Dispositif de récupération de chaleurd'une chaudière pour chauffage central
La présente invention a poir objet un échangeur
de chaleur semi-tubulaire parcouru simultanément par un fluide gazeux et par un liquide et constitué d'une enveloppe qui entoure une surface d'échange comprenant une jaquette délimitant un espace intérieur dans lequel circule le liquide.
L'échangeur suivant l'invention convient parfaitement pour être monté comme économiseur dans le circuit des fumées d'une chaudière de chauffage central en vue de récupérer une partie de l'énergie calorifique résiduelle des fumées constituant le fluide gazeux susdit. Il peut également être utilisé comme échangeur de chaleur pour le refroidissement de l'air comprimé sortant d'un compresseur avant le passage dans un étage suivant ou dans l'appareil d'utilisation.
On connaît des échangeurs de chaleur constitués de faisceaux de tubes de section circulaire, fixés à leurs extrémités dans des plaques tubulaires et parcourus par un liquide. Même si les températures sont inférieures au point d'ébullition du liquide,
les variations de températures provoquent dans ces échangeurs connus des tensions importantes. Suivant que la pression du fluide circulant à l'intérieur des tubes est supérieure ou inférieure à celle du fluide qui circule à l'intérieur de ceux-ci, les tensions susdites sont des efforts de traction ou de compression.
La marche discontinue en tout ou rien de la plupart des chaudières de chauffage central provoque des variations de température très fréquentes et des problèmes thermiques qui ne peuvent être résolus que par une construction coûteuse de l'échangeur. Les échangeurs de chaleur connus ne conviennent pas parfaitement comme économiseurs.
Il en est de même pour tous les appareils dont
le fonctionnement intermittent entraine de nombreuses variations de température, par exemple un compresseur pour air comprimé destiné à maintenir la pression d'un réservoir entre une pression minimale et maximale.
La présente invention vise à remédier les inconvénients susdits. Elle est relative à un échangeur de chaleur semi-tubulaire parcouru simultanément par un fluide gazeux et par un liquide et constitué d'une enveloppe qui entoure une surface d'échange comprenant une jaquette délimitant un espace intérieur dans lequel circule le liquide. Cet échangeur est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte au voisinage d'une des extrémités de l'enveloppe susdite une première tubulure latérale pour l'entrée du fluide gazeux, relié à la jaquette susdite et une seconde tubulure latérale pour l'évacuation du fluide gazeux, montée directement sur l'enveloppe et en ce qu'il comporte un faisceau
de tubes à section circulaire relativement faible disposés au voisinage de la jaquette susdite, parallèlement à l'axe longitudinal de celle-ci et reliés à une extrémité de cette jaquette par une série de coudes.
Dans une forme de réalisation particulière,
<EMI ID=1.1>
Suivant une particularité de l'invention, la section des tubulures d'entrée et de sortie et la section centrale de la jaquette et celle de l'espace annulaire compris entre la jaquette et l'enveloppe
sont sensiblement équivalents.
L'invention concerne également une installation
de chauffage comprenant une chaudière et un échangeur suivant l'invention, monté dans le circuit des fumées.
D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins ci-annexés qui représentent schématiquement et à titre d'illustration non limitative, une forme de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention.
Dans ces dessins :
- la figure 1 est une coupe verticale d'un échangeur de forme cylindrique ;
- la figure 2 est une c o u p e de l'échangeur montré à la figure 1 suivant la ligne II-II ; - la figure 3 est un schéma de principe d'une installation de chauffage comprenant l'échangeur montré aux figures 1 et 2 ;
- la figure 4 montre, en perspective, un échangeur de section rectangulaire montée sur une chaudière de chauffage central ; les figures 5 et 6 illustrent un échangeur analogue à celui de la figure 1, mais utilisé à contre-courant.
<EMI ID=2.1>
de référence désignent des éléments analogues ou identiques.
Comme montré à la figure 1, l'échangeur de chaleur
<EMI ID=3.1>
notation de référence 1, se compose d'une enveloppe 2 entourant une surface d'échange 3 constitué d'une
jaquette 4 à double paroi délimitant un espace intérieur.
Dans la double paroi de la jaquette 4 circule un liquide destiné à être échauffé ou refroidi par un
courant de fluide gazeux circulant autour de la surface d'échange 3.
Dans la forme de réalisation montrée à la figure 1, l'enveloppe extérieure 2 de l'échangeur de chaleur 1
est cylindrique. La surface d'échange 3 est constituée d'une jaquette cylindrique 4 et d'un faisceau tubulaire
5 à section circulaire relativement faible. Ce faisceau
de tubes 5 est disposé au voisinage de la jaquette
<EMI ID=4.1> <EMI ID=5.1>
de coudes 6.
