Brevet FR2009762A1 — publié le 19700206

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur et elle a trait,en particulier,à des tubes d'échangeur de chaleur et des tubes de condenseur. La pratique normale consiste depuis des années à utiliser 5 des tubes de condenseur à ailettes comportant habituellement environ 19 ailettes par 2,5 cm, ces ailettes ayant-une faible hauteur, pour condenser des fluides réfrigérants et des hydrocarbures. La supériorité de ce type de tubes, par rapport aux "tnibes lisses est due en apparence au meilleur écoulement du condensât qui ré-10 suite de la présence des ailettes. Lorsqu'on utilise un'tel tube pour condenser la vapeur d'eau, les avantages sur un tube lisse ne sont que superficiels» Les coefficients de condensation pour la vapeur d'eau sont bien plus forts que ceux qui se situent dans la gamme économique normale 15 pour un tube de faible hauteur d'ailette, de même qu'ils sont normalement plus forts que les coefficients de la pellicule interne d'eau. Des études de l'écoulement d'un condensât ont montré que l'excellent écoulement obtenu avec d'autres condensats n'était 20 pas reproduit avec la vapeur d'eau, du fait que la forte tension superficielle tendait à retenir le condensât entre les ailettes. Il apparait donc que pour améliorer le rendement de condensation, un meilleur transfert de la chaleur interne est de la plus grande nécessité. On peut y parvenir en augmentant la turbulence 25 dans le liquide de refroidissement qui s'écoule dans le tube, en faisant subir au tube un cintrage transversal de sa paroi. Si la paroi du tube est ondulée pour produire plusieurs nervures espacées, la surface spécifique par unité de longueur est augmentée et il en est de même de la turbulence. L'espacement 50 des nervures est important, du fait qu'un espacement trop grand produit une trop faible turbulence, tandis qu'un espacement trop rapproché a pour effet que la circulation du liquide entre les nervures devient inefficace. Bien qu'on puisse obtenir un espacement optimal, les caractéristiques d'un écoulement turbulent du liquide. 35 de refroidissement sont affectées par le profil des ondulations. Un autre facteur qui est particulièrement important dans des tubes de condenseur est le facteur de 1',-érosion qui peut se 69 17843 2 2009762 produire comme conséquence de la turbulence de l'écoulement du liquide dans le tube, en particulier pour des débits relativement forts. Même avec des - alliages résistant à la corrosion une piqûre et une perforation de la paroi, du tube peuvent apparaître sous 5 l'effet de fluides réfrigérants corrosifs, comme on peut en rencontrer dans les condenseurs utilisés dans la marine. Le profil des ondulations peut produire des conditions locales de turbulence, qui conduisent à une érosion locale du tube, laquelle peut provoquer une mise hors service prématurée. 10 En vue de satisfaire, à la condition d'augmentâtion de la tur bulence) tout en évitant une turbulence érosive locale, le profil de la paroi du tube doit éviter de brusques changements de direction. La présente invention est basée sur la constatation du fait que ces conditions ne peuvent être satisfaites que si le 15 profil de la paroi du tube est compris entre certaines limites critiques. La présente invention concerne un tube d'échangeur de chaleur dont au moins une partie de la surface intérieure est constituée, le long de son axe longitudinal, par une série ininterrompue de 20 surfaces alternativement convexes et concaves, chaque surface convexe et chaque surface concave s'étendant en général sur toute la circonférence de la surface intérieure, les surfaces convexes et concaves se rencontrant mutuellement suivant des lignes de changement de direction dont les tangentes situées dans un plan contenant 25 l'axe du tube font un. angle compris entre 10 et 40° avec cet axe. De préférence, les surfaces convexes sont en continuité circonférentielle les unes avec les autres, et elles représentent des circonvolutions successives d'une nervure hélicoïdale s'étendant le long de cette partie de la surface intérieure. 