Brevet FR2065497A1 — publié le 19710730

La présente invention concerne un élément échangeur de chaleur ainsi qu'un procédé pour son exploitation. Elle a pour but de réaliser un échangeur de chaleur qui possède de faibles dimensions extérieures en raison des conditions favorables de transmission calorifique et dans lequel les contraintes par cor-5 rosion sont également prises en considération. L'échangeur de chaleur conforme à l'invention est caractérisé en ce que son élément sous pression interne comprend un tuyau flexible à paroi mince et à surfaces interne et externe ondulées ou en forme d'ailettes creuses, lesdites surfaces interne et externe d'échange calorifique du tuyau étant approximati-10 vement de dimensions égales et en ce qu'il est prévu, pour limiter la dilatation du tuyau flexible, des moyens de retenue permettant au tuyau de se dilater longitudinalement sans s'écarter de son axe et de se déformer exclusivement dans sa zone d'élasticité. Un exemple de réalisation de l'objet de l'invention est décrit ci-après en 15 référence au dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement un échangeur de chaleur en coupe longitudinale; - la figure 2 représente en vraie grandeur un détail de l'échangeur de chaleur ; 20 ~ la figure 3 est une vue en coupe transversale le long de la ligne I-I de la figure 1 de l'échangeur de chaleur sans sa bride-couvercle; - la figure 4 est un diagramme montrant la relation entre le coefficient de transmission calorifique K et la vitesse de l'eau autour du tuyau échangeur pour trois tuyaux différents; 25 - la figure 5 représente en coupe longitudinale un échangeur de chaleur avec circulation d'eau hélicoïdale et enveloppe de retenue en matière plastique; - la figure 6 représente en coupe longitudinale une autre forme de réalisation de l'échangeur de chaleur; - la figure 7 représente un troisième échangeur de chaleur en coupe longi-30 tudinale et élévation partielle; - la figure 8 est une coupe transversale de l'élément échangeur de chaleur faite le long de la ligne VIII-VIII de la figure 7. Dans un réservoir 1, sur l'enveloppe 2 duquel sont soudés à une extrémité une bride 3 et à l'autre extrémité un fond bombé 4 avec tubulure de sortie 6 35 et tubulure de vidange 8, se trouve une garniture intérieure chauffante 10. Cette garniture 10, fixée à une bride-couvercle 12, est réunie à la bride 3 au moyen de vis 14. La garniture chauffante 10 comprend un tuyau métallique mince 16 enroulé en hélice à surfaces externe et interne ondulées, par exemple analogue à un tuyau flexible en métal ou à un tuyau élastique, qui est entouré 40 d'un tuyau en matière plastique 18 non fixé. L'une de ses extrémités est fixée 70 37356 2 2065497 à un piètement d'entrée d'eau chaude 20 et son autre extrémité à un piètement de sortie d'eau chaude 22. Le tuyau est muni d'un piètement 24 destiné à l'admission d'un deuxième fluide d'échange calorifique et auquel le tuyau en matière plastique 18 est 5 fixé au moyen d'un manchon 26. Une enveloppe de retenue 30, par exemple tubu-laire, et des étriers de blocage 32 ont pour mission de limiter la faculté de dilatation du tuyau métallique enroulé 16. L'enveloppe de retenue 30 est de préférence subdivisée et maintenue assemblée au moyen de vis 34, qui sont uniformément réparties le long de l'enveloppe 30 et appliquent ainsi celle-ci sur 10 les spires 31 du tuyau. L'enveloppe 30 est,d'autre part, vissée à sa périphérie par des pattes 36 soudées à la bride 3. L'une des extrémités 23 du tuyau en matière plastique 18 repose en outre sur une tôle d'appui 38 (figure 3). L'échangeur de chaleur sus-décrit, dont la garniture intérieure chauffante 10 à grande efficacité est constituée par un tuyau métallique enroulé à la ma-15 nière d'un tuyau élastique ou d'un flexible métallique, sert non seulement à l'échange calorifique indirect entre deux fluides en circuits fermés, mais aussi à la production d'eau chaude de consommation, le côté d'utilisation débouchant dans un accumulateur. Les surfaces d'échange des tuyaux ou flexibles sont pratiquement égales intérieurement et extérieurement, en raison de leur 20 faible épaisseur de paroi. De tels tuyaux minces en métal, de préférence allié, munis à l'intérieur et à l'extérieur d'ondulations ou d'ailettes creuses, sont utilisés pour des compensateurs et, avec une tresse métallique, pour des conduites flexibles sous pression interne; la tresse métallique a alors pour mission d'empêcher le tuyau métallique mince de se dilater et de subir de ce 25 fait une contrainte exagérée. En l'absence de tresse métallique, un tuyau de ce type possédant un diamètre raisonnable ne peut supporter en service qu'une pression de quelques dixième d'atmosphère sans déformation longitudinale; un tuyau métallique équipé d'une