EP0731899B1 - Echangeur thermique - Google Patents

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EP0731899B1
EP0731899B1 EP95902256A EP95902256A EP0731899B1 EP 0731899 B1 EP0731899 B1 EP 0731899B1 EP 95902256 A EP95902256 A EP 95902256A EP 95902256 A EP95902256 A EP 95902256A EP 0731899 B1 EP0731899 B1 EP 0731899B1
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heat exchange
wall
heat exchanger
chamber
water
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EP95902256A
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John Wood
Paul Monaghan
Michael Vaughan
John Michael Ahern
Ciaran John Costelloe
Thomas Conneely
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RUSTSUN Ltd
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RUSTSUN Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0005—Details for water heaters
    • F24H9/001—Guiding means
    • F24H9/0026—Guiding means in combustion gas channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/28—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes
    • F24H1/282—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes with flue gas passages built-up by coaxial water mantles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0005—Details for water heaters
    • F24H9/001—Guiding means
    • F24H9/0015—Guiding means in water channels

Definitions

  • the condensing boiler of U.S. Patent Specification No. 4,589,374 is also provided with a plug located in a downstream portion of the main cylindrical chamber.
  • the inner cylindrical heat exchange wall is of helical shape and the plug is a tight fit against the ridges of the inner cylindrical heat exchange wall which forms the helix.
  • the plug regulates the flow of flue gases from the combustion chamber and causes the flue gases to flow along the helical path formed in the inner cylindrical heat exchange wall.
  • the flow water outlet extends from the main outer side wall.
  • the intermediate water inlet is provided in the main outer side wall.
  • the outer shell of the plug comprises an elongated outer side wall extending around the plug and forming with the first heat exchange wall the flue gas passageway, the outer side wall forming an elongated inner cavity, and an outer end wall at the upstream end of the outer side wall closing the inner cavity at the upstream end, the outer end wall forming with the first heat exchange wall the combustion chamber.
  • the number of heat exchange fins per unit area of the corresponding first and second heat exchange walls increases at intervals in a downstream direction along the flue gas passageway.
  • the heat exchange fins are arranged in sets, each set comprising a plurality of heat exchange fins spaced apart circumferentially around the flue gas passageway, the sets of heat exchange fins being arranged end to end in a generally upstream/downstream direction.
  • the heat exchange fins of at least some of the sets of heat exchange fins are staggered relative to the heat exchange fins of an adjacent set of heat exchange fins to induce turbulence in the flue gases passing through the flue gas passageway.
  • each set of heat exchange fins is formed by an elongated endless band of heat conductive material, each band being formed into a waveform, portions of the waveform joining opposite peaks of the waveform forming the heat exchange fins.
  • each band is of square wave formation, the heat exchange fins being formed by radially extending portions of the square wave.
  • An end wall 20 secured to the main outer side wall 9 by a circular vee-clamp 26 closes the main chamber 7 at the upstream end 3.
  • the vee-clamp 26 extends around the periphery of the end wall 20 and engages a circumferential flange 12 extending from the main outer side wall 9 for securing the end wall 20 to the main outer side wall 9.
  • a gasket 13 between the end wall 20 and the flange 12 seals the joint between the end wall 20 and the flange 12.
  • the burner unit 76 which is described below is mounted in the main chamber 7 and carried by the end wall 20.
  • the outer shell 18 of the plug 17 defines an inner cavity 34 within which an inner shell 35 is co-axially located and spaced apart from the outer shell 18 for forming with the outer shell 18 an inner water chamber 36.
  • the inner shell 35 is formed by a cylindrical inner wall 39 which terminates at an upstream end in a dome shaped inner end wall 40.
  • the downstream end of the inner wall 39 is shaped at 41 and continuously seam welded to the outer wall 37 for sealing the inner water chamber 36.
  • Heat from the combustion chamber 22 is transferred into the water in the inner water chamber 36 through the dome shaped outer end wall 38 of the second heat exchange wall 19, and heat from the flue gases passing through the flue gas passageway 23 is transferred into the water in the inner water chamber 36 through the outer wall 37 of the second heat exchange wall 19, as will be described below.
  • Heat is transferred from the combustion chamber 22 and from the flue gases in the flue gas passageway 23 through the first heat exchange wall 6 into the water in the outer water chamber 10 as will also be described below.