30 De préférence, la longueur axiale totale des surfaces convexes représente au moins environ 50 $ de la longueur axiale dé cette partie de la surface intérieure. La. surface extérieure"du tube, dans la ou les régions correspondantà cette partie de la surface " I; " - "• «rC • - -• 4* t'- intérieure,peut être profilée de manière approximativement complé-35 mentaire par rapport à la surface intérieure du tube. Le tube peut être fabriqué en métaux courants utilisés •pour des échangeurs thermiques, le métal particulier étant choisi 69 î 7843 3 2009762 en considérant principalement la résistance à la corrosion et à l'érosion par les milieux liquides et/ou gazeux en-question, la conductibilité thermique et le prix de revient. A titre d'exemples, on mentionne des alliages de cuivre et nickel,des alliages d'alu-5 minium et laiton, le laiton, le cuivre, l'aluminium et le titane. Dans le cas de celles des matières énumérées qui sont très malléables lorsqu'elles sont totalement recuites, le tube se trouve de préférence au moins dans un état de demi-dureté et, mieux encore dans un état de dureté aux trois-quarts , si la configuration désirée 10 doit lui être conférée pay un travail exécuté sur l'extérieur du tube, en vue de maintenir sa surface extérieure aussi cylindrique que possible, et d'empêcher le flambage du tube. Si l'on traite le tube extérieurement pour lui conférer la configuration désirée, l'angle devant être choisi dans la gamme 15 de 10 à 40° dépend dans une certaine mesure des autres paramètres physiques du tube, et en particulier de son diamètre, de son épaisseur de paroi et de l'aptitude à l'usinage de la matière constituant le tube. Par exemple, pour un tube en alliage contenant, en poids 66 de cuivre, 30 $ de nickel, 2 $ de fer et 2 % de 20 manganèse, ayant un diamètre extérieur de 1,27 à 1,59 cm, l'angle choisi se situe normalement dans la gamme de 14 à 35V de préférence de 20 à 25°, pour une épaisseur de paroi de l'ordre de 0,1 cm, et à titre d'autre exemple, pour un tube de 2,5 cm de diamètre, avec une augmentation correspondante de l'épaisseur de 25 paroi et en utilisant là aussi un alliage contenant en poids 66 ^ de cuivre, 30 ?£ de nickel, 2 $ de fer, 2 $ de manganèse, l'angle est typiquement choisi dans la gamme de 14 à 25°. Un exemple typique de l'invention sera décrit ci-après en regard de la figure unique du dessin annexé qui est une vue 30 partielle en élévation, en coupe droite,d'un tube d'échangeur de chaleur. . On fait avancer un tube en alliage composé de 66 i» en poids de cuivre, 30 $ en poids de nickel, 2 fo en poids dé fer et 2 $ en poids de manganèse, ayant un diamètre extérieur nominal'de 35 1,58 cm, une épaisseur de paroi de 0,09 cm et une dureté correspondante à un indice Vickers de 150 à 180 , entre des outils de ~ r formage pour laminer un filet dans la surface exterieure du tube. 69 17843 4 2009762 les outils de formage produisent un filet ayant ion angle d'hélice d'environ 5°, laminé dans la surface extérieure du tube. Les régions d'extrémités du tube sont laissées intactes par les outils de formage, en sorte que des régions lisses d'extrémités 5 sont offertes pour faciliter le montage éventuel du tube. A mesure que les outils de formage exercent une pression sur la surface extérieure du tube, ils déforment sa surface intérieure dont la déformation est laissée libre. Par conséquent, dans cet exemple, la surface intérieure du tube reçoit une forme 10 essentiellement complémentaire de celle de la surface extérieure du tube} et consistant en une nervure hélicoïdale en saillie radialement vers l'intérieur, s'étendant le long des parties de la surface intérieure qui correspondent aux parties de la surface extérieure sur lesquelles les outils de foimage ont agi. 15 Comme le montre le dessin, une coupe faite suivant l'axe du tube présente une série de surfaces alternativement convexes et concaves, qui se confondent mutuellement, de façon régulière, de sorte que les surfaces se rencontrent suivant des lignes de changement de direction. Le pas du filet laminé dans la surface extérieure 20 du tube est calculé, en même temps que le degré produit de déformation , par simple expérience, pour produire une surface intérieure dont les tangentes situées dans les plans contenant l'axe du tube, à partir des lignes de changement de direction, coupent l'axe du tube sous des angles compris entre 10 et 40°. Dans cet 25 exemple, l'angle est de 25°. En outre, on fait en sorte que la longueur totale des surfaces convexes soit de préférence au moins égale à la longueur totale des surfaces concaves et,dans cet exemple, 75 # de la longueur des surfaces intérieures de la partie défornée du tube sont 30 constitués par des surfaces convexes. Lorsque le tube d'échangeur de chaleur décrit ci-dessus est utilisé en tant que condenseur, l'absence de toutesdiscontinuités dans la surface intérieure, pourvu qu'un débit raisonnable de fluide de refroidissement soit utilisé à travers le tube, signifie 35 qu'une plus grande turbulence est favorisée, sans introduire de régions de stagnation. L'épaisseur réduite, par rapport à celle obtenue avec tin alésage lisse, de la couche limite , à mouvement 69 17843 5 2009762 long , du fluide de refroidissement, est uniforme et assure l'absence totsûe/i'un risque d'érosion lorsqu'on utilise des vitesses