FR2515320A1 - Auxiliary heat exchanger for gas boiler - is fitted downstream of main exchanger with pair of gas exhaust deflectors - Google Patents
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Abstract
Description
Perfectionnements aux dispositifs pour récupérer des calories des fumées sortant des chaudières à gaz.Improvements to devices for recovering calories from the fumes coming from gas boilers.
L'invention est relative aux dispositifs pour récupérer certaines des calories résiduelles contenues dans les fumées qui sortent d'une chaudière à gaz après avoir cédé la plus grande partie de leurs calories à un courant d'eau entraversant verticalement de bas en haut un échangeur de chaleur - appelé échangeur "principal" dans la suite - lui-même parcouru par ce courant d'eau. The invention relates to devices for recovering some of the residual calories contained in the fumes leaving a gas boiler after having yielded most of their calories to a stream of water vertically traversing from bottom to top a heat exchanger heat - called "main" exchanger in the following - itself traversed by this stream of water.
Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, le cas où l'échangeur principal est cons titué par une structure relativement plate et mince s' étendant horizontalement, parcourue horizontalement par l'eau à chauffer, et présentant une faible résistance à sa traversée verticale par les gaz, ladite structure étant elle-même de préférence constituée par un serpentin horizontal parcouru par 1 1eau à chauffer et composé de différents brins rectilignes paralleles raccordés entre eux par des coudes semi-circulaires, ces brins rectilignes étant eux-mêmes entretoisés par des plaques verticales parallèles en métal conducteur formant ailettes. It relates more particularly, but not exclusively, to the case where the main exchanger is constituted by a relatively flat and thin structure extending horizontally, traversed horizontally by the water to be heated, and having a low resistance to its vertical crossing by gases, said structure itself being preferably constituted by a horizontal coil traversed by 1 water to be heated and composed of different parallel rectilinear strands connected together by semicircular bends, these rectilinear strands themselves being braced by plates parallel verticals of conductive metal forming fins.
On sait que le courant ascendant de fumées quittant un tel échangeur principal contient de l'eau sous forme de vapeur, vu sa température relativement élevée, généralement comprise entre 100 et 2000C. It is known that the updraft of smoke leaving such a main exchanger contains water in the form of vapor, given its relatively high temperature, generally between 100 and 2000C.
Lorsque ces fumées sont refroidies au-dessous de la température de rosée - généralement de l'ordre de 600C - à laquelle l'eau commence à se condenser dans celles-ci, elles cèdent les calories qui ont été utilisées pour vaporiser cette eau, c'est-à-dire sa chaleur latente de vaporisation. When these fumes are cooled below the dew temperature - generally around 600C - at which water begins to condense in them, they give up the calories that were used to vaporize this water, c that is to say its latent heat of vaporization.
I1 a déjà été proposé de récupérer ces calories en faisant traverser par les fumées à refroidir un échangeur auxiliaire. I1 has already been proposed to recover these calories by passing through the fumes to cool an auxiliary exchanger.
Mais les modes de réalisation proposés jusqu' à ce jour pour de tels échangeurs auxiliaires présentaient un certain nombre d'inconvénients et en particulier les suivants
- du fait de la perte de charge subie par les fumées en traversant un tel échangeur auxiliaire, il était nécessaire de prévoir un appareil spécial d'extraction mécanique pour évacuer ces fumées après leur avoir fait traverser cet échangeur,
- la collecte de l'eau de condensation formée sur ledit échangeur posait des problèmes du fait que cette eau ne doit pas retomber sur cet échangeur principal et, à travers lui, sur les flammes du foyer de la chaudière et que ledit échangeur est destiné à refroidir les fumées sortant de l'échangeur principal, c'est-à-dire circulant juste au-dessus de ce dernier.However, the embodiments proposed to date for such auxiliary exchangers had a certain number of drawbacks and in particular the following
- because of the pressure drop undergone by the flue gases passing through such an auxiliary exchanger, it was necessary to provide a special mechanical extraction device to evacuate these fumes after having made them pass through this exchanger,
- The collection of the condensed water formed on said exchanger posed problems because this water must not fall on this main exchanger and, through it, on the flames of the hearth of the boiler and that said exchanger is intended for cool the fumes leaving the main exchanger, that is to say circulating just above the latter.
