FR2462684A1 - Spiral plate heat exchanger - contains parallel tubes joined by end headers with regular perforations - Google Patents

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Abstract

The heat exchanger is made up from a plate with parallel tubes (2) along its entire length. The tubes are formed into the thickness of the plate. The tubes are joined at each end by a perpendicular header (3) which forms all the tubes at one end and the header (4) joining the tubes at the other. The plate is perforated (7) at regular intervals and rolled into a spiral, the headers remaining straight. The heat exchanger may be closed at the ends by the plate (6) to allow flow only across the tubes.

Description

ta présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur du type utilisé pour obtenir un transfert calorifique entre deux fluides en circulation à contre-courant sans contact de ces fluides entre eux, l'un de ces fluides étant gazeux.your present invention relates to a heat exchanger of the type used to obtain a heat transfer between two fluids in circulation against the current without contact of these fluids with one another, one of these fluids being gaseous.

On connait des échangeurs dans lesquels un circuit de tubes est solidaire d'une paroi commune en contact avec eux, cette paroi etant fermée pour réaliser une enceinte de forme ronde ou rectangulaire qui constitue le corps de chauffe bien connu des appareils du genre chauffe-eau ou chauffe-bains à gaz.Exchangers are known in which a circuit of tubes is integral with a common wall in contact with them, this wall being closed to produce an enclosure of round or rectangular shape which constitutes the heating body well known for devices of the water heater type. or gas bath heaters.

Dans ces appareils classiques on sait que la combustion du gaz, produit de la vapeur d'eau qui s'évacue par la cheminée en pure perte avec les produits de combustion. Cette perte qui est égale à la chaleur latente de condensation ou de vaporisation de la vapeur d'eau peut représenter 10 % du pouvoir calorifique du gaz. Pour récupérer ces calories perdues, il faudrait pouvoir condenser cette vapeur; c'est ce qui est réalise dans les chaudières dites à condensation.In these conventional devices it is known that the combustion of gas produces water vapor which is evacuated through the chimney in pure loss with the products of combustion. This loss which is equal to the latent heat of condensation or vaporization of water vapor can represent 10% of the calorific value of the gas. To recover these lost calories, it would be necessary to be able to condense this vapor; this is what is achieved in so-called condensing boilers.

Les échangeurs mentionnés plus haut ne peuvent assurer cette mission car l'eau circulant dans les tubes est à une temperature supérieure à la temperature dite de rosée ctest- -dire que la vapeur d'eau ne peut pas se condenser. Pour obtenir ce résultat il faut donc que la température de l'eau admise à l'entrée de l'échangeur soit à une température inferieure a la température de rosee, c'est- -dire préférentiellement à contre-courant des gaz de combustion. Le cheminement particulier des gaz dans un échangeur de ce type comportant un réseau de tubes d'eau doit donc être réalisé en consequence. The exchangers mentioned above cannot fulfill this mission because the water circulating in the tubes is at a temperature higher than the so-called dew point temperature, that is to say that the water vapor cannot condense. To obtain this result, therefore, the temperature of the water admitted to the inlet of the exchanger must be at a temperature below the dew point temperature, that is to say preferably against the flow of the combustion gases. The particular path of the gases in an exchanger of this type comprising a network of water tubes must therefore be carried out accordingly.

