EP0319392A1 - Récupérateur de chaleur - Google Patents

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EP0319392A1 EP88402995A EP88402995A EP0319392A1 EP 0319392 A1 EP0319392 A1 EP 0319392A1 EP 88402995 A EP88402995 A EP 88402995A EP 88402995 A EP88402995 A EP 88402995A EP 0319392 A1 EP0319392 A1 EP 0319392A1
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tubes
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outlet
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CHAUDIERES SECCACIER
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/0005—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for domestic or space-heating systems
    • F28D21/0007—Water heaters

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, in particular a heat recovery unit, in particular a heat recovery unit for the flue gases from a hearth of a boiler and, in particular, from a gas boiler, comprising tubes swept by smoke and traversed by a heat transfer liquid which is generally water.
  • recuperator There are already known multiple embodiments of heat exchangers which applied to the fumes are called “smoke recuperator”. These recuperators are generally constituted by a set of straight tubes, the ends of which are connected to a respective manifold ensuring the distribution of the heat transfer fluid and its recovery.
  • the tubes are arranged perpendicular to the direction of passage of the fumes and staggered staggered so that the gas streams can lick the tubes in the most efficient manner in terms of the efficiency of the exchange.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks and proposes to create a heat exchanger, in particular a flue gas heat recovery unit, of the above type, which is of simple construction and has high operating reliability.
  • the invention relates to a heat exchanger of the above type, characterized in that it comprises a first set of tubes, each tube of which is formed by a succession of parallel straight segments, interconnected at each end by a connecting loop, the planes passing through two successive segments being inclined alternately on one side and the other with respect to the overall plane of the tube so that the successive segments are staggered with respect to the plane of together.
  • each tube consists of a set of parallel straight segments connected by loops and only the two ends of the tube are fixed on the inlet manifold and the outlet manifold, this saves 2 (N-1) welds, N being the number of straight segments forming the tube.
  • the inlet and the outlet of the same tube are located on the same side.
  • This embodiment is a particularly advantageous solution because it simplifies the manufacture of the fact that the inlet manifold and the outlet manifold can be placed on the same side. This not only facilitates the production of the exchanger but also its integration into the flue that it must equip.
  • the inlet and the outlet of each tube are located in the extension of the respective segment.
  • This characteristic particularly facilitates the production of the tubes.
  • the exchanger is formed of a first set of tubes arranged in planes parallel to each other and perpendicular to the direction of passage of the fumes to be exhausted.
  • the exchanger comprises a second set of tubes, each tube of which is constituted by parallel segments connected by loops, the inlet and outlet of each tube are perpendicular to the direction of the segments and are located in the same side, each tube of this second set being placed in an interval formed by the homologous segments of the tubes of the first set.
  • the exchanger comprises a heat transfer inlet manifold and a heat transfer fluid departure manifold, located on the same side of the heat exchanger, these manifolds being common to the tubes of the two assemblies.
  • these manifolds are common to the two sets of tubes, it is also possible to subdivide these manifolds so as to separate the fluid passing through each set of tubes.
  • the arrival collector and the departure collector are produced by the partitioning of the same box.
  • the box forming the inlet and outlet manifolds of the heat transfer fluid is constituted by a rectangular toroid of rectangular section.
  • the invention relates to a heat exchanger and, in particular a heat recovery unit intended to exhaust combustion fumes.
  • This exchanger comprises tubes swept by the fumes. The tubes are traversed by a heat transfer liquid.
  • each tube 1 is formed by a succession of straight segments 21-30, substantially parallel to each other.
  • the ends of two successive tubes are connected by a loop 31-39.
  • the straight segments and the connecting loops form a meandering path.
  • the inlet (outlet) 40 and the outlet (inlet) 41 of the tube are located on the same side of the substantially rectangular surface occupied by the tube. In Figure 1, this is on the left side.
  • FIG. 2 shows, more precisely, the three-dimensional structure of the tube 1.
