Elément échangeur de chaleur à haut rendement destiné à constituer le corps de chauffe d'une chaudière sectionnable

Description

[0001] Le chauffage par le sol et certains éléments chauffants par circulation d'eau pour pièces et locaux permettent d'utiliser pour se chauffer de l'eau à température dite basse se situant jusque dans la gamme 20°C-35°C.

[0002] L'idéal en terme de rendement consiste à utiliser directement l'eau sortant de la chaudière portée à ces températures considérées comme faibles dans le domaine du chauffage.

[0003] Les chaudières servant de l'eau à si basse température condensent dans la partie aval du trajet des gaz de combustion entraînant les inconvénients que l'on connaît : corrosion par les condensats acides provoquant la détérioration des éléments échangeurs, difficultés liées à la collecte et à l'évacuation des condensats.

[0004] Pour augmenter le rendement des éléments échangeurs des chaudières sectionnables, on utilise des picots qui hérissent les surfaces planes en regard de deux éléments échangeurs successifs et dont les structures s'imbriquent les unes dans les autres pour réaliser un ralentissement adapté des gaz et fumées de combustion qui se débarrassent de leurs calories pendant leur progression le long des éléments échangeurs.

[0005] Une autre caractéristique connue pour augmenter le rendement de ces éléments échangeurs concerne la présence d'une chicane intérieure matérialisée par deux parois transversales décalées qui font corps chacune avec la paroi adjacente de l'élément échangeur.

[0006] Ces éléments échangeurs sont réalisés habituellement en fonte de fonderie entraînant la confection de moules de fonderie assez complexes avec utilisation de noyaux en sable pour la formation des corps creux.

[0007] Ces parois intérieures compliquent la réalisation du noyau de sable de fonderie et constituent des zones transversales creuses qui le fragilisent. Ainsi, le risque de rupture, de détérioration ou simplement de déformation des noyaux se montre important. Ce risque entraîne l'augmentation du nombre de pièces défectueuses qu'il faut jeter ou ferrailler. De plus, la présence de ces parois formant une chicane contrarie l'évacuation du sable après constitution de la pièce. En effet, le sable se déverse mal vers les seules sorties existantes de la chambre intérieure qui sont les orifices prévus pour l'entrée et la sortie du fluide caloporteur. Encore plus problématique, l'angle de jonction entre chaque paroi transversale formant la chicane et la paroi de l'élément échangeur est rentrant, formant un véritable piège de rétention pour le sable qui s'avère difficile à déloger de ces endroits.

[0008] On a remédié à cet inconvénient en réalisant des ouvertures d'évacuation du sable au droit des compartiments délimités par les parois transversales de la chicane. Le sable s'évacue à peu près totalement par ces orifices et cette solution s'avère satisfaisante sur ce point. Par contre, les orifices doivent être rebouchés pour permettre l'utilisation technique de l'élément échangeur. On est donc amené à réaliser des travaux mécaniques supplémentaires de rebouchage. On réalise ce rebouchage fréquemment en taraudant les parois des orifices puis en les obturant par des bouchons filetés. On comprend que ces travaux supplémentaires renchérissent notablement le prix de l'élément échangeur et augmentent sa durée de fabrication tout en le compliquant techniquement et en le fragilisant mécaniquement.

[0009] On connaît également un échangeur, décrit dans la demande de brevet DE 3622 266 au nom de VAILLANT, qui comporte dans sa chambre intérieure des déflecteurs de petites dimensions qui ne sont pas en contact avec les parois latérales de l'échangeur.

[0010] Il s'agit d'un échangeur classique à picots extérieurs qui présente deux déflecteurs inclinés ouverts légèrement en éventail. En raison de leur emplacement et de leur faible longueur, ils procurent simplement un effet hydrodynamique d'ensemble en orientant préférentiellement le flux vers le haut et vers la paroi en regard.

[0011] Les deux déflecteurs ne constituent pas réellement une chicane. Ils ne font qu'orienter légèrement le flux afin de diminuer les zones dormantes. Ils n'allongent pas énormément le parcours du fluide, une grande majorité du flux pouvant même passer directement de l'orifice d'entrée à l'orifice de sortir sans avoir été déviée. L'amélioration de l'échange thermique est donc très faible.

