EP0319392B1 - Récupérateur de chaleur - Google Patents

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EP0319392B1
EP0319392B1 EP88402995A EP88402995A EP0319392B1 EP 0319392 B1 EP0319392 B1 EP 0319392B1 EP 88402995 A EP88402995 A EP 88402995A EP 88402995 A EP88402995 A EP 88402995A EP 0319392 B1 EP0319392 B1 EP 0319392B1
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EP
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tubes
tube
segments
heat
parallel
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Georges Vabre
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CHAUDIERES SECCACIER
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CHAUDIERES SECCACIER
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/0005—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for domestic or space-heating systems
    • F28D21/0007—Water heaters

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, in particular heat recovery of smoke, comprising tubes swept by the smoke and traversed by a heat transfer liquid, comprising a first set of tubes each formed by a succession of parallel straight segments, interconnected to each end by a connecting loop, the planes passing through two successive segments being inclined alternately on one side and the other with respect to the overall plane of the tube so that the successive segments are staggered with respect to the plane overall.
  • this exchanger is relatively complicated because the first set of tubes formed by a succession of parallel segments connected at each end by a loop receives a second set of tubes, similar, nested.
  • This realization is relatively delicate to implement and especially the directions of the rectilinear parts of the two sets of tubes are parallel. There are therefore preferential paths of circulation of the fluid around the tubes so that the efficiency of the exchange is not commensurate with the complexity of the production.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks and proposes to create a heat exchanger, in particular a heat recovery unit, of the above type, which is of simple construction, of great efficiency and of great operating reliability
  • the invention relates to a heat exchanger of the above type characterized by the characteristics of the characterizing part of the first claim.
  • each tube consists of a set of parallel straight segments connected by loops and only the two ends of the tube are fixed on the inlet manifold and the outlet manifold, this saves 2 (N-1) welds, N being the number of straight segments forming the tube.
  • the inlet and the outlet of the same tube (first set) are located on the same side.
  • This embodiment is a particularly advantageous solution because it simplifies the manufacture of the fact that the inlet manifold and the outlet manifold can be placed on the same side. This not only facilitates the production of the exchanger but also its integration into the flue that it must equip.
  • each tube (first set) are located in the extension of the respective segment.
  • This characteristic particularly facilitates the production of the tubes.
  • the exchanger is formed of a first set of tubes arranged in planes parallel to each other and perpendicular to the direction of passage of the fumes to be exhausted.
  • the exchanger comprises a second set of tubes, each tube of which is constituted by parallel segments connected by loops, the inlet and outlet of each tube are perpendicular to the direction of the segments and are located in the same side, each tube of this second set being placed in an interval formed by the homologous segments of the tubes of the first set.
  • the exchanger comprises a heat transfer inlet manifold and a heat transfer fluid departure manifold, located on the same side of the heat exchanger, these manifolds being common to the tubes of the two assemblies.
  • these manifolds are common to the two sets of tubes, it is also possible to subdivide these manifolds so as to separate the fluid passing through each set of tubes.
  • the arrival collector and the departure collector are produced by the partitioning of the same box.
  • the box forming the manifolds for the arrival and departure of the heat-transfer fluid consists of a rectangular torus of rectangular section.
  • the invention relates to a heat exchanger and, in particular a heat recovery unit intended to exhaust combustion fumes.
  • This exchanger comprises tubes swept by the fumes. The tubes are traversed by a heat transfer liquid.
  • each tube 1 is formed by a succession of straight segments 21-30, substantially parallel to each other.
  • the ends of two successive tubes are connected by a loop 31-39.
  • the straight segments and the connecting loops form a meandering path.
  • the inlet (outlet) 40 and the outlet (inlet) 41 of the tube are located on the same side of the substantially rectangular surface occupied by the tube. In Figure 1, this is on the left side.
  • FIG. 2 shows, more precisely, the three-dimensional structure of the tube 1.
  • the tube segments 21-30 are distributed two by two in two planes P100-P100 and P200-P200 parallel passing through the geometric axis of the segments concerned.
  • FIG. 3 shows another exchanger tube according to the invention.
  • This tube 50 consists of rectilinear segments 51-55, substantially parallel, connected by loops 60, 61, 64, 65.
  • the inlet (outlet) of tube 50 consists of a half-loop 62 terminated by a nozzle 66 and the other outlet (inlet) of the tube 50 consists of a half-loop 63 terminated by an end piece 67 of length such that the entry / exit openings of the end pieces 66-67 stop substantially in a plane parallel to the segments 51-55.
  • the exchanger block consists of a first set of tubes 1 ( Figures 1 and 2) arranged parallel to each other so as to form between them intervals 100 and intervals 200 in which are housed each time a tube 50 ( Figure 3) forming the second set of recovery tubes.
  • the orientation of the tubes 50 of the second set is such that the axis of the segments 51, 55 is perpendicular to the axis of the segments 21-29 of the tubes 1 of the first set.
  • the return by the end pieces 66, 67 is made perpendicular to the direction of the segments 51-55 whereas, for the tubes 1 of the first set, the inlet / outlet ends are parallel to the segments, the two sets of tubes can be connected to a distribution and collection box for heat transfer fluid, located on the same side.
  • FIGS 5-7 show such a box.
  • the box is in the form of a rectangular or square ring 70 in the form of a picture frame, the sides of which bear the references 71, 72, 73, 74.
  • the sides 71 and 72 are separated from the sides 73 and 74, by a partition 75-76.
  • the group of sides 71-72 has an opening 77 and the sides 73-74 have a nozzle 78.
  • the nozzle 77 constitutes the inlet nozzle and the nozzle 78, the outlet nozzle or vice versa.
  • the cover 80 of the box 70 is shown in FIG. 7. This figure shows the connection orifices 81, 82 of the tubes 1 and the connection orifices 83, 84 of the tubes 50.
  • Figure 6 shows the shape of the box with the cover 80 and the cavities corresponding to the different sides as described above.