  • the tube segments 21-30 are distributed two by two in two planes P100 -P100 and P200-P200 parallel passing through the geo axis metric of the segments concerned.
  • FIG. 3 shows another exchanger tube according to the invention.
  • This tube 50 consists of rectilinear segments 51-55, substantially parallel, connected by loops 60, 61, 64, 65.
  • the inlet (outlet) of tube 50 consists of a half-loop 62 terminated by a nozzle 66 and the other outlet (inlet) of the tube 50 consists of a half-loop 63 terminated by an end piece 67 of length such that the inlet / outlet openings of the end pieces 66-67 stop substantially in a plane parallel to the segments 51-55.
  • the exchanger block consists of a first set of tubes 1 ( Figures 1 and 2) arranged parallel to each other so as to form between them intervals 100 and intervals 200 in which are housed each time a tube 50 ( Figure 3) forming the second set of recovery tubes.
  • the orientation of the tubes 50 of the second set ble is such that the axis of the segments 51, 55 is perpendicular to the axis of the segments 21-29 of the tubes 1 of the first set.
  • the return by the end pieces 66, 67 is made perpendicular to the direction of the segments 51-55 whereas, for the tubes 1 of the first set, the inlet / outlet ends are parallel to the segments, the two sets of tubes can be connected to a distribution and collection box for heat transfer fluid, located on the same side.
  • FIGS 5-7 show such a box.
  • the box is in the form of a rectangular or square ring 70 in the form of a picture frame, the sides of which bear the references 71, 72, 73, 74.
  • the sides 71 and 72 are separated from the sides 73 and 74, by a partition 75-76.
  • the group of sides 71-72 has an opening 77 and the sides 73-74 have a nozzle 78.
  • the nozzle 77 constitutes the inlet nozzle and the nozzle 78, the outlet nozzle or vice versa.
  • the cover 80 of the box 70 is shown in FIG. 7. This figure shows the connection orifices 81, 82 of the tubes 1 and the connection orifices 83, 84 of the tubes 50.
  • Figure 6 shows the shape of the box with the cover 80 and the cavities corresponding to the different sides as described above.

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Abstract

Un échangeur de chaleur, notamment récupérateur de chaleur de fumées, comporte un premier ensemble de tubes (1) dont chaque tube (1) est formé par une succession de segments (21-30) droits parallèles, reliés entre-eux à chaque extrémité par une boucle de liaison (31-39), les plans (P1, P2 ... Pn) passant par deux segments (21-30) successifs étant inclinés alternativement d'un côté et de l'autre par rapport au plan d'ensemble (P100-P100 ; P200-P200) du tube (1) de façon que les segments successifs soient disposés en quinconce par rapport au plan d'ensemble.

Description

  • La présente invention concerne un échangeur de chaleur notamment un récupérateur de chaleur no­tamment un récupérateur de chaleur des fumées d'un foyer d'une chaudière et, en particulier, d'une chau­dière à gaz, comportant des tubes balayés par des fu­mées et traversés par un liquide caloporteur qui est en général de l'eau.
  • On connaît déjà de multiples réalisation d'échangeurs de chaleur qui appliqués aux fumées sont appelés "récupérateur de fumées". Ces récupérateurs sont en général constitués par un ensemble de tubes droits dont les extrémités sont reliées à un collec­teur respectif assurant la distribution du fluide ca­loporteur et sa récupération.
  • Les tubes sont disposés perpendiculairement à la direction de passage des fumées et de manière décalée en quinconce pour que les veines de gaz puis­sent lécher les tubes de la manière la plus efficace sur le plan du rendement de l'échange.
  • Toutefois, ces échangeurs qui, en soit, présentent un bon rendement thermique, sont d'une ré­alisation compliquée et d'un entretien difficile. En effet, il faut souder les deux extrémités de chaque tube sur le collecteur respectif. Ce travail est éga­lement délicat à cause des contraintes induites par les nombreuses soudures au niveau de chaque collec­teur ainsi que celles engendrées par les températures différentes des tubes dans la veine de gaz.