[0012] L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en réalisant par fonderie un élément échangeur avec chicane à faible risque de défaut de fabrication et exempt de résidus de sable après sa phase d'évacuation, élément échangeur qui présente en plus un haut rendement d'échange thermique.

[0013] Comme déjà indiqué le nouveau noyau de sable assure une fabrication industrielle à faible risque de défaut(s) consécutif(s) à une dégradation ou à une rupture du noyau de sable.

[0014] A cet effet l'invention se rapporte à un élément échangeur à haut rendement pour chaudière sectionnable présentant une structure intérieure de chicane délimitée par deux structures transversales constituée chacune d'un plan transversal oblique et d'un déflecteur incliné distants l'un de l'autre pour former un moyen déflecteur et une chicane secondaire.

[0015] Grâce à cette structure, l'invention permet après moulage d'évacuer totalement par les orifices existants les résidus de noyau se logeant dans les angles rentrants au niveau des extrémités des déflecteurs à proximité du corps de l'élément échangeur.

[0016] Par ailleurs, on augmente encore le rendement général de l'élément échangeur en allongeant le trajet de l'eau à l'intérieur de la chambre et en supprimant les zones dormantes au niveau des parois de chicane.

[0017] Comme déjà indiqué, la suppression des parois transversales de chicane de grande longueur et jointives avec le corps de l'échangeur procure au noyau une résistance mécanique suffisante pour garantir une fabrication industrielle sans défaut(s) intérieur(s).

[0018] Le noyau renforcé par des attaches qui améliorent sa cohésion résiste systématiquement aux différentes contraintes du moulage.

[0019] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention sont consignés dans la description qui suit effectuée à titre non-limitatif, en référence aux dessins accompagnants sur lesquels :

. la figure 1 est une vue en coupe verticale le long de la chambre intérieure d'un élément échangeur selon l'art antérieur ;

. la figure 2 est une vue en coupe verticale le long de la chambre intérieure d'un élément échangeur selon l'invention ;

. la figure 3 est une vue en coupe verticale le long de la chambre intérieure d'un élément échangeur selon l'invention montrant le trajet des courants d'eau entre l'orifice inférieur d'entrée et l'orifice supérieur de sortie ;

. la figure 4 est une vue schématique approximative et générale en perspective du noyau en sable de fonderie correspondant au corps creux de l'élément échangeur selon l'invention ;

. la figure 5 est une vue en plan d'un élément échangeur conforme à l'invention

. la figure 6 est une vue en coupe transversale verticale selon la ligne VI-VI de la figure 5 ;

. la figure 7 est une vue en coupe transversale horizontale de la partie basse de l'élément échangeur selon l'invention selon la ligne VII-VII de la figure 5 ;

. la figure 8 est une vue en coupe transversale horizontale selon un plan passant par les orifices de deux éléments échangeurs latéralement juxtaposés.

[0020] L'élément échangeur selon l'invention est destiné à des chaudières sectionnables en particulier du type à condensation. Cependant, toute application à un autre type de chaudière ne relevant d'aucun effort inventif supplémentaire entre dans le cadre de la présente invention.

[0021] On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif un élément échangeur prévu pour une chaudière sectionnable à condensation et à brûleur à gaz.

[0022] L'élément échangeur se présente sous la forme d'un corps creux 1 de forme générale approximativement parallélépipédique présentant deux faces latérales d'échange 2 et 3 pourvues de picots tels que 4 de forme prismatique à extrémité 5 arrondie et à section en losange 6.

[0023] Ces picots constituent des pointes saillantes de chaque face latérale d'échange 2 et 3 disposées en rangées transversales successives telles que 7 comme représenté. Ces rangées sont décalées par rapport à celles de la face latérale d'échange en regard de l'élément échangeur adjacent et dépassent suffisamment du plan de jonction entre deux éléments échangeurs voisins 8 et 9 (figure 8) pour s'imbriquer dans les espaces libres inter picots tels que 10 et constituer un volume plat 11 de passage des gaz de combustion occupé en majorité par les picots. Les espaces libres 10 forment autant de passages 12 en chicane pour le ralentissement de l'évacuation des gaz de combustion.