On connait à cet effet notamment un type d'échangeur obtenu à partir d'une plaque en alliage d'aluminium ou en alliage inoxydable portant un réseau de tubes d'eau, plaque qui est conformée en forme de spirale pour que le cheminement des gaz chauds émis au centre se fasse en suivant cette spirale jusqu'à la sortie de l'échangeur.Mais le prix de revient de ce type d'échangeur est elevé du fait de la nécessité, pour que le fluide gazeux circule perpendiculairement aux tubes d'eau et que les surfaces d'echange soient plus importantes, de disposer au moins une partie de ces tubes d'eau parallèlement à l'axe de la spirale et de prévoir par conséquent des tubes collecteurs perpendiculaires à eux, ce qui présente des difficultés de realisation. En outre, au diametre intérieur minimum de ce type d'é- changeur imposé par les dimensions du brûleur qu'il doit renfermer s'ajoute un écartement suffisant entre les spires pour le passage des produits de combustion, ce qui aboutit à un echangeur trop volumineux par rapport à la puissance thermique obtenue.Enfin dans ce type d'échangeur les gaz de combustion émis radialement par le brûleur de revolution viennent en butee contre la première paroi spirale de l'échangeur et doivent alors s'échapper de la chambre de combustion en cheminant dans toute la spirale de l'échangeur perpendiculairement à son axe, ce qui crée immanquablement des pertes de charges importantes difficilement acceptables.En outre le phénomène de condensation s'effectue essentiellement à la sortie de ces gaz c'est-à-dire d'un seul côte de l'échangeur, ce qui pose aussi des problèmes de récupération. On peut noter que les inconvénients de ce type d'échangeur à serpentin sont dûs à une sorte d'incompatibi- lité entre la fourniture radiale de gaz de combustion par un brûleur du type cylindrique de révolution et d'échange thermique par une surface et selon un cheminement gazeux essentiellement dissymétrique.We know for this purpose in particular a type of exchanger obtained from an aluminum alloy or stainless alloy plate carrying a network of water tubes, a plate which is shaped in the form of a spiral so that the path of the gases hot emitted in the center is done by following this spiral until the exit of the exchanger. But the cost price of this type of exchanger is high due to the necessity, so that the gaseous fluid circulates perpendicular to the tubes of water and that the exchange surfaces are larger, to arrange at least part of these water tubes parallel to the axis of the spiral and consequently to provide collector tubes perpendicular to them, which presents difficulties of production. In addition, to the minimum internal diameter of this type of exchanger imposed by the dimensions of the burner which it must contain is added a sufficient spacing between the turns for the passage of combustion products, which results in an exchanger too bulky compared to the thermal power obtained. Finally in this type of exchanger the combustion gases emitted radially by the burner of revolution come into abutment against the first spiral wall of the exchanger and must then escape from the combustion chamber by traveling along the entire spiral of the exchanger perpendicular to its axis, which inevitably creates significant pressure losses that are difficult to accept. Furthermore, the phenomenon of condensation takes place essentially at the outlet of these gases, that is to say on one side of the exchanger, which also poses recovery problems. It can be noted that the drawbacks of this type of coil exchanger are due to a kind of incompatibility between the radial supply of combustion gases by a burner of the cylindrical type of revolution and of heat exchange by a surface and according to an essentially asymmetrical gas path.

En vue d'eviter ces inconvénients et pour atteindre des performances thermiques élevées dans un échangeur compact ainsi que diminuer notablement la prix de revient, l'invention propose un echangeur de chaleur, du type spirale connu en soi, mais dans lequel entre la spire intérieure suffisamment dimensionnée pour recevoir le brûleur, et la spire extérieure, l'espacement des spires intermediaires est réduit au minimum, échangeur dans lequel les gaz de combustion ne cheminent pas dans le serpentin mais le traversent radialement dans le sens de leur émission. En outre dans ledit échangeur la disposition des tubes d'eau perpendiculairement à l'axe de la spirale facilite la réalisation de l'enroulement.In order to avoid these drawbacks and to achieve high thermal performance in a compact exchanger as well as significantly reduce the cost price, the invention provides a heat exchanger, of the spiral type known per se, but in which enters the inner coil sufficiently dimensioned to receive the burner, and the outer coil, the spacing of the intermediate coils is reduced to a minimum, exchanger in which the combustion gases do not pass through the coil but pass through it radially in the direction of their emission. In addition in said exchanger the arrangement of the water tubes perpendicular to the axis of the spiral facilitates the production of the winding.

Selon une caractéristique principale de l'invention, des ouvertures sont prévues dans la paroi developpante de l'échangeur entre les tubes d'eau et sont disposees de telle sorte que lors de la conformation de ladite paroi en spirale les ouvertures de deux spires successives soient decalées et qu'ainsi le passage des gaz de combustion provenant du brûleur central s'effectue radialement au travers des parois avec des impacts successifs sur chacune des parois spirales.According to a main characteristic of the invention, openings are provided in the developing wall of the exchanger between the water tubes and are arranged so that during the conformation of said spiral wall the openings of two successive turns are offset and that thus the passage of the combustion gases from the central burner takes place radially through the walls with successive impacts on each of the spiral walls.