tresse serrée est d'autre part sans efficacité en tant qu'élément 30 échangeur de chaleur. Ce tuyau métallique doit par conséquent être enroulé en hélice à la manière sus-décrite avec un pas aussi faible que possible et disposé dans un limiteur de dilatation formé d'une enveloppe de retenue qui enserre fortement les diverses spires. Il est possible ainsi de limiter l'allongement et d'éviter tout glissement latéral, c'est-à-dire tout écartement du 35 tuyau de son axe longitudinal (pas à auto-blocage). Une déformation du tuyau ou du flexible a lieu par conséquent exclusivement dans la zone d'élasticité. Il a été constaté au cours d'expériences qu'au démarrage et à l'arrêt de la pompe d'eau chaude, ou lors de l'ouverture et de la fermeture des robinéts de prélèvement, il se produit des chocs de pression déplaçant certaines ondu-40 lations du tuyau métallique mince. Il peut donc arriver que le frottement 70 37356 3 2065497 mutuel entre l'enveloppe 30 et la crête radiale extérieure du tuyau métallique 16 entraîne à la longue une détérioration du tuyau métallique mince. Il peut également se former une jonction d'élément entre les deux matériaux. Il est prévu pour cette raison, sur la surface interne tournée vers le tuyau métallique de l'enveloppe de retenue, une couche de matière plastique, ou encore, comme le 5 montre le dessin, un tuyau en matière plastique 18, qui est intercalé entre le tuyau métallique et l'enveloppe de retenue, et sert en même temps à la circulation du fluide devant être chauffé, mais sans gêner la circulation du fluide sur la face externe du tuyau ou flexible métallique 16.' Les chocs de pression précités assurent néanmoins également un auto-nettoya-10 ge, du fait que les dépôts calcaires et les impuretés sont détachés par les mouvements et entraînés par le fluide en circulation. Etant donné que le tuyau 18 n'est soumis à aucune contrainte de pression de la part des fluides en circulation, le réchauffage d'un tuyau en matière plastique peut être poussé sans dommage jusqu'au voisinage du point de ramollisse-15 ment de la matière plastique. Le diagramme de la figure 4 reproduit l'allure du'coefficient de transmission 2 calorifique K en kcal/m /h/°C en fonction de la vitesse autour dlin tuyau, pour une vitesse constante de l'eau dans le tuyau. La courbe £ est valable pour un tuyau ondulé intérieurement et extérieure-20 ment à l'état allongé et possédant les dimensions suivantes : D = 31a5mm, 2 a • = 25 mm, £ = 0,15 mm, F = 0,26 m . Matériau du tuyau : acier chrome-nickel-molybdène (18/8/2,5). La courbe b est valable pour un tuyau rectiligne à ailettes pleines possédant les dimensions suivantes : D — 31,5 mm, D. = 22 mm, plus petit diamètre 3 1 2 25 extérieur au pied des ailettes = 24,5 mm, s_ = 1,25 snms F = 0,27 m . Matériau du tuyau : cuivre-nickel-10-fer. La courbe c est valable pour un tuyau usuel de dimensions suivantes : 2 D = 26,9 mm, D. - 21,6 mm, s = 2,65 mm, F = 0,26m . Matériau du tuyau:acier or- S 1 dinaire (St 35). 30 La signification des symboles ci-dessus est la suivante : D = diamètre extérieur a IL = diamètre intérieur (diamètre de passage libre) £ = épaisseur de paroi F = surface d'échange calorifique. 35 En abscisses est portée la vitesse de l'eau autour du tuyau, pour une vi tesse constante de l'eau dans le tuyau, savoir 1,12 m/sec. La différence de température A t de l'eau autour et dans le tuyau est ën moyenne de 35°C, soit: pour l'eau chaude : à l'entrée tg = 90° C à la sortie t^' = 55° C 40 pour l'eau de consommation : à l'entrée 70 37356 4 2065497 La figure 5 montre un réservoir 50, dans lequel se trouve une garniture chauffante 55. Celle-ci comprend comme éléments de construction essentiels un tuyau métallique mince 58 transmettant la chaleur, un tuyau hélicoïdal à ailettes 60 en matière plastique, une bride 62 en matière plastique, un 5 tuyau en matière plastique 64 fretté sur le tuyau hélicoïdal à ailettes 60, ainsi qu'une bride de fixation 66, munie des piètements nécessaires 68, 70 pour le raccordement de l'eau de chauffage et 72,74 pour le raccordement de l'eau de consommation. Avec le tuyau à ailettes 60, le tuyau fretté en matière plastique 64 dé-10 limite un canal hélicoïdal 65 pour la circulation du fluide devant être chauffé. Le tuyau en matière plastique 64 a simultanément pour mission de retenir vers l'extérieur et les côtés le tuyau flexible de chauffage 58 se trouvant dans le canal 65. Le tuyau en matière plastique 64 et le tuyau à ailettes 60 constituent un limiteur de dilatation, qui empêche le tuyau flexible de chauf-15 fage de s'écarter latéralement de sa ligne hélicoïdale et n'autorise sa déformation que dans sa zone d'élasticité. La garniture chauffante 80 représentée à la figure 6 se compose d'une bride de fixation 82, de