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ECHANGEUR DE CHALEUR A CONDENSATION, A ENVELOPPE
PLASTIQUE
La présente invention concerne un échangeur de chaleur à
condensation, associé - directement ou indirectement - à un brûleur, notamment
à
gaz ou à fuel.
Cet échangeur est destiné notamment à équiper une chaudière à gaz
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 I'objet de l'invention, plus
précisément, est du type comprenant une enveloppe qui délimite une enceinte à
l'intérieur de laquelle est logé au moins un faisceau de tubes) de section
aplatie, du
genre décrit dans le document EP-B-0 .678 186, auquel on pourra se reporter au
besoin.
Dans Ie document EP-B-0 678 186 est décrit un élément échangeur
de chaleur qui consiste en un tube en matériau thermiquement bon conducteur,
dans
lequel un fluide caloporteur, par exemple de l'eau à réchauffer, est destiné à
1 S circuler. Ce tube est enroulé en hélice et possède une section droite
aplatie et ovale
dont le grand axe est sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'hélice, et
chaque
spire du tube possède des faces planes qui sont écartées des facés de Ia spire
adjacente d'un interstice de laxgeur constante, cette largeur étant
sensiblement plus
faible que l'épaisseur de ladite section droite, l'espacement entre deux
spires
voisines étant en outre calibré au moyen d' entretoises, lesquelles sont
constituées
par des bossages formés dans la paxoi du tube.
Ce document décrit également des échangeurs de chaleur comportant
plusieurs éléments tels que décrits ci-dessus, qui sont agencés de différentes
manières dans les divers modes de réalisation exposés.
Un élément échangeur ainsi conçu est capable d'assurer un échange
de chaleur très efficace entre, d'une part, des gaz très chauds, lesquels
peuvent être
générés directement par un brûleur monté dans (enceinte, ou provenir d'une
source
extérieure, qui lèchent l'ëlément tubulaire, et, d'autre part, le fluide à
réchauffer, tel
que de l'eau, lequel circule à l'intérieur de celui-ci.
En effet, lors de son passage à travers L'interstice entre les spires,
suivant une direction approximativement radiale, le flux de gaz chauds vient
en
contact avec une surface relativement étendue de la paroi de l'élément
d'échangeur.
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La présente invention a plus particulièrement pour objet de proposer
un échangeur de chaleur à condensation, du type général exposé ci-dessus, dont
les
éléments d'échange de la chaleur sont des faisceaux de tubes plats tels que
ceux
connus par le EP-B-0 678 186 sus mentionné.
L'enveloppe composant les appareils à condensation connus du genre
exposé ci-dessus, tout comme le (ou _les) tube(s), est en métal, généralemënt
en acier
inoxydable.
L'utilisation du métal, et en particulier de l'acier inoxydable, convient
en effet pour résister à la fois mécaniquement aux contraintes dues aux
dilatations
intervenant au sein de (enroulement de tubes) et chimiquement à la corrosion
émanant des fumées (gaz brûlés) et des condensats.
A cet égard, il convient de signaler, à titre indicatif, que la pression
du fluide à réchauffer, et notamment de l'eau, à l'intérieur du tube (ou des
tubes) en
cours d'utilisation peut être relativement élevée, de (ordre de 2,5 à 3,5
bars, soit
2,5.105 à 3,5.105 Pa.
Pour raisons de sécurité, le faisceau tubulaire est avantageusement
conçu pour pouvoir résister à une pression de 4,5. 105 Pa.
Les parois latérales, initialement planes, des tubes ont tendance à se
bomber, l'amplitude de la déformation étant une fonction croissante de la
valeur de
la pression interne.
Cette ~ déformation se propage axialement, d'une paroi à la paroi
adjacente, par (intermédiaire des bossages formant entretoises qui les
séparent.
A titre indicatif, si on considère un enroulement de quatre tubes
juxtaposés d'épaisseur de paroi de 0,6 mm, dont la dimension axiale est
initialement
de 128 mm, cette dimension, par suite de la déformation des tubes, va être
portée à
une valeur de l'ordre de 129,2 mm pour une pression de 2 bars et de l'ordre de
129,8
mm pour une pression de 3 bars.
L'allongement total est proportionnel au nombre d'enroulements
montés bout à bout qui constituent le faisceau de (échangeur.
