Brevet FR2050249A1 — publié le 19710402

La présente invention concerne un échangeur de chaleur perfectionné, du type comportant au moins deux enceintes juxtaposées, destinées à recevoir la circulation de deux fluides d'échange thermique et formées de parois enroulées en spirales les parois étant maintenues écartées par des organes d'appui. On connait diverses formes de réalisation d'échangeur de chaleur du type cidessus, qui présentent l'avantage d'être d'un prix de revient économique ; cependant en raison de la présence au sein de chaque enceinte de moyens d'entretoisement des parois, répartis régulièrement, il demeure difficile dans les dispositifs connus de faire circuler de gros débits ; on est alors contraint de prévoir des enceintes plus larges, ce qui nécessite cependant des tôles plus épaisses accroissant le prix de revient, et limite la surface d'échange par rapport au volume de l'enceinte, d'où abaissement du rendement de lté- changeur. On a déjà décrit dans la demande de brevet français en date du 20 juin 1969 au nom du demandeur des perfectionnements aux échangeurs de chaleur visant à remédier aux inconvénients ci-dessus et à permettre la réalisation d'échangeurs du type spécifié alliant l'avantage d'un prix de revient particulièrement économique à la possibilité de gros débits. L'invention vise à réaliser un échangeur particulièrement économique présentant un très fort coëfficient de surface d'échange thermique par rapport au volume des enceintes et autorisant la circulation de gros débits. L'échangeur de chaleur selon l'invention est du type constitué d'au moins deux enceintes juxtaposées formées de parois enroulées en spirales et comportant des moyens d'entretoisement répartis sur la surface des parois, les enceintes étant contenues entre une virole intérieure et une virole extérieure formant armature et communiquant par leurs flancs spiralés ouverts avec des moyens d'amenée et d'évacuation des fluides. L'échangeur de chaleur de ce type se présente donc comme un corps annulaire cylindrique contenant les enceintes spiralées et dont les entrées et sorties de fluides sont disposées sur les flancs en forme de couronne des enceintes spiralées, ctest-à-dire selon la section annulaire de l'échangeur. La demande de brevet français spécifiée ci-dessus au nom du demandeur dé crivait de tels échangeurs associés à des capacités prolongeant la virole extérieure en étant disposées selon les flancs ou section latérale du volume cylindrique et comportant bizou plusieurs chambres pour l'acheminement des fluides. L'invention est plus particulièrement adaptée aux échangeurs du type rappelé ci-dessus et dans lequel la hauteur, considérée comme la génératrice du corps cylindrique annulaire est inférieure ou au plus égale au rayon extérieur du corps cylindrique c'est-à-dire aux échangeurs ayant une configuration plate, et dans lesquels les flancs des enceintes sont refermés par des bandes spiralées solidarisées entre les bords ou aretes de deux parois adjacentes. L'échangeur selon l'invention est caractérisé en ce qu il comporte au moins une capacité d'acheminement des fluides raccordée sur un secteur du flanc en forme de couronne du corps spiralé de l'échangeur2 et communiquant avec l'intérieur d'une des enceintes. De préférence l'échangeur comporte deux capacités d'acheminement des fluides raccordées chacune sur un secteur d'un ou des flancs en forme de couronne du corps spiralé de 11 échangeur et communiquant chacune avec des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide disposées selon un secteur des enceintes spiralées, les capacités et les ouvertures correspondantes étant positionnées de façon à provoquer une circulation du fluide au - sein de chaque enceinte selon un parcours spiralé. De préférence encore et selon une forme de réalisation particulièrement avan tageuse de l'invention,ltéchangeur comporte sur chaque flanc au moins deux capacités d'acheminementdes fluides communiquant chacune et respectivement avec des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide disposées selon un secteur des enceintes spiralées, les capacités et les ouvertures correspondantes étant positionnées de fanon à provoquer une circulation du fluide au sein de chaque enceinte selon un parcours spiralé. Selon une variante, les viroles de ltéchangeur se prolongent au moins sur un même coté et sont associées à un fond en forme de couronne, l'ensemble conformant une capacité annulaire communiquant avec une enceinte par des ouvertures disposées sur le flanc de cette dernière. Cette