FR2703767A1 - Heat exchanger having a bundle of closely spaced tubes and a boiler thus equipped - Google Patents

Abstract

The invention relates to a device for exchanging heat between a first heat-exchange fluid circulating in a bundle of closely spaced and mutually parallel tubes (10) having constricted end portions (12, 13) inserted into two support plates (20, 30), and a second heat-exchange fluid circulating outside the tubes, between the plates. Application to central heating boilers of the condensation type.

Description

La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'échange de chaleur, et plus particulièrement mais non exclusivement un dispositif d'échange de chaleur destiné à équiper une chaudière de chauffage central du type à condensation. The present invention relates to the field of heat exchange devices, and more particularly but not exclusively a heat exchange device intended to equip a central heating boiler of the condensing type.

On connaît des dispositifs d'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur, gazeux ou liquide, circulant dans un faisceau de tubes parallèles entre eux, insérés à leurs extrémités dans deux plaques de support et un deuxième fluide caloporteur, gazeux ou liquide, cheminant à l'extérieur des tubes entre les plaques. Heat exchange devices are known between a first heat transfer fluid, gaseous or liquid, circulating in a bundle of tubes parallel to each other, inserted at their ends in two support plates and a second heat transfer fluid, gas or liquid, traveling at the outside of the tubes between the plates.

Pour assurer un bon transfert de chaleur entre les premier et deuxième fluides caloporteurs on a proposé de réaliser les tubes dans des matériaux très bons conducteurs de la chaleur comme le cuivre ou l'aluminium. Toutefois, l'emploi de ces métaux est à proscrire pour réaliser certains dispositifs d'échange de chaleur, notamment ceux destinés à équiper des chaudières du type à condensation dans lesquelles de l'eau circule dans les tubes et des produits de combustion gazeux à l'extérieur. Dans ce type de chaudières, les produits de combustion, encore appelés fumées, se condensent en partie sur les tubes et contiennent des substances, telles que de l'acide sulfurique, qui corrodent le cuivre, tandis que de l'oxygène normalement dissout dans l'eau attaque l'aluminium. To ensure good heat transfer between the first and second heat transfer fluids, it has been proposed to produce the tubes in materials which are very good conductors of heat such as copper or aluminum. However, the use of these metals is to be avoided to produce certain heat exchange devices, in particular those intended to equip boilers of the condensing type in which water circulates in the tubes and gaseous combustion products at l 'outside. In this type of boiler, the products of combustion, also called smoke, partly condense on the tubes and contain substances, such as sulfuric acid, which corrode copper, while oxygen normally dissolved in the water attacks aluminum.

On a proposé, pour remédier à ces problèmes de corrosion, de réaliser les tubes en acier inoxydable. Ce dernier matériau présente néanmoins un mauvais coefficient de conduction thermique et pour disposer d'une surface d'échange permettant un transfert de chaleur équivalent à celui des dispositifs connus utilisant des tubes lisses en aluminium ou en cuivre, il faut utiliser un grand nombre de tubes en acier inoxydable ou munir ces derniers d'ailettes, ce qui conduit à des dispositifs d'échange de chaleur encombrants, complexes et d'un coût élevé. It has been proposed, to remedy these corrosion problems, to produce stainless steel tubes. The latter material nevertheless has a poor coefficient of thermal conduction and to have an exchange surface allowing a heat transfer equivalent to that of known devices using smooth aluminum or copper tubes, it is necessary to use a large number of tubes stainless steel or provide the latter with fins, which leads to bulky, complex and costly heat exchange devices.

L'invention a pour objet de proposer un dispositif d'échange de chaleur remédiant aux inconvénients précités. The object of the invention is to propose a heat exchange device overcoming the aforementioned drawbacks.

La présente invention y parvient par le fait que les tubes présentent des portions d'extrémités rétrécies. Ainsi, ces derniers peuvent être fixés de manière simple (par sertissage ou soudure) aux plaques de support sans risquer d'affaiblir mécaniquement les plaques et les tubes ménagent un espacement suffisamment faible entre eux et avec les plaques de sorte que le faisceau de tubes offre une perte de charge élevée à Ia traversée par un fluide caloporteur. On obtient ainsi, avec un nombre réduit de tubes et sans qu'il soit nécessaire de munir ces derniers d'ailettes, un bon échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur circulant dans les tubes et un deuxième fluide caloporteur cheminant à l'extérieur des tubes. The present invention achieves this by the fact that the tubes have narrowed end portions. Thus, the latter can be fixed in a simple manner (by crimping or welding) to the support plates without the risk of mechanically weakening the plates and the tubes providing a sufficiently small spacing between them and with the plates so that the bundle of tubes offers a high pressure drop at Ia traversed by a heat transfer fluid. There is thus obtained, with a reduced number of tubes and without it being necessary to provide the latter with fins, a good heat exchange between a first heat transfer fluid circulating in the tubes and a second heat transfer fluid traveling outside the tubes.

