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CHAUFFE-LIQUIDE ,INSTANTANE, EN.PARTICULIER.CHAUFFE-EAU.A.GAZ.A -CIRCULATION
DIRECTE. '
La présente invention se rapporte à un chauffe-liquide instantané et plus particulièrement à un chauffe-eau à gaz à circulation directe.
Dans les appareils de ce genre, on n'a utilisé jusqu'à présent comme tuyauterie de circulation de l'eau qu'un tuyau continu unique qui reliait entre elles l'arrivée et la sortie de l'eau et qui, en vue dé l'échange ther- mique, était soit enroulé en spires multiples autour de la chambre de combustion} soit conformé en serpentin traversant un bloc de lamellessoumis à l'action des gaz de combustion.
Par opposition avec les chauffe-eau instantanés connus de ce genre, dans un chauffe-eau selon l'invention la tuyauterie ne consiste plus en un tuyau unique continu, mais en plusieurs groupes dé tubes reliés en paral- lèlea
Cette subdivision de la tuyauterie en plusieurs groupes de tubes. montés en parallèle donne la possibilité d'utiliser, dans la région où se pro- duit l'échange calorifique, des tubes ayant une section plus faible et une paroi plus mince. Il en résulte, pour de multiples raisons, des conditions bien plus favorables pour l'échange thermique.
La Demanderesse a pu démontrer qu'on peut établir selon, l'invention un chauffe-eau instantané qui, pour..la même puissance et un meilleur rendement, exige une hauteur considérablement réduite de la cham- bre de chauffe et du bloc de lamelles, dont les lamelles peuvent en outre, ê- tre fabriquées en tôle plus mince et qui présente, au point de vue des chaleurs résiduelles nuisibles, des propriétés bien plus avantageuses que les chauffe-eau instantanés de construction connue. L'économie de matière qui résulte de la réduction des dimensions'de l'échangeur calorifique représente une fraction importante de la quantité de matière qui était nécessaire jusqu'à présent.
Il y a intérêt à disposer la tuyauterie de telle manière que les raccords répartiteurs et collecteurs des groupes de tubes se trouvent sur des faces opposées l'une à l'autre On obtient de cette façon que les éléments tubulairesen particulier les conduites communes d'amenée et de départ, qui sont traversés par le liquide à des températures très différentes, soient aussi
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éloignés que possible l'un de l'autre. Il est évident qu'on empêche ainsi la formation d'eau de condensation. Lorsque, selon l'invention, on subdivise le courant de liquide, dans sa traversée de l'appareil., en plusieurs courants élé- mentaires, il est le plus souvent nécessaire d'égaliser le débit des courants élémentaires qui circulent à travers les différents groupes de tubes, afin d'ob- tenir un échange calorifique uniforme.
Dans ce but, il y a intérêt à prévoir pour les différents groupes de tubes des raccords interchangeables à perte de charge (tuyères de Venturi, bords d'étranglement, etc ... ).
Alors que, jusqu'à présent, on avait étagé à différentes hautes les tubes qui traversaient le bloc de lamelles, ce qui obligeait à prévoir pour les lamelles une hauteur relativement grande, les tubes qui traversent le bloc de lamelles sont disposés selon l'invention de manière à être simplement juxta- posés dans un plan horizontal avec un intervalle de l'ordre de 1 à 1,5 fois le diamètre des tubes. Un tel agencement n'est possible qu'avec des tubes de faible diamètre (environ 6 mm), car les gaz de combustion ascendants baignent ces tubes presque sans frottement et sans formation de tourbillons. Le tirage des gaz de combustion n'est affecté que dans upe mesure insignifiante par la réduction de la section de passage provoquée par les petits tubes.
En général, on peut placer tous les tubes dans un même plan et on obtient ainsi un bloc de lamelles tout à fait plat qui est traversé à la manière d'une grille par les tubes d'eau de petit diamètre.
On obtient de cette façon des lamelles aussi petites que possibles, de section rectangulaire, tout en conservant de bonnes conditions de tirage pour les gaz de combustion.
