Brevet FR2096610A1 — publié le 19720218

ÎQ 1 20966îG la présente invention concerne des éléments échangeurs de chaleur qui définissent un trajet d'écoulement pour le passage d'un fluide en contact avec la paroi de l'élément» La présente invention concerne plus spécialement des tubes destinée à une telle applica-5 tion, en particulier lorsqu'une surface, habituellement la surface externe de l'élément, doit constituer une surface de condensation pour une vapeur lorsque celle-ci abandonne sa chaleur à un fluide contenu dans l'alésage du tube, mais elle concerne également l'amélioration du rendement des évaporateurs. Il a été proposé antérieu-10 rement de former une surface verticale de condensation comportant de petites rainures de façon qu'à mesure que le condensât se forme, il ait tendance à s'écouler à partir des crêtes dans les creux des rainures formés entre les crêtes, de manière que ces dernières soient exposées à nouveau à un contact direct avec la vapeur. 15 En étudiant ce phénomène, le Demandeur a constaté qu'en ménageant dans la surface des rainures d'un certain profil, il est possible d'améliorer les coefficients de transmission de chaleur, par exemple le coefficient de transmission de chaleur du côté condensation d'une surface refroidie par l'eau s'écoulant de l'autre 20 côté ou le coefficient global de transmission de chaleur d'un système condensâteur/évaporateur. Selon l'une de ses caractéristiques, la présente invention concerne un élément de transmission de chaleur ayant au moins une surface destinée à être exposée au milieu de transmission de chaleur 25 qui présente plusieurs rainures inclinées ayant une série de crêtes convexes et de creux concaves adjacents, les crêtes ayant un rayon de courbure plus petit que celui des creux. Selon une forme de réalisation plus particulière, la présente invention concerne un tube de transmission de chaleur dont 30 la surface externe au moins présente une série de crêtes et creux adjacents tournés vers l'extérieur, le rayon de courbure des crêtes étant plus petit que celui des creux. Les profils des crêtes et des creux sont de préférence légèrement asymétriques. Les rainures peuvent être ménagées dans la surface externe du tube sous forme 35 d'une hélice à plusieurs filets, par exemple de 10 à 25 filets. Le tube de transmission de chaleur peut être utilisé de façon à présenter les rainures hélicoïdales comme surfaces de 71 23810 2 2096610 condensation pour une vapeur ou comme surfaces d'évaporation pour un liquide ou des pellicules de liquide. Il est possible de réaliser un seul tube dont la surface externe présente plusieurs rainures hélicoïdales comportant des crêtes et creux tournés vers l'ex-5 térieur, le rayon de courbure des crêtes étant supérieur à celui des creux et la face de l'alésage du tube présentant des rainures hélicoïdales de profil complémentaire de celui des rainures de la surface externe. Un tel tube s'est avéré très avantageux comme élément de transmission de chaleur du type condensateur/évaporateur 10 dont la surface externe constitue la surface de condensation. La surface externe est celle qui, lorsque l'axe du tube est orienté de préférence verticalement, présente les rainures qui sont orientées vers le bas et comporte des crêtes et creux alternés, les crêtes ayant un rayon plus petit que celui des creux»de façon que la pel-15 licule du condensât qui se forme sur les crêtes s'écoule le long de ces dernières dans les rainures inférieures adjacentes. Grâce à la forme décrite d'une façon générale des crêtes et creux, une vapeur se condensant sur une crête donnée quelconque forme une pellicule de liquide qui s'écoule dans le creux adjacent et il est préférable 20 que la forme de la rainure soit telle que le condensât s'écoule d'une manière préférentielle de haut en bas le long du creux plutôt que sur et par-dessus la crête de la rainure inférieure suivante. Ainsi, on est assuré que la pellicule du condensât est rapidement éliminée d'une grande proportion de la surface de conden-25 sation. En approfondissant le principe de l'invention, il est