[0024] On distingue une majorité de picots 4 de forme et de dimension identique, une ligne supérieure 13 de picots de plus faible dimension et deux colonnes d'extrémité 14 et 15 formées de picots particuliers 16 de forme générale en section rectangulaire disposés en succession alternée avec présentation symétrique.

[0025] La zone de picots de chaque face d'échange 2 et 3 est délimitée latéralement par deux bords de jonction 17 et 18 en saillie dont les chants définissent le plan de jonction et servent d'appui aux chants homologues de l'élément échangeur voisin avec interposition d'un joint 19 lors de l'assemblage-juxtaposition du corps de chauffe (figure 8).

[0026] Le volume plat de passage 11 formé par la jonction de deux éléments échangeurs voisins 8 et 9 sert de cheminée descendante aux gaz de combustion.

[0027] La face latérale opposée est de conformation identique ainsi que le montrent les figures 7 et 8.

[0028] L'élément échangeur comporte une chambre intérieure 20 représentant un volume intérieur plat traversé par le fluide caloporteur entre un orifice inférieur d'entrée 21 et un orifice supérieur de sortie 22.

[0029] Dans le cadre de l'application utilisée comme exemple, le corps de l'élément échangeur présente une extrémité supérieure 23 conformée en évidement 24. Cette cavité 24 occupant pratiquement toute la largeur de l'élément échangeur entre une prolongation de la paroi latérale et le bloc de l'orifice supérieur de sortie 22 est destinée, avec les éléments échangeurs voisins 8, 9 et autres formant le corps de chauffe de la chaudière, à constituer un foyer obturé à son extrémité supérieure par le brûleur à gaz (non représenté).

[0030] Le corps de l'élément échangeur est ouvert à son extrémité inférieure au niveau des faces latérales d'échange 2,3 et mis en communication avec un réceptacle de collecte des condensats (non représenté).

[0031] Cette disposition est typique d'une chaudière à condensation à gaz. Elle permet d'éviter commodément le ruissellement des condensats sur le brûleur.

[0032] Pour ralentir et répartir le flux d'eau à réchauffer provenant de l'orifice inférieur d'entrée 21 situé à l'extrémité inférieure, le volume intérieur de la chambre 20 présente une structure en chicane matérialisée par deux grandes parois légèrement obliques l'une inférieure 25 et l'autre supérieure 26 ne rejoignant pas la paroi du bord latéral adjacent de jonction respectivement 17 et 18 du corps de l'élément échangeur. L'extrémité proximale de chaque grande paroi 25 ou 26 est décalée par rapport à la paroi adjacente de la chambre intérieure 20 d'un intervalle constituant un passage restreint respectivement 27 et 28.

[0033] Ces intervalles permettent comme indiqué ci-dessus de rendre le noyau de fonderie plus solide en évitant qu'il ne soit fendu transversalement sur une trop grande longueur comme c'est le cas dans la technique antérieure ( figure 1 ).

[0034] Les grandes parois obliques inférieure 25 et supérieure 26 sont faiblement inclinées montantes dans le sens de déplacement du fluide caloporteur de manière à favoriser le passage du fluide comme pour une ouverture divergente (figure 2). C'est le cas de la grande paroi inférieure 25 qui délimite un compartiment divergent à partir de l'orifice inférieur d'entrée du fluide, mais aussi de la grande paroi supérieure 26 qui ne rabat pas le courant, mais le contraint à un trajet en méandre allongé 29.

[0035] Pour éviter une fuite trop importante du courant par les passages restreints 27 et 28, on prévoit devant chacun de ceux-ci un déflecteur incliné montant respectivement inférieur 30 et supérieur 31. Ces déflecteurs sont de petite taille et sont réalisés d'une seule pièce avec la paroi latérale adjacente de la chambre intérieure 20. Ils permettent de dévier localement le courant d'eau pour éviter son entrée dans les passages restreints 27 et 28.

