Brevet FR2065666A1 — publié le 19710806

La présente invention concerne un tube métallique ondulé pour échangeur de chaleur. La production d'eau potable à partir d'eau salée nécessite des surfaces de transfert de chaleur importantes sous la forme de surfaces de j tubes de condenseurs. Les estimations faites-jusqu'ici indiquent un investissement en capital dans iequel Inchangé de chaleur d'une installation de dessalement de l'eau représente jusqu'à 50 % de l'investissement total. Il est par suite extrêmement important pour réduire le prix de revient de l'eau potable de réduire le prix de revient de la surface de trans-10 fert de chaleur. Il est connu que les tubes ou les surfaces ondulées ont un coefficient de transfert de chaleur supérieur à celui d'un tube cylindrique lisse. Il est bien connu aussi qu'il est nécessaire de pomper des quantités importantes d'eau de refroidissement, c'est-à-dire d'eau de mer dans 15 le cas d'un appareil de dessalement, à travers le tube du condenseur. L'augmentation de la surface d'échange de chaleur conduit toujours à une augmentation de- la puissance nécessaire pour le pompage en raison tïe la chute de pression Ap à l'intérieur des tubes du condenseur, cette chute de pression augmentant quand la surface d'échange de chaleur est augmentée. Il est par 20 suite hautement désirable de disposer de tubes de condenseurs permettant un transfert maximal de chaleur tout en permettant une chute de pression aussi faible que possible. . L'invention a pour objet un tube métallique ondulé perfectionné permettant une augmentatibn importante du transfert de chaleur avec un mini-25 mum d'augmentation de la chute de pression. L'invention a aussi pour objet un tube perfectionné pour échangeur de chaleur d'un prix de revient raisonnable et ayant un coefficient de transfert de chaleur exceptionnellement élevé. Les caractéristiques, de l'invention ressortiront plus particulière-30 ment de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : - la figure unique est une courbe du coefficient global de transfert de chaleur en fonction de l'indice de rendement de transfert de chaleur. L'invention concerne ainsi un tube métallique permettant un trans-35 fert de chaleur supérieur. Un tube selon l'invention est un tube ondulé comportant des crêtes intérieures et des gorges, les gorges étant constituées par au moins deux gorges continues indépendantes s'étendant hélicoîdalement 70 24019 2 2065666 sur le pourtour du tube, ces gorges étant espacées l'une de l'autre et le tube répondant à la formule suivante : T f H- 0,03 0 =0,5 à 2,25 . dans laquelle LC = largeur de crête, LG-= largeur de gorge et 9 = angle d'avance de pas des gorges hélicoïdales. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention les gorges sont constituées par trois gorges continues indépendantes hélicoïdales, 10 ces gorges étant espacées les unes des autres. Un tube métallique ondulé selon l'invention possède un coefficient de transfert de chaleur remarquablement élevé. ïïn tel coefficient de transfert de chaleur ne pouvait pas être obtenu jusqu'ici avec les tubes ondulés des formes habituelles. 15 Un autre avantage résultant du coefficient de transfert de chaleur supérieur est l'économie pouvant être réalisée pour l'équipement résultant ainsi que de nombreuses autres économies pouvant être obtenues pour l'appareillage d1échangeur de chaleur. Cela est particulièrement appréciable dans le cas' d'un investissement important en capital. 20 Conformément à la présente inventiony le tube métallique peut être ondulé par n'importe quel procédé connu. Suivant un procédé particulièrement avantageux, le tube ondulé est produit au moyen d'un appareil caractérisé par un bâti intérieur mobile sur un bâti extérieur, avec une filière montée pour tourner sur le bâti intérieur. Cette filière comporte une ouver-25 ture annulaire à travers laquelle passe le tube .