L'enveloppe 2 comporte au voisinage d'une de ses extrémités, une première tubulure latérale 7 pour l'entrée des fumées, reliée à la jaquette cylindrique 4 et une seconde tubulure latérale 8 pour l'évacuation
des fumées susdites.
La jaquette cylindrique 4 est fixée à l'une des parois latérales 9 munie d'un orifice 10 pour y collecter l'eau ayant parcouru l'échangeur 1.
Sur cette même paroi latérale 9 est fixé un dispositif 11 destiné à introduire l'eau à échauffer dans l'échangeur en la répartissant uniformément dans
le faisceau tubulaire.
L'eau provenant du circuit caloporteur de chauffage ou d'une installation d'eau chaude sanitaire quelconque est introduite dans l'échangeur par l'orifice susdit. Elle circule dans le faisceau tubulaire 5 en longeant
la jaquette 4. Le faisceau tubulaire 5 est chauffé extérieurement, principalement par convection des fumées. L'eau est ensuite amenée par la série de coudes 6 dans la jaquette cylindrique 4 composée d'un manteau cylindrique à double paroi. La jaquette cylindrique 4 est en contact avec les fumées par chacune de ses faces intérieure. et extérieure.
Dans la forme de réalisation illustrée à la figure 1, l'eau et les fumées parcourent l'échangeur suivant les flèches X, respectivement Y, donc à co-courant, exception faite de la partie de paroi intérieure de la jaquette 4 où la circulation est à contre-courant. On évite ainsi la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées puisqu'aucune partie de l'échangeur n'est froide.
Dans d'autres applications, l'échangeur peut être utilisé également à contre-courant. On inverse alors
le dispositif susdit 11 qui distribuait l'eau dans
le faisceau tubulaire central 5 et par l'orifice collecteur 10 de manière à introduire l'eau dans la jaquette 4 et récolter l'eau chaude à la sortie du faisceau tubulaire 5. On introduit les fumées par la première tubulure latérale 7 raccordée à la jaquette 4 comme dans le cas précédent et on recueille les fumées par la seconde tubulure latérale 8 montée directement
sur l'enveloppe 2. (Figure 5)
L'échangeur de chaleur suivant l'invention est avantageusement monté dans le circuit des fumées d'une chaudière de chauffage central 12, de préférence avant le régulateur de tirage 12 (Figure 3). Cette chaudière
12 se compose d'une chambre de combustion 14 alimentée en gasoil. Le gasoil est injecté par un brûleur 15.
La chambre de combustion 14 est tapissée d'écran d'eau 16.
La circulation de l'eau peut être éventuellement forcée par un circulateur 17. La température de l'eau de la chaudière 12 est inférieure au point d'ébullition.
Le circuit caloporteur 18 comprend une vanne à quatre voies 19 conduisant l'eau dans le sens de la flèche X vers le retour d'eau froide 20 ou dans le sens de la flèche Z vers le côté aspiration du circulateur 17, suivant
que la chaudière 12 est en marche ou à l'arrêt.
L'échangeur admet sans problème la légère surpression régnant habituellement dans le circuit caloporteur 18.
Le combustible utilisé pour chauffer la chaudière peut également être du gaz. Le brûleur susdit est alors tout simplement une rampe à gaz. La forme de la
chaudière 12 n'influence pas les performances de l'échangeur 1 susdit. La forme extérieure de l'enveloppe 2, ni la forme de la jaquette 4 n'influencent
le principe de l'échangeur 1. On peut par exemple associer à la chaudière 12 un échangeur 1 de forme parallélipipédique illustré à la figure 4.
L'échangeur suivant l'invention p e r m e t
d'absorber des dilatations et/ou des retraits
importants de la surface d'échange 3 sans affecter
le comportement de l'enveloppe 2 et sans détériorer
ni déformer les tubes du faisceau tubulaire 5.
Un second avantage de l'échangeur suivant
l'invention est la grande surface d'échange dans un
faible encombrement tout en assurant une construction relativement faible.
L'appareil peut être facilement calorifugé et
la gaine calorifique ou la gaine d'isolation facilement enlevée puisque toutes les raccordements sont disposés
d'un seul côté.
L'appareil permet une. évacuation facile du
condensat. Il suffit de prévoir un orifice de purge 20 et un bouchon 21 ou un siphon sur l'enveloppe 2.