Dans une telle tuyauterie subdivisée en plusieurs groupes de tubes, il est nécessaire non seulement de faire traverser le bloc de lamelles en de multiples points par les différents groupes de tubes, mais encore de les amener le long de la paroi de la chambre de combustion pour refroidir celle-cio Ce faisant, il est indispensable de veiller à ce qu'il ne se produise pas sur cette paroi de zones susceptibles de donner lieu à une formation nuisible d'eau de condensation. Selon l'invention,on résout ce problème en faisant passer le tuyau d'eau, subdivisé en groupes de tubes montés en parallèle, d'abord à tra- vers le bloc de lamelles, puis, le liquide étant échauffé, le long de la paroi de la chambre de combustion.
Le refroidissement de cette paroi par des tuyaux qui conduisent le liquide chaud est si faible quel la température de ladite pa- roi ne peut pas tomber au-dessous du point de rosée des gaz de combustion.
C'est cependant le cas dans les chauffe-eau instantanés connus dans lesquels le liquide froid est amené à refroidir la paroi de la chambre de combustion avant d'être échauffé dans le bloc de lamelles. Afin qu'un tel refroidissement de la paroi de la chambre de combustion ait lieu d'une façon aussi uniforme que possible, on répartit les groupes de tubes d'une façon appropriée sur la surface de cette paroi. C'est ainsi qu'il y a intérêt à faire passer chaque fois la moitié des groupes de tubes le long d'une des faces de la chambre de combustion et l'autre moitié le long de la face opposée. Toutefois, eu égard aux dimensions qui correspondent à la puissance désirée de l'appareil, il est souvent nécessaire de prévoir un nombre impair de groupes de tubes.
Pour obte- nir dans ce cas également un refroidissement uniforme de la chambre de combus- tion,on insère selon l'invention un répartiteur dans l'un des groupes de tubes, de préférence dans le groupe médian et, en vue de l'obtention d'une répartition tubulaire symétrique, on dévie les branches tubulaires.'qui y sont raccordées, des deux côtés de la paroi de la chambre de combustion.
Si l'on agence les groupes de tubes de la tuyauterie de telle façon que, dans tous les groupes, le produit de la section d'écoulement par la longueur du tube soit le même, on obtient une circulation isochrone du liquide, c'est-à- dire que toutes les particules de liquide traversent le système dans le même temps. Toutefois, on peut aussi, le cas échéant, subdiviser les groupes de tubes supplémentairement sur les zones de la chambre de combustion et du bloc de lamelles, de telle sorte que la quantité de chaleur absorbée par chacun des groupes de tubes soit la même et qu'on réalise ainsi une circulation isotherme.
Le bloc de lamelles qui est traversé par les tubes des différents groupes est constitué d'une manière connue par une multiplicité de bandes ou
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de tôles en forme de plaques qui sont enfilées à une certaine distance les unes des autres sur un certain nombre de tubes parallèles entre eux et qui sont sou- dées à ces tubes.
Dans la fabrication de ces blocs de lamelles, on rencontre certaines difficultés à assembler les extrémités des tubes qui traversent le bloc de la- melles avec les conduites d'arrivée et de départ ainsi qu'entre elleso Du fait du soudage aux pièces d'assemblage,, il se produit fréquemment des tensions et des fatigues mécaniques qui, à l'usage, aboutissent à des manques d'étanchéité.
A ce point de vue., il faut tenir compte de ce que la tuyauterie et les lamelles se dilatent sous l'influence des gaz de combustion et travaillent l'une par rapport aux autres. On obtient une simplification considérable et une réduction du prix de revient dans la fabrication, ainsi qu'une meilleure solidité et une meilleure tenue du bloc de lamelles, en prévoyant selon l'invention, pour rac- corder les tubes, une pièce de raccordement commune, de préférence en forme de réglette, avec des ouvertures d'assemblage correspondantes. L'utilisation d'une telle pièce d'assemblage commune simplifie considérablement l'opération de soudage. On introduit tout d'abord tous les bouts de tubes dans le trou correspondant et on soude ensuite progressivement avec la pièce de raccordement.
Cette dernière confère en outre à la tuyauterie une résistance et une stabilité plus grandes. La pièce de raccordement est facile à fabriquer. Elle peut avan- tageusement être constituée par une réglette qui présente un nombre de trous à angle droit correspondant au nombre des tubes, et dont chaque paire constitue un passage. La réglette peut être avantageusement obtenue par pressage à chaud.