également admissible de profiler les rainures hélicoïdales de façon que leurs profils soient asymétriques et que chaque sommet des crêtes soit légèrement affouillé le long d'un flanc pour former un 30 piège à condensât, de sorte que lorsque la surface de condensation est verticale ou presque verticale, les rainures inclinées vers le bas forment des canaux délimités par le creux de la rainure et la crête inclinée ou orientée vers le haut. Commodément, la surface de condensation constitue la 35 périphérie d'un tube et ce dernier se prête au formage de rainures externes ayant le profil défini plus haut, par une opération de formage en utilisant un engrenage#comme celle décrite dans la demande . .71-,23810 v 3 - ::-2096'610 ' • : X de brevetf français 1 ;S21 du 18 février. 1971 déposée au nom du Demandeur. La. surfaee"de"condensation pourrait également être sous forme d'une feuille. Toutefois, sous la forme tubulaire, la présente invention est appliquée en formant des rainures hélicoïdales à plu-5 sieurs filets dans la surface périphérique du tube, le nombre des filets pouvant être important et compris entre 10 et 25, mais de préférence entre 16 et 20. En conséquence, le coefficient de condensation d'une surface verticale peut être amélioré en y formant plusieurs rainures paral-10 lèles orientées vers le bas dans une direction inclinée, les rainures étant formées par une opération qui donne aux crêtes un rayon de courbure plus petit que celui des creux. En général, plus les crêtes sont pointues, plus le rendement de la surface de condensation est meilleur. 15 En ce qui concerne la différence des rayons de courbure des crêtes et des creux adjacents, on considère qu'un rapport convenable du rayon des crêtes au rayon des creux est d'environ 1:10, bien que dans certains cas le rayon des crêtes puisse être considérablement réduit en comparaison de celui des creux, par exemple lorsque les 20 rainures hélicoïdales ne comportent que quelques filets. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va sui-m-e faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. 25 Sur ces dessins : les figures 1 et 2 représentent des profils particuliers d'une surface de condensation en coupe transversale perpendiculaire au plan des surfaces ; la figure 3 représente le profil de la figure 2 appliqué à une 30 surface de condensation en forme de feuille; la figure 4 représente le profil selon l'invention appliqué à la surface externe d'un tube ; la figure 5 est une vue en bout du tube représenté sur la figure 4 ; 35 la figure 6 est un graphique permettant de comparer les rendements d'un tube à paroi lisse et d'un tube profilé selon la présente invention,utilisés comme tubes de condensation dans une ?1 '2381C -r 4 '2096610 certaine gamme de vitesses d'écoulement de l^eau de refroidissement ; et la figure 7 est un graphique montrant le rendement d'un élément de transmission de chaleur selon la présente invention,dans 5 un mode de condensation et d'évaporation. La figure 1 représente une surface de condensation 1 d'un élément de transmission de chaleur 2 qui comporte un certain nombre de rainures parallèles 3 inclinées vers le bas, Les rainures 3 présentent une série de crêtes 3a et de creux 3b à une vapeur à con-10 denser et un fluide de refroidissement passe sur la surface opposée 4 qui peut être profilée spécialement, présenter des rainures complémentaires ou être lisse comme représenté sur cette figure. On voit que les crêtes 3a présentent un petit rayon de courbure et sont en fait très pointues tandis que les creux 3b ont un plus grand 15 rayon de courbure que les crêtes. Lorsqu'il se forme une pellicule de condensât, ce profil a pour effet de donner à la pellicule se trouvant sur les creux une plus grande tension superficielle qu'à la pellicule se trouvant sur les crêtes et, par suite, la pellicule se trouvant sur les crêtes est attirée dans les creux adjacents. 