Brevet FR2076034A1 — publié le 19711015

466/4 2076034 Cr. -aintenant qu'il est possible d'augmenter la transmission ■je craleur ^ traverr une paroi métallique à un liquide à faire boui-lir ïî. appliquant ur. à-;râ- poreux ayant des caractéristiques réglées •ie -^terminée .;r la surfâoe de la parci en ccrract avec le 5 liquide. Vue "elle il .^rc.-i* icr. est décrite dans le brevet des Stats-"nis d 'Ar.c2'ique n° 3 5--4 "r-4. Cr. ?ai" éealeraer.* 3 ,;e La présence d'ondulations sur un tube de *.rar,;-rr.is?icnàe chaleur \ paroi mince dans lequel coule un fluide de chauffage, augmente sensiblement la transmission de chaleur à travers 10 le tube. Pour obtenir une transmission de chaleur très efficace à travers ur. tube, il est nécessaire de considérer séparément la surface interne du tube en contact avec le liquide chaud en circulation et la surface externe qui,dans le présent cas,est en contact avec le liquide à faire bouillir. L'examen de ces facteurs a conduit à une 15 modification du tube comme décrit dans le brevet français n° 1 562 93& Selon la présente invention, un tube à paroi mince est ondulé pour permettre une transmission maximale de la chaleur du liquide coulant dans le tube à travers la surface interne de ce dernier, et la surface externe du tube présente ion revêtement poreux mince du précité 20 type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 384 .1 54/pour permettre une transmission maximale de la chaleur à travers la surface externe du tube au liquide en contact avec cette dernière. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite en regard du des-25 sin annexé et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif une forme de réalisation de l'invention. Sur ce dessin : La figure 1 est une élévation représentant un tube ordinaire de transmission de chaleur ; 30 la figure 2 représente le tube de la figure 1 dont la surface externe est recouverte d'un dépôt poreux ; la figure 3 est une vue partielle en perspective, une partie étant en arrachement, d'un tu.be analogue au tube ordinaire de la figure 1,mais présentant des ondulations ; et 35 la figure 4 est une vue partielle en perspective, une partie étant en arrachement, d'un tube ondulé comme celui représenté sur la figure 3, dont la surface externe est recouverte d'un dépôt poreux. BAD ORIGINAL COPY 70 46674 - 2 - 2076034 La_ présente invention concerne un tube métallique modifié de manière, déterminée et son application a un appareillage de transmission de chaleur. Plus spécialement, elle concerne l'ébullition d'un liquide sur la surface externe de tubes comme technique d'absor-5 . tion de la chaleur. Les exemples d'appareillages industriels iar.s lesquels cette technique est utilisée comprennent des réfrigérants à liquide, des rebouilleurs à chaudière, des chaudières à récupération de chaleur, etc... Dans un tel appareillage, la chaleur provient d'un fluide coulant à l'intérieur des tubes, ledit fluide 10 abandonnant sa chaleur sensible ou la chaleur latente de condensation, ou les deux." ' a un La présente invention peut être décrite dans son application/tube ayant en combinaison une paroi conformée et une surface texturée pour former un tube capable d'un rendement supérieur comme tube de trans-15 mission de chaleur. Le tube peut être considéré comme étant un tube ordinaire étiré lisse qui présente à la- fois des ondulations hélicoïdales et dont la surface externe a subi un traitement (par exemple un frittage de métal en poudre) donnant une structure- métallique poreuse. La signification de ce principe sera expliquée par la des-20 cription qui va suivre. Il est souhaitable d'extraire la chaleur d'un fluide en le -faisant_ .passer à l'intérieur d'un ou plusieurs tubes métalliques, la surface externe de ces derniers étant entourée ou mouillée par un liquide en ébullition. 25 La vitesse d'extraction de la chaleur Q dépend de la surface disponible A de transmission de chaleur, de la différence de température effective A I et de la résistance thermique R du système, selon la A AT loi de Pourier : Q = —g—. La résistance du système est une 'fonction complexe de plusieurs 30 facteurs comprenant les suivants : a - les propriétés physiques du fluide à refroidir et-du liquide en ébullition ; b - le diagramme hydrodynamique dans le fluide 7 ; c - le mécanisme d*ébullition et l'hydrodynamique- dans le li- 35 quide en ébullition • et ' " - d - les caractéristiques du tube comprenant l'épaisseur de la paroi, la conductibilité ' theirmique, etc. 70 46674 -3- 2076034 On sait que certains de ces facteurs sont en rapport et qu'il n'est habituellement pas possible de prévoir le comportement d'ébullition global pour un système d'une façon rigoureuse et généralisée sans avoir obtenu certains renseignements par expérience avec ce système 5 ou un modèle de ce dernier.Toutefois, des que l'on a obtenu un "point de repère" par expérience, il est possible d'estimer le comportement du système