On peut aussi constituer la pièce de raccordement par un tube qui est aplati en plusieurs endroits de manière à former des chambres de communication sépa- rées les unes des autres. Un avantage particulier de la pièce de raccordement commune réside dans le fait qu'il est possible d'insérer aux points de raccor- dement des organes d'étranglement permettant d'égaliser le débit .de liquide dans les différents tubes. Si l'on forme les canaux de liaison dans la pièce de raccordement par des trous percés de part en part et obturés par des vis ou autres éléments de bouchage,, il est possible de nettoyer les tubes à tout instant ainsi que de changer ou de régler les organes d'étranglement.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique.
Les figures 1 et 2 montrent schématiquement, en perspective, deux formes d'exécution du corps de chauffe.
La figure la représente en coupe un détail de la réglette de rac- cordement représentée figure 1.
Les figures 3 et 4 représentent schématiquement en élévation la face d'arrivée et la face de départ d'un corps de chauffe à circulation isochrone.
Les figures 5 et 6 montrent,, de la même manière que les figures 3 et 4, un corps de chauffe à circulation isochrone et isotherme.
La figure 1 montre une chambre de combustion rectangulaire 1, ouverte vers le bas, qui est placée au-dessus d'un brûleur à gaz non représenté et quia par conséquent., est traversée de bas en haut par les gaz de combustion.Sur la chambre 1 est disposé un bloc de lamelles 3 domposé de tôles de cuivre 20 Les lamelles 2 sont soudées, à écartement uniforme, sur des tubes d'eau, de sorte que les gaz de combustion passent, en les balayant, entre les lamelles 2 et les tubes qui Les traversent et leur cèdent leur chaleur.
L'eau froide arrive par un tuyau de raccordement 4 dans une pièce de répartitiop 5, placée sur l'une des parois latérales de la chambre de com- bustion 1, et elle s'y répartit entre trois groupes de tubes 6, 7, 8 branchés sur le répartiteur 5. Les groupes de tubes 6 et 8 sont constitués chacun par un tube de raccordement 6a-8a qui est soudé à une réglette de raccordement 9, par un tube en U 6b-8b dont les branches traversent le bloc de lamelles 3 et par un tube 6c-8c qui passe le long de la paroi latérale de 'la chambre de com- bustion 1 pour aboutir, sur la face arrière de cette chambre, à un collecteur non visible auquel est raccordée la conduite de départ d'eau chaude.
Le groupe
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de tubes médian 7 comporte, en dehors du tube de raccordement 7a et du tube en U 7b, un répartiteur supplémentaire 10 duquel partent, vers les deux côtés, des tubes de refroidissement 7c et 7c' passant autour de la paroi 1 de la chambre de combustion pour aboutir au même raccord collecteur. Les tubes en U 6b, 7b, 8,2, sont constitués et disposés de telle façon que leurs branches tra- versent le bloc de lamelles 3 dans un même plan et quelles'soient écartées les unes des autres d'environ 1 à 1,5 fois leur diamètre.
L'assemblage des tubes de raccordement 6a-7a-8a avec les branches des tubes en U 6b-7b-8b., ainsi)que l'assemblage de ces derniers avec les tubes refroidisseurs 6c-7c-8c, sont réalisés au moyen d'une réglette commune de rac- cordement 9. Celle-ci est représentée séparément sur la figure la, Elle com- porte un certain nombre de trous 11 qui la traversent de part en part et qui sont fermés chacun vers l'extérieur, par une vis- obturatrice 12. Les branches des tubes en U sont insérées et soudées dans les trous 11. Un trou 13, percé par en bas ou latéralement dans la réglette 9, débouche dans chaque trou Il et sert à souder les tubes de raccordement 6a-7a-8a et 6c-7c-8c.
Dans l'ori- fice des tubes en U on peut insérer des corps d'étranglement 14 ou des tuyères réglables afin de permettre de régler-le débit d'eau qui circule dans chacun des groupes de tubes 6,7 et 8. Après avoir enlevé les vis obturatrices 12, on peut changer ou nettoyer les organes d'étranglement 14 ou les tuyères, même lorsque les tubes sont soudés.