variante sera plus particulièrement avantageuse dans le cas d'échangeurs du type décrit dont l'épaisseur de la couronne est faible. Toujours selon cette variante, la capacité annulaire ainsi obtenue comportera au moins une ouverture de raccordement à une tubulure d'arrivée ou de sortie du fluide. Facultativement la capacité annulaire peut etre divisée par un cloisonnement intérieur en# deux chambres d'entrée et de sortie du fluide coiffant chacune un secteur de la couronne formée par le flanc des enceintes spiralées et communiquant d'une part avec l'intérieur d'une enceinte par des ouvertures pratiquées dans ce flanc et avec l'extérieur par une bride de raccordement à une tubulure d'alimentation ou d'évacuation. Selon encore une forme plus particulière de réalisation de l'invention changeur comporte au moins deux capacités débouchant sur la meme enceinte par des ouvertures respectivement d'entrée et de sortie, les deux capacités étant disposées sur la couronne annulaire du corps de l'échangeur en position diamétralement opposée et de telle sorte que le fluide pénétrant dans l'enceinte par la capacité d'entrée se divise en deux courants symétriques suivant chacun une demi couronne pour se rejoindre du coté opposé et etre évacué par la capacité de sortie. Dans cette forme de réalisation, les deux capacités desservant la meme enceinte peuvent indifféremment être disposées sur le meme flanc du corps annulaire de ltéchangeur ou sur deux flancs opposés. Selon une autre forme de réalisation de l'invention chaque enceinte spiralée comporte un jeu d'éléments de cloisonnement intérieur disposé selon un rayon et apte à diviser cette enceinte en une pluralité de zones indépendantes communiquant chacune par une ouverture d'entrée et de sortie respectivement avec chacune des deux capacités d'acheminement des fluides. De préférence et selon cette forme de réalisation, les capacités respectivement d'entrée et de sortie sont disposées de part et d'autre du rayon d'alignement des éléments de cloisonnement. Selon une autre caractéristique de l'invention les ouvertures d'entrée et/ou de sortie des fluides au sein de chaque enceinte sont constituées de solution de continuité dans les bandes spiralées fermant les flancs de chaque enceinte, ces solutions de continuité étant prévues au sein de chaque enceinte. De préférence encore les capacités d'entrée et de sortie du fluide dans chaque enceinte sont solidarisées de façon étanche sur un secteur annulaire de l'é- changeur et comportent à cet effet une base ouverte en forme de segment de couronne, la capacité étant surmontée par une bride de raccordement à une tubulure. Une autre caractéristique importante de l'invention vise à faciliter l'inser- tion du corps annulaire de l'échangeur constitué par les deux enceintes spiralées à l'intérieur dela virole externe constituant l'armature extérieure de l'ensemble. On comprend en effet que les enceintes venues de ltenroulement en spirales des parois comportant des moyens d'entretoisement ou d'écartement répartis régulièrement sur leur surface ne peuvent se terminer en conformant un pourtour cylindrique s'insérant exactement dans la virole externe. Selon l'invention la virole externe est prévue avec un diamètre sensiblement égal ou légèrement supérieur au plus grand diamètre du corps spiralé la zone périphérique subsistant entre la paroi externe du corps spiralé et la face interne de la virole étant comblée par une matière interstitielle moulée, coulée à l'état liquide. Notamment la matière de remplissage venant combler la zone périphérique entre la périphérie du corps spiralé et la virole externe est constituée par du béton ou une coulée de métal en fusion ou matière plastique, L'invention permet ainsi de réaliser un échangeur d'un prix de revient particulièrement bas et de haut rendement. L'invention sera mieux comprise de la description qui suit et qui se rapporte à un exemple de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une vue en plan de ltéchangeur selon l'invention La figure 2 représente une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1 La figure 3 représente une vue en détail du dispositif d'obturation des flancs des enceintes spiralées La figure 4 représente une vue en plan montrant plus particulièrement le remplissage de la zone périphérique du corps spiralé en vue de son adaptation à la configuration cylindrique interne de la virole extérieure, La figure 5 représente une vue en plan d'un échangeur selon une variante La figure 6 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une