[0036] On a formé ainsi à chaque fois une chicane secondaire inférieure 32 et supérieure 33 dont le seul but est d'éviter ou tout au moins de limiter l'entrée du courant d'eau dans l'intervalle technique existant entre l'extrémité proximale de chaque grande paroi et la paroi adjacente de la chambre intérieure 20.

[0037] On remarque que l'inclinaison du déflecteur supérieur 31 est plus forte. Celle-ci est conditionnée par la forme du courant d'eau à cet endroit venant de la partie inférieure de la chambre et qu'il faut rabattre pour qu'il longe la grande paroi 26.

[0038] On réalise ainsi un ralentissement et une augmentation du trajet du fluide bénéfiques au rendement de l'échange thermique pendant son cheminement le long de la chambre intérieure au cours duquel il se réchauffe comme le montre la figure 3 matérialisant le courant d'eau.

[0039] Le grand intérêt de l'invention réside dans le fait de pouvoir fabriquer l'élément échangeur par une technique de fonderie avec un noyau de sable mécaniquement solide assurant une qualité répétitive dans la fabrication industrielle tout en améliorant les avantages procurés par la structure de chicane intérieure.

[0040] Ainsi, comme le montre la figure 4, le noyau est réalisé sous la forme d'un bloc compact 34 sans entaille(s) transversale(s) importante(s).

[0041] On distingue une entaille limitée et inclinée inférieure 35 et supérieure 36 correspondant aux parois 25 et 26 et deux petites entailles obliques 37 et 38 décalées correspondant aux déflecteurs 30 et 31 des chicanes secondaires 32 et 33 délimitant des liaisons de matière ou attaches 39 et 40.

[0042] Ces liaisons de matière ou attaches 39 et 40 au niveau de ces chicanes secondaires apportent la solidité mécanique supplémentaire qui manquait au noyau dans les formes antérieures de réalisation des éléments échangeurs avec chicane en raison des parois 41 et 42 de chicane réalisées transversales et d'une seule pièce avec la paroi latérale adjacente de la chambre intérieure (figure 1).

[0043] On remarque sur la figure 5 des arêtes transversales saillantes telles que 43 et 44 le long des bords de jonction. Ces arêtes transversales au nombre d'au moins deux sur chaque bord latéral de jonction partagent la longueur en intervalles approximativement de même longueur. Elles ont pour but de jouer le rôle d'un picot afin d'occuper l'espace entre deux picots d'une colonne d'extrémité.

[0044] Il est à noter que l'arête supérieure 43 au niveau de la chicane secondaire supérieure 33 est placée dans l'espace situé entre les deux déflecteurs.

[0045] Pour améliorer la circulation des gaz de combustion et donc l'échange et pour augmenter la durée de vie des éléments échangeurs et faciliter le nettoyage, on prévoit d'émailler les surfaces d'échange des faces latérales de l'élément échangeur.

[0046] La couche d'émail apporte une protection contre la corrosion et un caractère lisse aux surfaces d'échange améliorant le passage des gaz de combustion et évitant la majorité des incrustations et dépôts.

Revendications

1. Elément échangeur de chaleur à haut rendement pour chaudières sectionnables en particulier à condensation, présentant d'une part des picots (4) sur ses faces latérales d'échange (2,3) délimitées chacune par des bords de jonction (17,18) et d'autre part une chambre intérieure (20) en chicane traversée par le fluide caloporteur caractérisé en ce que la chicane se décompose en une structure supérieure (26, 31) et une structure inférieure (25, 30) à fonction de déflecteur formées chacune d'un premier (25, 26) et d'un deuxième déflecteur (30, 31), le premier déflecteur (25, 26) étant détaché de la paroi latérale adjacente de la chambre intérieure (20) par un intervalle libre s'étendant entre l'extrémité proximale du premier déflecteur (25,26) et ladite paroi pour former à chaque fois un passage restreint (27, 28) et le deuxième déflecteur (30, 31) étant décalé du premier déflecteur (25, 26) vers l'entrée du fluide caloporteur pour former à chaque fois avec l'extrémité proximale du premier déflecteur (25,26) une chicane secondaire inférieure (32) et supérieure (33) permettant de constituer dans le noyau du moule de fonderie des liaisons (39,40) de sable agrégé lui conférant une rigidité mécanique supplémentaire et permettant une évacuation simple, aisée et totale du sable de fonderie après moulage.

