Brevet FR2096489A1 — publié le 19720218

7Ï 23108 1. 2096489 La présente invention se rapporte à des tubes à ailettes utilisés notamment dans les appareils échangeurs de chaleur et plus particulièrement elle concerne des ailettes segmentées du type en I, devant être montées sur de tels tubes et leur procédé et appa-5 reil de fabrication. Pendant longtemps on a eu l'habitude de fixer des ailettes métalliques sur la partie extérieure des tubes utilisés dans les faisceaux de tubes échangeurs de chaleur pour augmenter la surface effective d'échange de chaleur entre un fluide s'écoulant 10 à l'intérieur des tubes et dans la plupart des cas -un liquide ou un gaz passant à l'extérieur de ceux-ci. Les échangeurs de chaleur à tubes à ailettes sont utilisés dans une grande variété d'applications pour transférer de la chaleur depuis taie source jusqu'à une autre. Par exemple, plusieurs 15 tubes peuvent être agencés à l'intérieur d'une enveloppe dans une configuration en parallèle pour extraire de la chaleur depuis les gaz chauds d'évacuation des turbines. Dans cette application, de l'eau est normalement mise en circulation dans les tubes pendant que les gaz chauds d'évacuation sont mis en circulation au-dessus 20 de la surface externe des tubes. L'eau chaude ou la vapeur d'eau engendrée est généralement utilisée pour satisfaire aux exigences de l'appareillage. De tels systèmes à récupération de chaleur d'évacuation nécessitent presque invariablement l'utilisation de surfaces de transfert de chaleur étendues. 25 Les échangeurs de chaleur à tubes à ailettes sont égale ment utilisés de manière importante pour la production de puissance, tels que les chaudières et les économiseurs. Dans quelques unes de ces applications, il est souhaitable de faire des ailettes plus épaisses de façon à obtenir que les tubes à ailettes soient rais en 30 position plus près de la section rayonnante de l'échangeur. Dans les ensembles de tubes conventionnels ayant des surfaces de transfert de chaleur étendues, les tubes à ailettes sont fabriqués avec diverses configurations. Les types divers d'ailettes fabriqués comprennent : (1) un type d'ailette à bord rabattu dans 35 laquelle la plus grande partie de l'ailette a une base à rebord orienté perpendiculairement à elle ; (2) un type d'ailette en gouttière dans laquelle une base continue comporte une paire de parties d'ailette s'étendant radialement vers le haut de celle-ci sous la forme d'un U ; et (3) un type d'ailette en I dans laquelle une 40 partie d'ailette plate a son bord inférieur formant la base de rac 71 23108 2. 2096489 cord au tube. Chacune de ces diverses ailettes peut être de type continu ou segmenté. Des ailettes continues ont normalement une surface continuelisse, bien qu'elles puissent être perforées pour satisfai-5 re à certaines conditions de conception. Les ailettes formées de segments sont soit orientées parallèlement à la partie de pied de l'ailette ou tordues en formant un angle avec celle-ci dans n'importe quelle orientation souhaitée de façon à provoquer la turbulence et augmenter les taux de transfert de chaleur. Ces ailettes 10 peuvent être en contact avec le tube suivant une configuration en hélice ou longitudinale, le procédé de fixation des ailettes au tube étant habituellement d'un type quelconque tel que le soudage, le brasage, ou l'enroulement par tension. Il est bien connu que les cannelures, les fentes ou les 15 perforations dans les ailettes augmentent de manière importante l'efficacité de transfert de chaleur, principalement quand le fluide s'écoulant à travers la partie extérieure de l'ensemble de tubes est un gaz. Cette augmentation d'efficacité est considérée comme étant due à 1'augmentation de turbulence dans les espaces 20 entre les ailettes entre deux ailettes adjacentes sur le même tube, aussi bien que la réduction dans la pellicule laminaire de fluide en contact avec l'ailette. On doit noter aussi que certaines ailettes formées de segments ont une zone de surface plus grande qu'une ailette continue de même hauteur et même épaisseur. De telles ailet-25 tes sont décrites dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 765.165, du , au nom de sous le titre "Segmented Finned Tubes For Use In Heat Exchangers". Bien que la plus grande partie des tubes à ailettes mentionnés précédemment soit disponible dans le commerce, les tubes à JO ailettes formés de segments du type en I n'ont pas été utilisés de manière intensive à cause des difficultés mécaniques diverses rencontrées dans leur fabrication. Comme on l'a cité précédemment, les ailettes formées de segments du type en I ont jusqu'ici été reliées aux tubes par un 35 procédé soit de brasage, soit de soudage. De nombreuses imperfections ont été rencontrées en utilisant le procédé de brasage. A cause des caractéristiques mécaniques d'un assemblage brasé, la plupart des utilisateurs préfèrent un assemblage soudé pour des applications à températures élevées. De 40 plus, le procédé de brasage utilisé dans la production de tubes à 71 23108 3. 2096489 ailettes formées de segments de type en I prend beaucoup de temps et est onéreux. Des tubes à ailettes comportant des fentes du type en I ont également été produits par des procédés habituels de soudure 5 à l'arc ou de soudure d'angle. De tels procédés souffrent aussi de sérieux inconvénients en ce sens que de tels procédés sont appliqués également à des vitesses très basses ce qui augmente fortement le coût de la production. Les configurations de tubes à ailettes fendues ou perforées présentent l'inconvénient supplémen-10 taire de provoquer un enlèvement de métal, c'est-à-dire d'une surface de transfert de chaleur, à partir de l'échangeur de chaleur ce qui est un inconvénient économique évident. En conséquence, l'utilisation étendue de tubes à ailettes formées de segments du type en I a été sérieusement restreinte par 15 les imperfections rencontrées dans sa production. La présente invention