Brevet FR2058216A1 — publié le 19710528

La présente invention concerne un échangeur de chaleur composé de tuyaux munis d'ailettes circulaires, contre lequel est dirigé, perpendiculairement à la longueur des tuyaux, Un courant de fluide échangeur de chaleur. I1 est connu que, comparativement à un tuyau ayant Une paroi extérieure lisse, un tuyau à ailettes présente une surface notablement plus grande et est donc en mesure de transmettre une quantité de chaleur bien plus élevée. Four évaluer l'efficacité des ailettes, il faut principalement tenir compte du rendement X r des ailettes, qui aurait la valeurthéorique de 1 Si la température à la surface de toute l'ailette était égale à la température de la surface du tuyau non muni d'ailettes, donc du tuyau à paroi extérieure lisse. La température à la surface d'une telle ailette diminue naturellement plus ou moins, en raison de la résistance à la conduction thermique de la matière qui compose l'ailette, entre sa partie centrale et son extrémité, suivant les conditions thermiques dans lesquelles s'effectue l'échange de chaleur et suivant les dimensions géométriques, de sorte que le rendement des ailettes atteint seulement des valeurs qui sont nettement au-dessous de 1. Comme cela est illustré à la Fig. 1 des dessins annexés, représentant une section transversale d'une ailette et, au-dessous, le gradiant de température pour un tuyau à ailettes cédant de la chaleur, la température descend de la valseur 4 à å la base de l'ailette jusqu'à la valeur à son wa extrémité, de sorte guton obtient qne température moyenne 2 r dans le sens de la hauteur h de l'ailette.Lorsqu'on tient compte de la température ta2 du fluide échangeur environnant, on obtient la formule suivante pour le rendement des ailettes : Les recherches effectuées sur de telles conditions d'échange thermique démontrent en outre que le coefficient de conductibilité calorifique local à la surface des ailettes n'est nullement constant, mais varie au contraire très iortement et de façon symétrique par rapport au plan d'écoulement principal passant par le milieu du tuyau. Le coefficient de conductibilité calorifique local est notamment bien plus grand du côté de l'arrivée du fluide échangeur que du côté sortie de celui-ci, se trouvant à l'abri du courant, de sorte que le rendement des. ailettes diminue en. conséquence0 Le but de l'invention est de maintenir la vitesse du fluide aussi uniforme que possible dans les intervalles entre les ailettes d'échangeurs de chaleur à tuyaux du type décrit dans lesquels un fluide échangeur de chaleur.oir- cule entre les ailettes des tuyaux, et d'optimaliser ainsi les conditions de transfert thermique, donc également le rendement des ailettes. En effet, la vitesse d'écoulement sur la surface des ailettes n'est nullement constante. Par exemple, elle diminue entre la base de l'ailette et son extrémité, dana le plan passant par le milieu du tube et perpe.ndiculaire au sens de l'écoulement principal.La couche limite, déterminante pour le coefficient de conductibilité calorifique, est en oUtre plus grande à la base de l'ailette gu'à son extrémité, Ces constatations. s'appliquent aussi bien aux tuyaux individuels qu'aux tuyaux à ailettes juxtaposés et orientés perpendiculairement au sens de l'écoulement principal, devant oU derrière lesquels d'autres rangées de tuyaux peuvent titre montées. soit de manière alignée soit avec décalage, Conformément à l'invention, les parties de la périphérie des ailettes circulaires, gui sont situées de part et d'autre du tuyau de base - par rapport aux sens d'écoulement du fluide échangeur de chaleur, formant une ligne droite des deux côtés du tuyau de base -.ssont entourées par des surfaces de gUi- dage de l'écoulement qui s'étendent parallèlement à l'axe lon gitudinal du tuyau, qui suivent le contour des ailettes et qui sont prévues sur un déflecteur monté coaxialement par rapport à l'axe longitudinal du tuyau. Le fluide échangeur, de préférence un fluide de travail gazeux, passant à travers les ailettes, est donc forcé de balayer celles-ci de façon optimale. Selon une autre particularitéde l'invention, les faces du- déflecteur dirigées -vers le côté de l'arrivée du fluide échangeur forment une buse d'entrée qui se rétrécit dans le sens de l'écoulement, gui augmente la vitesse- d'entrée, est disposée symétriquement au plan dtécoulement médian et s'étend parallèlement à l'axe longitudinal du tuyau. Selon encore une autre particularité de ltinvention, le déflecteur est suivi, dans le sens de l'écoulement, par un diffuseur s'étendant parallèles ment à l'axe longitudinal du tuyau, disposé lui aussi symétriquement par rapport au plan d'écoulement médian et transformant la vitesse accrue dans la zone des ailettes en pression statique, de sorte que la résistance globale, par exemple, d'une rangée de tuyaux à ailettes, est notablement réduite. Conformément à l'invention, le recouvrement ou