Brevet FR2006373A1 — publié le 19691226

La présente invention se rapporte aux installations de transfert de chaleur et concerne plus particulièrement de nouveaux éléments pour condenser des liquides en phase de vapeur. L'invention concérne plus particulièrement les conden-5 seurs de vapeur d'eau, tels que ceux utilisés dans.les installations de désalinisation de l'eau de mer ou dans les centrales thermiques. L'une des particularités de l'invention réside en ce qu'elle rend possible l'utilisation de tubes verticaux dans les 10 condenseurs. D'une manière générale, un condenseur de vapeur comprend une enveloppe ou une coquille extérieure dans laquelle on introduit de la vapeur. Un certain nombre de tubes de condensation s'étendent à l'intérieur dé cette enveloppe et un fluide de refroidissement, généralement un liquide, qualifié ci-après 15 de "réfrigérant", travèrsé ces tubés pour maintenir leurs surfaces extérieures, qui sont au contact de la vapeur, au-dessous de la température de condensation de cette dernière. Ainsi, quand la vapeur contenue daxiè l'enveloppe rencontre la surface des tubes, elle se refroidit et se aondense en gouttelettes. Ces gouttelettes 20 finissent par tomber éventuellement des tubes et sont recueillies dans un bassin proche du fond de l'enveloppe. Dans lés condenseurs de type antérieur, les tubes de condensation sont presque toujours orientés horizontalement dans l'enveloppe. La raison en est que les gouttelettes qui se condensent 25 à. la surface des tubes ont tendance à former un mince film de liquide qui, dans le cas d'un tube vertical, ruisselle le long de celui-ci et couvre presque toute sa surface extérieure. Or, ce film de liquide, bien que relativement mince, oppose une résistance extraordinaire au transfert de la chaleur et, par conséquent 50 diminue notablement la capacité de condensation de l'appareil. Pour remédier à cet inconvénient ou du moins pourïatténuer, on dispose les tubes de condensation horizontalement de manière que le condensât qui se forme sur une partie quelconque de la longueur de ceux-oi puisse directement s'en écouler sans gagner une aùtre 35 partie du tube et sans nuire à sa fonction de condensation. Une autre particularité de l'invention réside en ce qu'elle permet d'utiliser des tubes de condensation verticaux sans qu'il en résulte la diminution mentionnée ci-dessus de la 69 11939 2006373 2 fonction de condensation. A cette fin, on exploite la tension superficielle relativement grande de l'eau à l'état liquide. Pour ceci un certain nombre d'étroites rainures sont pratiquées le long de la surface extérieure de chaque tube de condensation. 5 Quand le condensât se forme le long de la surface extérieure de chaque tube et commence à ruisseler vers le bas, sa cohésion, ou sa tendance d'attraction mutuelle a pour résultat que l'eau contenue dans les rainures exerce un effet d'attraction sur l'eau présente sur le reste des surfaces des tubes et la fait aussi 10 entrer dans les rainures. Il en résulte que le reste de la surface des tubes ne se couvre pas de liquide et a, par conséquent, une efficacité d'échange de chaleur maximale. Selon une autre particularité de l'invention, un tube de condenseur conforme à celle-ci présente une configuration qui 15 permet un transfert de chaleur optimal entre ce tube et le réfrigérant liquide.qui le traverse. Il est bien évident que le transfert de chaleur peut être accru en augmentant la surface d'échange de chaleur, par exemple au moyen d'ailettes ou de prolongements de la surface de transfert. La présente invention permet donc 20 d'accroître l'efficacité du transfert de chaleur des ailettes^ A cette fin, l'invention prévoit, le long de la surface intérieure des tubes de condensation, des ailettes intérieures qui sont plus larges près de la paroi du tube. Dans un mode de réalisation particulier, ces ailettes ont une section triangulaire dort le 25 sommet pointe vers l'axe du tube. Cette disposition a pour résultat non seulement d'augmenter la surface intérieure des tubes de condensation mais, de la répartir en outre de façon uniforme. En conséquence, le flux calorifique à travers les tubes est amélioré uniformément tout autour de ceux-ci et non pts simplement 30 dans certaines régions. Du fait que le flux calorifique est uniformément distribué, il n'y a pas de régions isolées traversées par un flux de chaleur important et la résistance totale à l'échange de chaleur des tubes est réduite à un minimum. Selon une autre particularité de 1'invention, il est 35 possible de réaliser une structure de tubes de condensation qui réunit les caractéristiques avantageuses mentionnées ci-dessus. D ans ce cas, un tube de condensation comporte des rainures extérieures eVte ailettes intérieures ayant une large, base qui sont judicieusement disposées par rapport aux rainures. Ainsi, le même tube 69 11939 2006373 comporte à la fois les éléments internes et externes qui opèrent de façons différentes (c'es+-à-dire les premiers en éliminant le film d'eau et les seconds en augmentant uniformément la surface de transfert de chaleur) afin de produire un effet combiné, à 5 savoir, une meilleure aptitude à la condensation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel: 10 - la figure 1 est une vue en perspective, partiellement en coupe, d'un condensateur à tubes verticaux conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue latérale agrandie d'un tube de condensation utilisé dans l'appareil de la figure lj et, 15 - la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figire 2. La figure 1 représente un condenseur 10 qui comprend une coquille ou enveloppe extérieure 12 en acier dans laquelle sont disposés verticalement un certain nombre de tubes 14. 