Bien entendu, en augmentant l'épaisseur de paroi des tubes on peut
réduire l'amplitude de la déformation. Malheureusement, un surdimensionnement
de l'épaisseur accroît de manière importante le poids de l'appareil. Il pose
également des problèmes de fabrication des éléments tubulaires, par
hydroformage,
procédé qui requiert des pressions de travail extrêmement élevées.
Pour s'opposer à l'allongement et résister aux poussées axiales
résultant de la pression interne du fluide circulant dans le faisceau, la
solution
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jusqu'ici utilisée est d'adopter une enveloppe métallique (servant d'appui aux
deux
extrémités du faisceau), dont (épaisseur et la résistance mécanique sont
choisies de
telle sorte qu'elles empêchent la dilatation axiale dudit faisceau sous
l'effet de la
pression interne, ou du moins la restreignent à une amplitude acceptable,
compatible avec la limite de déformation élastique de l'enveloppe.
Ce type d'échangeur donne satisfaction sur le plan technique,
notamment sur le plan des performances.
Cependant, il est relativement lourd, ce qui peut poser des difficultés
à l'opérateur lors de son transport et de sa manutention au cours de son
installation,
et son prix de revient est relativement élevé, du fait qu'il est nécessaire de
recourir
(afin de résister aux contraintes mécaniques et aux agressions chimiques des
fumées
et des condensats) à une enveloppe en matériau métallique de haute qualité,
tel que
de (acier inoxydable.
L'objectif à la base de la présente invention est de réduire
sensiblement à la fois le poids et le prix de revient de l'appareil, en
proposant de le
doter d'une enveloppe qui, bien qu'en matériau sensiblement moins nôble et
moins
coûteux, en l'occurrence la matière plastique, ne pose pas de problème de
résistance
d'ordre chimique, ni d'ordre mécanique, en considération du problème de
dilatation
axiale rappelé ci-dessus.
Un autre objectif de la présente invention est, dans une variante, de
faire en sorte que (enveloppe plastique soit isolée au mieux de la chaleur
générée
par les gaz brûlés traversant les spires de l'enroulement et, corrélativement,
d'abaisser sensiblement le niveau des températures à laquelle l'enveloppe est
exposée, ceci en mettant en couvre des moyens simples, légers et peu coûteux,
en
(occurrence une virole jouant le rôle d'écran thermique.
L'échangeur de chaleur à condensation qui fait l'objet de (invention
est destiné à être associé à un brûleur à gaz ou à fuel.
Il 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) tubes) est réalisée dans un 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 aux gaz, des moyens
étant prévus pour faire circuler un fluide à réchauffer, en particulier de
l'eau froide,
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à l'intérieur de(s) tubes) constitutifs) dudit faisceau, cette enveloppe
présentant
une manchette d'évacuation des gaz brûlés, cet échangeur étant ainsi agencé
que les
gaz chauds générés par le brûleur traversent radialement, ou approximativement
radialement, ledit faisceau en passant à travers les interstices séparant ses
spires.
Conformément à l'invention
- d'une part, ladite enveloppe est réalisée en matière plastique
résistant à la chaleur et
- d'autre part, (échangeur comporte des moyens de contention
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 deux rôles jusqu'ici dévolus à (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.
Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques
avantageuses, mais non limitatives de l'invention
- (échangeur comporte une sonde de température portée par ladite
enveloppe, apte à commander l'arrêt du brûleur lorsque la température régnant
à
(intérieur de (enveloppe, au voisinage de cette sonde, dépasse un seuil
prédéterminé;
- lesdits moyens de contention comprennent un jeu de tirants qui
s'étendent à (extérieur du faisceau, parallèlement à Taxe de (hélice, et dont
les
extrémités sont solidaires d'éléments d'appui s'appliquant contre les deux
faces
opposées du faisceau;
- (élément d'appui situé à fane des extrémités du jeu de tirants est
une plaque mince, par exemple en forme de disque, qui est ajourée en partie
centrale, de forme annulaire par conséquent;
- ladite plaque fait office de façade, qui obture partiellement une face
ouverte de l'enveloppe, et est fixée à cette dernière à sa périphérie, par
exemple par
sertissage;
- les portions d'extrémité des tirants traversent ladite façade de
manière à faire légèrement saillie vers (extérieur et ces portions d'extrémité
sont
filetées de telle sorte qu'elles permettent un montage amovible d'une porte
contre la
façade au moyen d'écrous;
- ladite porte est solidaire du brûleur;
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- lesdits tirants sont au nombre de quatre, sensiblement disposés
selon un carré, et les éléments d'appui situés du côté opposé à ladite façade
consistent en une paire de brides arquées ou coudées, conformées pour épouser
au
plus près le contour du faisceau en s'appliquant contre deux zones
diamétralement
5 opposées de celui-ci, chaque bride étant fixée à une paire de tirants
voisins;
- la matière plastique constitutive de l'enveloppe est un matériau
composite à base de résine chargée de fibres ou d'écailles de verre;
- ladite résine est un composé de polyphénilène oxyde, de
polystyrène et de polypropylène;
- (échangeur comprend deux faisceaux de tubes coaxiaux, situés bout
à bout, et raccordés fan à (autre, dont fan fait office d'échangeur primaire
et (autre
d'échangeur secondaire, un organe déflecteur étant intercalé entre ces deux
faisceaux, et ainsi agencé, que les gaz chauds générés par le brûleur
traversent
d'abord (échangeur primaire, en traversant les interstices séparant ses spires
de
(intérieur vers (extérieur, puis (échangeur secondaire, en traversant les
interstices
séparant ses spires de (extérieur vers (intérieur;
- le déflecteur est solidaire desdits faisceaux de tubes;
- le brûleur étant monté à (intérieur du faisceau qui fait office
d'échangeur primaire, ledit déflecteur a une forme discoïde et est solidaire
de
(extrémité du brûleur, ce déflecteur étant garni à sa périphérie d'un joint
thermiquement isolant qui s'applique contre l'intérieur du faisceau;
- ladite enveloppe est constituée de deux demi coquilles moulées
accolées et solidarisées fane avec (autre, par exemple par soudure;
- (échangeur comporte une virole disposée à (extérieur du faisceau
de tubes) 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 brûlés;
- cette virole est réalisée dans une tôle en acier inoxydable de faible
épaisseur ;
- la virole est plaquée contre la surface interne de (enveloppe en
matière plastique, mais est maintenue à une certaine distance de cette
dernière, pue'
exemple au moyen d'une série de bossages emboutis dans la paroi de la virole ;
- la 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 plastique ;
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- les bords en regard desdites parties cintrées présentent une rangée
d'encoches approximativement semi-circulaires, ou semi-ovalisées, aptes à
enserrer
les portions d'extrémité rectilignes du tube, ou des tubes, constitutifs) de
l'enroulement, lorsque ces parties cintrées sont accolées l'une contre
l'autre.
L'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de
la description et des dessins annexés qui en représentent, à simple titre
d'exemples
non limitatifs, des modes de réalisation possibles.
Sur ces dessins
- la figure 1 est une vue de face schématique d'un premier mode de
réalisation de l'invention, coupé par le plan vertical référencé I-I sur la
figure 2 ;
- la figure 2 est une vue de gauche schématique de l'appareil de la
figure 1 ;
- les figures 3 et 4 sont des vues similaires aux figures 1 et 2
respectivement, représentant le faisceau de tubes et ses moyens de contention
uniquement ;
- la figure 5 est une vue analogue à la figure 1, représentant un
second mode de réalisation possible de (échangeur dont (encombrement axial est
plus faible ;
- la figure 6 est une vue de côté de l'échangeur de la figure 5,
illustrant le mode de contention du faisceau qui y est mis en oeuvre ;
- la figure 7 représente ces moyens de contention vus de face, et de
manière schématique ;
- la figure 8 est une vue de détail montrant une variante possible du
détecteur de tempërature susceptible d'être mis en oeuvre, en remplacement de
celui
illustré sur la figure 5 ;
- la figure 9 illustre le fonctionnement de l'appareil de la figure 5 ;
- les figures 10, 11 et 12 sont des vues analogues, respectivement, à
celles des figures 1, 2 et 3, représentant un troisième mode de réalisation
d'un
échangeur conforme à l'invention, dépourvu de brûleur;
- les figures 13 et 14 sont des vues schématiques, respectivement de
face et de côté d'un échangeur conforme à l'invention, coupé par un plan
vertical
passant par Taxe de l'enroulement, cet échangeur étant similaire au mode de
réalisation de la figure 5, mais comportant une virole assurant une fonction
d'écran
thermique ;
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- les figures 15 et 16 représentent, toujours de manière schématique,
les deux éléments (non encore cintrés) en forme de bandes, constitutives de la
virole.