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Description

  • La présente invention concerne un échangeur de chaleur, notamment récupérateur de chaleur de fumées, comportant des tubes balayés par les fumées et traversés par un liquide caloporteur, comportant un premier ensemble de tubes formé chacun par une succession de segments droits parallèles, reliés entre eux à chaque extrémité par une boucle de liaison, les plans passant par deux segments successifs étant inclinés alternativement d'un côté et de l'autre par rapport au plan d'ensemble du tube de façon que les segments successifs soient disposés en quinconce par rapport au plan d'ensemble.
  • Un tel échangeur est connu selon GB-A-591 602.
  • Toutefois, la réalisation de cet échangeur est relativement compliquée car le premier ensemble de tubes formé par une succession de segments parallèles reliés à chaque extrémité par une boucle reçoit un second ensemble de tubes, similaire, imbriqué. Cette réalisation est relativement délicate à mettre en oeuvre et surtout les directions des parties rectilignes des deux ensembles de tubes sont parallèles. Il y a de ce fait des chemins préférentiels de circulation du fluide autour des tubes si bien que le rendement de l'échange n'est pas à la mesure de la complexité de la réalisation.
  • La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et se propose de créer un échangeur de chaleur notamment un récupérateur de chaleur, du type ci-dessus, qui soit d'une réalisation simple, d'une grande efficacité et d'une grande fiabilité de fonctionnement
  • A cet effet, l'invention concerne un échangeur de chaleur du type ci-dessus caractérisé par les caractéristiques de la partie caractérisante de la première revendication.
  • Comme chaque tube se compose d'un ensemble de segments droits parallèles reliés par des boucles et que seules les deux extrémités du tube sont fixées sur le collecteur d'arrivée et le collecteur de départ, on économise ainsi 2(N-1) soudures, N étant le nombre de segments droits formant le tube.
  • Comme on peut raisonnablement prévoir une dizaine de segments droits par tube, cela évite 18 soudures par tube. Ce qui représente un gain de temps et de coût très important. De plus, cela réduit considérablement les problèmes liés aux contraintes engendrées par les soudures ainsi que les contraintes thermiques liées à la dilatation différente des tubes d'un point à un autre. L'ensemble se comporte, en effet, comme un élément élastique dont les différents méandres et segments droits absorbent les dilatations et les contraintes sans que cela ne se répercute de manière importante sur la soudure à chaque extrémité du tube.
  • Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'entrée et la sortie d'un même tube (premier ensemble) sont situées d'un même côté.
  • Cette réalisation est une solution particulièrement intéressante car elle simplifie la fabrication du fait que le collecteur d'arrivée et le collecteur de départ peuvent être placés du même côté. Cela facilite non seulement la réalisation de l'échangeur mais également son intégration dans le conduit de fumées qu'il doit équiper.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'entrée et la sortie de chaque tube (premier ensemble) sont situées dans le prolongement du segment respectif.
  • Cette caractéristique facilite tout particulièrement la réalisation des tubes.
  • Suivant une autre caractéristique, l'échangeur est formé d'un premier ensemble de tubes disposés dans des plans parallèles entre eux et perpendiculairement à la direction de passage des fumées à épuiser.
  • Suivant une caractéristique particulièrement intéressante, l'échangeur comporte un second ensemble de tubes dont chaque tube est constitué par des segments parallèles reliés par des boucles, l'entrée et la sortie de chaque tube sont perpendiculaires à la direction des segments et sont situées du même côté, chaque tube de ce second ensemble étant placé dans un intervalle formé par les segments homologues des tubes du premier ensemble.
  • Le croisement des segments de tubes des deux ensembles favorise de manière très importante le rendement de l'échangeur sans que cela ne nécessite un montage particulièrement délicat ou compliqué puisque les tubes du second ensemble viennent simplement dans l'intervalle laissé libre entre les segments du premier ensemble en étant croisés par rapport à ceux-ci et cela toujours perpendiculairement à la direction d'écoulement des gaz de combustion.
  • Suivant une autre caractéristique, l'échangeur comporte un collecteur d'arrivée caloporteur et un collecteur de départ de fluide caloporteur, situés du même côté de l'échangeur, ces collecteurs étant communs aux tubes des deux ensembles.
  • Bien que, de la manière la plus simple, ces collecteurs soient communs aux deux ensembles de tubes, il est également possible de subdiviser ces collecteurs de façon à séparer le fluide traversant chaque ensemble de tubes.
  • A la limite, il pourrait même s'agir d'un fluide différent ou appartenant à un circuit indépendant.