L'invention a pour but, surtout, de supprimer ces inconvénients et en outre, dans des réalisations préférées, de simplifier la construction et la maintenance des dispositifs de récupération considérés. The object of the invention is, above all, to eliminate these drawbacks and further, in preferred embodiments, to simplify the construction and maintenance of the recovery devices considered.
A cet effet, les dispositifs- de récupération en question selon l'invention sont essentiellement caractérisés en ce que leur échangeur auxiliaire est constitué par une structure relativement plate et mince présentant une faible résistance à sa traversée par les gaz perpendiculairement à son plan moyen, ladite structure étant orientée de façon telle que son plan moyen soit incliné sur la verticale d'un angle inférieur à 45" et de préférence nul et étant disposée à l'aplomb d'une plage de réception d'eau de condensation écartée horizontalement de l'échangeur principal. To this end, the recovery devices in question according to the invention are essentially characterized in that their auxiliary exchanger is constituted by a relatively flat and thin structure having a low resistance to its crossing by the gases perpendicular to its mean plane, said structure being oriented in such a way that its mean plane is inclined to the vertical by an angle of less than 45 "and preferably zero and being disposed directly above a receiving range of condensed water separated horizontally from the main exchanger.
Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des disposi tions suivantes
- I'échangeur. auxiliaire est constitué par une structure identique à celle de l'échangeur principal,
- l'échangeur auxiliaire est constitué par deux structures identiques à celle de l'échangeur principal,
- l'échangeur auxiliaire est constitué par un serpentin dont les différents brins rectilignes parallèles sont entretoisés entre eux par des plaques parallèles formant ailettes,
- un caisson est prévu pour recueillir les fumées sortant verticalement vers le haut de l'échangeur principal et pour les rabattre horizontalement de façon à les introduire dans 11 échangeur auxiliaire perpendiculairement à son plan moyen,
- le caisson de guidage des fumées compris entre la sortie de l'échangeur principal et l'entrée de l'échangeur auxiliaire est subdivisé en plusieurs couloirs parallèles par des cloisons intermédiaires de façon telle que les fumées à refroidir soient réparties sur l'ensemble de la surface d'entrée de l'échangeur auxiliaire,
- le nombre des cloisons intermédiaires est égal à deux, ce qui définit trois couloirs contigus pour les fumées,
- un caisson est prévu en aval de l'échangeur auxiliaire pour orienter vers le haut les fumées sortant de cet échangeur et pour les guider jusqu'à une embouchure supérieure de ce caisson,
- l'ensemble constitué par l'échangeur auxiliaire et par les deux caissons propres à guider les fumées respectivement en amont et en aval de cet échangeur forme un tout indépendant susceptible d'être monté sur le dessus d'une chaudière classique libérée de son anti refouler. In preferred embodiments, use is made of one and / or the other of the following provisions.
- the exchanger. auxiliary is constituted by a structure identical to that of the main exchanger,
- the auxiliary exchanger consists of two structures identical to that of the main exchanger,
the auxiliary exchanger consists of a coil, the different parallel rectilinear strands of which are braced between them by parallel plates forming fins,
a box is provided for collecting the fumes leaving vertically upwards from the main exchanger and for folding them horizontally so as to introduce them into the auxiliary exchanger perpendicular to its mean plane,
the flue guide box between the outlet of the main exchanger and the inlet of the auxiliary exchanger is subdivided into several parallel corridors by intermediate partitions so that the fumes to be cooled are distributed over the whole of the inlet surface of the auxiliary exchanger,
- the number of intermediate partitions is equal to two, which defines three contiguous corridors for smoke,
a box is provided downstream of the auxiliary exchanger to orient the fumes leaving this exchanger upwards and to guide them to an upper mouth of this box,
- The assembly constituted by the auxiliary exchanger and by the two boxes suitable for guiding the fumes respectively upstream and downstream of this exchanger forms an independent whole capable of being mounted on top of a conventional boiler freed of its anti repress.
