FR2487956A1 - HEATING BODIES FOR DOMESTIC HOT WATER HEATER CENTRAL HEATING BOILERS - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION SE RAPPORTE A UN CORPS DE CHAUFFE-ECHANGEUR DE CHALEUR POUR LES CHAUDIERES DOMESTIQUES DU TYPE ETANCHE A TIRAGE FORCE. LE CORPS DE CHAUFFE 1 COMPORTE UN FAISCEAU DE TUBES LONGITUDINAUX A SECTION ALLONGEE 10, DISPOSES SUIVANT LA GENERATRICE D'UN CYLINDRE DE FACON A FORMER UNE CHAMBRE DE COMBUSTION INTERIEURE. LES TUBES ALLONGES 10 SONT INCLINES D'UN ANGLE A PAR RAPPORT A LA DIRECTION RADIALE AB D'ECOULEMENT DES GAZ DE COMBUSTION POUR CREER UNE ATTAQUE OBLIQUE DE CES GAZ SUR LESDITS TUBES. APPLICATION AUX CHAUDIERES A CONDENSATION.THE INVENTION RELATES TO A HEAT EXCHANGER HEATER BODY FOR DOMESTIC BOILERS OF THE FORCED DRAFT TYPE. THE HEATING BODY 1 INCLUDES A BEAM OF LONGITUDINAL TUBES WITH EXTENDED SECTION 10, ARRANGED ACCORDING TO THE GENERATOR OF A CYLINDER SO AS TO FORM AN INTERNAL COMBUSTION CHAMBER. THE EXTENDED TUBES 10 ARE INCLINED AT AN ANGLE A WITH RESPECT TO THE RADIAL DIRECTION AB OF FLOW OF THE COMBUSTION GASES TO CREATE AN OBLIQUE ATTACK OF THESE GAS ON THE SAID TUBES. APPLICATION TO CONDENSING BOILERS.
Description
- 1 - La présente invention se rapporte tout particulièrement mais non- 1 - The present invention relates particularly but not
exclusivement aux chaudières domestiques de chauffage central à eau chaude par le gaz du type étanche à tirage forcé. Elle a pour objet un nouveau corps de chauffe échangeur qui permet de faire fonctionner lesdites chaudières avec une récupération partielle ou totale des calories contenues dans la vapeur d'eau produite exclusively to domestic hot water central heating boilers with forced draft type gas. It relates to a new exchanger heating body that allows said boilers to operate with a partial or total recovery of the calories contained in the water vapor produced.
par la condensation du gaz.by the condensation of the gas.
En effet, on sait que lors de la combustion d'un gaz contenant du carbone et de l'hydrogène ce qui est le cas de presque tous les gaz combustibles, l'hydrogène se combine avec l'oxygène de l'air Indeed, it is known that during the combustion of a gas containing carbon and hydrogen which is the case of almost all combustible gases, hydrogen combines with the oxygen of the air
pour produire de la vapeur d'eau.to produce water vapor.
Dans les chaudières équipées de corps de chauffe classiques, cette vapeur d'eau est évacuée par la cheminée en pure perte avec les In boilers equipped with conventional heating bodies, this water vapor is evacuated by the chimney in a loss with the
produits de combustion à une température généralement comprise en- combustion products at a temperature generally
tre 110 et 2500C, cette perte qui est au moins égale à la chaleur be 110 and 2500C, this loss which is at least equal to the heat
latente de condensation ou de vaporisation de la vapeur d'eau re- latent condensation or vaporization of water vapor
présente environ 10 % du pouvoir calorifique du gaz. Pour récupé- about 10% of the calorific value of the gas. To recover
rer ces calories perdues, il faut pouvoir condenser cette vapeur, these lost calories, it is necessary to be able to condense this vapor,
c'est ce qui est réalisé dans les chaudières dites à condensation. this is what is done in the so-called condensing boilers.