  • Suivant une autre caractéristique de l'invention, le collecteur d'arrivée et le collecteur de départ sont réalisés par le cloisonnement d'une même boîte.
  • De manière particulièrement intéressante, la boîte formant les collecteurs d'arrivée et de départ du fluide caloporteur est constituée par un tore rectangulaire de section rectangulaire.
  • La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels:
    • la figure 1 est une vue en plan d'un tube d'échangeur selon l'invention,
    • la figure 2 est une vue de profil du tube de la figure 1,
    • la figure 3 est une vue en plan d'un autre type de tube d'échangeur, selon l'invention,
    • la figure 4 montre un bloc échangeur formé de tubes selon les figures 1 à 3,
    • la figure 5 est une vue de face de la boîte de distribution de fluide du bloc échangeur,
    • la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5,
    • la figure 7 est une vue de la plaque recevant les orifices d'entrée et de sortie des tubes formant l'échangeur.
  • Selon les figures, l'invention concerne un échangeur de chaleur et, en particulier un récupérateur de chaleur destiné à épuiser des fumées de combustion. Cet échangeur comporte des tubes balayés par les fumées. Les tubes sont traversés par un liquide caloporteur.
  • Selon les figures 1 et 2, chaque tube 1 est formé par une succession de segments droits 21-30, sensiblement parallèles entre-eux. Les extrémités de deux tubes successifs sont reliées par une boucle 31-39.
  • En vue en plan, selon la figure 1, les segments droits et les boucles de liaison forment un tracé en méandres. L'orifice d'entrée (sortie) 40 et l'orifice de sortie (entrée) 41 du tube sont situés du même côté de la surface sensiblement rectangulaire occupée par le tube. A la figure 1, il s'agit du côté gauche.
  • La figure 2 montre, de manière plus précise, la structure tridimensionnelle du tube 1.
  • Selon l'invention, les segments de tube 21-30 sont répartis deux à deux dans deux plans P₁₀₀-P₁₀₀ et P₂₀₀-P₂₀₀ parallèles passant par l'axe géométrique des segments concernés.
  • Dans le cas d'un nombre pair de segments comme aux figures 1 et 2, les segments d'extrémité 21-30 appartiennent à un plan différent. Dans le cas d'un nombre impair de segments, les segments d'extrémités appartiennent au même plan. Pour l'un et l'autre cas, le montage est le même.
  • Il est également intéressant de considérer les plans P₁, P₂, P₃... Pn passant par l'axe géométrique de deux segments successifs 30, 29, 29, 28, 28, 27... Ces différents plans font entre eux un angle si bien que les segments successifs sont disposés en quinconce et favorisent le rendement de l'échange thermique entre les fumées circulant dans le sens de la flèche F c'est-à-dire parallèlement aux plans P₁₀₀-P₁₀₀ ou P₂₀₀-P₂₀₀ appelés "plan du tube" et le fluide caloporteur passant dans le tube.
  • La figure 3 montre un autre tube échangeur selon l'invention. Ce tube 50 se compose de segments rectilignes 51-55, sensiblement parallèles, reliés par des boucles 60, 61, 64, 65. L'entrée (sortie) du tube 50 se compose d'une demi-boucle 62 terminée par un embout 66 et l'autre sortie (entrée) du tube 50 se compose d'une demi-boucle 63 terminée par un embout 67 de longueur telle que les orifices d'entrée/sortie des embouts 66-67 s'arrêtent sensiblement dans un plan parallèle aux segments 51-55.
  • Selon la figure 4, le bloc échangeur se compose d'un premier ensemble de tubes 1 (figures 1 et 2) disposés parallèlement les uns aux autres de manière à former entre eux des intervalles 100 et des intervalles 200 dans lesquels se logent à chaque fois un tube 50 (figure 3) formant le second ensemble de tubes du récupérateur.
  • L'orientation des tubes 50 du second ensemble est telle que l'axe des segments 51, 55 soit perpendiculaire à l'axe des segments 21-29 des tubes 1 du premier ensemble.
  • Comme par ailleurs, sur les tubes 50, le retour par les embouts 66, 67 se fait perpendiculairement à la direction des segments 51-55 alors que, pour les tubes 1 du premier ensemble, les embouts entrée/sortie sont parallèles aux segments, les deux ensembles de tubes peuvent être reliés à une boîte de distribution et de collecte de fluide caloporteur, située d'un même côté.
  • Les figures 5-7 représentent une telle boîte. La boîte se présente sous la forme d'un anneau rectangulaire ou carré 70 en forme de cadre de tableau dont les côtés portent les références 71, 72, 73, 74. Les côtés 71 et 72 sont séparés des côtés 73 et 74, par une cloison 75-76. Le groupe de côtés 71-72 comporte une ouverture 77 et les côtés 73-74 comportent un ajutage 78.
  • Suivant le sens de circulation du fluide caloporteur et des fumées, l'ajutage 77 constitue l'ajutage d'entrée et l'ajutage 78, l'ajutage de sortie ou inversement.
  • Le couvercle 80 de la boîte 70 est représenté à la figure 7. Cette figure montre les orifices de branchement 81, 82 des tubes 1 et les orifices de branchement 83, 84 des tubes 50.
  • La figure 6 montre la forme de la boîte avec le couvercle 80 et les cavités correspondant aux différents côtés comme décrits ci-dessus.