autre variante comportant une chambre annulaire constituée par le prolongement des viroles. Selon les figures 1 et 2 les deux enceintes I et 2 sont définies #par les parois 3 et 4 s'appuyant l'une sur l'autre au moyen de bosselages venus d'emboutissage et répartis régulièrement sur le corps des parois, ces bosselages de type connu n'étant pas représentés aux dessins. Les deux enceintes spiralées sont contenues entre deux viroles interne 5 et externe 6 formant armature et permettant à ltensemble de résister aux pressions internes des circuits de circulation des fluides. Comme représenté à la figure 2, l'invention s'applique plus particulièrement aux échangeurs de forme plate c'est-à-dire dans lesquels la hauteur est au plus égale et de préférence inférieure au rayon du corps de l'échangeur. Les arêtes ou bords des parois 3 et 4, définissant les flancs 7 et 8 des enceintes sont réunies entre elles par des éléments latéraux d'obturation constitués de bandes notamment métalliques 10, 10', 10" insérés entre les bords des parois et solidarisés par soudure ; cette insertion intérvient de préférence au moment de l'enroulement et des bossages 16, 16' pratiqués sur les bords des parois positionnent correctement les dites bandes qui comportent des rainures 17, 17' les bossages 16, 16' s'encastrant exactement dans les rainures 17, 17'. A cet effet les bords de chaque paroi sont prévus libres de bosselages 11, 11' afin de permettre l'insertion libre des bandes d'obturation 10, 10'. Ces bandes dtobturation comportent des solutions de continuité 12, 121, 12" dé- finissant des ouvertures par lesquelles les enceintes communiquent avec le milieu extérieur, Ces ouvertures dans ltexemple représenté aux dessins sont toutes disposées selon un secteur de la section annulaire de I#échangeur, On a disposé en outre des éléments de cloisonnement 13, 131, 13" au sein de chaque spire et selon le rayon médian au secteur correspondant aux ouvertures 12, 12', 12", en sorte que chaque spire est isolée de la spire précédente et/ou suivante et constitue une zone spiralée débouchant de part et d'autre du cloisonnement radial, Le secteur défini par les ouvertures 122 12', 12" est coiffé par deux capacités ou calottes 14 et 14' juxtaposées et solidaires de façon étanche des flancs de ltéchangeur, la ligne de séparation des deux capacités 14 et 14' correspondant à l'alignement radial des moyens de cloisonnement 13, 13', 13", en sorte que chaque spire communique par une extrémité avec une capacité et par l'autre extrémité avec l'autre capacité. Une des deux capacités ou calottes, par exemple la capacité 14, sert à lten- trée du fluide qui pénètre ainsi dans chacune des zones spiralées et après un tour complet correspondant au parcours d'une spire ressort par la capacité adjacente 14, le fluide étant empeché de poursuivre sa route par un élément de cloisonnement, au delà duquel commence une autre zone en communication avec la capacité d'entrée. Sur la face opposée on réalise une construction symétrique l'enceinte 2 débouchant par les ouvertures 15, 15' constituées de solutions de continuité dans les bandes spiralées d'obturation des flancs, dans la capacité 16 représentée à la figure 2 et dans la capacité voisine non visible au dessin cette dernière communiq#uant avec l'extrémité opposée des spires de cette enceinte. La figure 4 représente une vue en coupe selon la section transversale du corps cylindrique de l'échangeur et montrant le remplissage périphérique des enceintes spiralées. Les parois 20 et 21 sont enroulées autour de la virole interne 22 et se terminent en 23, laissant subsister au delà et entre la périphérie 24 de la dernière spire et la paroi interne de la virole extérieure 25 un espace interstitiel rempli par un matériau moulable tel que du béton, un métal à bas point de fusion ou du plastique notamment des résines époxy et coulé à l'état liquide ce matériau étant apte après prise ou durcissement à combler l'espace annulaire entre la périphérie des parois spiralées et la virole extérieure ; ainsi se trouve facilement solutionné le problème de ltajustement du corps des encein tes spiralées au diamètre intérieur et à la forme rigoureusement cylindrique de la virole extérieure. La figure 5 montre une vue schématique d'une forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'échangeur selon l'invention.Selon cette forme de réalisation, l'échangeur comporte les deux enceintes spiralées dont le détail n'est pas représenté au dessin et insérées entre les deux viroles 51 et roi2. Chaque flanc comporte