20 Dès qu'il se trouve dans les creux, le liquide s'écoule sur la surface le long des creux. Les crêtes sont rapidement libérées de la pellicule de liquide et peuvent agir ainsi avec une grande efficacité de transmission de chaleur pour condenser la vapeur et enlever le condensât, c'est-à-dire qu'elles sont rapidement débarrassées de 25 la pellicule du liquide isolant. Cet effet des forces de tension superficielle peut être encore amélioré en donnant aux rainures une forme asymétrique, comme celle représentée sur la figure 2 sur laquelle les crêtes sont représentées comme étant volontairement affouillées. 30 L'un ou l'autre de ces profils est appliqué à la face externe d'un tube en cuivre 6 représenté sur les figures 4 et 5-Sur la figure 4, un tube condensateur 4 ayant un diamètre externe nominal de 31,75 min,comporte sur sa surface externe des rainures formées par une hélice à 16 filets s'étendant sur toute la longueur 35 du tube entre les extrémités planes. Le pas de l'hélice des rainures est de 193 mm et leur profondeur est de 1,27 mm, le rayon minimal des crêtes étant de 0,1 mm et celui des creux de 1 mm. On mesure le 7t 23810 5 2096610 coefficient de condensation et le compare avec celui d'un tube analogue à paroi lisse. On constate une augmentation importante du rendement en utilisant le tube profilé. les procédés permettant de former les rainures comprennent l'usinage, l'extrusion dans des fi-5 lières convenables ou le laminage et le soudage d'une tôle nervurée. Lorsque le tube est formé par ces dernières opérations, son alésage peut rester lisse. En variante, on peut donner à l'alésage n'importe quel profil désiré ou bien, comme le montre la figure 5, il peut conserver le profil qui lui est conféré par le formage de 10 la surface externe. Selon une autre variante, le profilage du tube peut être exécuté par un procédé de formage à l'aide d'un engrenage comme décrit dans la demande de brevet français ÏI°71 05 621 précitée, auquel cas l'alésage du tube est déformé et présente des rainures complémentaires de celles de la surface de condensation. 15 On a comparé les coefficients de transmission de chaleur du côté condensation de tubes condensateurs ayant respectivement des parois lisses classiques et des parois profilées réalisées selon les conditions ci-dessus. On a condensé de la vapeur d'eau sur la surface externe du tube dans les conditions atmosphériques> et la 20 différence de température moyenne a été de 7°C environ entre l'eau de refroidissement s'écoulant dans l'alésage du tube et la vapeur d'eau. Le tube profilé a été réalisé par un procédé qui laisse une configuration de rainures sur la paroi de l'alésage qui sont complémentaires de celles de la surface externe du tube. Les résultats 25 de cette comparaison sont indiqués sur la figure 6 et montrent que le tube selon l'invention permet d'obtenir un coefficient de transmission de chaleur sensiblement supérieur. La courbe correspondant au tube de l'invention est désignée par A et celle correspondant au tube classique à paroi lisse est désignée par B. 30 La figure 7 donne les résultats expérimentaux d'un processus de condensation/évaporation utilisant des tubes à paroi lisse et des tubes à rainures en forme d'hélice à plusieurs filets,,formées dans la paroi du tube par un repoussage qui forme dans la surface externe du tube des crêtes et creux adjacents dont le rapport des 35 rayons de courbure est d'environ 1:10. Le processus de formage forme des rainures complémentaires dans l'alésage du tube, lesdites rainures ayant un rapport du rayon des crêtes au rayon des creux 71 23810 6 2096610 d'environ 10:1. Les tubes sont ouverts aux extrémités et on les monte séparément dans un appareil constituant en fait un étage d'une installation d'évaporation à pellicule tombante à plusieurs étages. C'est-à-dire que, dans chaque cas, le tube est suspendu à 5 une plaque à tubes montée dans la partie supérieure d'une chambre, de façon que 1'extrémité inférieure du tube communique avec un liquide maintenu à une tempéra tiare T1 à évaporer qui passe sur le fond de la chambre dans laquelle la pression correspond à la pression atmosphérique. Une chemise de vapeur d'eau entoure le tube qui 10 est chauffé par la vapeur d'eau se condensant sur