Brevet FR2060383A1 — publié le 19710618

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur comportant une enveloppe extérieure dans laquelle est disposé un conduit qui est entouré d'une série de couches coaxiales de tubes enroulés en hélice . Ces tubes sont reliés en parallèle les uns aux autres et en série avec le conduit qui est traversé pour l'un des deux fluides de l'échangeur de chaleur , l'autre fluide s'écoulant en contact d'échange thermique avec les parois extérieure des tubes à travers l'espace qui est ménagé entre l'enveloppe et le conduit . L'invention a principalement pour but de fournir un échangeur de chaleur du type indiqué ci-dessus et dont la conception est telle que les tubes en hélice possèdent une rigidité mécanique telle qu'ils sont protégés contre les vibrations . Il est ainsi possible de choisir arbitrairement la longueur axiale de 1'échangeur de chaleur sans se soucier des risques de vibration des tubes, vibrations pouvant entraîner des fuites ou éventuellement, une panne complète . L'invention a également pour but de fournir un échangeur de chaleur conçu de telle manière que l'avantage énoncé ci-dessus est combiné avec la possibilité d'un démontage facile et rapide de l'appareil pour le retrait axial de l'enveloppe afin d'inspecter ou de nettoyer les parties intérieures .Cette possibilité est très importante dans des échangeurs de chaleur fonctionnant comme appareils de préchauffage d'huile . L'invention a encore pour but de fournir un échangeur de chaleur dont les dimensions totales sont faibles compte tenu de sa capacité .Une telle conception compacte a non seulement son importance lorsque l'appareil est utilisé à des endroits où l'espace disponible est limité, mais surtout réduit considérablement le coût de la fabrication . Cet aspect de l'invention s'est avéré d'une importance particulière en ce qui concerne les appareils d'alimentation en eau chaude . L'échangeur de chaleur suivant l'invention est caractérisé en ce que la couche intérieure des tubes en hélice est enroulée directement autour du conduit central alors que les autres couches situées à des distances radiales progressivement croissantes à partir de l'axe du conduit, sont enroulées en contact direct les unes avec les autres et avec des pas d'enroulement différents , de sorte que les tubes se soutiennent mutuellement aux points d'intersection . 2 . 70 32027 " 2060383 Suivant une autre caractéristique, le conduit et les tubes forment un ensemble unitaire qui n'est relié à l'enveloppe qu'à l'une de ses extrémités . Il en résulte la possibilité de démontage facile déjà mentionnée ci-dessus . 5 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur du type défini ci-dessus . Ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler autour du conduit une première couche de tubes en contact direct avec le conduit et à enrouler ensuite successivement d'autres couches de telle ^0 manière que le pas de l'hélice de chaque couche soit différent de celui d'une quelconque des couches en contact, l'ensemble formé par le conduit et les tubes n'étant connecté à l'enveloppe qu'à une extrémité de l'appareil . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa-raîtront au cours de la description qui va suivre . Alix dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples . la Pig.l est une vue en élévation et en coupe partielle d'un échangeur de chaleur suivant 1'invention et la Fig.2 montre, à plus grande échelle, et en coupe une par-20 tie de l'appareil de la Fig.l . Sur la Pig.l, on voit qu'une enveloppe 1 d'un échangeur de chaleur entoure un conduit 2. Ce dernier est entouré à son tour par quatre tubes 3,4,5 et 6 . Comme il apparaît le plus clairement sur la Fig.2, les tubes 3 et 4 sont enroulés dans un sens , 25 alors que les tubes 5 et 6 sont enroulés en sens contraire et situés radialement à l'intérieur des tubes 3 et 4 .Ainsi, des passages libres sont ménagés entre les tubes 3 et 4 et les tubes 5 et 6 . Ces passages sont délimités du côté intérieur par le conduit central et de l'autre côté par l'enveloppe . Suivant 30 l'invention cette dernière sert de conduite d'alimentation de l'un des fluides de 1'échangeur de chaleur ,1a direction de l'écoulement de ce fluide étant indiquée par des flèches noires . A partir d'un raccord d'entrée 7 ce fluide s'écoule vers le haut à travers le conduit 2 , arrive au distributeur 8 formé par un 35 disque circulaire 9 traversé, d'une part par les tubes 3 à 6 et d'autre part par le conduit 2, et par un couvercle 10 en forme de dôme . A partir du distributeur 8, le fluide s'écoule vers le bas dans les tubes qui sont tous connectés en parallèle . A sa partie inférieure, 1'échangeur de chaleur comprend un distri-40 buteur correspondant 11 délimité par une plaque de fond 12 et un 3 70 32027 2060383 dôme 13 .Le fluide quitte 1'échangeur à travers un raccord de sortie 14 . L'autre fluide s'écoule le long des parcours indiqués par les flèches blanches et arrive à travers un raccord d'entrée 15. ^ A partir de là, le fluide s'écoule