deux capacités d'acheminement des fluides ; on a représenté au dessin montrant ltéchangeur en plan, les capacités supérieures 53 et 54 solidarisées de façon étanche sur les flancs de l'échangeur et dont la base est en forme de secteur annulaire, le sommet étant surmonté par une bride de raccordement 55, 55' à des tubulures. La face latérale ou flanc de ltéchangeur est refermée sur toute sa surface dans les zones 56 et 56' externe aux capacités 53 et 54, tandis que le secteur recouvert par les capacités 53 et 54 comporte des ouvertures débouchant sur une meme enceinte.On comprend qu'une enceinte, par exemple l'enceinte 53 constitue un collecteur d'alimentation de l'enceinte correspondante, le fluide pénétrant par les ouvertures pratiquées dans cette enceinte et débouchant à l'intérieur de cette capacité ; le fluide arrivant dans l'enceinte se divise en deux flux ou courants qui emprunteront deux parcours symétriques correspondant respectivement aux demi couronnes 56 et 56',tandis que les deux courants se rejoignent dans la zone diamétralement opposée à la zone d'alimentation, et où se trouve la capacité 54 constituant collecteur d'évacuation.La face inférieure de l'échange geur par rapport au plan de la figure comporte une construction identique, le second fluide pénétrant par le flanc opposé par une capacité disposée sous la capacité 54 et sortant par une capacité disposée sous la capacité 53, réalisant ainsi une circulation à contre courant Selon la figure 6 on voit un échangeur dans lequel les capacités d'alimentation et/ou d'évacuation sont formées de prolongement des viroles intérieure 61 et extérieure 62, au delà du niveau supérieur et inférieur du corps spiralé ; les bords des viroles étant refermés par une couronne supérieure 63 et inférieure 64 conformant ainsi une capacité annulaire de chaque cté du corps spiralé 65, chaque capacité pouvant comporter des brides de raccordement 66, 66' à des tubulures d'acheminement des fluides.Chaque capacité est divisée par un cloisonnement non représenté au dessin et disposé verticalement et perpendiculairement au plan de la figure définissant deux chambres respectivement d'alimentation et de sortie du fluide, chaque chambre c#ommuniquant avec une enceinte du corps spiralé. Le premier fluide passant par la chambre 67 pénètre dans une enceinte par des ouvertures sectorielles prévues sur le flanc des spires et débouchant dans cette enceinte et après avoir parcouru en deux flux symétriques chaque demi couronne est évacué par la chambre 67' communiquant par des ouvertures diamétralement opposées aux précédentes avec la meme enceinte. Le cheminement du second fluide de l'enceinte 68 à llen- ceinte 68' se fait selon un parcours inverse et à contre-courant du précédent, au sein de la seconde enceinte. Il est entendu que l'invention n'est pas liée à la forme cylindrique des viroles constituant l'armature interne et externe de lléchangeur. Ces viroles auront de préférence une section circulaire qui est la mieux adaptée au résultat recherché; elles pourraient cependant avoir une forme prismatique à section polygonale, ou encore à section ovoidale régulière ou non La description qui précède n'ayant été donnée qu'à titre d'exemple d'une forme de réalisation de l'invention nta aucun caractère limitatif et l'on pourra sans franchir les limites de l'invention réaliser à partir des éléments décrits plusieurs variantes ou formes de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur du type comportant au moins deux enceintes juxtaposées délimitées par des parois enroulées en spirale et maintenues écartées par des moyens d'entretoisement répartis sur la surface des parois, les deux enceintes étant contenues entre une virole intérieure et une virole extérieure, les flancs ou sections latérales des enceintes étant refermées par des moyens d'obturation, l'échangeur étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins une capacité d'acheminement des fluides raccordée sur un secteur du flanc en forme de couronne du corps spiralé de lréchangeur, et communiquant avec l'intérieur d'une des enceintes. 2 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce qutil comporte deux capacités d'acheminement des fluides raccordées chacune sur un secteur dlun ou des flancs en forme de couronne du corps spiralé de llé- changeur et communiquant chacune avec des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide disposées selon un secteur des enceintes spiralées, les capacités et les ouvertures correspondantes étant positionnées de façon à provoquer une circulation du fluide au sein de chaque enceinte selon un parcours spiralé. 