L'échangeur représenté sur les figures 1 et 2 comporte une coque, ou
enveloppe, 1 qui délimite une enceinte à (intérieur de laquelle est monté
fixement
un faisceau tubulaire 2, lequel consiste en un enroulement hélicoïdal, 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
rôle d'entretoises, permettant de délimiter entre chaque spire un interstice
de valeur
calibrée, sensiblement constante.
Cet enroulement est destiné à être traversé intérieurement par le
fluide à réchauffer, qui est par exemple de Peau.
Dans le mode de réalisation illustré, il est prévu trois éléments
tubulaires hélicoïdaux accolés, branchés en série, dans lequel le fluide à
réchauffer
circule de la gauche vers la droite.
Des collecteurs 15, 16, qui sont fixés à (enveloppe 1 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 (enroulement voisin.
Chaque élément tubulaire possède des portions d'extrémité droite,
c'est-à-dire d'axe rectiligne, et de section progressivement variable, dont la
partie
d'extrémité débouchante est circulaire.
Dans (exemple illustré sur la figure 2, les deux portions d'extrémité
sont disposées parallèlement et situées sur un même côté de l'enroulement.
On peut noter qu'une disposition similaire est également prévue pour
le troisième mode de réalisation illustré sur les figures 10 et 11.
Au contraire, pour le second mode de réalisation de (invention
illustré sur les figures 5 et 6, les deux portions d'extrémité d'un
enroulement
tubulaire s'étendent dans un même plan, 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 déjà cité.
Les embouchures d'entrée et de sortie 20, 21 des éléments tubulaires
sont sertis convenablement et de manière étanche dans des ouvertures ad hoc
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prévues dans (enveloppe 1, comme cela est visible sur la figure 2 ; les
collecteurs
15, 16 sont fixés à ce niveau.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'enveloppe 1 est
en matière plastique.
Elle est par exemple obtenue par roto-moulage ou moulage par
injection.
L'enveloppe est faite de deux demi coquilles qui sont 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 situé sur la gauche, si on considère la figure 1.
En cours d'utilisation de l'appareil, une partie de la vapeur d'eau
contenue dans les gaz brûlés se condense au contact des parois des tubes.
La référence 10 désigne la paroi de fond de (enceinte ; de manière
1 S connue, ce fond est en pente, ce qui permet l'évacuation des condensats
vers un
orifice de sortie 13.
La paroi arrière de l'enveloppe porte la référence 11 ; celle-ci possède
un renfoncement 110 qui, comme on le verra plus loin, forme un canal
permettant le
passage des gaz brûlés et des fumées et les canalisant vers une manchette
d'évacuation 12.
Bien entendu, l'orifice 13 est cormecté à un conduit d'évacuation des
condensats, tandis que la manchette 12 est branchée sur un conduit
d'évacuation des
fumées, par exemple un conduit de cheminée. Ces conduits ne sont pas
représentés
sur les figures.
Le côté ouvert de l'enveloppe est obturé par un élément de façade 3.
Ce dernier est fixé sur toute sa périphérie par un rebord 30 qui est serti de
manière
hermétique aux gaz sur un bourrelet périphérique 14 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
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.
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Ces deux plaques sont traversées en partie centrale par une ouverture
qui est traversée par un brûleur 6, par exemple un brûleur à gaz, qui est
solidarisé
avec la porte 4 par des moyens non représentés.
Des moyens appropriés raccordés sur le brûleur 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 ventilatéur fixé sur
la porte, apte à insuffler le mélange gazeux dans le brûleur, ou en un conduit
flexible branché sur la porte.
Le brûleur 6 est un tube cylindrique à extrémité fermée, dont la paroi
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
brûleur.
Ce dernier est situé coaxialement au milieu de (enroulement 2, mais
il ne s'étend pas sur toute sa longueur.
En effet, le faisceau tubulaire 2 est subdivisé en deux parties, fane 2a
située à gauche d'un déflecteur 7, et l'autre 2b située à droite 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 droite vers la gauche si on considère la figure 1. La partie 2a
réalise le
chauffage proprement dit.