Avantageusement, lesdites portions d'extrémités rétrécies présentent un diamètre externe DR égal à DM - 4, OÙ DM, exprimé en millimètres, correspond au diamètre externe de la portion principale des tubes s'étendant entre lesdites portions d'extrémités rétrécies. De préférence, l'espacement entre les tubes, mesuré entre lesdites portions principales, est inférieur à 1,6 mm. Advantageously, said portions of narrowed ends have an external diameter DR equal to DM - 4, OÙ DM, expressed in millimeters, corresponds to the external diameter of the main portion of the tubes extending between said portions of narrowed ends. Preferably, the spacing between the tubes, measured between said main portions, is less than 1.6 mm.

De préférence, chacune desdites portions d'extrémités rétrécies s'étend au moins sur toute l'épaisseur de la plaque de support dans laquelle elle est insérée. Avantageusement, les tubes présentent une portion d'extrémité rétrécie de longueur au moins égale à la somme des épaisseurs des deux plaques de support. Preferably, each of said narrowed end portions extends at least over the entire thickness of the support plate into which it is inserted. Advantageously, the tubes have a narrowed end portion of length at least equal to the sum of the thicknesses of the two support plates.

L'invention a également pour objet une chaudière équipée d'un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention. Dans ce cas, de préférence, le premier fluide caloporteur est de l'eau et le deuxième fluide caloporteur est un produit gazeux de combustion. The invention also relates to a boiler equipped with a heat exchange device according to the invention. In this case, preferably, the first heat transfer fluid is water and the second heat transfer fluid is a gaseous product of combustion.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe axiale, schématique et partielle, d'un
dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus, schématique et partielle, selon l'axe des
tubes représentés sur la figure 1, et - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une extrémité d'un tube conforme
à un mode de réalisation avantageux de l'invention.Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the description which follows and on examining the appended drawing in which - FIG. 1 is a view in axial section, schematic and partial, of a
heat exchange device according to the invention, - Figure 2 is a top view, schematic and partial, along the axis of
tubes shown in Figure 1, and - Figure 3 is an axial sectional view of one end of a conforming tube
to an advantageous embodiment of the invention.

Un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention est avantageusement destiné à équiper une chaudière de chauffage central du type à condensation, pour réaliser un échange de chaleur entre des produits de combustion gazeux, encore appelés fumées" et un liquide caloporteur tel que de l'eau, circulant en circuit fermé dans un circuit de chauffage comprenant des radiateurs.  A heat exchange device according to the invention is advantageously intended to equip a central heating boiler of the condensation type, to carry out a heat exchange between gaseous combustion products, also called fumes "and a heat transfer liquid such as water, circulating in a closed circuit in a heating circuit comprising radiators.