2. Elément échangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers déflecteurs (25,26) sont inclinés vers le haut dans le sens de progression du fluide caloporteur.

3. Elément échangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chicane secondaire supérieure (33) est constituée de l'extrémité proximale d'une paroi supérieure (26) de la chicane principale et d'un déflecteur oblique (31) incliné vers le haut de l'élément échangeur, de petite longueur, situé en-dessous de la paroi supérieure et faisant corps avec la paroi latérale adjacente de la chambre intérieure (20) pour délimiter avec l'extrémité proximale de la paroi supérieure (26) un passage latéral (28) coudé à proximité de la paroi latérale de la chambre.

4. Elément échangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le déflecteur oblique (31) est fortement incliné vers le haut.

5. Elément échangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chicane secondaire inférieure (32) est constituée de l'extrémité proximale d'une paroi inférieure (25) de la chicane principale et d'un déflecteur oblique montant (30), de petite longueur, situé en-dessous de la paroi inférieure (25) et faisant corps avec la paroi de la chambre intérieure (20) pour délimiter un passage latéral (27) coudé à proximité de la paroi de la chambre intérieure (20).

6. Elément échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il résulte d'un moulage de fonderie avec noyau de sable dont les entailles transversales (35,36) et les petites entailles obliques voisines (37,38) destinées à constituer les structures de chicane (25, 26, 30, 31) de la chambre intérieure (20) délimitent à chaque fois une liaison de matière (39,40) entre la partie centrale du noyau et les chants latéraux de celui-ci en vue d'améliorer sa résistance mécanique.

Ansprüche

1. Wärmetauscherelement mit hohem Wirkungsgrad für einen Gliederheizkessel, insbesondere Brennwertkessel , der einerseits auf seinen Wärmetausch-Seitenflächen (2,3) erhabene zahnförmige Elemente (4) aufweist, von denen jedes durch Verbindungsränder (17,18) begrenzt ist, und andererseits eine Innenkammer (20) mit Hindernissen aufweist, die von der wärmeübertragenden Flüssigkeit durchquert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Hindernis in eine obere Struktur (26,31) und eine untere Struktur (25,30) mit der Funktion eines Ablenkbleches unterteilt ist, von denen jede aus einem ersten (25,26) und einem zweiten Ablenkblech (30,31) besteht, wobei das erste Ablenkblech (25,26) von der angrenzenden Seitenwand der Innenkammer (20) durch einen sich zwischen dem proximalen Ende des ersten Ablenkbleches (25,26) und der Seitenwand erstreckenden Zwischenraum entfernt ist, um jedes Mal einen eingeschränkten Durchgang (27,28) zu bilden, und wobei das zweite Ablenkblech (30,31) gegenüber dem ersten Ablenkblech (25,26) in Richtung des Eintritts der wärmeübertragenden Flüssigkeit versetzt ist, um jedes Mal mit dem proximalen Ende des ersten Ablenkbleches (25,26) ein sekundäres unteres (32) und oberes Hindernis (33) zu bilden und im Gußformkern die Bildung von Aggregatsandverbindungen (39,40) zu ermöglichen, die diesem eine zusätzliche mechanische Festigkeit verleihen und eine einfache, erleichterte und vollständige Entleerung des Gußsandes nach dem Gießen ermöglichen.

2. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten Ablenkbleche (25,26) in Vordringrichtung der wärmeübertragenden Flüssigkeit nach oben geneigt sind.

3. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das sekundäre obere Hindernis (33) aus dem proximalen Ende einer oberen Wand (26) des Haupthindernisses und aus einem im Wärmetauscher nach oben geneigten, schrägen Ablenkblech (31) kleiner Länge besteht, das unterhalb der oberen Wand angeordnet ist und mit der angrenzenden Seitenwand der Innenkammer (20) einstückig ausgebildet ist, um mit dem proximalen Ende der oberen Wand (26) einen seitlichen Durchgang (28) zu begrenzen, der in der Nähe der Seitenwand der Kammer gekrümmt verläuft.