l'entourage latéral des ailettes en forme de disques doit être agencé de telle manière que la largeur de la section d'écoulement à l'entrée et à la sortie du fluide, dans le plan de l'ailette, soit à peu près le double de la hauteur de l'ailette. En effet, la vitesse dU fluide doit être maintenue aussi uniforme que possible dans les intervalles entre les ailettes.Cette condition peut entre remplie dans une très large mesure lorsque la vitesse du fluide est identique à l'entrée de la zone comportant les ailettes, dans le plan passant par l'axe du tuyau et perpendiculaire aU sens principal de l'écoulement et, enfin, à la sortie du fluide de la zone comportant les ailettes, donc lorsque la vitesse est identique en trois points caractéristiques de la trajectoire d'écoulement. Ce résultat peut être obtenu avec une grande précision lorsque -l'épais- seur des ailettes peut être négligée par rapport à la section d'écoulement, comme cela est le cas lorsque les ailettes sont minces.Lorsque l'épaisseur des ailettes ne peut pas titre négligée par rapport à la section d'écoulement, il y a lieu d'augmenter la section d'entrée ou de sortie en conséquence0 Dans le cas oW l'ailette cède la chaleur au fluide, le volume du fluide passant entre les ailettes est bien entendu plus grand à la sortie de la zone comportant les ailettes qu'à l'entrée de cette zone9 conformément au rapport des températures absolues ; les conditions sont inverses lorsque l'ailette absorbe de la chaleur du fluide0 I1 est facile de tenir compte de cette influence produite par l'échauffement ou le refroidissement prévu du fluide échangeur en ce qui concerne la correction du rapport entre la section de sortie et la section d'entrée, mais cette influence est si faible, dans la plupart des cas, qu'il y a seulement lieu d'en tenir compte dans des cas particuliers. Ce qU est au contraire d'une importance capitale, c'est la combinaison des déflecteurs en vue de l'obten- tion d'une vitesse d'écoulement constante du fluide de travail entre les surfaces des ailettes, ainsi qu'une conformation appropriée, destinée à réduire les pertes de pression. L'échangeur selon l'invention comprend à cet effet des buses du côté de l'entrée du fluide et, en principe, des diffuseurs montés à la sortie de la dernière rangée de tuyaux.Ces deux éléments combinés avec les déflecteurs assurent que la résistance à l'écoulement n'augmente pas ou n'augmente que dans une mesure insignifiante, tandis que le rendement des ailettes est amélioré de façon considérable, de sorte que la quantité de chaleur échangée peut ttre accrue~de de 20 à 40 %, comme l'ont démontré les recherches effectuées usqu'à présent0 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clàirement de la description gui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, ainsi que des dessins annexés dans lesquels :: - la fig. 1 est une vue en coupe tran- versale d'une ailette circulaire et d'un graphique représentant sa température - la fig. 2 est une vue en coupe transversale partielle d'un tuyau à ailettes - la fig. 5 est une coupe longitudinale suivant la ligne A-B-C-D de la figure 2 - la fig. 4 est une coupe transversale de trois tuyaux à ailettes et de deux autres rangées de tuyaux qui sont montés en alignement avec les premiers - la fig. 5 est Une coupe transversale de deux rangées de tuyaux décalées l'une par rapport à l'autre ; - la fig. 6 est une coupe transversale de deux rangées de tuyaux décalées l'une par rapport à l'autre, mais comportant des déflecteurs d'une autre conformation ;; - la fig. 7 est une coupe longitudinale suivant la ligne B-P-G-E de la figure 6 - la figo 8 est une coupe transversale de trois rangées de tuyaux alignés les uns par rapport aux- autres suivant des axes faisant Un angle avec le sens de l'écoulement. La figure 1 représente un tuyau de base I muni d'une ailettè circulaire 2 dont l'épaisseur est désignée par a et dont la hauteur,~allant de la base jusqu'd l'extrémi- té de l'ailette, est désignée par h. Au-dessus de l'ailette est représentée la variation de tempdratZe ; la température est à à la base de l'ailette et descend jusqu'à la température #h à son extrémité, de sorte que la température moyenne de l'ailette dans l'étendue de sa hauteur h correspond à. 4 Si l'on désigne la température du fluide échangeur de chaleur environnant par par a2, on obtient, pour le rendement de l'ailette, la formule suivante : La figure 2 représente également un tuyau de base 1 portant une ailette 2 dont la périphérie est désignée par 3.Une partie de la périphérie de l'ailette circulaire 2 est entourée par un déflecteur 4, 42 qui est monté coaxialement à l'axe longitudinal du tuyau passant par le point B, et dont les surfaces de guidage 5,5' suivent le contour de ailette sur une distance telle que la largeur bl de la section d'écoulement à l'entrée est identique à la largeur b2 de la section d'écoulement à la sortie du fluide échangeur, et