Malheureusement, pour pouvoir condenser la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion, il faut pouvoir les refroidir au Unfortunately, in order to condense the water vapor contained in the products of combustion, it must be possible to cool them at
contact d'une paroi d'échange thermique à une température inférieu- contact of a heat exchange wall at a lower temperature than
re à la température dite de rosée qui se situe en général autour de 551C. Cela veut dire qu'on ne pourra jamais condenser cette vapeur d'eau si l'eau de chauffage circulant dans la chaudière est à une température supérieure à la température du point de rosée des produits de combustion qui dans la pratique, se situe autour de 550C, ou si les surfaces d'échange en contact avec les produits re at the so-called dew temperature which is generally around 551C. This means that this water vapor can never be condensed if the heating water circulating in the boiler is at a temperature above the dew point temperature of the products of combustion which in practice is around 550C, or if the exchange surfaces in contact with the products
de combustion sont elles-même à une température supérieure à celle-ci. of combustion are themselves at a higher temperature than this.
C'est pourquoi sur la plupart des chaudières à condensation connues, This is why in most known condensing boilers,
l'eau du circuit à chauffer est mise en contact direct avec les pro- the water of the circuit to be heated is put in direct contact with the
duits de combustion en utilisant soit une pulvérisation de l'eau à combustion fuels using either a spray of water to
travers les produits de combustion, soit le principe du brûleur sub- through the products of combustion, ie the principle of the
merge, soit le principe du lit fluidisé ou encore le principe du ruis- merge, the principle of the fluidized bed or the principle of
selement de l'eau sur des plateaux.only water on trays.
- 2 - Mais dans toutes ces chaudières, il n'existe pas de séparation - 2 - But in all these boilers, there is no separation
physique entre les produits de combustion et le circuit d'eau pri- between the combustion products and the primary water circuit
maire. De plus, il est nécessaire de prévoir un échangeur entre mayor. In addition, it is necessary to provide an interchange between
le circuit primaire et le circuit secondaire, en raison de l'agres- the primary circuit and the secondary circuit, because of the aggression
sivité élevée de l'eau du circuit primaire en contact direct avec high water content of the primary circuit in direct contact with
les produits de combustion. Par ailleurs, le contact direct eau- combustion products. Moreover, the direct contact
produits de combustion présente des inconvénients. Tout d'abord- combustion products have disadvantages. First of all-
il limite l'emploi de ce type de générateur par exemple au chauf- it limits the use of this type of generator for example to heating
gade de l'eau de bassins ou de piscines car la température de sortie de l'eau est relativement basse et au cours de ce contact, gade water pools or pools because the water outlet temperature is relatively low and during this contact,
l'eau s'acidifie par dissolution du gaz carbonique qui donne nais- the water is acidified by dissolution of the carbon dioxide which gives rise to
sance à de l'acide carbonique ce qui diminue la longévité des appareils. to carbonic acid which reduces the longevity of the apparatus.
Par ailleurs, on connait des chaudières à condensation dans les- Moreover, we know condensation boilers in the-
quelles il existe une séparation physique entre l'eau et les pro- that there is a physical separation between water and water
duits de combustion. La condensation apparait, par suite des carac- combustion products. Condensation appears as a result of the
téristiques exceptionnelles de l'échangeur, dès que la température exceptional characteristics of the exchanger, as soon as the temperature
de l'eau de retour de la chaudière est inférieure à 500C. Cet échan- return water from the boiler is less than 500C. This exchange
geur peut être du type à volute ou constitué par des nappes de tubes may be of the volute type or constituted by layers of tubes
en cuivre lisses ou munies d'ailettes extrudées dans la masse. in smooth copper or with fin extruded in the mass.
Mais ce type d'échangeur est d'un coût élevé et particulièrement But this type of exchanger is expensive and particularly
volumineux puisqu'il fait intervenir une surface d'échange inter- voluminous since it involves a surface of inter-
médiaire importante en matériau très conducteur pour obtenir la condensation. On connait également des échangeurs pour chaudières à condensation réalisés à partir d'un faisceau de tubes longitudinaux de section allongée disposés suivant la génératrice d'un cylindre pour former une chambre de combustion intérieure cylindrique. Ces tubes de section allongée sont positionnés de telle sorte que le plan de important mediator in highly conductive material to obtain condensation. There are also known condensing boiler heat exchangers made from a longitudinal tube bundle of elongated section disposed along the generatrix of a cylinder to form a cylindrical inner combustion chamber. These elongated section tubes are positioned so that the plane of
symétrie de leur section passe par l'axe de révolution de l'échan- symmetry of their section passes through the axis of revolution of the sample.
geur cylindrique, cette disposition étant prévue pour favoriser l'écoulement laminaire des gaz de combustion dans l'intervalle de cylinder arrangement, this arrangement being intended to promote the laminar flow of the combustion gases in the range of
faible épaisseur ainsi réalisé entre chacun des tubes. small thickness thus produced between each of the tubes.