L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en mime temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. The invention includes, apart from these main provisions, certain other provisions which are preferably used at the same time and which will be more explicitly discussed below.
Dans ce qui suit, l'on va décrire un mode dé réalisation préféré de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. In what follows, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the attached drawing, of course, in a non-limiting manner.
La figure 1, de ce dessin, montre en coupe verticale un dispositif de récupération de calories établi conformément à l'invention. Figure 1 of this drawing shows in vertical section a calorie recovery device established in accordance with the invention.
La figure 2 est un schéma explicatif. Figure 2 is an explanatory diagram.
D'une façon connue en soi, la chaudière à gaz à équiper comprend un corps de chauffe 1 dont la partie supérieure est occupée par un échangeur de calories 2 désigné dans la suite par l'expression "échangeur principal". In a manner known per se, the gas boiler to be fitted comprises a heating body 1, the upper part of which is occupied by a heat exchanger 2 designated below by the expression "main exchanger".
Cet échangeur présente la forme générale d'un treillis rectangulaire horizontal relativement plat et mince parcouru horizontalement par de 1 'eau à chauffer et offrant une faible résistance à sa traversée par le courant gazeux vertiaal ascendant des produits de combustion ou '-'fumées" F de la chaudière. This exchanger has the general shape of a relatively flat and thin horizontal rectangular lattice traversed horizontally by water to be heated and offering a low resistance to its crossing by the upward vertical gas stream of combustion or "smoke" F products. of the boiler.
I1 est avantageusement constitué par un "bloc à ailettes"1 c'est-à-dire par un serpentin 3 parcouru par l'eau à chauffer, composé d'une pluralité de brins parallèles rectilignes raccordés entre eux par des coudes semi-circulaires et entretoisés par des plaques verticales parallèles 4 formant ailettes. It is advantageously constituted by a "fin block" 1, that is to say by a coil 3 traversed by the water to be heated, composed of a plurality of parallel rectilinear strands connected together by semi-circular bends and braced by parallel vertical plates 4 forming fins.
Ce sont les fumées F s'échappant verticalement du dessus de cet échangeur 2 que l'on se propose de refroidir selon l'invention en vue de récupérer une partie appréciable des calories résiduelles qu'elles en traient. It is the fumes F escaping vertically from the top of this exchanger 2 that it is proposed to cool according to the invention in order to recover an appreciable part of the residual calories which they process therefrom.
A cet effet l'on a recours, selon l'invention, à un second échangeur de calories 5, ou échangeur "auxiliaire", présentant la forme générale d'un treillis relativement plat et mince parcouru par de l'eau à préchauffer, selon une trajectoire parallèle à son plan moyen, dans un circuit étanche approprié, et offrant une faible résistance à sa traversée par les gaz selon la direction perpendiculaire audit plan moyen. For this purpose, recourse is had, according to the invention, to a second heat exchanger 5, or "auxiliary" exchanger, having the general shape of a relatively flat and thin lattice traversed by water to be preheated, according to a trajectory parallel to its mean plane, in an appropriate sealed circuit, and offering low resistance to its crossing by the gases in the direction perpendicular to said mean plane.
En d'autres termes, les gaz traversant cet échangeur dans cette direction perpendiculaire au plan moyen de l'échangeur, c'est-à-dire dans la direction de la plus petite dimension ou "épaisseur" dudit échangeur, ne subissent qu'une faible perte de charge lors de cette traversée. In other words, the gases passing through this exchanger in this direction perpendicular to the mean plane of the exchanger, that is to say in the direction of the smallest dimension or "thickness" of said exchanger, undergo only one low pressure drop during this crossing.