L'échangeur ne cause aucune perte de charge tant pour le circuit du liquide que sur le chemin parcouru par les gaz. La section de passage des tubulures d'entrée 7 et de sortie 8 et la section centrale de
la jaquette et celle de l'espace annulaire compris
entre la jaquette et l'enveloppe sont sensiblement équivalents. La conception de l'échange permet une construction adaptée à des pressions importantes.
La perte de charge du parcours d'eau dans l'échangeur est toutefois minimale puisque l'échanguer ne présente aucun étranglement. La section de l'espace intérieur annulaire délimité par la jaquette 4 est sensiblement équivalente à celle du faisceau tubulaire 5.
EXEMPLE 1
Les performances de l'échangeur suivant l'invention, utilisé comme économiseur dans une installation de chauffage sont clairement démontrées par l'étude de résultats comparatifs de mesure faite dans une installation de chauffage avec et sans cet échangeur. Les mesures ont été effectuées par l'Association Vinçotte.
1/ Description, de l'échangeur
L'échangeur utilisé comportait une enveloppe
<EMI ID=6.1>
et une longueur de 750 mm L'entrée des fumées et la sorties des fumées présentaient une section circulaire de 180 mm de diamètre.
L'entrée et la sortie d'eau une section de 5/4
de pouce.
2/ Description de la chaudière
<EMI ID=7.1>
Equipement :
<EMI ID=8.1>
3/ Description du brûleur
<EMI ID=9.1>
<EMI ID=10.1>
Le rendement thermique de la chaudière était de
89,9 % avec une puissance de 50.620 keal/h.
TABLEAU I : RESULTATS DES MESURES FAITES DANS UNE
_________INSTALLATION EQUIPEE D'UN ECONOMISEUR
<EMI ID=11.1>
L'économiseur fournit un rendement thermique
de 94,6 % avec un rendement utile de 53.260 keal/h
Il est évident que l'invention n'est pas exclusivement limitée à la forme de réalisation montrée ci-dessus et que bien des modifications peuvent être apportées dans la forme, la disposition, le nombre et la constitution des éléments mis en oeuvre dans la fabrication de l'échangeur de chaleur suivant l'invention, sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi les tubes du faisceau tubulaire susdit ou la jaquette peuvent être munis d'ailettes destinées à favoriser l'échange de chaleur entre le liquide et le fluide gazeux.
L'échangeur de chaleur susdit ou une partie de celui-ci peut être réalisé en un métal autre que l'acier, par exemple l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre, l'acier galvanisé, le duralumin.
Cet échangeur peut être monté à co-courant ou à contre-courant comme illustré à la figure 5 si aucune condensation du coté fluide gazeux n'est à craindre.
La fixation des coudes sur la jaquette est habituellement réalisée par soudage mais d'autres techniques ne sont pas à exclure, entre autre le mandrinage de ces coudes dans les trous percés dans une extrémité de la jaquette.
REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur semi-tubulaire destiné à être parcouru simultanément par un fluide gazeux et par un liquide et constitué d'une enveloppe qui entoure une surface d'échange comprenant une jaquette délimitant un espace intérieur dans lequel circule le liquide, caractérisé en ce qu'il comporte au voisinage d'une
des extrémités de l'enveloppe susdite une première tubulure latérale pour l'entrée du fluide gazeux, reliée à la jaquette susdite et une seconde tubulure latérale pour l'évacuation du fluide gazeux, montée directement sur l'enveloppe et en ce qu'il comporte
un faisceau de tubes à section circulaire relativement faible disposés au voisinage de la jaquette susdite parallèlement à l'axe longitudinal de celle-ci et reliés à une extrémité de cette jaquette par une série de coudes.
Heat recovery device of a boiler for central heating
The present invention has for object an exchanger
of semi-tubular heat traversed simultaneously by a gaseous fluid and by a liquid and consisting of an envelope which surrounds an exchange surface comprising a jacket delimiting an interior space in which the liquid circulates.
The exchanger according to the invention is perfectly suited to be mounted as an economizer in the flue gas circuit of a central heating boiler with a view to recovering part of the residual heat energy from the fumes constituting the above-mentioned gaseous fluid. It can also be used as a heat exchanger for cooling the compressed air leaving a compressor before passing to a next stage or into the operating device.
Heat exchangers are known which consist of bundles of tubes of circular section, fixed at their ends in tubular plates and traversed by a liquid. Even if the temperatures are below the boiling point of the liquid,
temperature variations cause significant tensions in these known exchangers. Depending on whether the pressure of the fluid circulating inside the tubes is higher or lower than that of the fluid circulating inside them, the aforementioned tensions are tensile or compressive forces.