à onduler et des éléments en forme dépassant dans l'ouverture annulaire. Le pas et la profondeur des spires ou ondulations peuvent être réglés dans une plage large de configurations. Le tube ondulé résultant est caractérisé par un certain nombre de crêtes et de gorges en hélice sur le pourtour du tube. En coupe, le tube présente un cer-30 tain nombre de dentelures symétriques et uniformes, l'épaisseur de paroi du tube étant approximativement uniforme. Les gorges sont constituées par plusieurs gorges continues indépendantes s'étendant en hélice sur le pourtour du tube, ces gorges étant espacées les unes dès autres. Un tube selon l'invention peut être formé en. un grand nombre de 35 métaux et leurs alliages. Des exemples sont le cuivre et ses alliages, l'aluminium et ses alliages, le titane et ses alliages, le fer et ses alliages, et d'autres. Le tube ondulé peut être formé à partir d'un tube soudé par rapprochement. • V;-" .. jV,- & 70 24019 3 2065666 L'épaisseur de paroi d'un tube ondulé selon l'invention est de préférence comprise entre 0,25 et 12,5 mm, avec un diamètre extérieur de l'ordre de 6,35 à 270mm. Pour l'utilisation, le tube ondulé normalement comporte de préfé-5 rence à chaque extrémité une partie non ondulée pour la fixation à une plaque à tubes. De nombreux tubes sont habituellement fixés à deux plaques à.tubes pour séparer le milieu de transfert de chaleur se trouvant d'un côté du milieu de transfert de chaleur se trouvant à l'intérieur des tubes. Les tubes peuvent être fixés de façon étanche aux plaques à tubes par ser-10 tissage roulé, par soudage ou par brasure des extrémités du tube aux plaques. Comme il a été indiqué ci-dessus, une caractéristique particulière de la présente invention est que le coefficient global de transfert de chaleur Uq supérieur est obtenu quand le tube satisfait à la formule suivante : 15 M + 0,03 9 = 0,5 à 2,25 L G dans laquelle LC est la largeur de crête en millimètres, cette largeur étant mesurée perpendiculairement à la direction de la crête et non suivant l'axe du tube. Le terme LG est la largeur de la gorge mesurée de la même façon 20 et le terme 9 est l'angle dravance ou l'angle du pas de l'hélice par rapport à un axe orthogonal à l'axe du tube. D'une façon générale, il peut être considéré que le coefficient de transfert de chaleur est d'autant plus LC élevé que'la valeur de —— est plus faible, Il peut être considéré que les LC valeurs faibles de ^ résultent de largeurs plus importantes des gorges et 25 de largeurs plus faibles des crêtes provoquant un amincissement du film de liquide au sommet des crêtes et une diminution de l'épaisseur du film au fond des gorges. Cela est particulièrement apparent en ce qui concerne le coefficient de transfert de chaleur sur le côté vapeur d'eau LC Le terme ^ + 0,03 9 peut être considéré comme l'indice de rendement 30 de transfert de chaleur P. De plus, le coefficient global de transfert de chaleur pour les tubes ondulés peut être représenté en fonction des paramètres géométriques ci-dessus par la formule ; 35 U = 1 245 + 48,3 P - 62,2P2 + 8,34?^ O >55 ORIGINAL .TU 70 24019 4 2065666 dans laquelle P est l'indice de rendement de transfert de chaleur défini ci-dessus et Uq est le coefficient global de transfert de chaleur. Conformément à cette équation, pour l'amélioration selon la présente invention, la valeur de P peut varier entre 0,5 ,et 2,25. 5 De plus, la chute de pressiondoit être maintenue à une va leur raisonnable, de préférence entre 0,183 et 1,373 mètres d'eau pour une vitesse de 1,83 ra/s de l'eau. L'invention est illustrée plus particulièrement par les exemples suivants. 10 EXEMPLE 1 Cet exemple concerne un tube en alliage à base de'cuivre contenant 2,3% de fer et 0,025% de phosphore* le reste étant pratiquement du cuivre. Suivant cet exemple, plusieurs tubes soudés sont formés avec cet alliage à une longueur de 1.067 mm avec un diamètre extérieur de 25,4 mm et une 15 épaisseur de paroi de. 1,2.5 mm. Un certain nombre de ces tubes sont ensuite formés pour obtenir des tubes, ondulés comportant un certain nombre de crêtes intérieures et de gorges sur le pourtour du tube, cette gorge étant formée par au moins deux gorges continues indépendantes hélicoïdales. Les caractéristiques des tubes ondulés sont données par le tableau I annexé. Les 20 tubes ondulés selon l'invention ne présentent d'une façon générale aucune variation du poids par unité de longueur, c'est-à-dire que le tube ondulé ne comporte aucune aire superficielle supérieure.localisée, La partie ondulée du tube a une longueur de 838 mm et le tube comporte, à chaque extrémité une partie lisse d'une longueur de 100 à 125 mm. . 