20 L'enveloppe 12 a une forme cylindrique et entoure une région de condensation 16 que traversent les tubes 14. Une entrée de vapeur 18 est prévue d'un côté de l'enveloppe 12 pour la vapeur devant être condensée dans la région 16. A l'intérieur de l'enveloppe 12 sont prévues des plaques 25 tubulaire supérieure 20 et inférieure 22 qui définissent les extrémités supérieure et inférieure de la région de condensation 16. Les extrémités des tubes de condensation 14 sont étroitement ajustées dans les plaques tubulaires, de sorte que l'intérieur de ces tubes communique avec les régions d'extrémité 24 et 26 30 comprises entre chaque plaque tubulaire et l'extrémité correspondante de l'enveloppe 12. En même temps, l'intérieur des tubes 14 est isolé de la région de condensation 16. Des ajutages d'entrée et de sortie de réfrigérant 28 et 30 sont prévus aux extrémités respectives de l'enveloppe 12 pour permettre la circulation d'un 35 réfrigérant à travers les régions d'extrémité 24 et 26 et à 1'intérieur des tubes 14. Un bassin d'accumulation 32 est formé dans la plaque tubulaire inférieure 22 et une sortie.de condensât 34 est raccordée à ce bassin pour permettre au condensât qui s'y est accumulé de 1*0 s'écouler hors du condenseur 10. 69 11939 4 2006373 Le fonctionnement du condenseur 10 décrit à ce point est identique à celui d'un condenseur classique, c'est-à-dire, que la vapeur devant être condensée est admise par l'entrée 18 dans la région de condensation 16 où elle vient au contact de la surface 5 externe des tubes de condensation 14. En même temps, un réfrigérant liquide traverse l'intérieur des tubes entre les régions d'extrémité 24 et 26 pour maintenir la température de ceux-ci au-dessous de la température de vaporisation de la vapeur. Ainsi se produit un échange de chaleur entre la vapeur et le réfrigérant, à travers les parais 10 des tubes et en perdant ainsi de la chaleur, la vapeur se condense sur la surface extérieure des tubes 14 et ruisselle enfin le long de ceux-ci pour gagner le bassin d'accumulation 32. Tous les tubes de condensation 14 ont la même structure. Comme le montrent les figures 2 et 3, un tube 14 a une forme tubu-15 laire allongée. Ce tube peut être f ait âsl'une des matières qui sont normalement utilisées pour la fabrication de tubee de condenseur classiques. De plus, il pourrait être formé par extrusion ou par tout autre procédé connu produisant la configuration décrite ci-dessous . 20 On voit que la surface extérieure du tube 14 présente un certain nombre de rainures espacées 40 s'étendant parallèlement tout le long de celui-ci. Les rainures 40 ont une section rectangulaire et leur profondeur est supérieure à leur largeur. Les rainures 40 sont ouvertes à la surface extérieure du tube 14 et délimitent 25 entre elles des intervalles 42 sur lesquels le condensât se forme. En réalité, le condensât se forme aussi dans les rainures 40 et en descendant le long des rainures il attire le condensât formé sur3fis intervalles 42. Cette attraction résulte de la cohérence inhérente à 30 l'eau, en particulier à l'eau pure qui résulte de la condensation. De son côté, cette attraction est due aux effets de la tension superficielle de l'eau. En résumé, l'effet de la tension superficielle est tel que l'eau a tendance à occuper un volume maximal tout en maintenant sa surface minimale. Etant donné que la confi-35 guration intérieure des rainures se prête mieux à cette tendance de l'eau que les intervalles, l'eau est retirée de ces derniers et gagne les rainures. De cette façon, les intervalles ne sont pas couverts par un film de liquide, de sorte que leurs propriétés de transfert de chaleur ne sont pas diminuées. ÙOpy OQpy 11939 2006373 Le contour intérieur du tube 14 est défini par un certain nombre d'ailettes longitudinales 50» Les ailettes 50 ont, en coupe, une forme triangulaire avec des sommets 52 pointant vers l'axe longitudinal du tube, et des bases Larges 54 situées à la surface intérieure du tube 14. Il est à noter que les ailettes 50 ont des faces inclinées rectilignes 56 qui sont au contact du liquide traversant le tube. De plus, les ailettes 50 sont rapprochées au point que les extrémités de leurs faces inclinées 56 se touchent. Il en résulte que chaque segment de l'extérieur du tube 14 correspond à un segment intérieur» à surface accrue. Ainsi, l'augmentation de la surface d'échange de chaleur produite par les ailettes 50 est uniformément distribuée autour du tube 14. Cette surface accrue sert à améliorer 1'.