Mais du point de vue thermique, cette disposition crée un régime But from a thermal point of view, this provision creates a regime
d'écoulement des gaz en général laminaire qui entraine deux consé- generally laminar gas flow which results in two consequences
quences défavorables: d'une part le coefficient d'échange thermique - 3 - adverse effects: firstly the heat exchange coefficient - 3 -
par convection à l'interface gaz, paroi des tubes est relative- by convection at the gas interface, the wall of the tubes is relative-
ment faible, et d'autre part le coefficient d'échange thermique sur la face aval des tubes est négligeable vis-à-vis de sa valeur weakly, and on the other hand the heat exchange coefficient on the downstream face of the tubes is negligible vis-à-vis its value
sur la face amont.on the upstream side.
La présente invention permet d'éviter ces inconvénients et a pour but de réaliser un corps de chauffe-échangeur pour chaudières à condensation particulièrement simple et économique tout en créant un régime de turbulence dans l'écoulement des gaz de combustion entre les tubes longitudinaux en vue d'obtenir des coefficients The present invention makes it possible to avoid these drawbacks and is intended to provide a heat exchanger heater body for particularly simple and economical condensation boilers while creating a turbulence regime in the flow of combustion gases between the longitudinal tubes in order to to obtain coefficients
d'échange thermique par convection plus élevés. higher convective heat exchange rate.
A cet effet, l'invention a pour objet un corps de chauffe compre- For this purpose, the subject of the invention is a heating body comprising
nant un faisceau de tubes longitudinaux à section allongée dispo- a longitudinal tube bundle with elongated section
sés suivant la génératrice d'un cylindre pour former une chambre de combustion intérieure cylindrique caractérisé par le fait que le along the generatrix of a cylinder to form a cylindrical interior combustion chamber characterized in that the
plan médian longitudinal de chacun des tubes est incliné d'un cer- the longitudinal median plane of each of the tubes is inclined by a
tain angle par rapport à la direction radiale d'écoulement des gaz de combustion dans la chambre de combustion pour créer une angle relative to the radial flow direction of the combustion gases in the combustion chamber to create a
attaque oblique de ces gaz sur lesdits tubes. oblique attack of these gases on said tubes.
D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention Other particular features and advantages of the invention
ressortiront de la description suivante dans laquelle on se réfère will be apparent from the following description in which reference is made
aux dessins annexés qui représentent: - figure 1 une vue schématique en coupe transversale du corps de chauffe selon l'invention, to the accompanying drawings which represent: FIG. 1 a diagrammatic cross-sectional view of the heating element according to the invention;
- figure 2 une demi-vue en coupe transversale montrant l'inclinai- - Figure 2 a half-view in cross section showing the inclination-
son minimum des tubes.its minimum of tubes.
On a représenté sur les figures un corps de chauffe-échangeur 1 There is shown in the figures a heat exchanger body 1
constitué par des tubes 10 longitudinaux à section allongée uni- consisting of longitudinal tubes with longitudinal elongated section
formément répartis suivant la génératrice d'un cylindre de façon à former une chambre intérieure cylindrique 2 pour l'introduction formally distributed along the generatrix of a cylinder so as to form a cylindrical inner chamber 2 for the introduction
d'un brûleur 3 également cylindrique. a burner 3 also cylindrical.
Ces tubes 10 dans lesquels circule le fluide à réchauffer sont d'une part parallèles entre eux et d'autre part inclinés d'un angle a par rapport à une direction radiale AB d'écoulement des gaz These tubes 10 in which circulates the fluid to be heated are on the one hand parallel to each other and on the other hand inclined at an angle α with respect to a radial direction AB of gas flow.
de combustion dans une chambre de combustion cylindrique 2. in a cylindrical combustion chamber 2.