Selon une caractéristique essentielle de (invention, 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, constitués
par des tiges cylindriques en acier inoxydable, et qui sont associés à des
éléments
d'appui pour chacune des deux extrémités opposées du faisceau.
Comme on le voit sur la figure 2, les tirants 5 sont disposés aux
quatre sommets d'un trapèze isocèle fictif. D'un côté (sur la droite des
figures 1 et
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3), leur extrémité 51 est fixée - par exemple par soudage - à une plaque
annulaire
discoïde 30, en acier inoxydable, au centre de laquelle est ménagée une
ouverture
300.
Du côté opposé, qui correspond à la gauche des figures 1 et 3, les
5 tirants 5 sont fixés à la façade 3 dont il a été fait état plus haut.
De ce côté, les portions d'extrémité des tirants 5 sont filetées ; elles
traversent des orifices appropriés ménagés à la périphérie de la plaque de
façade 3.
Des écrous 500 vissés sur ces portions filetées 50 assurent la mise
sous tension des tirants, de manière à appliquer avec force (de la droite vers
la
10 gauche) la plaque 30 contre la dernière spire du faisceau 2 et,
corrélativement, (en
sens inverse) la façade 3 contre la première spire de ce faisceau.
Le faisceau 2 se trouve ainsi axialement comprimé avec force entre
les éléments d'appui 3 et 30.
On notera que les portions d'extrémité 50 sont relativement longues ;
elles dépassent au-delà des écrous 500 sur une longueur non négligeable, comme
on
peut le voir sur la figure 3.
En effet, les portions 50 ont également pour fonction d'assurer le
centrage et la fixation de la porte 4 contre la façade 3.
A cet effet, la plaque 40 constitutive de la porte, dont le diamètre est
plus grand que celui de la partie isolante 41, est traversé de quatre trous
permettant
l'engagement des portions 50.
La fixation est assurée par des écrous 400, qui sont avantageusement
des écrous autofreinés, pour réduire le risque de desserrage intempestif, en
particulier sous l'effet des vibrations..
Un joint annulaire à lèvres 42 logé dans une gorge appropriée
ménagée dans la plaque 40 permet d'appliquer cette dernière de manière étanche
aux fumées contre la face externe de la façade 3.
Comme on le voit sur la figure 2, les tirants 5 sont disposés à
l'extérieur du faisceau 2.
A (observation de la figure 3, on comprend bien que l'ensemble
constitué par la façade 3, les tirants 5 et les éléments d'appui d'extrémité
3, 30,
constitue un ensemble autonome.
Les dilatations qui tendent à se produire sous l'effet de la pression
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.
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Il n'y a aucune répercussion de cette poussée contre la paroi de
(enveloppe contenant cet ensemble.
Le faisceau tubulaire peut être maintenu en place à (intérieur de
(enveloppe simplement par suite de la liaison par emboîtement des parties
d'extrémité des tubes 20, 21 dans les logements prévus dans l'enveloppe pour
les
recevoir.
On notera par ailleurs qu'il est prévu au dessus de la zone arrière de
(enroulement 2 une cloison déflectrice ~, laquèlle recouvre partiellement la
plaque
annulaire amère 30, jusqu'à son ouverture centrale 300.
Cette cloison participe avantageusement au bon maintien du faisceau
à l' intérieur de l' enveloppe.
Elle est fixée à la paroi interne de l'enveloppe et s'étend obliquement
sous la manchette 12. Elle a de préférence une forme arquée, de contour en arc
de
cercle, entourant la zone supérieure du faisceau.
Les gaz chauds générés par le brûleur 6 traversent tout d'abord la
première partie 2a du faisçeau 2 (situé sur la gauche du déflecteur 7), en
passant
entre les interstices des tubes radialement, de (intérieur vers (extérieur.
Grâce à la présence de la cloison ~, ils ne peuvent s'échapper
immédiatement par la manchette 12.
Ils doivent traverser la partie arrière 2b de (échangeur (située sur la
droite de la plaque déflectrice 7), cette fois de (extérieur vers (intérieur,
réalisant un
préchauffage de Peau qui circule dans le faisceau tubulaire.
Enfin, les gaz refroidis s'échappént via le canal amère délimité par la
paroi 110, pour rejoindre la manchette d'évacuation 12.