The all-or-nothing discontinuous operation of most central heating boilers causes very frequent temperature variations and thermal problems which can only be solved by expensive construction of the exchanger. Known heat exchangers are not perfectly suited as economizers.
The same is true for all devices whose
intermittent operation causes numerous temperature variations, for example a compressor for compressed air intended to maintain the pressure of a tank between a minimum and maximum pressure.
The present invention aims to remedy the above drawbacks. It relates to a semi-tubular heat exchanger traversed simultaneously by a gaseous fluid and by a liquid and consisting of an envelope which surrounds an exchange surface comprising a jacket delimiting an interior space in which the liquid circulates. This exchanger is essentially characterized in that it comprises, in the vicinity of one of the ends of the above-mentioned envelope, a first lateral tube for the entry of the gaseous fluid, connected to the aforesaid jacket and a second lateral tube for the evacuation of the gaseous fluid, mounted directly on the envelope and in that it comprises a beam
relatively small circular section tubes arranged in the vicinity of the aforesaid jacket, parallel to the longitudinal axis thereof and connected to one end of this jacket by a series of bends.
In a particular embodiment,
<EMI ID = 1.1>
According to a feature of the invention, the section of the inlet and outlet pipes and the central section of the jacket and that of the annular space between the jacket and the envelope
are substantially equivalent.
The invention also relates to an installation
heating comprising a boiler and an exchanger according to the invention, mounted in the smoke circuit.
Other particularities and details of the invention will appear during the description of the attached drawings which schematically and by way of nonlimiting illustration, an embodiment of a heat exchanger according to the invention.
In these drawings:
- Figure 1 is a vertical section of a cylindrical exchanger;
- Figure 2 is a c o u p of the exchanger shown in Figure 1 along line II-II; - Figure 3 is a block diagram of a heating installation comprising the exchanger shown in Figures 1 and 2;
- Figure 4 shows, in perspective, a rectangular section exchanger mounted on a central heating boiler; Figures 5 and 6 illustrate an exchanger similar to that of Figure 1, but used against the current.
<EMI ID = 2.1>
of reference designate analogous or identical elements.
As shown in Figure 1, the heat exchanger
<EMI ID = 3.1>
reference notation 1, consists of an envelope 2 surrounding an exchange surface 3 consisting of a
jacket 4 with double wall delimiting an interior space.
In the double wall of the jacket 4 circulates a liquid intended to be heated or cooled by a
stream of gaseous fluid circulating around the exchange surface 3.
In the embodiment shown in Figure 1, the outer casing 2 of the heat exchanger 1
is cylindrical. The exchange surface 3 consists of a cylindrical jacket 4 and a tubular bundle
5 with relatively small circular section. This beam
of tubes 5 is arranged in the vicinity of the jacket
<EMI ID = 4.1> <EMI ID = 5.1>
elbows 6.
The envelope 2 comprises, in the vicinity of one of its ends, a first lateral tube 7 for the inlet of the fumes, connected to the cylindrical jacket 4 and a second lateral tube 8 for the evacuation
of the aforementioned fumes.
The cylindrical jacket 4 is fixed to one of the side walls 9 provided with an orifice 10 to collect the water there having passed through the exchanger 1.
On this same side wall 9 is fixed a device 11 intended to introduce the water to be heated into the exchanger by distributing it uniformly in
the tube bundle.
The water coming from the heat transfer heating circuit or from any domestic hot water installation is introduced into the exchanger through the above-mentioned orifice. It circulates in the tube bundle 5 along
the jacket 4. The tube bundle 5 is heated externally, mainly by convection of the fumes. The water is then brought by the series of elbows 6 in the cylindrical jacket 4 composed of a cylindrical jacket with double wall. The cylindrical jacket 4 is in contact with the fumes by each of its inner faces. and outdoor.
In the embodiment illustrated in FIG. 1, the water and the fumes pass through the exchanger according to the arrows X, respectively Y, therefore co-current, except for the part of the inner wall of the jacket 4 where the circulation is against the tide. This prevents condensation of the water vapor contained in the fumes since no part of the exchanger is cold.
In other applications, the exchanger can also be used against the current. We then reverse
the aforementioned device 11 which distributed the water in
the central tubular bundle 5 and through the collecting orifice 10 so as to introduce the water into the jacket 4 and collect the hot water at the outlet of the tubular bundle 5. The fumes are introduced by the first lateral tube 7 connected to the jacket 4 as in the previous case and the fumes are collected by the second side tube 8 mounted directly
on envelope 2. (Figure 5)
The heat exchanger according to the invention is advantageously mounted in the flue gas circuit of a central heating boiler 12, preferably before the draft regulator 12 (Figure 3). This boiler
12 consists of a combustion chamber 14 supplied with diesel. The diesel is injected by a burner 15.