4. Wärmetauscherelement nach dem vorangegangenen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß
das schräge Ablenkblech (31) stark nach oben geneigt ist.

5. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das sekundäre untere Hindernis (32) aus dem proximalen Ende einer unteren Wand (25) des Haupthindernisses und aus einem unterhalb der unteren Wand (25) angeordneten und einstückig mit der Wand der Innenkammer (20) ausgebildeten ansteigenden schrägen Ablenkblech (30) kleiner Länge besteht, um einen seitlichen Durchgang (27) zu begrenzen, der in der Nähe der Seitenwand der Innenkammer (20) gekrümmt verläuft.

6. Wärmetauscherelement nach einem beliebigen der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
es das Ergebnis eines Formgusses mit einem Sandkern ist, dessen Querkerben (35,36) und kleine benachbarte, schräge Kerben (37,38) dazu bestimmt sind, die Strukturen des Hindernisses (25,26,30, 31) der Innenkammer (20) zu bilden, die jedes Mal eine Verbindung von Material (39,40) zwischen dem zentralen Teil des Kerns und den Schmalseiten desselben begrenzen, um dessen mechanische Festigkeit zu verbessern.

Claims

1. High-efficiency heat exchange element for sectionable boilers, in particular condensing boilers, having, on the one hand, raised portions (4) on lateral exchange faces (2, 3) thereof, which are each delimited by junction edges (17, 18), and, on the other hand, an internal chamber (20) in the form of a chicane, through which chamber (20) flows the liquid coolant, characterised in that the chicane comprises an upper structure (26, 31) and a lower structure (25, 30) serving as baffles, which are each formed by a first baffle plate (25, 26) and a second baffle plate (30, 31), the first baffle plate (25, 26) being separated from the adjacent lateral wall of the internal chamber (20) by a free interval which extends between the proximal end of the first baffle plate (25, 26) and the wall in order to form in each case a restricted passage (27, 28) and the second baffle plate (30, 31) being offset from the first baffle plate (25, 26) relative to the inlet of the liquid coolant in order to form in each case with the proximal end of the first baffle plate (25, 26) a lower (32) and upper (33) secondary chicane allowing connections (39, 40) of aggregated sand to be constituted in the core of the foundry mould, giving it additional mechanical strength and allowing simple, ready and complete removal of the moulding sand after moulding.

2. Exchange element according to claim 1, characterised in that the first baffle plates (25, 26) are inclined upwards in the direction of advance of the liquid coolant.

3. Exchange element according to claim 1 or 2, characterised in that the upper secondary chicane (33) is constituted by the proximal end of an upper wall (26) of the main chicane and by an oblique baffle plate (31) which is inclined upwards from the exchange element, which is of short length, which is located below the upper wall and which forms an integral part of the adjacent lateral wall of the internal chamber (20) in order to delimit with the proximal end of the upper wall (26) a bent lateral passage (28) close to the lateral wall of the chamber.

4. Exchange element according to the preceding claim, characterised in that the oblique baffle plate (31) is acutely inclined upwards.

5. Exchange element according to claim 1 or 2, characterised in that the lower secondary chicane (32) is constituted by the proximal end of a lower wall (25) of the main chicane and by a rising oblique baffle plate (30), which is of short length, which is located below the lower wall (25) and which forms an integral part of the wall of the internal chamber (20) in order to delimit a bent lateral passage (27) close to the wall of the internal chamber (20).

6. Exchange element according to any one of the preceding claims, characterised in that it is produced from a foundry mould with a sand core whose transverse notches (35, 36) and the adjacent small oblique notches (37, 38), which are intended to constitute the chicane structures (25, 26, 30, 31) of the internal chamber (20), delimit in each case a material connection (39, 40) between the central portion of the core and the lateral edges of the core with a view to improving the mechanical strength thereof.

Dessins