deux fois plus grande que la hauteur h de l'ailette On a donc la formule : b1 = b2 > 2 h Une buse d'entrée 7 est montée devant le déflecteur 4,4', du côté de l'entrée 6 du fluide échangeur de chaleur, et cette buse augmente la vitesse d'entrée du fluide en raison du rétrécissement de sa section.Un diffuseur 9 est monté à la suite du déflecteur 4,4', de l'autre côté de l'ailette 2, c'est-à-dire du côté de la sortie 8 du fluide. Ce diffuseur transforme la vitesse accrue en une pression statique et diminue la résistance globale d'une rangée de tuyaux à ailettes. Les déflecteurs 4 et 4' peuvent être réalisés en une pièce ou en des pièces séparées et il est également possible de les réunir à la buse d'entrée 7 ainsi qu'aux diffuseurs 9. La figure 4 représente un échangeur de chaleur comprenant trois rangées juxtaposées de tuyaux à ailettes qui sont traversées dans le même sens, de bas en haut, par le fluide échangeur de chaleur. Chaque tuyau est aligné, dans le sens de l'écoulement, avec deux autres tuyaux. Les tuyaux sont désignés par 1, et les ailettes circulaires par 2. Les buses d'entrée sont formées par des éléments 10 se terminant en pointe ou, si on le désire, par des éléments arrondis 11, et forment en mdme temps par leurs faces 12 et 13 un déflecteur qui recouvre ou entoure une partie de la périphérie 3 des ailettes circulaires 2. D'antres deflecteurs 15 sont montés entre de rangées de tuyaux à ailettes disposées transversalement au de l'écoulement. Les faces 16, 17 en forme d'arc de cercle ~. ces déflecteurs entourent la périphérie 3 des ailettes 2 et et guident l'écoulement fluide, comme représenté par les fle pour la ran-gée gauches et assurent un balayage intense des faces des ailettes, ce qu-i se traduit par un rendement plus ele- vé de celles-ei. Des diffuseurs 19 sont prévus aux sorties comme dans l'exemple précédent. La variante de réalisation représentée figure 5, dans laquelle les ailettes de deux rangées de tubo sont décalées les unes par rapport aux autres, présente l'avant tage que les filets de fluide, balayant dans la première ran- gée de tuyaux la base des-ailettes, balaient ensuite les parties extrêmes des ailettes de la seconde rangée de tuyaux, ce qui se traduit par une nouvelle augmentation da rendement de, ailettes.Dans cet exemple de réalisation, les déflecteurs 2C montés entre deux rangées de tuyaux forment-chaque fois une pièce avec les buses d'entrée 21 et les.diffuseurs 22 pour l'ar- rivée et la sortie, chaque sortie de ces déflecteurs étant sur divisé symétriquement en deux courants 23 et 24 dirigés vers les ailettes disposées à la suite, dans le sens de l'écoulemen La figure 6 représente également une disposition décalée des tuyaux à ailettes de deux rangées de tuyaux, dans laquelle le fluide de travail balaie également en altier nance les surfaces de la base' des ailettes et de l'extrémité da celles--ci. les déflecteurs 25 et 26, montés entre deux rangés de tuyaux' à ailettes disposées transversalement au sens de lisse coulement, ont la même conformation, mais sont chaque fois ic versés, et répartissent chaque courant quittant Une ailette circulaire de manière symétrique sur deux ailettes suivantes les filets de fluide balayant les extrémités des ailettes diane rangée-de tuyaux passent ensuite près des bases des ailettes de la rangée de tuyaux suivante et assurent donc également Un balayage intense des surfaces des ailettes, ainsi qu'un rendement élevé de ces dernières. Les buses d'entrée sont désignées par 27, les diffuseurs par 28, l'entrée par 29 et la sortie par 30, La variante représentée- à la figure 8 com- prend deux rangées parallèles de tuyaux à ailettes disposées perpendiculairement au sens de l'écoulement da fluide dchan- geur de chaleur, mais formant un angle d'environ 450 par rapport à la transversale. Les déflecteurs de cet exemple ont une conformation particulière. Les tuyaux de base sont désignés, là encore, par 1 et les ailettes circulaires tar 2.Les déflecteurs 31 sont adaptés à cette disposition des rangées de tuyaux et forment des buses d'entrée 33 du cssté de Itentrée 32 du fluide échangeas, de mbme que des diffuseurs 35 du c6té de la sortie 34, afin que soit satisfaite l'exigence d'une vitesse aussi élevée et uniforme que possible du fluide échangeur dans la zone située entre les ailettes. Selon encore une autre particularité l'é- cartement oU pas des tuyaux dans le sens perpendiculaire à l'é- coulement est à peu près égal ou légèrement supérieur au diamètre extérieur des ailettes, lorsque plusieurs rangées de tuyaux sont disposées dans le sens de l'écoulement, le pas des tuyaux perpendiculairement à ce sens pouvant entre plus grand, afin de maintenir les portes dynamiques aussi faibles que possible par une conformation aérodynamique avantageuse des déflecteurs0 R E V B N D I C A A T IONS le Echangeur de chaleur composé de tuyaux munis d'ailettes circulaires, contre lequel est dirigé, perpen diculairement à la longueur des tuyaux, un courant de fluide échangeur de chaleur, caractérisé en ce que les parties de la périphérie des ailettes circulaires qui sont situées de part et d'autre du tuyau de base - par rapport aux sens d'écoulement du fluide échangeur de chaleur formant une ligne droite des deux cotés du tuyau de base - sont entourées par des surfaces de guidage de l'écoulement qui s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal du tuyau, qui suivent le contour des ailettes et gui sont prévues sur un déflecteur monté coaxialement par rapport à l'axe longitudinal du tuyau. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 > caractérisé en-ce que les faces du déflecteur dirigées vers le côté de l'arrivée du fluide échangeur forment une buse d'entrée gui se rétrécit dans le sens de l'écoulement, augmente la vitesse d'entrée, est disposée symétriquement par rapport au plan d'écoulement médian et s'étend parallèlement à l'axe lon gitudinal -du tuyau. 5. Changeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le déflec teur est suivi, dans le sens de l'écoulement, par un diffuseur s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du tuyau, disposé aussi symétriquement par rapport au plan d'écoulement médian et transformant la vitesse accrue dans la zone des ailettes en pression statique. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le recouvrement ou l'entourage partiel latéral des ailettes circulaires est agencé de telle sorte que la largeur de la section d'écoulement i l'entrée et à le sortie du fluide, dans le plan de l'ailette, est à peu près le double de la hauteur de l'ailette. 5 Echangeur de chaleur composé de plusieurs rangées parallèles de tuyaux disposées transversalement au sens de l'écoulement du fluide, selon l'une quelconque des revendica tisons 1 à 4, caractérisé en ce que les parties d'un déflecteur se trouvant entre deux rangées voisines de tuyaux sont munies de surfaces droites de guidage de l'écoulement qui s'étendent parallèlement aux sens de l'écoulement moyens et touchent presque l'ailette circulaire des deux côtés, cet échangeur comprenant également des buses à l'entrée et des diffuseurs à la sortie du fluide. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5 caractérisé en ce que les surfaces de guidage de ltécou- lement des déflecteurs s'étendent dans des plans parallèles dans lesquels deux ou plusieurs tuyaux à ailettes sont montés les uns après les autres. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tuyaux des rangées disposées transversalement par rapport au sens principal de l'écoulement sont décalés d'un demi-pas des tuyaux et sont disposés symétriquement les uns par rapport aux autres, et en ce que les déflecteurs montés entre ces tuyaux sont disposés et conformés de telle manière que les filets de fluide de chaque ailette circulaire se répartissent symétriquement sur deux ailettes circulaires montées à la suite, dans le sens de l'é- écoulement. 8. Echangeur de chaleur selon 1'unaquel- conque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque déflecteur forme un élément continu s'étendant d'une rangée transversale de tuyaux jusqu'à la rangée transversale suivante de tuyaux. 9O Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un déflec teur rhomboSde est monté entre chacune des rangées transversales de tuyaux et entre deux ailettes circulaires et l'ailette circulaire de l'autre rangée de tuyaux, cette dernière ailette étant décalée par rapport aux précédentes0 lOo Echangeur de chaleur comprenant des rangées de tuyaux montées les Unes après les autres et décalées d'un demi-pas, selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que les déflecteurs montés entre les rangées transversales de tuyaux faisant un angle avec le sens de l'écoulement principal sont.réaliseZs sous forme d'éléments continus, cet échangeur comprenant également des buses à l'entrée et des diffuseurs à la sortie. 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tuyaux à ailettes se touchent par les périphéries des ailettes dans le plan perpendiculaire au sens de l'écoulement0 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le pas dans le sens de l'écoulement est supérieur au diamètre extérieur des ailettes circulaires, lorsque plusieurs rangées de tuyaux sont prévues dans le sens de l'écoulement0 13. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 > - caractérisé en ce que les dé flecteursssont en matière synthétique. 14. Echangeur de chaleur selon 11 une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les déflecteurs forment un élément comman avec les buses d'entrée et/ou les diffuseurs de sortie. 15. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les rangées de tuyaux forment un angle d'environ 450 avec le sens principal de l'écoulement lorsque l'échangeur comprend plusieurs. rangées de tuyaux à ailettes montés perpendiculairement au sens de l'écoulement0