  • La présente invention a pour but de remé­dier à ces inconvénients et se propose de créer un échangeur de chaleur notamment un récupérateur de chaleur de fumées, du type ci-dessus, qui soit d'une réalisation simple et d'une grande fiabilité de fonctionnement.
  • A cet effet, l'invention concerne un échan­geur de chaleur du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte un premier ensemble de tubes dont cha­que tube est formé par une succession de segments droits parallèles, reliés entre-eux à chaque extrémi­té par une boucle de liaison, les plans passant par deux segments successifs étant inclinés alternative­ment d'un côté et de l'autre par rapport au plan d'ensemble du tube de façon que les segments succes­sifs soient disposés en quinconce par rapport au plan d'ensemble.
  • Comme chaque tube se compose d'un ensemble de segments droits parallèles reliés par des boucles et que seules les deux extrémités du tube sont fixées sur le collecteur d'arrivée et le collecteur de départ, on économise ainsi 2(N-1) soudures, N étant le nombre de segments droits formant le tube.
  • Comme on peut raisonnablement prévoir une dizaine de segments droits par tube, cela évite 18 soudures par tube. Ce qui représente un gain de temps et de coût très important. De plus, cela réduit cons­idérablement les problèmes liés aux contraintes en­gendrées par les soudures ainsi que les contraintes thermiques liées à la dilatation différente des tubes d'un point à un autre. L'ensemble se comporte, en effet, comme un élément élastique dont les différents méandres et segments droits absorbent les dilatations et les contraintes sans que cela ne se répercute de manière importante sur la soudure à chaque extrémité du tube.
  • Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'entrée et la sortie d'un même tube sont situées d'un même côté.
  • Cette réalisation est une solution particu­lièrement intéressante car elle simplifie la fabrica­tion du fait que le collecteur d'arrivée et le col­lecteur de départ peuvent être placés du même côté. Cela facilite non seulement la réalisation de l'é­changeur mais également son intégration dans le con­duit de fumées qu'il doit équiper.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'entrée et la sortie de chaque tube sont situées dans le prolongement du segment respectif.
  • Cette caractéristique facilite tout parti­culièrement la réalisation des tubes.
  • Suivant une autre caractéristique, l'échan­geur est formé d'un premier ensemble de tubes dispo­sés dans des plans parallèles entre eux et perpendi­culairement à la direction de passage des fumées à épuiser.
  • Suivant une caractéristique particulière­ment intéressante, l'échangeur comporte un second en­semble de tubes dont chaque tube est constitué par des segments parallèles reliés par des boucles, l'en­trée et la sortie de chaque tube sont perpendiculai­res à la direction des segments et sont situées du même côté, chaque tube de ce second ensemble étant placé dans un intervalle formé par les segments homo­logues des tubes du premier ensemble.
  • Le croisement des segments de tubes des deux ensembles favorise de manière très importante le rendement de l'échangeur sans que cela ne nécessite un montage particulièrement délicat ou compliqué puisque les tubes du second ensemble viennent simple­ment dans l'intervalle laissé libre entre les seg­ments du premier ensemble en étant croisés par rap­port à ceux-ci et cela toujours perpendiculairement à la direction d'écoulement des gaz de combustion.
  • Suivant une autre caractéristique, l'échan­geur comporte un collecteur d'arrivée caloporteur et un collecteur de départ de fluide caloporteur, situés du même côté de l'échangeur, ces collecteurs étant communs aux tubes des deux ensembles.
  • Bien que, de la manière la plus simple, ces collecteurs soient communs aux deux ensembles de tubes, il est également possible de subdiviser ces collecteurs de façon à séparer le fluide traversant chaque ensemble de tubes.
  • A la limite, il pourrait même s'agir d'un fluide différent ou appartenant à un circuit indépendant.
  • Suivant une autre caractéristique de l'invention, le collecteur d'arrivée et le collecteur de départ sont réalisés par le cloisonnement d'une même boîte.