25 Dans le tableau I annexé, le tube A est un tube lisse, c'est-à- dire non ondulé, les tubes B à I des tubes selon l'invention et les tubes J à X des tubes de comparaison. EXEMPLE 2 Le tube lO ainsi que les tubes ondulés sont soumis aux essais de la 30 même façon. Un calorimètre horizontal à tube unique fonctionnant sur la condensation en forme de film de vapeur d'eau à environ 116°C, avec de l'eau courante pour le refroidissement à l'intérieur du tube est utilisé suivant cet exemple. La température de l'eau courante à l'entrée est d'environ 4,44°C. Les caractéristiques de transfert de chaleur et de chute de pression des tubes 35 ont été déterminées dans une plage des vitesses de l'eau. Le tableau II annexé donne les résultats pour une vitesse de l'eau de 1,83 m/s. Le coefficient de transfert de chaleur est déterminé en mesurant le débit massique 70 24019 5 2065666 de l'eau de refroidissement et en mesurant les températures de l'eau de refroidissement à l'entrée et à la sortie pour déterminer le flux thermique. La relation entre ce flux thermique et le coefficient global de transfert de chaleur U0 est déterminée en utilisant l'équation*. Q = U0AA.T d?.ns laquelle Q = flux thermique en kcal/h A = superficie de transfert de chaleur de la surface extérieure du tube T = log de la différence moyenne de température pour le système vapeur d'eau subissant la condensation - eau de refroidissement. Le tableau II donne les résultats. Le transfert de chaleur est exprimé en kcal/h.m^, °C.-~ La chute de pression est mesurée - directement en mètres d'eau en utilisant des manomètres"à l'entrée et à la sortie du calorimètre; De plus, le tableau II annexé donne les valeurs de 4- 0,03 « LG c'est-à-dire de l'incide de rendement de transfert de chaleur P. Les résultats pour le transfert de chaleur sont montrés d'une façon plus expressive par la courbe de la figure unique- Les résultats donnés ci-dessus montrent clairement qu'un tube selon l'invention est caractérisé par un coefficient de transfert de chaleur remarquablement élevé tout en permettant le maintien d'une chute de pression à une valeur raisonnable. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 70 24019 6 2065666 REVENDICATIONS 1 Tube de métal ondulé caractérisé par un certain nombre d'ondulations formant des crêtes et des gorgés dans la paroi du tube, ces gorges étant formées parau moins deux gorges continues indépendantes s'étendant 5 hélicoïdalement sur la paroi du tube, espacées les unes des autres et satisfaisant à la formule LC ™ +0,03 9 =0,5 à 2,25 dans laquelle LC = largeur de crête, LG = largeur de gorge et 0 = angle ^ d'avance des gorges hélicoïdales. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est en alliage à base de cuivre. 3 - Tube selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé ea ce que l'épaisseur de paroi est comprise entre 0,25 et 1,27 mm. 15 4 - Tube selon 1 'une des revendications 1 à 3, caractérisé par un diamètre extérieur compris entre 6,35 et 270 mm. 5 - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chute de pression est comprise entre 0,183 et 1£73 m d'eau pour une vitesse de l'eau de 1,83 m/s. 20 6 - Procédé pour former un échangeur de chaleur .caractérisé par la formation d'un tube métallique ondulé comportant des crêtes et des gorges dans la paroi latérale, ces gorges étant formées parau moins deux gorges continues indépendantes hélicoïdales, étant espacées l'une de l'autre et le tube satisfaisant à la formule +- 0,03 0 = 0,5 à 2,25 dans laquelle LC est LG 25 la largeur de crête, LG la largeur de gorge et 9 l'angle d'avance des gorges hélicoïdales, la fixation des extrémités d'entrée et de sortie du tube ondulé à deux plaques à tubes, le passage d'un premier liquide à travers le 'tube ondulé et l'envoi d'un second fluide en contact avec la surface extérieure du tube ondulé pour l'échange de chaleur avec le premier fluide. 30 7 - Appareil échangeur de chaleur caractérisé par au moins un tube métallique ondulé comportant plusieurs ondulations formant des crêtes et des gorges dans la paroi, ces gorges étant formées par au moins deux gorges indépendantes hélicoïdales espacées l'une de l'autre et satisfaisant à la formule + 0,03 9 = 0,5 à 2,25 dans laquelle LC est la largeur de LG 35 crête, LG la largeur de gorge et 9 l'angle d'avance des gorges hélicoïdales, 70 24019 7 2065666 une première plaque à tubes fixée à l'extrémité d'entrée des tubes ondulés, une seconde plaque à tubes fixée à l'extrémité de la sortie des tubes ondulés} un premier fluide passant à travers les tubes ondulés et un second fluide en contact avec les surfaces extérieures des tubes en relation d'échange thermique avec le premier fluide.