échange de chaleur entre les parois du tube et le réfrigérant. De plus, la forme triangulaire de s ailettes sert à établir entre les surfaces intérieure et extérieure du tube 14 des voies de circulation de chaleur uniformément distribuées. Il en résulte que l'augmentation du transfert de chaleur due aux ailettes 50 n'est pas concentrée dans des régions isolées des parois du tube mais, au contraire, s'étale uniformément autour de ce dernier. De cette manière, la capacité de transfert de chaleur du système de tubes de condensation est sensiblement augmentée. Il est à remarquer que les ailettes intérieures 50 et les rainures extérieures 40 du tube 14 sont disposées de façon oue ohaque rainure 40 soit voisine de la base de l'ailette 50 correspondante. Cette disposition est particulièrement avantageuse parce que les configurations complémentaires des ailettes et des rainures servent à réduire à un minimum la quantité de métal (c'est-à-dire l'épaisseur des parois), nécessaire pour la fabrication du tube 14. En même temps, chaque élément opère de la manière qui lui est propre pour améliorer le transfert de chaleur entre la vapeur entourant les tubes extérieurement et le réfrigérant liquide qui circule à l'intérieur de ceux-ci. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 69 11939 2006373 REVENDICATIONS " 1. Tube pour condenseur caractérisé en ce qu'il comporte un certain nombre d'étroites rainures allongées s'étendant parallèlement entre elles et ouvertes à la surface extérieure du 5 tube. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures s'étendent sur toute sa longueur. 3. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rainures sont plus profondes que larges. 10 4. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures ont une section rectangulaire. 5. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures sont uniformément espacées autour de sa surface extérieure. 15 6. Tube pour condenseur caractérisé en ce qu'il comporte un certain nombre d'ailettes intérieures allongées sur sa surface intérieure, l'épaisseur des ailettes étant maximale à ladite surface intérieure. 7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il 20 comporte des ailettes qui s'étendent longltudinalement à l'intérieur de celui-ci. 8. Tube selon la revendication caractérisé en ce que les ailettes ont une section triangulaire. 9. Tube selon la revendication 8, caractérisé en ce que 25 les ailettes sont disposées étroitement côte à côte, de sorte que leurs surfaces inclinées se touchent à ladite surface intérieure. 10. Tube de condenseur caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'étroites rainures allongées s'étendant longi-tudinalement qui sont disposées parallèlement entre elles et qui 30 sont ouvertes à la surfaces extérieure du tube et un certain nombre d'ailettes intérieures allongées s'étendant longltudinalement sur la surface intérieure du tube et effilées en direction de son axe. 11. Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que les rainures et les ailettes sont distribuées uniformément autour 35 de sa surface extérieure et de sa surface intérieure. 12. Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un même nombre d'ailettes et de rainures. 13. Tube selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque rainure est disposée en face de là partie centrale de la base de l'ailette correspondante. QOP'f 69 11939 7 2006373 14. Condenseur pour convertir une vapeur en un liquide, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe extérieure entourant une région de condensation, deux plaques tubulaires espacées près des extrémités de ladite enveloppe et qui séparent ladite 5 région de condensation des régions d'extrémité, des moyens pour admettre une vapeur dans ladite région de condensation et un certain nombre de tubes de condensation s'éteidant \e ■•ticalement à travers ladite région de condensation entre lesdites plaques tubulaires et qui communiquent avec lesdites régions d'extrémité, 10 des moyens pour admettre un réfrigérant dans lesdites régions d'extrémité afin qu'ils traversent lesdits tubes de condensation, chacun de ces derniers étant pourvu d'étroites rainures longitudinales ouvertes à sa surface extérieure, et des moyens, aux extrémités inférieures desdits tubes pour recueillir le condensât 15 desdites rainures. 15. Condenseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les tubes sont, en outre, pourvus d'ailettes intérieures longitudinales. 16. Condenspur selon la revendication 15, caractérisé en l>0 ce que les ailettesscrfceffilées en direction de l'axe du tube. 17. Condenseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les rainures sont parallèles entre elles. 13o Condenseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les rainpres sont uniformément espacées»