Selon une caractéristique particulière de l'invention le parcours des gaz dans l'échangeur à travers les ouvertures des parois, s'effectue autour des tubes d'eau disposés en quinconce par le fait qu'entre leur collecteur d'entrée et leur collecteur de sortie les tubes d'eau sont conformés sur la paroi développable pour être justement en quinconce entre spires voisines lors de l'enroulement en spirale de lBechangeur. According to a particular characteristic of the invention, the path of the gases in the exchanger through the openings in the walls takes place around the water tubes staggered by the fact that between their inlet manifold and their outlet the water tubes are shaped on the developable wall to be precisely staggered between neighboring turns during the spiral winding of the changer.

D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris a titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés qui représentent - figure 1 : une vue en perspective partiellement écorchée de l'e
changeur, - figure 2 : une vue en plan de la surface développable à partir
de laquelle est obtenu l'échangeur, - figure 3 : une vue en coupe verticale selon la ligne AA' de la
figure 1.Other particular characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows of an embodiment taken by way of nonlimiting example and with reference to the appended drawings which represent - FIG. 1: a partially cutaway perspective view of e
changer, - Figure 2: a plan view of the developable surface from
from which the exchanger is obtained, - Figure 3: a vertical sectional view along line AA 'of the
figure 1.

L'échangeur représenté à la figure 1 est essentiellement constitué d'une paroi 1 conformée en spirale qui porte un réseau de tubes d'eau 2 sensiblement horizontaux qui suivent la spirale et sont en communication à une de leurs extrémités avec un tube vertical 3 constituant le collecteur d'entree d'eau, et a l'autre de leurs extrémités avec un autre tube vertical 4 constituant le collecteur de sortie d'eau chaude. Dans le cas représenté l'échangeur s'étend sur quatre tours de spirale et la spirale interne délimite la chambre de combustion (5) de la chaudière à l'intérieur de laquelle est disposé un brûleur cylindrique non représenté. Des couvercles 6 sont prévus à la partie superieure et à la partie inferieure pour obturer 1 'échangeur jusqu'à la spirale externe. The exchanger shown in FIG. 1 essentially consists of a wall 1 shaped in a spiral which carries a network of substantially horizontal water tubes 2 which follow the spiral and are in communication at one of their ends with a vertical tube 3 constituting the water inlet manifold, and at the other of their ends with another vertical tube 4 constituting the hot water outlet manifold. In the case shown, the exchanger extends over four turns of the spiral and the internal spiral delimits the combustion chamber (5) of the boiler inside which is arranged a cylindrical burner, not shown. Lids 6 are provided at the upper part and at the lower part to close off the exchanger up to the external spiral.

Cette spirale est obtenue a partir d'une paroi développable 1 repré sentée à la figure 2 sous une forme simplifiée. Cette paroi porte à chaque extremite latérale un tube collecteur (3, 4) entre lesquels est dispose le réseau de tubes parallèles sensiblement horizontaux 2. Selon un mode de réalisation connu en soi, l'assemblage des tubes à la paroi s'effectue de la façon suivante : on soude partiellement ensemble et face contre face, deux tôles en alliage d'aluminium ou en alliage inoxydable, et en laissant des bandes non soudées. Grâce à un gonflage par des moyens appropriés aux endroits non soudés, on obtient des zones longitudinales tubulaires qui constituent les tubes 2.Ce procéde connu en soi est particulièrement approprié pour mettre en oeuvre la présente invention, mais il va de soi que tout autre mode de réalisation des tubes d'eau, ou de fixation des tubes d'eau sur la paroi peut être utilisé pour constituer l'échangeur sans sortie du cadre de l'invention.This spiral is obtained from a developable wall 1 represented in FIG. 2 in a simplified form. This wall carries at each lateral end a collecting tube (3, 4) between which is arranged the network of substantially horizontal parallel tubes 2. According to an embodiment known per se, the tubes are assembled to the wall by as follows: partially welded together and face to face, two sheets of aluminum alloy or stainless alloy, and leaving strips not welded. Thanks to inflation by means suitable for non-welded places, longitudinal tubular zones are obtained which constitute the tubes 2. This process known per se is particularly suitable for implementing the present invention, but it goes without saying that any other mode for making the water tubes, or for fixing the water tubes to the wall can be used to form the exchanger without departing from the scope of the invention.