piètements 84, 86 pour l'eau de consommation, d'un tuyau métallique élastique 88 transmettant la chaleur et d'un ressort hélico-20 ïdal en acier 90, par exemple de section circulaire, revêtu de matière plastique. Le ressort hélicoïdal 90 est destiné à retenir le tuyau métallique élastique 88, soumis à une pression interne et de ce fait radialement instable. Pour éviter le frottement métal sur métal sous lfeffet des charges de pression alternées, le ressort hélicoïdal 90 est revêtu de matière plastique, 25 par exemple d'une gaine en matière plastique 92, qui interdit également toute formation éventuelle d'éléments électro-chimiques. Les figures 7 et 8 représentent en coupe et élévation partielle un échangeur de chaleur 100 avec des chambres d'eau 102 et 104, qui comprend des parois externes 106, 108, 110, 112, 114 et un tuyau métallique élastique d'échan-30 ge calorifique 116. Le tuyau métallique élastique à paroi mince 116 est raccordé aux chambres d'eau 102 et 104 au moyen de deux embouts soudés 118. Le fluide chauffant est contenu dans la ,chambre 119. Pour exclure radicalement tout risque de fléchissement latéral du tuyau métallique mince 116 en surpression, il est prévu un élément en forme d'étoile 120 introduit dans chaque tuyau 116. 35 Sur les tranches de l'élément 120 est fixé un profilé en U 122 de caoutchouc ou matière plastique pour éviter tout contact métallique avec le tuyau 116. Les limiteurs de dilatation constitués par les tuyaux 60, 64, le ressort 90, les éléments profilés 120 ou similaires, permettent d'utiliser des tuyaux flexibles à paroi mince sous les pressions internes existant couramment dans 40 des échangeurs de chaleur, en particulier pour la production d'eau chaude de consommation. 70 37356 5 2065497 REVENDICATIONS I.- Echangeur de chaleur, caractérisé en ce que son élément est sous pression interne et comprend un tuyau flexible (16" à paroi mince et à surfaces interne et externe ondulées ou en forme d'ailettes creuses, lesdites surfaces 5 interne et externe d'échange calorifique du tuyau étant approximativement de dimensions égales et en ce qu'il est prévu, pour limiter la dilatation du tuyau flexible (16), des moyens de retenue (30,32) permettant au tuyau de se dilater longitudinalement sans s'écarter de son axe et de se déformer exclusivement dans sa zone d'élasticité. 10 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tuyau est un tuyau élastique ou un flexible métallique (16) enroulé en hélice avec un pas d'auto-blocage. 3.- Echangeur de chaleur suivant la revendication! ou 2, caractérisé en ce que le tuyau ou flexible (16) est muni d'une protection, par exemple d'un 15 tuyauen matière plastique (18), qui ne gêne pas la libre circulation du fluide sur la face externe du tuyau ou flexible (16). 4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de retenue comportent une enveloppe (30) et une couche, par exemple de matière plastique, pour la protection du tuyau (16). 20 5.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ondulation ou ailette creuse du tuyau flexible (16) est soutenue extérieurement . 6.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ondulation ou ailette creuse n'est soutenue que sur une partie de sa 25 périphérie. 7.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens limitant la dilatation sont en matière plastique ou métalliques. 8.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens limitant la dilatation comprennent un tuyau (64) et un tuyau en hé- 30 lice ou à ailettes (60) . 9.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le tuyau en hélice (60 est fixé dans le tuyau (64), par exemple par frettage. 10.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens limitant la dilatation comprennent un ressort hélicoïdal (90), de 35 préférence enduit de matière plastique et disposé à l'intérieur du tuyau métallique élastique (88). II.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément comporte un tuyau élastique allongé (116), à l'intérieur duquel est logé un limiteur de dilatation (120), par exemple de section en étoile, de 40 préférence soutenu en plusieurs points sur la paroi du tuyau. 70 37356 6 2065497 12.- Echangeur de chaleur suivant la revendication/ll, caractérisé en ce que les surfaces de portée du limiteur de dilatation sur le tuyau sont revêtues de matière plastique (122). 13.- Procédé pour l'exploitation d'un échangeur de chaleur suivant la re-5 vendication 1, qui consiste à imprimer des mouvements au tuyau flexible par des chocs de pression d'eau dans le système, de façon que le tuyau flexible se débarrasse automatiquement des dépôts. 14.- Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les chocs de pression sont assurés par le refoulement de l'eau, par exemple au moyen 10 d'une pompe.