3 - Echangeur de chaleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte sur chaque flanc au moins deux capacités d'acheminement des fluides communiquant chacune et respectivement avec des ouvertures dlen- trée et de sortie du fluide disposées selon un secteur des enceintes spiralées, les capacités et les ouvertures correspondantes étant positionnées de façon à provoquer une circulation du fluide au sein de chaque enceinte selon un parcours spiralé, 4 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les viroles se prolongent au moins sur un même côté et sont associées à un fond en forme de couronne, ltensemble conformant une capacité annulaire communiquant avec une enceinte par des ouvertures disposées sur le flanc de cette dernière. 5 - Echangeur de chaleur selon la revendication 4 dans lequel la capacité annulaire latérale au corps spiralé comporte au moins une ouverture de raccordement à une tubulure d'arrivée ou de sortie du fluide. 6 - Echangeur de chaleur selon les revendications 4 et 5 dans lequel la capacité annulaire est divisée par un cloisonnement intérieur en deux chambres d'entrée et de sortie du fluide coiffant chacune un secteur de la couronne formée par le flanc des enceintes spiralées et communiquant d'une part avec l'intérieur d'une enceinte par des ouvertures pratiquées dans ce flanc et avec l'extérieur par une bride de raccordement à une tubulure d'alimentation ou d'évacuation. 7 - Echangeur de chaleur selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux capacités débouchant sur meme enceinte par des ouvertures respe-ctivement d'entrée et de sortie, les deux capacités étant disposées sur la couronne annulaire du corps de l'échangeur en position diamétralement opposée et de telle sorte que le fluide pénétrant dans enceinte par la capacité d'entrée se divise en deux courants symétriques suivant chacun une demi couronne pour se rejoindre du coté opposé et entre évacué par la capacité de sortie. 8 - Echangeur de chaleur selon les revendications 1 à 3 caractérisé en outre en ce que les moyens d'obturation des flancs sont constitués de bandes insérées entre les bords ou arêtes des parois spiralées auxquelles elles sont so lidarisées, les ouvertures d'entrée et de sortie des fluides au sein de chaque enceinte étant constituées de solutions de continuité des bandes d'obturation. 9 - Echangeur de chaleur selon les revendications 1 à 3 caractérisé en outre en ce que chaque enceinte spiralée comporte un jeu d'éléments de cloisonnement intérieur disposé selon un rayon et apte à diviser cette enceinte en une pluralité de zones indépendantes communiquant chacune par une ouverture d'entrée et de sortie respectivement avec chacune des deux capacités d'acheminement des fluides. 10 - Echangeur de chaleur selon la revendication 9 dans lequel les capacités respectivement d'entrée et de sortie sont disposées de part et d'autre du rayon d'alignement des léments de cloisonnement 11 - Echangeur de chaleur selon les revendications 7 a' 10 dans lequel les capacités d'entrée et de sortie du fluide dans chaque enceinte sont solidarisées de façon étanche sur un zecteur annulaire de l'échangeur et comportent a' cet effet une base ouverte en forme de segment de couronne, la capacité étant sur montée par une bride de raccordement à une tubulure. 12 - Echangeur de chaleur du type comportant au moins deux enceintes juxtaposées délimitées par des parois enroulées en spirale et maintenues écartées par des moyens d'entretoisement répartis sur la surface des parois, les deux enceintes étant contenues entre une virole intérieure et une virole extérieure, les flancs ou sections latérales des enceintes étant refermées par des moyens d'obturation, l!échangeur étant caractérisé en ce que la virole externe est prévue avec un diamètre sensiblement égal ou légèrement supérieur au plus grand diamètre du corps spiralé, la zone périphérique subsistant entre la paroi externe du corps spiralé et la face interne de la virole étant comblée par une matière interstitielle moulée, coulée à l'état liquide. 13 - Echangeur de chaleur selon la revendication 12 dans lequel la matière in terstitielle de remplissage est du béton. 14 - Echangeur de chaleur selon la revendication 12 dans lequel la matière interstitielle de remplissage est un métal à bas point de fusion. 15 - Echangeur de chaleur selon la revendication 12 dans lequel la matière interstitielle de remplissage est une matière plastique ou une résine polymérisable.