sa surface erterne. Etant donné que la pression P2 régnant au-dessus de la plaque à tubes est inférieure à la pression atmosphérique, il se forme une pellicule de liquide tombante sur la paroi du tube. Les résultats obtenus avec diverses différences de pression 15 (P1 - P2) sont indiqués sur la figure 7 et montrent qu'on' obtient une amélioration marquée avec le tube selon l'invention. Dans l'exemple représenté, la température de la vapeur d'eau est comprise entre 102° et 104°C et le logarithme de la différence moyenne de température est de 3 à 5°C. Les résultats obtenus avec le tube 20 selon la présente invention sont indiqués en C et ceux obtenus avec un tube classique à paroi lisse sont indiqués en D. Le profil représenté sur la figure 2 est particulièrement avantageux du fait qu'en plus de l'effet des forces de tension superficielle, les rainures proprement dites forment des pièges pour 25 le condensât (à cause de la disposition verticale du tube qui oriente les sommets des crêtes vers le haut). Le condensât s'écoule alors le long des rainures et le liquide risque moins de se répandre sur les crêtes et de mouiller ainsi toute la face externe du tube. 30 Conformément aux exemples ci-dessus, l'invention concerne un élément de transmission de chaleur ayant une surface destinée à être exposée à un milieu de transmission de chaleur, qui comporte plusieurs rainures inclinées présentant des crêtes ayant un rayon de courbure qui diminue à leurs sommets et qui est plus petit que 35 le rayon minimal des creux. On le voit par exemple sur la figure 5 qui montre un élément tubulaire de transmission de chaleur présentant des rainures hélicoïdales dont le rayon de courbure des crêtes diminue vers leurs sommets et dont le rayon de courbure des sommets : - 71 23810 7 209r661C est inférieur au plus petit rayon de courbure des creux. On voit que cela donne un profil en pointe vers le sommet des crêtes, c'est-à-dire que le rayon de courbure diminue brusquement audit sommet des crêtes. 5 Naturellement, on peut faire varier le profil de l'alésage du tube en fonction du liquide qui doit passer dans ce dernier et de l'application envisagée du tube. La meilleure transmission de chaleur que permet d'obtenir la présente invention favorise son application à une transmission de chaleur vapeur d'eau/eau, par 10 exemple pour chauffer l'eau d'alimentation dans une centrale commerciale, le fluide de refroidissement passant dans l'alésage du tube. Lorsque le fluide contenu dans le tube est visqueux, par exemple des huiles visqueuses, le profil est plus prononcé pour améliorer les caractéristiques provoquant un écoulement turbulent ou tourbil-15 lonnant,et la présente invention peut s'appliquer dans ce cas à diverses industries pétrochimiques. Toutefois, la gamme des liquides qui peuvent arsorber/chaleur de la paroi du tube comprend les liquides moins visqueux. En dehors du chauffage de l'eau d'alimentation d'une installation productrice de vapeur d'eau, on peut utili- 20 ser les tubes décrits dans le présent mémoire pour chauffer la .dans charge/d'autres procédés chimiques ou industriels. Les surfaces de condensation selon l'invention peuvent convenir à une grande diversité d'applications, notamment dans des installations d'évaporation comme celles utilisées/pour le dessale-25 ment de l'eau ou dans des industries de produits alimentaires et chimiques. Dans le cas du dessalement de l'eau, ces surfaces de condensation peuvent être utilisées avantageusement sur les tubes condensateurs d'une installation du type à détente instantanée ou 30 pour constituer les tubes préchauffeurs d'installations du type à effets multiples. Dans les industries de produits alimentaires et chimiques, ces surfaces de condensation peuvent jouer des rôles analogues pour concentrer les solutions, des résidus et produits similaires. 35 Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 23810 8 2096610 REVENDICATIONS ' 1 - Elément de transmission de chaleur, caractérisé en ce qu'il présente au moins une surface destinée à être exposée à un milieu de transmission de chaleur et comportant plusieurs rainures 5 inclinées présentant une série de crêtes convexes et de creux concaves, les crêtes ayant un rayon de courbure minimal à leurs sommets qui est inférieur au rayon de courbure minimal des creux. 