normales du fluide de refroidissement. Si.plus de 50 $ de la longueur déformée de la surface intérieure consistaient en surfaces 5 concaves, ces surfaces pourraient, en fait, former des cavités contenant du fluide de refroidissement stationnaire . Il y a lieu de remarquer que les angles des tangentes aux points d'inflexion revêtent une importance, en ce sens qu'un angle trop grand provoquerait la formation d'un tourbillon contre les surfaces concaves, 10 notamment si l'écoulement du fluide de refroidissement était rapide. En outre, étant donné que dans cet exemple, la surface extérieure du tube est défoimée d'une manière complémentaire par rapport à la surface intérieure, la paroi garde une épaisseur à peu près uniforme pour maintenir autant que possible les propriétés 15 de résistance mécanique, de résistance à l'érosion, et de conduction thermique de la paroi du tube,et un autre fait encore plus important est que toute condensation produite sur la surface extérieure du tube s'écoule d'une manière efficace,pour maintenir très mince la pellicule de condensât et pour produire ainsi tin grand rendement 20 d'échange thermique . Le meilleur transfert de chaleur interne qui résulte du profil décrit dans ce qui précède peut conduire à une réduction des dimensions du condenseur, requise pour une application particulière, comparativement à des condenseurs à tubes lisses.. Les tubes per-25 fectionnés conviennent pour des installations de dessalage et , pour une telle application, un laiton à l'aluminium constitue un alliage correct. Pour des échangeurs de chaleur dans lesquels on rencontre des milieux plus corrosifs, les tubes peuvent être fabriqués en titane ou en un alliage de titane.et de palladium. 69 17843 6 2009762 KEVEEDICATIONS 1. Tube d'échangeur de chaleur, caractérisé par le fait qu'une partie au moins de sa surface intérieure est.formée, le long de son axe longitudinal, par une série continue de surfaces alternativement convexes et concaves, chaque surface convexe et 6 chaque surface concave s'étendant en général circonférentiellement à la surface intérieure, les surfaces convexes et concaves se rencontrant mutuellement suivant des lignes de changement de direction dont les tangentes situées dans un plan contenant l'axe 10 du tube font un angle compris entre 10 et 40° avec cet axe. 2. Tube d'échangeur 'de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces convexes sont en continuité circonférentielle les unes avec les autres, du fait qu'elles représentent des circonvolutions successives d'une nervure 15 hélicoïdale s'étendant le long de cette partie de la surface intérieure. 3. Tube d'échangeur de chaleur suivant l'une des revendica- . tions 1 et 2, caractérisé par le fait que la longueur axiale totale des surfaces convexes constitue au moins environ 50 $ de la longueur 20 axiale de cette partie de la surface intérieure. 4. Tube d'échangeur de chaleur suivant l'une des revendications 1 à 3» caractérisé par le fait que sa surface extérieure, dans la ou les régions correspondant à cette partie de la surface intérieure , ,• peut être conformée de manière à peu près complé- 25 mentaire par rapport à la surface intérieure du tube. 5. Tube d'échangeur de chaleur suivant les revendications 1. à 4, caractérisé par le fait qu'il consiste en alliage contenant, en poids f 66 $ de cuivre, 30 i° de nickel, 2 $> de fer et 2 $ de manganèse, ayant un diamètre extérieur de 1,27 à 1,59 cm e-fc 30 épaisseur de paroi d'environ 0,1 cm, les surfaces convexes et concaves se rencontrant mutuellement suivant des lignes de changement de direction dont les tangentes situées dans un plan contenant l'axe du tube font un angle compris entre 14 et 35°. 6. Tube d'échangeur de chaleur suivant la revendication 5, 35 caractérisé par le fait que l'angle est compris entre 20 et 25°. 7. Tube d'échangeur de chaleur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il consiste en un 69 17843 7 2009762 tube en alliage contenant, en poids 66 % de cuivre, 30 % de nickel, 2 $ de fer et 2 $ de manganèse ayant un diamètre extérieur de 2,5 cm et une épaisseur" de paroi d'environ 0,1 cm, les surfaces convexes et les surfaces concaves se rencontrant mutuellement 5 suivant des lignes de changement de direction dont les tangentes situées dans un plan contenant l'axe du tube font un angle compris entre 14 et 25°. 8. Tube d'échangeur de chaleur suivant l'une des revendications 1 à 7i caractérisé par le fait que les surfaces convexes 10 sont des circonvolutions successives d'une nervure hélicoïdale s'étendant le long de la surface intérieure. 9. Tube d'échangeur de chaleur suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que l'angle de l'hélice est d'environ 5°. F