à travers des espaces entre d'une part, l'enveloppe et les tubes , et d'autre part entre les tubes et le conduit . Il quitte l'échangeur de chaleur à travers un raccord de sortie 16 connecté au sommet de l'enveloppe l.Des flèches ont également été utilisées pour indiquer comment les filets de ce fluide s'écoulent hélicoîdalement du fond vers le haut . On comprend que ces flèches n'indiquent que les parcours d'écoulement théorique et que les résultats pratiques ait un mouvement général axial sur lequel est superposé un écoulement turbulent. De cette manière, le transfert de chaleur est très ^ efficace en égard à la dimension totale de 1'échangeur de chaleur grâce à l'agencement des tubes dont la couche intérieure est en contact direct avec le conduit central et dont les couches extérieures sont en contact les unes avec les autres ,1'échangeur est très compact et sa capacité est bien plus élevée que celle 2q des dispositifs de l'art antérieur . Des essais pratiques ont démontrés que 1'amélioration est d'environ 20 à 25$ .Outre la possibilité déjà mentionnée de pouvoir inspecter et nettoyer facilement l'intérieur de 1'échangeur, l'agencement d^tubes par rapport au tube central est également avantageux en ce que 2^ l'ensemble comportant ces parties, peut être soumis à la dilatation thermique sans être déformé ou provoquer les déformations d'autres parties de l'appareil .Autrement dit , cet avantage se traduit par le fait que l'on peut éliminer la compensation des variations de dimensions dues à la température . Au cours de la mise en oeuvre du procédé de l'invention, un processus simple consiste à monter le conduit central dans un tour classique . Ce conduit doit alors être solidaire d'un disque formant l'une des parois du distributeur 8 qui communique a vec le conduit et les tubes . Le ou les tubes , respectivement, de la couche "intérieure sont alors connectés à ce disque, par soudage par exemple,, après quoi on met le tour en marche pour faire tourner le conduit .A l'aide de moyens de guidage simples, il est alors possible d'enrouler les tubes autour du conduit et de choisir le pas convenable . Les tubes de la couche sui-vante sont alors connectés de la même façon et enroulés avec 70 32027 2060383 un autre pas .Suivant le mode de réalisation représenté, les y . " tuyaux des deux couches sont enroulés dans des sens opposés . On obtient cela facilement en inversant le sens de rotation du tour.Toutefois comme on le comprend d'après la description ci-5 dessus, il n'est pas nécessaire que les couches alternatives soient enroulées dans des sens opposés puisque la condition générale de l'invention consiste en ce que les tubes soient agencés de manière à former des points d'intersection conférant un support mécanique aux hélices . 10 Dans le cadre de l'invention, il est possible de modifier l'agencement des tubes de diverses façons . On a déjà indiqué que chaque couche peut comprendre un ou plusieurs tubes . Il est également possible d'utiliser des tubes de sections différentes, c'est-à-dire un tube relativement mince près du conduit et des 15 tubes de diamètres successifs croissants pour les couches extérieures . 70 32027 2060383 REVENDICATIONS 1-Echangeur de chaleur comprenant une enveloppe dans laquelle est d£spç>.sé un conduit central entouré par plusieurs tubes en - roulés en hélice et agencés suivant des couches coaxiales, des 5 tubes étant reliés en parallèle et en série avec le conduit en formant un parcours d'écoulement pour un premier fluide de l'échangeur , l'autre fluide s'écoulant à travers l'espace compris entre l'enveloppe et le conduit et étant en contact d'échange thermique avec les parois extérieures des tubes, caractérisé en 10 ce que la couche intérieure de tubes est enroulée directement sur le conduit, les autres couches étant en contact direct les unes avec les autres , le pas de l'hélice d'une couche quelconque étant différent de celui des hélices des couches adjacentes, de sorte que les tubes se soutiennent à leurs points d'intersection 15 le conduit et les tubes formant un ensemble qui n'est connecté à 1'enveloppe que par une extrémité . 2-Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que les hélices comprennent des tubes de différents diamètres . 20 3-Procédé de fabrication d'un échargeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant au moins un conduit et plusieurs tubes enroulés suivant des couches coa-xiales autour du tube, l'un des fluides de l'échangeur de chaleur passant à travers le conduit et les tubes alors que l'autre fluide 25 s'écoule dans l'espace délimité entre le conduit et l'enveloppe caractérisé en ce qu'il consiste à monter un conduit à rotation autour de son axe longitudinal , à relier des tubes à un élément fixé au conduit , à faire tourner le conduit, à guider les tubes de telle sorte qu'ils soient enroulés autour du conduit le pas 30 d'une quelconque des couches de tubes étant différent de celui des couches adjacentes , et à ne connecter l'ensemble ainsi formé à 1'enveloppe qu'à une extrémité .