2 - Elément de transmission de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte un tube dont la surface externe présente des rai- 10 nures sous forme d'une hélice à plusieurs filets.,qui présentent une série de crêtes et creux tournés vers l'extérieur, le rayon de courbure des crêtes diminuant jusqu'à une valeur minimale à leurs sommets où le rayon est plus petit que le rayon de courbure mini mal du fond des creux. 15 3 - Elément de transmission de chaleur selon la revendica tion 2, caractérisé en ce que le tube présente un alésage comportant des rainures sous forme d'une hélice à plusieurs filets qui sont complémentaires/de celles de la surface externe. 4 - Elément de transmission de chaleur selon la revendica- 20 tion 1 ou 2, caractérisé en ce que le rayon de courbure de la crête diminue brusquement à son sommet,de sorte qu'à cet endroit il est plus petit que le rayon minimal des creux. 5 - Elément de transmission de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rainures hélicoïdales ont la 25 forme d'une hélice à plusieurs filets, par exemple de 10 à 25,et de préférence de 16 à 20 filets. 6 - Elément de transmission de chaleur, caractérisé en ce que l'une de ses faces est destinée à condenser une vapeur, ladite face étant orientée verticalement et présentant des rainures verti- 30 cales dirigées vers le bas ayant des crêtes et creux alternés, les crêtes étant formées par rapport aux creux de façon qu'une pellicule de condensât se formant sur les crêtes s'écoule dans le creux inférieur adjacent et dans lequel, grâce à la forme de la rainure, il s'écoule de manière préférentielle vers le bas au lieu de s'é- 35 couler sur la crête de la rainure inférieure suivante. 7 - Elément de transmission de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que certaines au moins des rainures ont 71 23810 9 2096610 un profil asymétrique de façon que chaque crête soit légèrement affouillée sur un flanc de façon qu'un piège à condensât soit formé par les rainures inclinées vers le bas présentant des crêtes orientées vers le haut. 5 8 - Elément de transmission de chaleur selon la revendica tion 3/qui est destiné à constituer un tube d'évaporateur à pellicule tombante, caractérisé en ce qu'il comporte un alésage présentant des rainures hélicoïdales qui est relié pour recevoir dans sa région inférieure un liquide à évaporer, un dispositif supportant 10 le tube verticalement dans une vapeur en cours de condensation de façon que la chaleur soit transférée de la vapeur en cours de condensation pour chauffer et évaporer le liquide contenu dans l'alésage du tube. 9 - Procédé destiné à améliorer le rendement d'une surface 15 de condensation, caractérisé en ce qu'il consiste à former plusieurs rainures hélicoïdales orientées vers le bas dans une direction inclinée de manière à présenter à la vapeur en cours de condensation plusieurs crêtes et plusieurs creux adjacents ayant respectivement un rayon convexe plus petit et un rayon concave plus 20 grand. I 0 - Tube comportant plusieurs rainures hélicoïdales dans sa face externe, caractérisé en ce que le rapport du rayon de courbure des creux à celui des crêtes est d'environ 10:1. II - Tube caractérisé en ce qu'il présente plusieurs 25 rainures hélicoïdales dans sa paroi externe comportant des crêtes et creux tournés vers l'extérieur, le rapport de rayon de courbure des crêtes à celui des creux étant d'environ 1:10 et la paroi de l'alésage présentant des rainures complémentaires formées de creux et crêtes adjacents tournés à l'intérieur, le rapport du rayon de 30 courbure des crêtes à celui des creux étant d'environ 10:1. 12 - Procédé destiné à améliorer le pouvoir de transmission de chaleur d'une surface en y formant une série de rainures ayant un profil analogue à/l,eelement de transmission de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.