The combustion chamber 14 is lined with a water screen 16.
The circulation of water can possibly be forced by a circulator 17. The temperature of the water in the boiler 12 is lower than the boiling point.
The heat transfer circuit 18 comprises a four-way valve 19 leading the water in the direction of arrow X towards the return of cold water 20 or in the direction of arrow Z towards the suction side of circulator 17, according to
that the boiler 12 is on or off.
The exchanger readily admits the slight overpressure usually prevailing in the heat transfer circuit 18.
The fuel used to heat the boiler can also be gas. The above-mentioned burner is then simply a gas train. The shape of the
boiler 12 does not influence the performance of the above-mentioned exchanger 1. The external shape of the envelope 2, nor the shape of the jacket 4 does not influence
the principle of the exchanger 1. One can for example associate with the boiler 12 an exchanger 1 of parallelepipedal shape illustrated in FIG. 4.
The exchanger according to the invention p e r m e t
absorb expansions and / or withdrawals
of the exchange surface 3 without affecting
the behavior of envelope 2 and without deteriorating
nor deform the tubes of the tube bundle 5.
A second advantage of the following exchanger
the invention is the large exchange surface in a
small footprint while ensuring a relatively small construction.
The device can be easily insulated and
the heat sheath or the insulation sheath easily removed since all the connections are arranged
on one side.
The device allows one. easy evacuation of
condensate. It suffices to provide a purge orifice 20 and a plug 21 or a siphon on the casing 2.
The exchanger does not cause any pressure drop both for the liquid circuit and on the path traveled by the gases. The passage section of the inlet 7 and outlet 8 pipes and the central section of
the jacket and that of the annular space included
between the jacket and the envelope are substantially equivalent. The design of the exchange allows a construction adapted to significant pressures.
The pressure drop of the water course in the exchanger is however minimal since the exchanger does not have any constriction. The section of the annular interior space delimited by the jacket 4 is substantially equivalent to that of the tube bundle 5.
EXAMPLE 1
The performance of the exchanger according to the invention, used as an economizer in a heating installation is clearly demonstrated by the study of comparative measurement results made in a heating installation with and without this exchanger. The measurements were carried out by the Vinçotte Association.
1 / Description, of the exchanger
The exchanger used included an envelope
<EMI ID = 6.1>
and a length of 750 mm The inlet of the fumes and the outlet of the fumes had a circular section of 180 mm in diameter.
Water inlet and outlet section of 5/4
inch.
2 / Description of the boiler
<EMI ID = 7.1>
Equipment :
<EMI ID = 8.1>
3 / Description of the burner
<EMI ID = 9.1>
<EMI ID = 10.1>
The thermal efficiency of the boiler was
89.9% with a power of 50,620 keal / h.
TABLE I: RESULTS OF MEASUREMENTS TAKEN IN A
_________INSTALLATION EQUIPPED WITH AN ECONOMIZER
<EMI ID = 11.1>
The economizer provides thermal efficiency
94.6% with a useful yield of 53,260 keal / h
It is obvious that the invention is not exclusively limited to the embodiment shown above and that many modifications can be made in the form, the arrangement, the number and the constitution of the elements used in manufacturing. of the heat exchanger according to the invention, without departing from the scope of the invention.
Thus the tubes of the above-mentioned tube bundle or the jacket can be provided with fins intended to promote the exchange of heat between the liquid and the gaseous fluid.
The aforementioned heat exchanger or a part thereof can be made of a metal other than steel, for example stainless steel, aluminum, copper, galvanized steel, duralumin.
This exchanger can be mounted co-current or counter-current as illustrated in Figure 5 if no condensation on the gaseous fluid side is to be feared.
The fixing of the elbows on the jacket is usually carried out by welding but other techniques are not to be excluded, among other things the mandrel of these elbows in the holes drilled in one end of the jacket.
CLAIMS
1. Semi-tubular heat exchanger intended to be traversed simultaneously by a gaseous fluid and by a liquid and consisting of a casing which surrounds an exchange surface comprising a jacket delimiting an interior space in which the liquid circulates, characterized in that that it contains in the vicinity of a
from the ends of the above-mentioned envelope a first lateral tube for the entry of the gaseous fluid, connected to the aforesaid jacket and a second lateral tube for the evacuation of the gaseous fluid, mounted directly on the envelope and in that it comprises
a bundle of relatively small circular section tubes arranged in the vicinity of the aforesaid jacket parallel to the longitudinal axis thereof and connected to one end of this jacket by a series of elbows.