si certaines des conditions doivent être changées. Etant cfonné que la présente invention a pour objet un tube de meilleure qualité pour des applications d'ébullition, on peut obtenir 10 une constance en choisissant un exemple dans lequel on dispose de certains renseignements expérimentaux et dans lequel les données sont telles que le symbole R pour la résistance peut être amené à ne représenter que la différence de rendement de divers échantillons de tubes. Dans les essais particuliers qui ont été appliqués dans 15 le présent cas, on a choisi les éléments suivants et on les a maintenus constants.: Fluide à refroidir Eau Température du fluide entrant dans 40,7°0 le tube 20 Température du fluide quittant le tube 30,2° C Diamètre interne du tube 23,32 mm Vitesse globale du fluide en circulation 0,69 m/seconde Epaisseur de la paroi du tube 0,5 mm 25 Matière constituant le tube cuivre Liquide en ébullition "Réfrigérant -11" Température d'ébullition 25,1° C Orientation du tube horizontale Avec ces données, on sait que le terme A T de l'équation A. AT 30 Q = -g— est fixe et que la partie du symbole R qui est liée aux facteurs a et b ci-dessus est fixe. Les facteurs c et d peuvent varier en fonction du tube et ainsi le choix du tube peut affecter la valeur de R. Il est difficile pour le constructeur d'un appareillage d'ébul-35 lition de déterminer la quantité de surface A pour effectuer un travail de refroidissement donné Q en disposant d'une force donnée A T d'augmentation de la température. Etant donné que A = est 70 46674 - 4 - 2076034 évidemment avantageux de réduire au. minimum A pour choisir une forme de tube qui conduit à une faible valeur de R. Les unités de A et de R doivent être constantes et,du fait que le diamètre interne du tube est donné, il est logique de choisir la surface 5 interne du tube comme surface de référence. Dans ce cadre, le constructeur doit utiliser la longueur de tube nécessaire pour obtenir la surface exigée. Plus la résistance thermique globale est élevée,plus la surface nécessaire est grande et^par suite,plus la longueur nécessaire est grande. 10 Par des calculs fondés sur les résultats expérimentaux, on a examiné différents échantillons de tubes, comme représenté sur les figures 1,2, 3 et 4, quant à leur effet sur la résistance thermique globale R en opérant dans les conditions indiquées plus haut : 1 - TJn tube ordinaire étiré et lisse. 15 2 - Un tube ordinaire étiré et lisse dont la surface externe est recouverte d'un revêtement métallique poreux. 3 - TJn tube à ondulations hélicoïdales obtenu en ondulant un tube ordinaire étiré lisse. 4 - Un tube à ondulations hélicoïdales dont la surface externe 20 est recouverte d'un revêtement métallique poreux. Le tube représenté sur la figure 1, aux fins des essais comparatifs, étant en cuivre ordinaire à teneur résiduelle en phosphore (DHP) ayant un diamètre externe de 24,13 mm et une épaisseur de paroi de 0,89 mm. 25 Le tube ordinaire présentant le revêtement poreux sur la surface externe, comme représenté sur la figure 2, est le même tube en en cuivre du type DHP ayant un diamètre externe de 24,13 mm et une épaisseur de paroi de 0,89 mm et présentant un revêtement de laiton poreux d'une épaisseur comprise entre 0,127 et 0,43 mm. La surface 30 poreuse est obtenue comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 384 154 précité. Le tube ondulé représenté sur la figure 3 est identique au tube ordinaire de la figure 1 mais avec des ondulât ions. Les ondulations sont à un seul filet avec un écartement de 6,35 mm et une profondeur de 35 0,79 mm. Le diamètre externe du tube mesuré aux sommets des ondulations est de 24,13 mm et l'épaisseur de la paroi est de 0,89 mm. Le tube représenté sur la figure 4, qui est conforme à la présente 70 46674 - 5 - 2076034 invention, est le tuoe ondulé de la figure-3 présentant un revêtement de lai^or. poreux, : 'une épaisseur comprise entre 0,127 et 0,43 mm, le revêtement étant appliqué comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ; 3 384 154 précité. 5 On s effectué de;? estais de transmission de chaleur impliauar.t la transmission de la chaleur d'un liquide chaud passant dans le tube au liquide qui est en contact avec la surface externe de ce dernier et on a calculé la résistance thermique des tubes de différents types représentés sur les figures. 