La matière plastique constitutive de (enveloppe est choisie pour
résister en continu à des températures de (ordre de 150° 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
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 (enveloppe 1 peut être relativement fine, par exemple
d'épaisseur comprise entre 2 et 4 mm, du fait qu'elle n'est pas exposée à des
contraintes mécaniques importantes.
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En vue de la maintenance, il est facile d'avoir accès à l'intérieur de la
partie avant de l'échangeur, qui est la seule réellement exposée à
l'encrassement dû
aux fumées ; il suffit pour cela de dévisser les écrous 400 et de retirer
axialement
l'ensemble constitué par la porte 4 et le brûleur 6 qui en est solidaire.
Après nettoyage, la mise en place de cet ensemble est tout aussi
facile.
Ces opérations de démontage et de remontage n'ont aucun effet sur la
contention opérée par les tirants 5, qui restent actifs malgré (enlèvement
momentané de la porte.
Dans une variante d'exécution, de ce dispositif, il serait possible de
fixer le déflecteur discoïde 7 à l'extrémité du brûleur 6.
Dans ce cas, la porte 4, le brûleur 6 et le déflecteur 7 formeraient m
ensemble démontable en bloc, ce qui permettrait d'avoir accès pour le
nettoyage à la
totalité de (espace intérieur de (enroulement, y compris dans la portion
arrière qui
assure le préchauffage.
Bien entendu, dans cette hypothèse, il serait nécessaire de prévoir
tout autour du disque déflecteur 7 un joint d'étanchéité annulaire, hautement
résistant à la chaleur, venant s'appuyer contre la surface interne du faisceau
pour
éviter le passage direct des gaz à ce niveau, vers la partie 2b.
Dans le second mode de réalisation de l'invention qui est illustré sur
les figures 5 à 7, on retrouve une configuration analogue à celle qui vient
d'être
décrit, l'appareil étant toutefois retourné à 180 degrés (façade située sur la
droite de
la figure 5).
Les éléments identiques ou similaires à ceux du premier mode de
réalisation ont été affectés des mêmes chiffres de référence, et ne sera pas
donné à
nouveau une explication quant à leur nature et à leur fonction.
On notera que cet échangeur présente une compacité axiale plus
grande que celle du premier mode de réalisation.
Comme déjà dit, les portions d'extrémité rectilignes des tubes
s'étendent tangentiellement à (enroulement, leurs axes étant contenus dans un
même
plan longitudinal, disposé latéralement (voir figure 6).
Par ailleurs, du côté opposé à la façade 3, les tirants 5 sont fixés non
pas à une plaque annulaire 30, mais une paire de tiges plates coudées 30a,
30b, dont
les zones centrales sont en appui contre un secteur angulaire, de surface
relativement limitée, de la spire d'extrémité correspondante.
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Comme on le voit sur la figure 6, les tirants sont cette fois disposés
selon un carré, et les tiges coudées 30a, 30b relient ces côtés deux à deux,
en
épousant au plus près deux zones diamétralement opposées de l'enroulement.
On notera (voir figure 5) que la cloison 8 présente un renfoncement
80 situé au-dessus de (enroulement tubulaire, à proximité des tubes situés en
sortie
de la partie 2a constitutive de (échangeur principal.
Dans ce renfoncement est montée une sonde de température 9.
Il s'agit d'un coupe-circuit thermique, qui est monté de façon étanche
par rapport à (enveloppe. A cet effet, la sonde 9 est avantageusement
maintenue en
place au moyen d'un circlips dans une cuvette en acier inoxydable emboîtée
dans le
renfoncement 80, lequel est ouvert vers le bas, un joint approprié assurant
(étanchéité entre la cuvette et la paroi du renfoncement 80.
Cette sonde est reliée à la commande du brûleur, et est adaptée pour
provoquer (arrêt du ~ brûleur lorsque la température détectée excède un seuil
1 S prédéterminé, par exemple de 160° C.
Une surchauffe anormale peut se produire accidentellement par
exemple en cas d'absence d'eau dans les tubes ou en cas de mauvaise
circulation de
Peau dans les tubes, par exemple à cause d'un bouchage de l'un d'eux.
En (absence de toute sécurité, il risquerait de se produire une
élévation très importante de la température des fumées sortant des tubes
placés
autour du brûleur, et qui viennent au contact avec (intérieur de (enveloppe en
matière plastique. En effet, les fumées ne transmettraient plus suffisamment
leur
chaleur aux tubes.