Entre les tubes d'eau 2 la paroi 1 est percée d'ouvertures 7 reparties de telle sorte que lors de la conformation en spirale les ouvertures de deux spires successives soient décalées les unes par rapport aux autres. Les gaz de combustion émis latéralement par le brûleur central, tout autour de lui et sur toute sa hauteur traversent donc, dans le sens de leur emission les quatre parois constituant les quatres spirales de l'échangeur, par ces ouvertures.Between the water tubes 2 the wall 1 is pierced with openings 7 distributed so that during the spiral conformation the openings of two successive turns are offset from one another. The combustion gases emitted laterally by the central burner, all around it and over its entire height therefore pass, in the direction of their emission, the four walls constituting the four spirals of the exchanger, through these openings.

Du fait du décalage de ces ouvertures il y a sur chaque paroi impact du flux gazeux et donc une augmentation de la turbulence de ces gaz et amelioration de l'échange thermique. On peut encore, pour rendre plus efficace le transfert de chaleur à la paroi développable, faire varier sensiblement la section de passage des gaz de combustion à travers les parois spirales successives en utilisant selon les niveaux ou les sections des ouvertures de nombre et/ou de diamètre différents. On notera aussi qu'entre la spire intérieure suffisamment dimensionnée pour recevoir le brûleur et la spire extérieure, l'espacement des spires intermédiaire est réduit au minimum.Due to the offset of these openings there is on each wall impact of the gas flow and therefore an increase in the turbulence of these gases and improvement of the heat exchange. It is also possible, to make the heat transfer to the developable wall more efficient, to vary the cross-section of the combustion gas passage through the successive spiral walls considerably, using number and / or section openings according to the levels or sections. different diameters. It will also be noted that between the interior turn sufficiently dimensioned to receive the burner and the exterior turn, the spacing of the intermediate turns is reduced to a minimum.

Pour améliorer encore les échanges thermiques on cherche à obtenir une disposition des tubes d'eau 2 en quinconce selon chacune des parois spirales pour que le flux gazeux passant par les ouvertures contourne les tubes d'eau. La coupe de la figure 3 illustre cette disposition. Une telle répartition en quinconce de ces tubes est obtenue à partir d'une configuration particulière (par exemple avec des décrochements) des tubes d'eau parallèles et sensiblement horizontaux, ou de façon plus simple si les tubes 2 sont inclinés d'un petit angle a par rapport à l'axe longitudinal d'enroulement BB' comme on le voit à la figure 2.To further improve the heat exchanges, it is sought to obtain a staggered arrangement of the water tubes 2 along each of the spiral walls so that the gas flow passing through the openings bypasses the water tubes. The section in Figure 3 illustrates this arrangement. Such a staggered distribution of these tubes is obtained from a particular configuration (for example with recesses) of the parallel and substantially horizontal water tubes, or more simply if the tubes 2 are inclined at a small angle a relative to the longitudinal winding axis BB 'as seen in Figure 2.

Dans l'échangeur illustré à la figure 1, l'eau de retour du circuit de chauffage, à 400C par exemple, circule dans le réseau de tubes à contre-courant des gaz en pénétrant par le collecteur 3 du côté de la sortie des gaz de combustion sur la paroi de la spirale extérieure et en sortant par le collecteur 4 vers le depart du circuit de chauffage à 600C par exemple dans la zone d'entrée des gaz de combustion. On peut donc atteindre le point de rosée des gaz de combustion pour la combustion des gaz naturels dans la zone d'echange thermique des spirales externes de l'échangeur à une température voisine de la température de retour du circuit chauffe et on peut donc fonctionne avec une condensation partielle de la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion.In the exchanger illustrated in Figure 1, the return water from the heating circuit, at 400C for example, circulates in the network of tubes against the gas flow entering the collector 3 on the side of the gas outlet combustion on the wall of the outer spiral and leaving via the manifold 4 towards the start of the heating circuit at 600C for example in the combustion gas inlet zone. We can therefore reach the dew point of the combustion gases for the combustion of natural gases in the heat exchange zone of the external spirals of the exchanger at a temperature close to the return temperature of the heating circuit and we can therefore operate with partial condensation of the water vapor contained in the combustion gases.