  • De manière particulièrement intéressante, la boîte formant les collecteurs d'arrivée et de dé­part du fluide caloporteur est constituée par un tore rectangulaire de section rectangulaire.
  • La présente invention sera décrite de ma­nière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 est une vue en plan d'un tube d'échangeur selon l'invention,
    • - la figure 2 est une vue de profil du tube de la figure 1,
    • - la figure 3 est une vue en plan d'un au­tre type de tube d'échangeur, selon l'invention,
    • - la figure 4 montre un bloc échangeur for­mé de tubes selon les figures 1 à 3,
    • - la figure 5 est une vue de face de la boîte de distribution de fluide du bloc échangeur,
    • - la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5,
    • - la figure 7 est une vue de la plaque re­cevant les orifices d'entrée et de sortie des tubes formant l'échangeur.
  • Selon les figures, l'invention concerne un échangeur de chaleur et, en particulier un récupéra­teur de chaleur destiné à épuiser des fumées de combustion. Cet échangeur comporte des tubes balayés par les fumées. Les tubes sont traversés par un li­quide caloporteur.
  • Selon les figures 1 et 2, chaque tube 1 est formé par une succession de segments droits 21-30, sensiblement parallèles entre-eux. Les extrémités de deux tubes successifs sont reliées par une boucle 31-­39.
  • En vue en plan, selon la figure 1, les seg­ments droits et les boucles de liaison forment un tracé en méandres. L'orifice d'entrée (sortie) 40 et l'orifice de sortie (entrée) 41 du tube sont situés du même côté de la surface sensiblement rectangulaire occupée par le tube. A la figure 1, il s'agit du côté gauche.
  • La figure 2 montre, de manière plus précise, la structure tridimensionnelle du tube 1.
  • Selon l'invention, les segments de tube 21-­30 sont répartis deux à deux dans deux plans P₁₀₀ -P₁₀₀ et P₂₀₀-P₂₀₀ parallèles passant par l'axe géo­ métrique des segments concernés.
  • Dans le cas d'un nombre pair de segments comme aux figures 1 et 2, les segments d'extrémité 21-30 appartiennent à un plan différent. Dans le cas d'un nombre impair de segments, les segments d'extré­mités appartiennent au même plan. Pour l'un et l'au­tre cas, le montage est le même.
  • Il est également intéressant de considérer les plans P₁ , P₂, P₃ ... Pn passant par l'axe géomé­trique de deux segments successifs 30, 29, 29, 28, 28, 27 ... Ces différents plans font entre eux un an­gle si bien que les segments successifs sont dis­posés en quinconce et favorisent le rendement de l'é­change thermique entre les fumées circulant dans le sens de la flèche F c'est-à-dire parallèlement aux plans P₁₀₀-P₁₀₀ ou P₂₀₀-P₂₀₀ appelés "plan du tube" et le fluide caloporteur passant dans le tube.
  • La figure 3 montre un autre tube échangeur selon l'invention. Ce tube 50 se compose de segments rectilignes 51-55, sensiblement parallèles, reliés par des boucles 60, 61, 64, 65. L'entrée (sortie) du tube 50 se compose d'une demi-boucle 62 terminée par un embout 66 et l'autre sortie (entrée) du tube 50 se compose d'une demi-boucle 63 terminée par un embout 67 de longueur telle que les orifices d'entrée/sortie des embouts 66-67 s'arrêtent sensiblement dans un plan parallèle aux segments 51-55.
  • Selon la figure 4, le bloc échangeur se compose d'un premier ensemble de tubes 1 (figures 1 et 2) disposés parallèlement les uns aux autres de manière à former entre eux des intervalles 100 et des intervalles 200 dans lesquels se logent à chaque fois un tube 50 (figure 3) formant le second ensemble de tubes du récupérateur.
  • L'orientation des tubes 50 du second ensem­ ble est telle que l'axe des segments 51, 55 soit per­pendiculaire à l'axe des segments 21-29 des tubes 1 du premier ensemble.