I1 est à noter que, dans les échangeurs auxiliaires en question, tout comme dans les échangeurs principaux cidessus décrits, les directions de cheminement empruntées respectivement par les deux fluides participant à l'échange (fumées et eau) sont "croisées", c'est-à-dire perpendiculaires entre elles, au lieu d'être parallèles entre elles et de sens opposés comme c'est le cas pour les échanges à contre-courant. It should be noted that, in the auxiliary exchangers in question, just as in the main exchangers described above, the directions of travel taken respectively by the two fluids participating in the exchange (smoke and water) are "crossed", that is that is to say perpendicular to each other, instead of being parallel to each other and in opposite directions as is the case for exchanges against the current.
Bien que ce ne soit pas indispensable, il est particulièrement avantageux de constituer l'échangeur auxiliaire de la même façon que l'échangeur principal, et en particulier par un serpentin 6 parcouru par l'eau à préchauffer et dont les brins rectilignes parallèles sont raccordés entre eux par des coudes semi-circulaires et entretoisés par des plaques parallèles 7 en métal conducteur formant ailettes. Although it is not essential, it is particularly advantageous to constitute the auxiliary exchanger in the same way as the main exchanger, and in particular by a coil 6 traversed by the water to be preheated and whose parallel rectilinear strands are connected between them by semi-circular bends and braced by parallel plates 7 of conductive metal forming fins.
Ces deux échangeurs principal 2 et auxiliaire 5 peuvent même être totalement identiques entre eux. These two main 2 and auxiliary 5 exchangers can even be completely identical to each other.
On oriente le plan moyen de l'échangeur auxiliaire 5 selon une direction inclinée sur la verticale d'un angle au plus égal à 450, cet angle pouvant être nul, comme dans le mode de réalisation illustré. The mean plane of the auxiliary exchanger 5 is oriented in a direction inclined to the vertical by an angle at most equal to 450, this angle possibly being zero, as in the illustrated embodiment.
Par ailleurs, on dispose ledit échangeur auxiliaire horizontalement à l'écart de l'échangeur principal 2 et de façon telle que sa base soit située sensiblement au même niveau que cet échangeur principal. Furthermore, said auxiliary exchanger is placed horizontally away from the main exchanger 2 and in such a way that its base is located substantially at the same level as this main exchanger.
On prévoit en outre
- un premier caisson 8 pour recevoir les fumées F sortant verticalement de l'échangeur 2, au-dessus de celuici, et pour rabattre leur trajectoire de façon à les envoyer sur l'échangeur auxiliaire 5 selon une direction horizontale ou tout au moins perpendiculaire au plan moyen de cet échangeur,
- et un second caisson 9 pour recevoir les fumées sortant de cet échangeur 5 et pour redresser leur trajectoire de façon à les guider vers une embouchure supérieure 10 orientée vers le haut
L'extrémité inférieure amont du premier caisson 8 est agencée de façon à pouvoir être facilement montée sur le sommet du corps de chauffe l,par exemple par emboitement et boulonnage,et l'extrémité supérieure aval du second caisson 9 est agencée de façon à pouvoir être facilement raccordée à une cheminée d'évacuation par l'interme- diaire d'un coupe-tirage ou antirefouleur de type habituel.There are also plans
- A first box 8 to receive the fumes F leaving vertically from the exchanger 2, above it, and to fold their trajectory so as to send them to the auxiliary exchanger 5 in a horizontal direction or at least perpendicular to the medium plan of this exchanger,
- And a second box 9 to receive the fumes leaving this exchanger 5 and to straighten their trajectory so as to guide them towards an upper mouth 10 oriented upwards
The upstream lower end of the first box 8 is arranged so that it can be easily mounted on the top of the heating body l, for example by fitting and bolting, and the upper downstream end of the second box 9 is arranged so that it can be easily connected to an evacuation chimney by means of a standard draft or backflow preventer.
Le caisson 9 peut lui-même être agencé de la mani ère habituelle en un pot de purge destiné à recueillir les condensats résiduels qui peuvent se former dans la cheminée. The box 9 can itself be arranged in the usual way in a drain pot intended to collect the residual condensates which may form in the chimney.