Le dispositif d'échange de chaleur représenté sur les figures réalise un échange de chaleur entre de l'eau circulant dans un faisceau de tubes identiques 10, d'axes X verticaux et des fumées cheminant à l'extérieur 7 des tubes à travers le faisceau selon le chemin F par exemple. Le plan de coupe de la figure 1 contient l'axe longitudinal X des tubes 10 représentés sur cette figure. Les tubes 10 sont insérés respectivement à leurs extrémités axiales supérieures 12 et inférieures 13 dans des perforations 21 et 31 de plaques de support perforées supérieure 20 et inférieure 30 formant entretoises pour les tubes. Les plaques de support 20 et 30 sont planes et horizontales et présentent une forme générale annulaire symétrique de révolution autour d'un axe central vertical non représenté, situé vers la gauche sur la figure 1.La plaque de support inférieure 30 est respectivement soudée sur ses bords radialement interne 33 et externe 34 à des parois 39a et 39b d'une chambre 1 de distribution de l'eau dans les tubes, connue en ellemême et non décrite plus en détail. La plaque de support supérieure 20 est respectivement soudée sur ses bords radialement interne 23 et externe 24 à des parois 29a et 29b d'une chambre de collecte 2, connue en elle-même et non décrite plus en détail. Les parois 29a, 29b, 39a et 39b sont de préférence symétriques de révolution autour de l'axe central vertical précité. Comme indiqué par les flèches E, l'eau circule de bas en haut à l'intérieur 6 des tubes 10.Un brûleur de chaudière connu en lui-même et non représenté est placé au centre de la chaudière, selon l'axe central vertical précité et le faisceau de tubes 10 s'étend tout autour de cet axe central vertical, de sorte que les produits de combustion traversent le faisceau de tubes 10 radialement depuis l'espace 3 radialement intérieur au faisceau, contenant le brûleur, vers l'espace 4 radialement extérieur au faisceau, pour réchauffer l'eau circulant à l'intérieur des tubes. De préférence, des chicanes connues en elles-mêmes et non représentées sont insérées entre les tubes pour forcer les produits de combustion à effectuer des aller et retour radialement de 3 en 4 et inversement à travers le faisceau, de façon descendante, afin de réaliser un échange de chaleur méthodique à contre-courant entre les produits de combustion et l'eau circulant à l'intérieur des tubes. The heat exchange device shown in the figures performs a heat exchange between water circulating in a bundle of identical tubes 10, of vertical X axes and of fumes traveling outside 7 of the tubes through the bundle along the path F for example. The section plane of Figure 1 contains the longitudinal axis X of the tubes 10 shown in this figure. The tubes 10 are inserted respectively at their upper axial 12 and lower 13 ends in perforations 21 and 31 of perforated support plates upper 20 and lower 30 forming spacers for the tubes. The support plates 20 and 30 are planar and horizontal and have a generally annular shape symmetrical of revolution around a vertical central axis not shown, situated to the left in FIG. 1. The lower support plate 30 is respectively welded on its radially inner 33 and outer 34 edges to walls 39a and 39b of a chamber 1 for distributing water in the tubes, known per se and not described in more detail. The upper support plate 20 is respectively welded on its radially internal 23 and external 24 edges to walls 29a and 29b of a collection chamber 2, known in itself and not described in more detail. The walls 29a, 29b, 39a and 39b are preferably symmetrical in revolution around the above-mentioned vertical central axis. As indicated by the arrows E, the water circulates from bottom to top inside 6 of the tubes 10.A boiler burner known in itself and not shown is placed in the center of the boiler, along the vertical central axis above and the bundle of tubes 10 extends all around this vertical central axis, so that the products of combustion pass through the bundle of tubes 10 radially from the space 3 radially inside the bundle, containing the burner, towards the space 4 radially outside the bundle, to heat the water circulating inside the tubes. Preferably, baffles known in themselves and not shown are inserted between the tubes to force the combustion products to go back and forth radially from 3 to 4 and vice versa through the beam, in a descending manner, in order to achieve a methodical heat exchange against the current between the products of combustion and the water circulating inside the tubes.

Conformément à l'invention, les tubes présentent des portions d'extrémités 12 et 13 rétrécies. Ces portions d'extrémités rétrécies 12 et 13 sont obtenues par déformation de tubes de diamètre externe constant DM, par tout moyen approprié connu de l'homme de métier. Elles se raccordent au reste du tube non déformé, appelé portion principale et référencée 16, par des zones de transition 14 inclinées sensiblement à 45 , dans l'exemple décrit, sur les axes longitudinaux X des tubes.De préférence, comme représenté, les tranches d'extrémités des tubes sont coplanaires avec la face supérieure de la plaque supérieure 20 et la face inférieure de la plaque inférieure 30 respectivement Avantageusement, les portions d'extrémités rétrécies 12 et 13 présentent un diamètre externe DR égal à DM - 4, où DM est exprimé en millimètres, de façon à ménager un espacement de préférence supérieur à 5 mm entre les perforations 21 et 31 des plaques, permettant d'assurer une bonne tenue mécanique de ces dernières lors de la fixation des tubes et un espacement de préférence inférieur à 1,6 mm entre les portions principales des tubes, de sorte que le faisceau de tubes présente une perte de charge élevée à la traversée par les fumées.A titre indicatif, dans l'exemple de réalisation décrit, le diamètre externe DM des portions principales des tubes entre lesdites portions d'extrémités rétrécies vaut 20 mm et le diamètre externe DR de ces dernières vaut 16 mm. En ménageant un espacement minimal d entre les surfaces externes de deux portions principales de tubes 10 adjacents égal à 1 mm, les portions d'extrémités rétrécies des tubes sont espacées de e = 20 + 1 - 16 = 5 mm, de sorte que l'on peut fixer les tubes sur les plaques de support par sertissage (encore appelé dudgeonnage) ou soudage sans détérioration de ces dernières. According to the invention, the tubes have narrowed end portions 12 and 13. These narrowed end portions 12 and 13 are obtained by deformation of tubes of constant external diameter DM, by any suitable means known to those skilled in the art. They are connected to the rest of the non-deformed tube, called the main portion and referenced 16, by transition zones 14 inclined substantially at 45, in the example described, on the longitudinal axes X of the tubes. Preferably, as shown, the sections tube ends are coplanar with the upper face of the upper plate 20 and the lower face of the lower plate 30 respectively Advantageously, the narrowed end portions 12 and 13 have an external diameter DR equal to DM - 4, where DM is expressed in millimeters, so as to provide a spacing preferably greater than 5 mm between the perforations 21 and 31 of the plates, making it possible to ensure good mechanical strength of the latter when fixing the tubes and a spacing preferably less than 1.6 mm between the main portions of the tubes, so that the tube bundle has a high pressure drop when passing through the f As an indication, in the embodiment described, the external diameter DM of the main portions of the tubes between said portions of narrowed ends is 20 mm and the external diameter DR of the latter is 16 mm. By leaving a minimum spacing d between the external surfaces of two main portions of adjacent tubes 10 equal to 1 mm, the narrowed end portions of the tubes are spaced e = 20 + 1 - 16 = 5 mm, so that the the tubes can be fixed to the support plates by crimping (also called swaging) or welding without deterioration of the latter.