10 On a constaté que la résistance thermique du tube ordinaire représenté sur la figure 1 a une valeur numérique de 0, 001341 représentant I ' i..ve -: L'échantillon de tube 2 représenté sur la figure 2,qui est le tube ordinaire de la figure 1 recouvert de l1enduit poreux sur sa surface externe,s'est avéré avoir une valeur numérique de résistance 20 thermique de 0,003647 ou de 27 % par "rapport à celle du tube ordinaire. L'échantillon du tube représenté sur la figure 3» qui est essentiellement le tube ordinaire de la figuré 1 présentant des ondulations, s'est avéré avoir une résistance thermique dont la valeur numérique 25 est 0,000917 ou 68 fc par- rapport à celle du tube ordinaire. Le tube de la présente invention, qui est essentiellement le tube/âi^îaaiïgure 1 ondulé comme représenté sur la figure 3 et présentant le revêtement poreux sur sa surface externe, présente une cL© résistance à la transmission de chaleur dont la valeur numérique est/ 30 0,0001484 ou de 11 % seulement par rapport à celle du tube ordinaire. En conséquence, le tube ondulé et recouvert-d'un revêtement poreux de la présente invention est d'un rendement très supérieur à celui des tubes de transmission de chaleur spécialement modifiés comme représenté sur les figures 2 et 3, et les meilleurs résultats 35 semblent être dus au fait que la transmission de chaleur globale à travers le tube est influencée séparément par l'action se produisant à la surface interne et à la surface externe du tube. En d'autres BAD ORIQtNAL ? 7,0 46674 - 6 - 2076034 termes, il pourrait arriver que' la surface externe du tube soit modifiée de aanière à produire une transmission de -chaleur à ur: iep-re , . chaleur *"rcs supérieur a l'aptitude qu'a la surface interne à transme^-rre la/ du liquide coulant dans le 'tube au méta-1- compris "dans la' paroi de 5 ce. dernier. Egalement, one modification des surfaces interne et externe du tube pourrait se traduire par une disposition dans laquelle la surface interne du tube a un pouvoir de transmission de chaleur très supérieur à celui de la surface externe pour transmettre la chaleur du métal du tube au liquide ambiant. Ainsi, la présente 10 invention fournit une disposition très efficace. Bien que la forme du tube puisse varier sensiblement par rapport à l'exemple particulier donné, 1-'invention s'applique tout particulièrement à un tube à paroi mince ayant une épaisseur de paroi comprise entre 0,5 et 1,27 mm et dont le diamètre externe, mesuré 15 au sommet des ondulations avant l'application de la matière poreuse, est compris entre 6,35 et 31 ,lo mm. Pour obtenir les meilleurs résultats, l'ondulation doit présenter un écartement axial entre les circonvolutions adjacentes de 3,18 à 9,5 mm et là profondeur de l'ondulation, bienqu'elle dépende, dans une certaine mesure du dia-20 mètre du tube, doit être comprise entre 0,04-et 1,19 mm". De préférence, l'ondulation a la forme d'une hélice à ;un seul filet, bien qu'elle puisse être de forme circulaire ou à plusieurs filets i-élicoïdaux. En tout cas, les circonvolutions doivent s'étendre d'une -façon générale circonfëreritielXement au tube plutôt 25 qu'axialement. Naturellement"1'invention n'est pas limitée à la forme de réalisations décrite et représentée-et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. ÊAD ORIGINAL 70 46674 - 7 - 2076034 REVENDICATIONS 1 - Tube métallique d'échange de chaleur pour transmettre la chaleur d'un liquide coulant dans le tube à un liquide qui est en contact avec la surface externe de ce dernier, tube caractérisé en 5 ce que sa surface interne présente une succession de circonvolutions, orientées d'une façon générale dans le sens de la circonférence et vers l'intérieur, proportionné es pour augmenter la transmission de chaleur du liquide coulant dans le tube à travers la surface interne dans le métal de la paroi du tube et comportant sur sa surface ex-10 terne,un revêtement continu d'un métal poreux capable d'accroître la transmission de chaleur du métal de la paroi du tuhe à travers le revêtement au liquide qui est en contact avec le revêtement métallique poreux. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'agit 15 d'un tube à paroi mince dont l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 1,27 mm. 3 - Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est ondulé et présente des circonvolutions orientées vers l'extérieur et circonférentiellement qui sont en alignement avec les espaces 20 compris entre les circonvolutions orientées vers l'intérieur à l'intérieur du tube. 4 - Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que les circonvolutions sont hélicoïdales. 5 - Tube selon revendication 3» caractérisé en ce que les cir-25 convolutions sont en forme d'hélice à un seul filet. 6 - Tube selon la revendication 2fcaractérisé en ce qu'il présente un diamètre externe compris entre 6,35 et 31,75 mm. 7 - Tube selon la revendication 6,caractérisé en ce que les circonvolutions orientées vers l'intérieur ont une hauteur comprise 30 entre 0,4 et 1,19 mm. 8 - Tube selon la revendication 6,caractérisé en ce que les circonvolutions orientées vers l'intérieur présentent un écartement axial entre les circonvolutions adjacentes qui est compris entre 3,18 et 9,5 mm. 35 9 - Tube selon la revendication 5,caractérisé en ce que les cir convolutions sont de forme hélicoïdale à un seul filet ayant une hauteur comprise entre 0,4 et 1,19 mm. 70 46674 - 8 - 2076034 10 - Tube selon la revendication 9,caractérisé en ce que le pas de l'hélice est compris entre 3,18 et 9,5 mm.