Il pourrait se poser alors un problème de tenue mécanique de la
matière plastique et une détérioration grave, voir une inflammation de
(enveloppe.
Dans la variante illustrée sur la figure 8, la sonde, référencée 9',
comporte un élément fusible 92', sensible à la chaleur.
Le circuit électrique d'alimentation de la chaudière est çonnecté à
deux cosses 90' et 91' qui sont reliées via ce thermo fusible 92'.
En cas d'élévation anormale de ,la température, par exemple au-delà
de 160° C, la fusion de cet élément 92' rompt le circuit électrique
entre les deux
cosses 91', 90', provoquant (arrêt de la commande du brûleur.
La figure 9 illustre la circulation des gaz chauds générés par le
brûleur 6, lequel est alimenté en mélange combustible G + A.
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Après allumage du brûleur, celui-ci génère des gaz brûlants, par
exemple à une température de 1000° C, qui se propage radialement vers
l'extérieur
comme symbolisé par les flèches Fl.
Ces gaz brûlants traversent les interstices de la première partie de
l'échangeur 2a, radialement, de l'intérieur vers l'extérieur (flèches FZ).
Au cours de ce passage, une grande partie de la chaleur des gaz
brûlants est transmise via la paroi des tubes à l'eau qui y circule, si bien
que la
température des gaz chauds à la sortie de la partie de faisceau 2b est -à
titre
indicatif de l'ordre de 110 à 140°C.
On notera que la présence du déflecteur 6 empêche l'échappement
axial des gaz brûlants Fl.
Les gaz partiellement refroidis traversent ensuite la seconde partie 2b
de (échangeur, cette fois de (extérieur vers (intérieur, comme symbolisé par
les
flèches F3.
Une partie supplémentaire de la chaleur est ainsi transmise à Peau
circulant dans les tubes. La température des gaz qui s'échappent de l'appareil
(flèches F4 et FS), à titre indicatif est de l'ordre de 65 à 70° C.
Quant à Peau, elle est réchauffée généralement de la température
ambiante à une température de l'ordre de 80° C.
Bien entendu, le flux de Peau se fait à contresens du flux des fumées,
le préchauffage intervenant dans la zone 2b de (échangeur et le chauffage
proprement dit dans la zone 2a.
Dans le mode de réalisation qui est représenté sur les figures 10 à 12,
l'échangeur est dépourvu de brûleur.
L'enveloppe comporte une manchette E d'admission des gaz chauds,
lesquels proviennent d'une source extérieure.
Cette manchette débouche à l'intérieur de l'enroulement de tubes 2.
Il s'agit là d'une disposition analogue à celle qui fait l'objet de la
figure 19 du brevet européen précité.
Les mêmes chiffres de référence ont été utilisés pour désigner des
éléments identiques à ceux du premier mode de réalisation, le cas échéant
affecté de
l'indice "prime" lorsque les éléments sont similaires mais non identiques.
Il s'agit ici d'un échangeur simple (sans préchauffage).
Les gaz chauds qui pénètrent dans l'enceinte intérieure de
(enveloppe, via la manchette E, s'échappent radialement de l'intérieur vers
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l'extérieur du faisceau tubulaire 2, réchauffant le fluide qui y circule ; les
gaz
refroidis s'échappent par la manchette 12.
Les éléments tubulaires constitutifs de (enroulement peuvent être
disposés en parallèle, les collecteurs d'entrée et de sortie 15'
respectivement 16'
5 assurant leur collecte et leur répartition soit en entrée soit en sortie des
tubes.
L'enveloppe l' est en matière plastique.
Les moyens de contention mécanique du faisceau sont similaires à
ceux du premier mode de réalisation.
Ils comprennent un j eu de quatre tirants qui sont fixés à leurs
10 extrémités, par soudure par exemple, à des plaques 30, 3'.
La plaque 30 située du côté de la manchette d'admission E est un
disque dont le centre présente une ouverture 300 venant en correspondance avec
le
passage d'entrée des gaz délimité par la manchette E.
La plaque de fond 3' est un disque non ajouré.
15 Il obture la partie arrière de l'enroulement, obligeant l'ensemble des
gaz chauds à sortir à travers les interstices des spires.
Pour éviter que la paroi de fond de (enveloppe située en regard de la
plaque 3', laquelle est exposée aux gaz chauds, un jeu j est prévu entre ces
deux
ëléments.