- 4 - L'angle d'inclinaison a des tubes est défini par l'angle compris entre le plan médian longitudinal A1B1 d'un tube et le plan radial AB passant par l'intersection du plan médian A1B1 du tube et de la - 4 - The angle of inclination of tubes is defined by the angle lying between the longitudinal median plane A1B1 of a tube and the radial plane AB passing through the intersection of the median plane A1B1 of the tube and the
face amont de ce tube dans le sens d'écoulement des gaz. upstream face of this tube in the direction of gas flow.
Ces angle d'inclinaison a des tubes 10 est par exemple voisin de This angle of inclination has tubes 10 is for example close to
300. Mais on utilisera un angle d'inclinaison a des tubes supé- 300. However, an angle of inclination of
rieur à un angle limite a0 représenté sur la figure 2, et obtenu at a limiting angle a0 shown in FIG. 2, and obtained
lorsque un plan radial AB! passant par l'axe de la chambre de com- when a radial plane AB! passing through the axis of the chamber of
bustion cylindrique 2 et entre deux tubes 10 voisins longitudinaux cylindrical bending 2 and between two tubes 10 longitudinal neighbors
est tangent a ces deux tubes.is tangent to these two tubes.
Cette disposition présente de nombreux avantages. Tout d'abord, This arrangement has many advantages. First of all,
elle permet d'une part de créer un régime de turbulence dans l'é- on the one hand, it creates a turbulent regime in the
coulement des gaz entre les tubes 10 malgré la faible valeur voisine de 50 à 200 du nombre de Reynolds caractérisant cet écoulement des flow of gases between the tubes 10 despite the low value of about 50 to 200 of the Reynolds number characterizing this flow of
gaz en vue d'obtenir des coefficients de convection élevés et d'au- gas in order to obtain high convection coefficients and
tre part d'augmenter la surface des tubes exposée au rayonnement to increase the surface of the tubes exposed to radiation
direct des flammes de la chambre de combustion, de manière à cons- direct fire from the combustion chamber, so as to
tituer une surface d'échange thermique "optiquement fermée". Le storing an "optically closed" heat exchange surface. The
terme "surface optiquement fermée" signifie qu'une source lumineu- "optically closed surface" means that a light source
se ayant pour axe l'axe de la chambre de combustion et du brûleur having as its axis the axis of the combustion chamber and the burner
cylindrique n'est pas visible directement quand on regarde l'exté- cylindrical is not directly visible when looking
rieur de cet échangeur donc du côté de la sortie des gaz de combus- of this exchanger, therefore on the exhaust side of the combustion gases.
tion. On ne peut donc apercevoir dans ce cas seulement des traces tion. We can not see in this case only traces
lumineuses indirectes sortant des intervalles entre les tubes engen- indirect light coming out of the gaps between the tubes
drées par les réflexions internes et la diffusion de la source by internal reflections and the diffusion of the source
lumineuse centrale constituée par les flammes du brûleur. Central light formed by the flames of the burner.
De plus, cette disposition du fait de l'attaque oblique des gaz In addition, this arrangement due to the oblique attack of gases
de combustion sur les tubes augmente d'une part la puissance ther- of combustion on the tubes increases on the one hand the
mique échangée par convection par la turbulence créée en amont des tubes et par suite obtenue entre tubes et d'autre part la puissance mique exchanged by convection by the turbulence created upstream of the tubes and consequently obtained between tubes and on the other hand the power
thermique échangée par rayonnement en exposant une plus grande sur- heat exchanged by irradiation by exposing a greater sur-
face des tubes au rayonnement direct des-flammes de combustion du gaz. face of the tubes to the direct radiation of the flames of combustion of the gas.
Bien entendu on a envisagé l'utilisation de tubes d'eau dllongés Of course, the use of elongated water tubes has been considered.
mais on pourra de la même manière utiliser des tubes ovales a sec- but in the same way it will be possible to use oval tubes
tion elliptique ou des tubes à section en losange, ou des tubes à section allongée (oblongue) à contours différents sur la face elliptical section or diamond section tubes, or elongated (oblong) section tubes with different contours on the face
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- 5 - amont et la face aval comme par exemple des tubes à section dite 5 upstream and the downstream face, for example so-called cross-section tubes.
en forme de quartier d'orange, ou en forme de goutte. orange-shaped, or drop-shaped.
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