  • a return water inlet 42 to the inner water chamber 36 extends from the outer wall 37 of the plug 17 at the downstream end thereof for delivering water to be heated to the boiler 1.
  • An opening 44 sealably accommodates the return water inlet 42 through the flue gas chamber wall 28.
  • the bands 54 and 63 of the sets 52 a and 60 a comprise 100 fins.
  • the bands 54 and 63 of the sets 52 b and 60 b of fins 53 and 61, respectively, comprise 200 fins at a pitch e of 2.1 mm.
  • the bands 54 and 63 of the sets 52 c and 60 c of fins 53 and 61, respectively, comprise 300 fins at a pitch e of 1.62 mm.
  • the bands 54 of the sets 52 d comprise 300 fins at a pitch e of 1.4 mm.
  • Each band 54 and 63 is of axial height h of 10 mm.

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Claims (25)

  1. Echangeur de chaleur (5) destiné à une chaudière (1), l'échangeur de chaleur (5) présentant une extrémité amont (3) et une extrémité aval (4) et comprenant une première paroi d'échange de chaleur (6) s'étendant autour, et la définissant, d'une chambre principale allongée (7) comportant une extrémité amont et une extrémité aval séparée axialement correspondant aux extrémités amont et aval (3, 4), respectivement de l'échangeur de chaleur (5), un tampon allongé creux (17) situé dans une partie aval (21) de la chambre principale (7) et s'étendant suivant une direction axiale générale dans celle-ci, le tampon (17) comprenant une seconde paroi d'échange de chaleur (19) formant avec la première paroi d'échange de chaleur (6) une chambre de combustion (22) en direction de l'extrémité amont (3) de la chambre principale (7) et un passage de gaz de tube-foyer annulaire (23) dans la partie aval (21) afin de recevoir des gaz de tube-foyer provenant de la chambre de combustion (22) en direction de l'extrémité aval (4) de la chambre principale (7) vers un orifice de sortie de gaz de tube-foyer (31), un moyen de montage (20) destiné à monter un brûleur (66) dans la chambre de combustion (22), un collecteur d'eau interne (36), dont une paroi (18) est formée par au moins une partie de la seconde paroi d'échange de chaleur (19) afin de transférer de la chaleur vers de l'eau dans le collecteur d'eau interne (36), un collecteur d'eau externe (19), dont une paroi (6) est formée par au moins une partie de la première paroi d'échange de chaleur (6) afin de transférer de la chaleur vers de l'eau dans le collecteur d'eau externe (10), un orifice d'entrée de retour d'eau (42) destiné à délivrer de l'eau à l'échangeur de chaleur (5) à chauffer, l'orifice d'entrée de retour d'eau (42) étant disposé dans le collecteur d'eau interne (36) à proximité de l'extrémité aval (4) de l'échangeur de chaleur (5), un orifice de sortie d'écoulement d'eau (16) destiné à délivrer de l'eau chauffée provenant de l'échangeur de chaleur (5), l'orifice de sortie d'écoulement d'eau (16) étant disposé depuis le collecteur d'eau externe (10) en direction de l'extrémité amont (3) de l'échangeur de chaleur (5), un orifice de sortie d'eau intermédiaire (43) depuis le collecteur d'eau interne (36), un orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) vers le collecteur d'eau externe (10), et un moyen de liaison (46) destiné à relier l'orifice de sortie d'eau intermédiaire (43) à l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) afin d'interconnecter les collecteurs d'eau interne et externe (36, 10), caractérisé en ce que l'orifice de sortie d'eau intermédiaire (43) depuis le collecteur d'eau interne (36) est situé à proximité de la chambre de combustion (22), et l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) vers le collecteur d'eau externe (10) est situé vers l'extrémité aval (4) de l'échangeur de chaleur (5), et le moyen de connexion (46) relie l'orifice de sortie d'eau intermédiaire (43) à l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) de sorte que de l'eau circule au travers des collecteurs d'eau interne et externe (36, 10) en série depuis l'orifice d'entrée de retour d'eau (42) vers l'orifice de sortie d'écoulement d'eau (16).