  • Comme par ailleurs, sur les tubes 50, le retour par les embouts 66, 67 se fait perpendiculai­rement à la direction des segments 51-55 alors que, pour les tubes 1 du premier ensemble, les embouts entrée/sortie sont parallèles aux segments, les deux ensembles de tubes peuvent être reliés à une boîte de distribution et de collecte de fluide caloporteur, située d'un même côté.
  • Les figures 5-7 représentent une telle boîte. La boîte se présente sous la forme d'un anneau rectangulaire ou carré 70 en forme de cadre de ta­bleau dont les côtés portent les références 71, 72, 73, 74. Les côtés 71 et 72 sont séparés des côtés 73 et 74, par une cloison 75-76. Le groupe de côtés 71-­72 comporte une ouverture 77 et les côtés 73-74 com­portent un ajutage 78.
  • Suivant le sens de circulation du fluide caloporteur et des fumées, l'ajutage 77 constitue l'ajutage d'entrée et l'ajutage 78, l'ajutage de sor­tie ou inversement.
  • Le couvercle 80 de la boîte 70 est repré­senté à la figure 7. Cette figure montre les orifices de branchement 81, 82 des tubes 1 et les orifices de branchement 83, 84 des tubes 50.
  • La figure 6 montre la forme de la boîte avec le couvercle 80 et les cavités correspondant aux différents côtés comme décrits ci-dessus.

Claims (7)

1°) Echangeur de chaleur, notamment récupé­rateur de chaleur de fumées, comportant des tubes ba­layés par les fumées et traversés par un liquide calo­porteur, caractérisé en ce qu'il comporte un premier ensemble de tubes (1) dont chaque tube (1) est formé par une succession de segments (21-30) droits parallè­les, reliés entre eux à chaque extrémité par une boucle de liaison (31-39), les plans (P₁, P₂ ... Pn) passant par deux segments (21-30) successifs étant in­clinés alternativement d'un côté et de l'autre par rapport au plan d'ensemble (P₁₀₀-P₁₀₀ ; P₂₀₀-P₂₀₀) du tube (1) de façon que les segments successifs soient disposés en quinconce par rapport au plan d'ensemble, et un second ensemble de tubes (50) dont chaque tube (50) est constitué par des segments parallèles (51-55) reliés par des boucles (60-63), l'entrée et la sortie (66, 67) de chaque tube sont perpendiculaires à la di­rection des segments (51-55) et sont situées du même côté, chaque tube (50) de ce second ensemble étant placé dans un intervalle formé par les segments homo­logues (21-30) des tubes (1) du premier ensemble.
2°) Echangeur de chaleur selon la revendica­tion 1, caractérisé en ce que l'entrée et la sortie (40, 41) d'un même tube (1) sont situées d'un même côté.
3°) Echangeur de chaleur selon la revendica­tion 2, caractérisé en ce que l'entrée et la sortie (40, 41) de chaque tube (1) sont situées dans le pro­longement du segment (21, 30) respectif.
4°) Echangeur de chaleur selon la revendica­tion 1, caractérisé en ce qu'il est formé d'un premier ensemble de tubes (1) disposés dans des plans parallè­les entre eux et parallèlement à la direction de pas­sage (F) des fumées à épuiser.
5°) Echangeur selon la revendication 1, ca­ractérisé en ce qu'il comporte un collecteur d'arrivée caloporteur et un collecteur de départ (70) de fluide caloporteur, situés du même côté de l'échangeur, ces collecteurs étant communs aux tubes (1, 50) des deux ensembles.
6°) Echangeur selon la revendication 5, ca­ractérisé en ce que le collecteur d'arrivée et le col­lecteur de départ sont réalisés par le cloisonnement (75, 76) d'une même boîte (70).
7°) Echangeur selon la revendication 6, ca­ractérisé en ce que la boîte (70) formant les collec­teurs d'arrivée et de départ du fluide caloporteur est constituée par un tore rectangulaire de section rec­tangulaire.
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