant une partie d'un déflecteur, les deux dernières spires du tube se trouvant dans la chambre de combustion et les deux premières spires du tube se trouvant dans la chambre de condensation. est une vue de détail, similaire à la , mais représentant un deuxième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à condensation conforme à l'invention. est une vue de détail, similaire à la , mais représentant un troisième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à condensation conforme à l'invention. est une vue de détail, similaire à la , mais représentant un quatrième mode de réalisation d'un échangeur de chaleur à condensation conforme à l'invention. est une vue de détail, similaire à la , mais représentant un cinquième mode de réalisation d’un échangeur de chaleur à condensation conforme à l’invention. est une vue en perspective d’un élément formant entretoise. Echangeur de chaleur à condensation (10) comprenant : -au moins un tube (7), enroulé en hélice de façon à former un enroulement hélicoïdal (70) et à l’intérieur duquel circule un fluide à réchauffer, tel que de l’eau, ce tube (7) étant réalisé dans un matériau thermiquement bon conducteur et présentant une face avant (71) et une face arrière (72) opposées, planes ou sensiblement planes, qui sont perpendiculaires, ou approximativement perpendiculaires à l’axe (X-X’) dudit enroulement hélicoïdal (70), cet enroulement étant agencé de façon à ménager un interstice (73) entre les spires adjacentes, - une enveloppe (2) étanche aux gaz à l’intérieur de laquelle ledit au moins un tube (7) est monté, cette enveloppe (2) comprenant un fond (21) et une façade (22) sur laquelle est montée une porte (4), cette enveloppe (2) étant munie d’une manchette d’évacuation des gaz brulés (23), -des moyens (5) d’amenée et/ou de production d’un gaz chaud à l’intérieur de ladite enveloppe, tel un brûleur à gaz ou à fioul (50), montés sur ladite porte (4), -un déflecteur discoïde (8) étant disposé à l’intérieur de l’enroulement hélicoïdal (70) du tube, de façon à ménager à l’intérieur de l’enveloppe (2), d’une part une chambre de combustion (25) entre la porte (4) et ledit déflecteur (8) et d’autre part, une chambre de condensation (26) entre ledit déflecteur (8) et le fond (21) de l’enveloppe, ce déflecteur (8) comprenant un disque (81) en matériau thermiquement isolant, porté par une armature (82, 82’) en tôle métallique, munie d’une collerette périphérique (823, 823’), cette collerette étant intercalée dans un interstice entre deux spires successives dudit enroulement (70), caractérisé en ce que ladite collerette (823, 823’) présente une face avant (8231) et une face arrière (8232) opposées, ladite face avant (8231) étant positionnée de manière étanche aux gaz contre la face arrière (72) de la dernière spire (702) de l’enroulement (70) se trouvant dans la chambre de combustion (25), en ce qu’au moins un élément formant entretoise (8233, 770, 91) est disposé entre la face arrière (8232) de ladite collerette (823, 823’) et la face avant (71) de la première spire (703) dudit enroulement (70) se trouvant dans la chambre de condensation (26), de façon à ménager entre elles un interstice dit « de circulation des gaz » (73’) et en ce que le diamètre extérieur (D1) du déflecteur discoïde (8) est inférieur au diamètre intérieur (D2) de l’enroulement hélicoïdal (70) pris au niveau des extrémités intrados (74) de ses spires, de façon à ménager, entre le bord dudit déflecteur discoïde (8) et l’extrémité intrados (74) de la première spire (703) dudit enroulement se trouvant dans la chambre de condensation (26), un passage dit « de circulation des gaz chauds » (27), de sorte que ces gaz chauds traversent radialement ou approximativement radialement ledit interstice de circulation des gaz (73’), de l’extérieur vers l’intérieur, puis traversent axialement ledit passage de circulation des gaz (27) de l’avant vers l’arrière, en direction de la chambre de condensation (26). Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face avant (71) de la première spire (703) de l’enroulement (70) se trouvant dans la chambre de condensation (26) est munie d’un épaulement annulaire (77) qui s’étend depuis l’extrémité intrados (74) de cette spire et en ce que ledit au moins un élément formant entretoise (8233, 770) s’étend entre ledit épaulement annulaire (77) et ladite face arrière (8232) de la collerette (823, 823’), de façon à former ledit interstice de circulation (73’). Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la face arrière (72) de la dernière spire (702) de l’enroulement se trouvant dans la chambre de combustion (25) est munie d’un épaulement annulaire (78) qui s’étend depuis l’extrémité intrados (74) de cette spire, en ce que la face avant (8231) de la collerette (823, 823’) est disposée de manière étanche aux gaz contre cet épaulement annulaire (78). Echangeur de chaleur (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément formant entretoise est constitué d’un élément saillant (8233), tel un embouti, formé sur la face arrière (8232) de la collerette (823, 823’), cet élément saillant (8233) étant en appui contre la face avant (71) de la première spire (703) de l’enroulement se trouvant dans la chambre de condensation (26), ou contre l’épaulement annulaire (77) de cette face avant (71), de façon à ménager ledit interstice de circulation des gaz (73’). Echangeur de chaleur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit élément formant entretoise est constitué d’un élément saillant (770), tel un bossage formé dans la paroi du tube (7), cet élément saillant (770) faisant saillie depuis la face avant (71) de la première spire (703) de l’enroulement (70) se trouvant dans la chambre de condensation (26) ou depuis l’épaulement annulaire (77) de cette face avant (71) et en ce que cet élément saillant (770) est en appui contre ladite face arrière (8232) de la collerette (823, 823’), de façon à ménager ledit interstice de circulation des gaz (73’). Echangeur de chaleur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit élément formant entretoise est constitué d’un peigne (9) dont une dent (91) est intercalée entre la face avant (71) de la première spire (703) de l’enroulement (70) se trouvant dans la chambre de condensation (26) et la face arrière (8232) de ladite collerette (823, 823’), de façon à ménager ledit interstice (73’) de circulation des gaz. Echangeur de chaleur (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit déflecteur discoïde (8) comprend une armature en tôle métallique (82) présentant un fond circulaire (820) bordé par un rebord annulaire (821) perpendiculaire à ce fond, de façon à ménager une cavité discoïde (822) de réception du disque en matériau thermiquement isolant (81) et en ce que la collerette périphérique (823, 823’) fait saillie vers l’extérieur depuis ce rebord annulaire (821). Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le disque en matériau thermiquement isolant (81) présente une extrémité saillante (810), qui fait saillie depuis la cavité discoïde (822) vers l’intérieur de la chambre de combustion (25) et en ce que le diamètre (D3) de cette extrémité saillante (810) est égal au diamètre intérieur (D2) de l’enroulement hélicoïdal (70) du tube, pris au niveau des extrémités intrados (74) des spires du tube, de sorte que le bord latéral (811) de cette extrémité saillante (810) est en contact étanche aux gaz avec l’extrémité intrados (74) de la dernière spire (702) du tube se trouvant dans la chambre de combustion (25), en empêchant ainsi le passage des gaz chauds entre les deux. Echangeur de chaleur (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un tube unique (7) formant l’enroulement hélicoïdal (70) et en ce que la collerette périphérique (823) de l’armature (82) en tôle métallique du déflecteur (8) est hélicoïdale. Echangeur de chaleur (10) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux tubes (7) enroulés en hélice pour former au moins deux enroulements hélicoïdaux (70) adjacents, l’un étant disposé dans la chambre de combustion (25) et l’autre dans la chambre de condensation (26) et ce que la collerette périphérique (823’) de l’armature (82) en tôle métallique du déflecteur, disposée entre lesdits deux enroulements adjacents (70), est annulaire et perpendiculaire à l’axe (X-X’) des deux enroulements hélicoïdaux adjacents (70).