Claims (7)

1. Echangeur de chaleur, notamment récupérateur de chaleur de fumées, comportant des tubes balayés par les fumées et traversés par un liquide caloporteur, comportant un premier ensemble de tubes (1) formé chacun par une succession de segments (21-30) droits parallèles, reliés ente eux à chaque extrémité par une boucle de liaison (31-39), les plans (P₁,P₂...Pn) passant par deux segments (21-30) successifs étant inclinés alternativement d'un côté et de l'autre par rapport au plan d'ensemble (P₁₀₀-P₁₀₀; P₂₀₀-P₂₀₀) du tube (1) de façon que les segments successifs soient disposés en quinconce par rapport au plan d'ensemble, échangeur caractérisé en ce qu'il comporte:
- un second ensemble de tubes (50), formé de tubes (50) dont chacun est constitué par des segments parallèles (51-55) reliés par des boucles (60-63), l'entrée et la sortie (66, 67) de chaque tube, étant perpendiculaires à la direction des segments (51-55), étant situées du même côté,
- chaque tube (50) de ce second ensemble étant placé dans un intervalle (100, 200) formé par les segments homologues (21-30) des tubes (1) du premier ensemble, disposés de manière parallèle.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée et la sortie (40, 41) d'un même tube (1) du premier ensemble sont situées d'un même côté.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée et la sortie (40, 41) de chaque tube (1) du second ensemble sont situées dans le prolongement du segment (21, 30) respectif.
4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est formé d'un premier ensemble de tubes (1) disposés dans des plans parallèles entre eux et parallèlement à la direction de passage (F) des fumées à épuiser.
5. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur d'arrivée caloporteur et un collecteur de départ (70) de fluide caloporteur, situés du même côté de l'échangeur, ces collecteurs étant communs aux tubes (1, 50) des deux ensembles.
6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le collecteur d'arrivée et le collecteur de départ sont réalisés par le cloisonnement (75-76) d'une même boîte (70).
7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la boîte (70) formant les collecteurs d'arrivée et de départ du fluide caloporteur est constituée par un tore rectangulaire de section rectangulaire.
EP88402995A 1987-12-02 1988-11-29 Récupérateur de chaleur Expired - Lifetime EP0319392B1 (fr)

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FR8716708 1987-12-02

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EP0319392A1 EP0319392A1 (fr) 1989-06-07
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