Pour assurer un balayage relativement uniforme de la face d'entrée de l'échangeur auxiliaire 5 par les fumées F qui doivent le traverser,on divise avantageusement le premier caisson en plusieurs couloirs voisins à l'aide de cloisons 11. To ensure relatively uniform sweeping of the inlet face of the auxiliary exchanger 5 by the flue gases F which must pass through it, the first box is advantageously divided into several neighboring corridors using partitions 11.
Ces cloisons sont de préférence constituées par des tôles planes inclinées et prolongées à leur extrémité inférieure par un pan amont 111 vertical et à leur extrémité supérieure par un pan aval 112 horizontal ou sensiblement horizontal. These partitions are preferably constituted by inclined flat sheets and extended at their lower end by an upstream pan 111 vertical and at their upper end by a downstream pan 112 horizontal or substantially horizontal.
Le nombre des couloirs ainsi délimités est avantageusement de trois comme illustré, mais il pourrait être plus petit ou plus grand selon les besoins. The number of corridors thus delimited is advantageously three as illustrated, but it could be smaller or larger as required.
Au dessous de l'échangeur auxiliaire 5 s'étend une auge 12 propre à recueillir par gravité les condensats formés sur cet échangeur par le refroidissement des fumées qui le traversent : dans le mode de réalisation illustré pour lequel l'échangeur est orienté verticalement, cette auge 12 est relativement étroite. Below the auxiliary exchanger 5 extends a trough 12 suitable for collecting by gravity the condensates formed on this exchanger by the cooling of the fumes which pass through it: in the illustrated embodiment for which the exchanger is oriented vertically, this trough 12 is relatively narrow.
Comme visible sur la figure 2, la chaudière considérée est généralement destinée à chauffer de l'eau circulant dans un circuit fermé de chauffage central comprenant, outre des tuyauteries de raccordement 13, une pompe de circulation 14, des éléments chauffants 15 tels que des planchers chauffants ou des radiateurs, et les deux échangeurs cirdessus. As can be seen in FIG. 2, the boiler considered is generally intended for heating water circulating in a closed central heating circuit comprising, in addition to connection pipes 13, a circulation pump 14, heating elements 15 such as floors heaters or radiators, and the two heat exchangers above.
L'ordre de traversée de ces échangeurs par l'eau de retour de chauffage est d'abord l'échangeur auxiliaire 5 et ensuite l'échangeur principal 2. The order in which these exchangers pass through the heating return water is first the auxiliary exchanger 5 and then the main exchanger 2.
Cette eau revient des éléments chauffants 15 à une température relativement basse, notamment de l'ordre de 20 à 400C, alors que la température des fumées F a refroidir parvenant à l'échangeur auxiliaire 5 est généralement encore supérieure à 1000C. This water returns from the heating elements 15 at a relatively low temperature, in particular of the order of 20 to 400 ° C., while the temperature of the fumes F to be cooled reaching the auxiliary exchanger 5 is generally still greater than 1000 ° C.
Le contact de ces fumées encore chaudes avec les surfaces métalliques relativement froides de l'échangeur 5 a pour effet de refroidir lesdites fumées jusqu'a la température de rosée, ce qui condense la vapeur d'eau contenue dans ces fumées sur lesdites surfaces,en cédant à ces surfaces la chaleur latente de oondensation de cette vapeur. Contact of these still hot fumes with the relatively cold metal surfaces of the exchanger 5 has the effect of cooling said fumes to dew temperature, which condenses the water vapor contained in these fumes on said surfaces, yielding to these surfaces the latent heat of condensation of this vapor.
L'eau qui circule dans l'échangeur S est ainsi efficacement préchauffée et le rendement global de la chaudière en est sensiblement augmenté, ce qui permet des économies d'énergie. The water circulating in the exchanger S is thus effectively preheated and the overall efficiency of the boiler is significantly increased, which allows energy savings.