L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit mais en englobe egalewent toutes les variantes. The invention is not limited to the example of embodiment described but also encompasses all the variants thereof.

Claims (5)

REVENDICATIONS 10/ Echangeur de chaleur à deux fluides dont un gazeux circulant10 / Heat exchanger with two fluids including one circulating gas à contre-courant, comportant un réseau de tubes pour la circu against the current, comprising a network of tubes for the circu lation du fluide liquide, lesdits tubes étant thermiquement lation of the liquid fluid, said tubes being thermally solidaires d'une paroi commune de forme developpable et en integral with a common wall of developable form and in contact avec elle par leurs generatrices, ladite paroi etant contact with it by their generators, said wall being conformée en spirale d'au moins deux spires à partir d'une spirally formed of at least two turns from a spire interne de diametre suffisant pour constituer une en internal coil of sufficient diameter to constitute one in ceinte renfermant un brûleur à echappement radial des gaz de girdle containing a burner with radial exhaust of the gases of combustion caractérisé par le fait que pour le passage des gaz combustion characterized in that for the passage of gases de combustion radialement ét perpendiculairement à la paroi radially and perpendicular to the wall developpable 1, des ouvertures 7 sont prévues dans cette paroi developable 1, openings 7 are provided in this wall développable entre un réseau de tubes d'eau 2 sensiblement hori developable between a network of water tubes 2 substantially hori zontaux qui suivent la spirale et sont en communication avec un zontals which follow the spiral and are in communication with a collecteur d'entrée 3 et un collecteur de sortie d'eau 4. inlet manifold 3 and a water outlet manifold 4. 20/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracterise par20 / Heat exchanger according to claim 1, characterized by le fait que les ouvertures 7 sont décalées entre deux spires the fact that the openings 7 are offset between two turns successives pour que le passage radial des gaz de combustion successive so that the radial passage of the combustion gases à travers les parois 1 s'effectue avec des impacts successifs through the walls 1 is carried out with successive impacts sur chacune des parois spirales suivant un circuit en chicanes. on each of the spiral walls following a baffle circuit. 30/ Echangeur selon la revendication 1, caractérise par le fait que30 / Exchanger according to claim 1, characterized in that les tubes d'eau 2 des spires voisines présentent dans un plan the water tubes 2 of the neighboring turns present in a plane vertical une disposition en quinconce pour que les gaz de com vertical a staggered arrangement so that the com gases bustion contournent ces tubes d'eau. bustion bypass these water tubes. 40/ Echangeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que40 / Exchanger according to claim 3, characterized in that la disposition en quinconce est obtenue à partir d'un réseau de the staggered arrangement is obtained from a network of tubes d'eau présentant une legere inclinaison a par rapport water tubes with a slight inclination to relative à l'axe BB' d'enroulement de la surface développable. to the axis BB 'of winding of the developable surface. 50/ Echangeur selon la revendication 1, caracterise par le fait que50 / Exchanger according to claim 1, characterized in that entre la spire intérieure suffisamment dimensionnée pour rece between the inner coil sufficiently dimensioned to receive voir le brûleur et la spire extérieure, l'espacement des spires see the burner and the external coil, the spacing of the coils intermédiaires est réduit au minimum.  intermediaries is minimized.
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DE2045353A1 (en) * 1969-09-26 1971-04-15 Waagner Biro AG, Wien Shell and tube heat exchanger
FR2308071A1 (en) * 1975-04-14 1976-11-12 Parca Norrahammar Ab Spiral heat exchanger with spiral baffle - having bypass holes in the baffle capable of taking excess flow
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