Bien entendu, cet appareil peut également être équipé d'une sonde de
température adaptée ~ pour arrêter (admission des gaz chauds lorsque la sonde
détecte une température excessive prédéterminée.
Pour revenir aux deux premiers modes de réalisation, il convient de
noter que le brûleur mis en oeuvre n'est pas forcément de forme cylindrique ;
il pourrait avoir une forme plate ou hémisphérique tout en restant solidaire
de la
porte.
Le gain de poids obtenu par l'utilisation d'une enveloppe plastique est
de l'ordre de 20 % par rapport à un appareil similaire, ayant les mêmes
performances, mais dont l'enveloppe est métallique.
La variante d'échangeur illustrée sur les figures 13 et 14 est
similaire, dans sa structure, à celle déjà décrite en référence aux figures 5
à 7 et c'est
pourquoi cette structure ne sera pas à nouveau décrite ici.
Cependant, comme cela va être expliqué, elle comporte une virole
qui joue le rôle d'un écran thermique.
En effet, la partie annulaire de paroi de l'enveloppe 1 qui entoure
l'enroulement 2 est garnie intérieurement d'une virole 100. Celle-ci est
réalisée en
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tôle mince d'acier inoxydable, dont l'épaisseur est par exemple 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 13), de l'ordre de 2 mm par exemple. Cet
S écartement est assuré grâce à une pluralité de plots d'appui 101 constitués
par des
cuvettes de faible dimension embouties dans la tôle de maniëre à former des
bossages faisant saillie vers l'extérieur de la virole. Comme le montrent les
figures
15 et 16 qui représentent 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 (appui contre
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 I00
à la paroi qui (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 13.
Dans le mode de réalisation illustré, la virole 100 est constituée de
deux parties distinctes, initialement planes, représentées sur les figures 15
et 16, et
référencées 100a, respectivement 100b.
Ce sont des bandes de tôle en acier inoxydable de largeur K et de
longueur Ll, respectivement L2.
Sur ses bords longitudinaux, chacune des bandes 100a, 100b,
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 Ll de la bande 100a est notablement supérieure à celle
LZ de la bande 100b.
La somme Ll + LZ correspond approximativement (compte tenu de
(espacement j) à la circonférence de la paroi interne de l'enveloppe 1 contre
laquelle viennent s'appliquer les bandes 100a et 100b après avoir été cintrées
pour
s'accommoder à la courbure de la paroi de l'enveloppe 1. Comme on le voit sur
la
figure 14, celle-ci a une section droite dont le contour est intermédiaire
entre un
cercle et un carré à angles arrondis.
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L'élément court 100b est placé du côté où sont situées les
embouchures 20', 21' des tubes, à (extérieur de ces dernières (sur la gauche
de la
figure 14), tandis que (élément long 100a est placé de (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 (enroulement 2.
En raison de leur élasticité, les deux bandes de tôle s'appliquent
intimement, par (intermédiaire de leurs bossages 101 contre la face interne de
(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 (enveloppe des gaz chauds circulant dans (échangeur, jouant le rôle
d'un
écran thermique ou isothermique.
Dans le cas où, comme sur le mode de réalisation illustré à la figure
13, la paroi de (enveloppe 1 présente un renfoncement ~0 dirigé vers
(intérieur, qui
reçoit une sonde de température 9, il va de soi que la virole est traversée en
cette
zone d'une ouverture appropriée dans laquelle s'insère la portion de paroi
renfoncée.
En cette zone, la paroi de (enveloppe, non protégée thermiquement, est donc
exposée à une température supérieure de celle du reste de la paroi, qui est
protégé
par la virole.
En pratique cela ne pose pas de difficulté car cette zone a une surface
très limitée, et (excès de chaleur qui y apparaît est évacué par transfert
thermique
vers la région de paroi avoisinante, moins chaude.
La présence de la virole a pour effet d'abaisser la température à
laquelle la paroi de (enveloppe est exposée d'une valeur de (ordre de 15 à
20° C, ce
qui permet de faire usage d'une matière plastique moins noble et par
conséquent
moins coûteuse que celle utilisable avec les modes de réalisation précédemment
décrits (dépourvus de virole), et/ou d'en améliorer la tenue dans le temps
ainsi que
la longévité.