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur d'eau externe (10) s'étend complètement autour de la première paroi d'échange de chaleur (6) et pratiquement sur la longueur de la première paroi d'échange de chaleur (6) depuis l'extrémité amont (3) à l'extrémité aval (4) de celle-ci.
  3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une paroi latérale externe principale (9) s'étend autour de la première paroi d'échange de chaleur (6) et est espacée de celle-ci, afin de former avec la première paroi d'échange de chaleur (6) le collecteur d'eau externe (10), et la largeur du collecteur d'eau externe (10) entre la première paroi d'échange de chaleur (6) et la paroi latérale externe principale (9) n'excède pas 20 mm.
  4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur du collecteur d'eau externe (10) entre la première paroi d'échange de chaleur (6) et la paroi latérale externe principale (9) n'excède pas 10 mm.
  5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur du collecteur d'eau externe (10) entre la première paroi d'échange de chaleur (6) et la paroi latérale externe principale (9) n'excède pas 5 mm.
  6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'orifice de sortie d'écoulement d'eau (16) s'étend depuis la paroi latérale externe principale (9) et l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) est ménagé dans la paroi latérale externe principale (9).
  7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) vers le collecteur d'eau externe (10) est situé à une position qui correspond à une position dans le passage de gaz de tube-foyer (23) à laquelle la température des gaz du tube-foyer n'est pas inférieure à la température de l'eau entrant dans l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) afin d'empêcher un transfert de chaleur inverse de l'eau vers les gaz du tube-foyer.
  8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) est situé à une position intermédiaire de la chambre de combustion (22) et de l'extrémité aval de l'échangeur de chaleur (5).
  9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée d'eau intermédiaire (45) vers le collecteur d'eau externe (10) est situé plus près de l'extrémité aval (4) de l'échangeur de chaleur (5) que de la chambre de combustion (22).
  10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collecteur d'eau interne (36) s'étend pratiquement sur la seconde paroi d'échange de chaleur (19) entière, et le tampon (17) comprend une coque externe (18) qui forme la seconde paroi d'échange de chaleur (19), et une coque interne (35) montée à l'intérieur de la coque externe (18) et espacée de celle-ci et formant avec la coque externe (18) le collecteur d'eau interne (36).
  11. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la largeur du collecteur d'eau interne (36) entre les coques interne et externe (36, 18) n'excède pas 20 mm.
  12. Echangeur de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la largeur du collecteur d'eau interne (36) entre les coques interne et externe (36, 18) n'excède pas 10 mm.
  13. Echangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la largeur du collecteur d'eau interne (36) entre les coques interne et externe (36, 18) n'excède pas 5 mm.
  14. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la coque externe (18) du tampon (17) comprend une paroi latérale externe allongée (36) s'étendant autour du tampon (17) et formant avec la première paroi d'échange de chaleur (6) le passage de gaz de tube-foyer (23), la paroi latérale externe (37) formant une cavité interne allongée (34), et une paroi d'extrémité externe (38) à l'extrémité amont de la paroi latérale externe (37) renfermant la cavité interne (34) au niveau de l'extrémité amont, la paroi d'extrémité externe (38) formant avec la première paroi d'échange de chaleur (6) la chambre de combustion (22), et la coque interne (35) comprend une paroi latérale interne (39) s'étendant autour et à l'intérieur de la cavité interne (34), et étant coaxiale avec la paroi latérale externe (37) et étant espacée de celle-ci, et une paroi d'extrémité interne (40) à l'extrémité amont de la paroi latérale interne (39) qui est espacée de la paroi d'extrémité externe (38), la paroi latérale interne (39) et la paroi d'extrémité interne (40) définissant avec la paroi latérale externe (37) et la paroi d'extrémité externe (38) le collecteur d'eau interne (36).
  15. Echangeur de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les parois d'extrémité interne et externe (40, 38) du tampon (10) sont en forme de dôme, et l'orifice de sortie d'eau intermédiaire (43) est situé à proximité du centre du dôme, l'orifice de sortie d'eau intermédiaire (43) étant prévu à partir de la coque interne (35) du tampon (17).