Le dispositif de récupération de calories décrit ci-dessus présente en outre un certain nombre d'avantages par rapport à ceux antérieurement connus,en particulier les suivants
- en raison de la très faible perte de charge subie par les fumées à refroidir lors de leur traversée de l'échangeur auxiliaire, il est inutile de prévoir un extracteur spécial tel qu'un ventilateur pour évacuer ces fumées, le tirage naturel suffisant à cet effet c'est là un avantage important de la présente invention,
- comme l'échangeur auxiliaire est horizontalement écarté de l'échangeur principal, il n'y a aucun risque que de l'eau de condensation formée sur cet échangeur auxiliaire par le refroidissement des fumées tombe par gravité sur l'échangeur principal et, à travers lui, sur les flammes,
- dans le cas où,comme illustré, l'échangeur auxiliaire est orienté verticalement, l'auge de collecte de cette eau de condensation peut être très étroite vu la faible dimension horizontale globale que. présente alors cet échangeur,
- le dispositif de récupération considéré peut être très facilement adapté sur les chaudières existantes, sans modification de celles-ci ; il peut donc être considéré comme un "accessoire" particulièrement intéressant de ces chaudières, proposable en option aux acheteurs de celles-ci,
- dans les modes de réalisation où l'échangeur auxiliaire est constitué par une structure identique à celle constitutive de l'échangeur principal, les problèmes de fabrication et de maintenance sont considérablement simplifiés.The calorie recovery device described above also has a number of advantages over those previously known, in particular the following
- due to the very low pressure drop undergone by the fumes to be cooled during their passage through the auxiliary exchanger, it is unnecessary to provide a special extractor such as a fan to evacuate these fumes, the natural draft sufficient for this indeed this is an important advantage of the present invention,
- as the auxiliary exchanger is horizontally spaced from the main exchanger, there is no risk that condensation water formed on this auxiliary exchanger by the cooling of the fumes falls by gravity on the main exchanger and, at through him, on the flames,
- in the case where, as illustrated, the auxiliary exchanger is oriented vertically, the trough for collecting this condensation water can be very narrow given the small overall horizontal dimension that. then present this exchanger,
- The recovery device considered can be very easily adapted on existing boilers, without modification thereof; it can therefore be considered as a particularly interesting "accessory" to these boilers, which can be offered as an option to buyers of them,
- In the embodiments where the auxiliary exchanger is constituted by a structure identical to that constituting the main exchanger, the manufacturing and maintenance problems are considerably simplified.
Comme il va de soi,et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment
- celles où l'échangeur auxiliaire serait constitué par deux unités identiques à celle constitutive de l'é- changeur principal, ces deux unités étant disposées latéralement l'une à côté de l'autre,ou verticalement l'une au-dessus de l'autre, ou encore parallèlement l'une à l'autre de façon à être traversées l'une après l'autre par les fumées à refroidir,
- celles où l'échangeur auxiliaire serait constitué selon le même principe que l'échangeur principal, mais avec une surface d'échange différente, par exemple su périeure,
- celles où l'échangeur auxiliaire serait constitué encore par une structure relativement plate et mince offrant une faible résistance à sa traversée par un gaz perpendiculairement à son plan moyen, mais construit autrement que l'échangeur principal,
- celles où le plan moyen de l'échangeur auxiliaire serait incliné sur la verticale, dans l'un ou l'autre sens, le sommet de cet échangeur pouvant être horizontalement plus proche ou plus éloigné que sa base de 1' échangeur principal. As goes without saying, and as it already follows from the above, the invention is in no way limited to those of its modes of application and embodiments which have been more especially envisaged, it embraces it, on the contrary, all variants, including
- those where the auxiliary exchanger would consist of two units identical to that constituting the main exchanger, these two units being arranged laterally one next to the other, or vertically one above the 'other, or even parallel to one another so as to be crossed one after the other by the fumes to be cooled,
- those where the auxiliary exchanger would be constituted according to the same principle as the main exchanger, but with a different exchange surface, for example above,
- those where the auxiliary exchanger would still be constituted by a relatively flat and thin structure offering a low resistance to its crossing by a gas perpendicular to its mean plane, but constructed otherwise than the main exchanger,
- those where the mean plane of the auxiliary exchanger would be inclined to the vertical, in one or the other direction, the top of this exchanger being able to be horizontally closer or more distant than its base from the main exchanger.
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| JPS58136933A (en) | 1983-08-15 |
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