Dans la réalisation décrite sur la figure 1, les portions d'extrémités rétrécies 12 et 13 ont une longueur égale à l'épaisseur des plaques de support 20 et 30 dans lesquelles celles-ci sont respectivement engagées. In the embodiment described in FIG. 1, the narrowed end portions 12 and 13 have a length equal to the thickness of the support plates 20 and 30 in which these are respectively engaged.

Dans le mode de réalisation avantageux correspondant à la figure 3, la portion d'extrémité rétrécie inférieure des tubes, référencée 13', présente une longueur égale à la somme des épaisseurs des plaques de support inférieure 30 et supérieure 20 et la portion d'extrémité supérieure 12 une longueur égale à l'épaisseur de la plaque de support supérieure 20, de façon à permettre un montage aisé des tubes et des plaques de support, en procédant de préférence de la façon suivante. La plaque de support inférieure 30 est soudée aux parois 39a et 39b et les tubes sont insérés par leur portion d'extrémité rétrécie inférieure 13' dans les perforations 31 de la plaque de support inférieure 30 jusqu'à venir en butée axialement par les zones de transition 14 contre la face supérieure 30a de cette dernière.La plaque de support supérieure 20 est alors positionnée de sorte que sa face inférieure 20a se situe légèrement au-dessus des extrémités supérieures 12 des tubes, puis la plaque supérieure 20 est soudée aux parois 29a et 29b. Ensuite, les tubes sont relevés et engagés par leur portion d'extrémité supérieure rétrécie 12 dans les perforations 21 de la plaque supérieure 20. Les tubes sont fixés aux plaques 20 et 30 de façon connue en soi, de préférence par sertissage et le cas échéant par soudage. Dans le cas où des chicanes sont utilisées, celles-ci sont enfilées sur les tubes avant que ces derniers ne soient relevés et fixés à la plaque supérieure.Les portions d'extrémités rétrécies inférieures 13' ménagent alors un espace assez important entre elles audessus de la plaque inférieure 30, facilitant le passage des produits de combustion et diminuant la perte de charge opposée par le faisceau à ce niveau. Ceci n'est pas gênant dans le cas où l'on utilise des chicanes comme précité pour réaliser un échange méthodique à contre-courant car la quantité de chaleur échangée à ce niveau, après plusieurs traversées du faisceau par les produits de combustion, est faible. Dans le cas où les plaques de support supérieure 20 et inférieure 30 présentent la même épaisseur, la longueur de la portion d'extrémité rétrécie inférieure 13' vaut bien entendu le double de la portion d'extrémité supérieure 12. In the advantageous embodiment corresponding to FIG. 3, the lower narrowed end portion of the tubes, referenced 13 ′, has a length equal to the sum of the thicknesses of the lower 30 and upper support plates 20 and the end portion upper 12 a length equal to the thickness of the upper support plate 20, so as to allow easy mounting of the tubes and support plates, preferably proceeding as follows. The lower support plate 30 is welded to the walls 39a and 39b and the tubes are inserted through their lower narrowed end portion 13 ′ into the perforations 31 of the lower support plate 30 until they come into abutment axially by the zones of transition 14 against the upper face 30a of the latter. The upper support plate 20 is then positioned so that its lower face 20a is located slightly above the upper ends 12 of the tubes, then the upper plate 20 is welded to the walls 29a and 29b. Then, the tubes are raised and engaged by their narrowed upper end portion 12 in the perforations 21 of the upper plate 20. The tubes are fixed to the plates 20 and 30 in a manner known per se, preferably by crimping and if necessary by welding. In the case where baffles are used, these are threaded onto the tubes before the latter are lifted and fixed to the upper plate. The lower narrowed end portions 13 ′ then provide a fairly large space between them above the lower plate 30, facilitating the passage of the combustion products and reducing the pressure drop opposed by the beam at this level. This is not annoying in the case where baffles are used as above to carry out a methodical exchange against the current because the amount of heat exchanged at this level, after several crossings of the beam by the combustion products, is low . In the case where the upper 20 and lower 30 support plates have the same thickness, the length of the lower narrowed end portion 13 ′ is of course twice the upper end portion 12.