Dans le corps de chauffe représenté figure 2, qui ne diffère pas sensiblement de celui qui vient d'être décrit, on a représenté à la place de la réglette de raccordement 9 une réglette 15 simplifiée et obtenue à partir d'un tronçon de tube. Ce tube,15 est écrasé en 16 entre les différents points de raccordement des tubes en U, de manière à former des chambres de communica- tion séparées 17 Lors de la fabrication du corps de chauffe, on peut, en uti- lisant de telles réglettes de raccordement 9 ou 15 ou des réglettes analogues, assembler les éléments du corps de chauffe en insérant les tubes, puis les souder en commun sans qu'il se produise de tensions nuisibles.
La subdivision qui vient d''etre exposée du courant d'eau entre trois groupes de tubes permet d'obtenir un haut rendement de l'échangeur de chaleur entre les gaz de combus- tion et le corps de chauffe, en dépit de la faible hauteur de la chambre de chauffe 1. L'eau qui circule dans les tuyaux de refroidissement 6c, 7c, 7$}.', et 8c des groupes de tubes est au préalable déjà échauffée par son passage dans les tubes en U 6b-7b-8b, de sorte que le refroidissement est relativement faible sur les parois de la chambre de combustiono Si l'on amenait de l'eau froide le long de ces parois, il se produirait à ces endroits des zones froides dont la température serait située au-dessous du point de rosée des gaz de combustion, ce qui donnerait naissance à des condensations.
Cette formation d'eau de con- densation est évitée par l'adoption, selon l'invention, de ce qu'on pourrait appeler "un refroidissement chaud". Les éléments de tuyauterie 4, 5, 6a, 7a, 8a qui sont traversés par de l'eau froide sont aussi éloignés que possible des éléments dans lesquels- passe de l'eau chaude, sur la face arrière de la chambre de chauffe 1, afin qu'il ne puisse se produire de sautes nuisibles de tempéra- ture sur la paroi de cette chambreo Afin de permettre une répartition unifor- me des tuyaux refroidisseurs sur les parois latérales de la chambre de chauffe 1 dans le cas où les groupes de tubes sont en nombre impair, par exemple trois, le groupe de tubes médian 7 est subdivisé par le répartiteur 10 en deux tubes refroidisseurs 7c et 7c'.
Les figures 3 et 4 montrent une autre possibilité de réalisation de l'invention. Au répartiteur d'eau froide 18 sont raccordés quatre groupes de tubes 19, 20, 21 et 22 dont les tubes extérieurs 19,22 passent seulement sous forme de serpentins le long de la paroi de la chambre de chauffe 23 puis débouchent dans le collecteur d'eau chaude 24.
Par contre les groupes de tu- bes médians 20, 21 traversent le bloc de lamelles 25 sous forme de tubes en U avant d'aboutir également au collecteur d'eau chaude 24. Les sections d'écou- lement et les longueurs de chacun des groupes de tubes 19 à 22 sont'les mêmes, de sorte que, après leur subdivision dans le répartiteur 18 et après avoir tra- versé le corps de chauffe, les courants partiels se rassemblent à nouveau dans le collecteur 24 du côté départ. A de nombreuses fins, on peut ainsi obtenir
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que le liquide traversant l'appareil, par exemple un condensat, possède, après avoir circulé à travers l'échangeur de chaleur, la même composition ou le même état physique dans chacun des courants partiels.
La quantité de chaleur absor- bée dans.les groupes de tubes intérieurs 20,21 est naturellement dans ce cas plus grande que dans les groupes extérieurs 19,22.
Dans la forme d'exécution représentée figures 5 et 6, on a fait en sorte que, entre le répartiteur d'eau froide 18 et le collecteur d'eau chau- de 24, chacun des-quatre groupes de tubes 26, 27, 28,29 traverse plusieurs fois le bloc de lamelles 25 et passe également le long de la paroi de la cham- bre de chauffe 23, comme tubes refroidisseurs. Dans ce cas, la section de pas- sage, la longueur du tube et la quantité de chaleur absorbée sont sensiblement les mêmes dans les quatre groupes de tubes, ce qui donne une circulation à la fois isochrone et isotherme.
Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, on pourra apporter des modifications aux formes d'exécution qui viennent d'être décrites et en combiner diversement les particularités.