  16. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une pluralité d'ailettes d'échange de chaleur (61, 53) s'étendent depuis au moins une partie d'au moins l'une de la première et de la seconde parois d'échange de chaleur (6, 19) jusque dans le passage de gaz de tube-foyer (23) afin de transférer la chaleur depuis les gaz du tube-foyer dans le passage de gaz du tube-foyer (23) vers au moins l'un des collecteurs d'eau externe et interne (10, 36), les ailettes d'échange de chaleur (61, 53) s'étendant longitudinalement dans une direction générale amont/aval, et étant espacées sur la circonférence autour de la au moins une des première et seconde parois d'échange de chaleur (6, 19).
  17. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les ailettes d'échange de chaleur (61, 53) sont disposées sur les première et seconde parois d'échange de chaleur (6, 19) et les ailettes d'échange de chaleur (61, 53) s'étendent pratiquement radialement depuis les parois d'échange de chaleur correspondantes (6, 19).
  18. Echangeur de chaleur selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que les ailettes d'échange de chaleur (61, 53) sont disposées de manière à ce que la somme des aires des surfaces d'échange de chaleur (69, 47) des ailettes d'échange de chaleur (61, 53) par aire élémentaire des première et seconde parois d'échange de chaleur correspondantes (6, 19) augmente depuis l'extrémité amont du passage de gaz de tube-foyer (23) vers l'extrémité aval (4) de celui-ci.
  19. Echangeur de chaleur selon la revendication 18, caractérisé en ce que la somme des aires des surfaces d'échange de chaleur (69, 47) des ailettes d'échange de chaleur (61, 53) par aire élémentaire des première et seconde parois d'échange de chaleur correspondantes (6, 19) augmente depuis l'extrémité amont du passage de gaz de tube-foyer (23) vers l'extrémité aval de celui-ci d'une manière telle que la quantité de chaleur qui est transférée vers les première et seconde parois d'échange de chaleur respectives (6, 19) est pratiquement constante suivant la longueur des première et seconde parois d'échange de chaleur respectives (6, 19) depuis l'extrémité amont de celles-ci jusqu'à l'extrémité aval de celles-ci.
  20. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que les ailettes d'échange de chaleur (53, 61) sont disposées par ensembles (52, 60), chaque ensemble (52, 60) comprenant une pluralité d'ailettes d'échange de chaleur (53, 61) espacées sur la circonférence autour du passage de gaz de tube-foyer (23), les ensembles (52, 60) des ailettes d'échange de chaleur (53, 61) étant disposés d'une extrémité à l'autre suivant une direction générale amont/aval, et les ailettes d'échange de chaleur (53, 61) d'au moins certains des ensembles (52, 60) d'ailettes d'échange de chaleur (53, 61) sont décalées relativement aux ailettes d'échange de chaleur (53, 61) d'un ensemble adjacent (52, 60) d'ailettes d'échange de chaleur (53, 61) afin d'induire une turbulence dans les gaz du tube-foyer passant au travers du passage de gaz de tube-foyer (23).
  21. Echangeur de chaleur selon la revendication 20, caractérisé en ce que chaque ensemble (52, 60) d'ailettes d'échange de chaleur (53, 61) est formé d'une bande sans fin allongée (54, 63) de matériau conducteur de la chaleur, chaque bande (54, 63) étant formée suivant une forme ondulée, des parties (55) de la forme ondulée rejoignant des crêtes opposées (59) de la forme ondulée formant les ailettes d'échange de chaleur (53, 61).
  22. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première paroi d'échange de chaleur (6) et le tampon (17) sont de conception cylindrique, et le tampon (17) est situé de façon coaxiale à l'intérieur de la première paroi d'échange de chaleur (6).
  23. Chaudière (1) comprenant l'échangeur de chaleur (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  24. Chaudière (1) selon la revendication 23, caractérisée en ce que la chaudière (1) est une chaudière à condensation.
  25. Chaudière (1) selon la revendication 23 ou 24, caractérisée en ce que la chaudière convient pour un montage avec l'extrémité amont (3) de l'échangeur de chaleur dirigée vers le haut, et l'extrémité aval (4) de l'échangeur de chaleur dirigée vers le bas, et le brûleur (76) est monté dans la chambre de combustion à proximité de l'extrémité amont de celle-ci.
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AU1118395A (en) 1995-06-13
DE69423779D1 (de) 2000-05-04
WO1995014895A1 (fr) 1995-06-01
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