De préférence, les tubes et plaques de support sont réalisés en acier inoxydable. Preferably, the tubes and support plates are made of stainless steel.

On peut bien entendu proposer d'utiliser un dispositif d'échange de chaleur conforme à l'invention dans d'autres applications, pour réaliser un échange de chaleur entre deux liquides par exemple.  It is of course proposed to use a heat exchange device according to the invention in other applications, to perform a heat exchange between two liquids for example.

Claims (13)

REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur circulant dans un faisceau de tubes (10) parallèles entre eux, insérés à leurs extrémités dans deux plaques de support (20, 30) et un deuxième fluide caloporteur cheminant à I'extérieur des tubes entre les plaques, caractérisé en ce que les tubes présentent des portions d'extrémités rétrécies (12, 13). 1 / Heat exchange device between a first heat transfer fluid circulating in a bundle of tubes (10) parallel to each other, inserted at their ends in two support plates (20, 30) and a second heat transfer fluid traveling outside tubes between the plates, characterized in that the tubes have narrowed end portions (12, 13). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites portions d'extrémités rétrécies (12, 13) présentent un diamètre externe DR égal à DM - 4, où DM, exprimé en millimètres, correspond au diamètre externe de la portion principale (16) des tubes (10) s'étendant entre lesdites portions d'extrémités rétrécies (12, 13). 2 / Device according to claim 1, characterized in that said narrowed end portions (12, 13) have an external diameter DR equal to DM - 4, where DM, expressed in millimeters, corresponds to the external diameter of the main portion ( 16) tubes (10) extending between said narrowed end portions (12, 13). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'espacement (d) entre les tubes (10), mesuré entre lesdites portions principales (16), est inférieur à 1,6 mm. 3 / Device according to one of claims 1 and 2, characterized in that the spacing (d) between the tubes (10), measured between said main portions (16), is less than 1.6 mm. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune desdites portions d'extrémités rétrécies (12, 13) s'étend au moins sur toute l'épaisseur de la plaque de support (20, 30) dans laquelle elle est insérée. 4 / Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that each of said narrowed end portions (12, 13) extends at least over the entire thickness of the support plate (20, 30) in which it is inserted. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes (10) présentent une portion d'extrémité rétrécie (13') de longueur au moins égale à la somme des épaisseurs des deux plaques de support. 5 / Device according to claim 4, characterized in that the tubes (10) have a narrowed end portion (13 ') of length at least equal to the sum of the thicknesses of the two support plates. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier fluide caloporteur est de l'eau. 6 / Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first heat transfer fluid is water. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième fluide caloporteur est un produit gazeux de combustion. 7 / Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second heat transfer fluid is a gaseous combustion product. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les plaques de support (20, 30) présentent une forme annulaire. 8 / Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the support plates (20, 30) have an annular shape. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes et plaques de support sont réalisés en acier inoxydable. 9 / Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the tubes and support plates are made of stainless steel. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes sont fixés à leurs extrémités aux plaques de support par sertissage.  10 / Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the tubes are fixed at their ends to the support plates by crimping. 11/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tubes sont fixés à leurs extrémités aux plaques de support par soudage. 11 / Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the tubes are fixed at their ends to the support plates by welding. 12/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est destiné à équiper une chaudière du type à condensation. 12 / Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that it is intended to equip a boiler of the condensing type. 13/ Chaudière équipée du dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 12.  13 / Boiler equipped with the heat exchange device according to claim 12.