évite les imperfections précédentes en concevant des tubes à ailettes formées de segments du type en I qui peuvent être produits rapidement et de manière économique. Les tubes à ailettes formées de segments du type en I com-20 prennent une ailette composée d'une bande de métal plate allongée. La partie supérieure de la bande plate forme la partie principale ayant plusieurs ailettes en segments formées sur elle et s'étendant radialement vers 1'extérieur. La partie inférieure de la bande plate forme la base qui sert de surface de contact avec une élec-25 trode de soudage. L'ailette est enroulée de manière hélicoïdale ou placée longitudinalement sur le tube, la base de l'ailette étant assemblée avec celui-ci. Le procédé d'assemblage de l'ailette formée de segments avec le tube est réalisé au moyen d'un procédé de soudage à haute 30 fréquence. Le procédé de fabrication comprend l'alimentation d'ailettes en segments sur un tube dans une configuration en hélice ou longitudinale. L'appareil de soudage comprend alors une première électrode pour entrer en contact avec la zone de contact de l'ailette juste avant le point de contact mutuel avec le tube. Une se-35 conde électrode est prévue pour faire contact avec une surface du tube qui peut coïncider avec l'ailette au point de contact mutuel. Un courant à très haute fréquence est appliqué aux électrodes, un passage du courant étant prévu entre les électrodes par l'intermédiaire de la partie de base et du tubé, obligeant de ce 40 fait la partie de base et le tube à fondre. Une force est ensuite 71 23108 4. 2096489 appliquée aux pointes des ailettes à l'emplacement du contact mutuel pour forger la partie de pied fondue de l'ailette avec la surface fondue du tube afin de créer un assemblage par fusion entre eux. 5 Des moyens de support latéraux sont également prévus pour guider et supporter latéralement l'ailette tandis que la force de forgeage lui est appliquée. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention seront plus apparents à la lecture de la description suivante 10 en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective partielle d'une ailette tordue segmentée. La figure 2 est une vue schématique de l'appareil pour la fabrication des tubes à ailettes tordues segmentées. 15 La figure 3 est une vue en élévation du tube à ailettes tordues segmentées construit conformément à la présente invention. La figure 4 est une vue en élévation, partiellement en coupe du tube à ailettes prise suivant les lignes 4-4 de la figure 3. 20 La figure 5 est une vue en perspective du tube à ailettes tordues segmentées construit conformément à la présente invention. La figure 6 est une vue en élévation, partiellement en coupe, de la présente invention, prise suivant la ligne 6-6 de la figure 4. 25 La figure 7 est une vue en élévation, partiellement en coupe d'un second exemple de réalisation de la roue de forgeage ; et La figure 8 est une vue en coupe du second exemple de réa lisation, prise suivant la ligne 8-8 de la figure 7. 30 En se référant maintenant à la figure 1, on représente une ailette formée de segments du type en I indiquée de. façon générale par la flèche 10 et qui est constituée d'une bande plate de métal. La partie supérieure de la bande plate forme la partie prin cipale de l'ailette comportant plusieurs ailettes 11 formées de 35 segments s'étendant radialement formés sur cette partie. Les ailet tes 11 sont formées par des indentations s'étendant vers le bas depuis le haut de la bande d'ailettes. On doit noter que les ailet tes formées de segments 11 peuvent être parallèles à la partie de base ou tordues en formant un angle par rapport à celle-ci, un an-40 gle de 45° étant représenté dans la figure 5. La configuration 71 23108 5. 2096489 d'ailettes tordues est préférée pour des caractéristiques de trans fert de chaleur plus efficaces. Une partie latérale inférieure 13 est prévue à la base de la bande d'ailettes 10 pour fonctionner comme une zone de contact 5 pour une électrode à haute fréquence. Bien qu'une zone de contact 13 de dimension quelconque puisse être utilisée pour entrer en contact avec une électrode, l'exemple de réalisation préféré a pour dimension au moins 9,5 mm pour adapter les électrodes à haute fréquence vendues actuellement dans le commerce. La base de la 10 bande d'ailettes 10 comprend aussi une partie de pied 15 qui est adaptée pour être en contact avec un tube et qui sera décrite avec plus de détails ci-après. En se référant maintenant à la figure 2, on représente un procédé pour former la bande d'ailettes 10 constituée de segments, 15 pour l'enrouler de manière hélicoïdale sur un tube 20, et l'assembler au tube 20. La bande d'ailettes 10 provient d'un ruban brut 21 enroulé à plat sur une bobine et qui est alimenté de" manière continue depuis un rouleau 23. Le ruban 21 est alimenté par plusieurs rou-20 leaux d'entraînement 25 dans un ensemble de formage indiqué de façon générale par la référence 27. L'ensemble de formage comprend un appareil 29 de presse à poinçon ou poinçonneuse comportant une cisaille et une matrice de formage à deux étages agencées opérati-vement en lui. L'étage initial de la matrice 31 entaille le ruban 25 21 pour former l'ensemble des ailettes 11, pendant que le second étage tord les ailettes 11 avec l'angle souhaité par rapport à la base. On doit noter que les ailettes sont entaillées sans enlever de matière au ruban 21. La bande d'ailettes 10 tordue constituée de segments est 30 ensuite alimentée par l'intermédiaire de plusieurs cylindres 32, 33 et 34, le cylindre intermédiaire 33 étant monté de manière élas tique pour fonctionner comme une roue tendeuse pour enlever tout mou qui pourrait se développer dans le trajet du ruban. La bande d'ailettes 10 tordue formée de segments est en-35 suite tournée de 90° pour être alimentée à un poste de soudage, représenté schématiquement en 40 pour enrouler et assembler la bande d'ailettes 10 sur le tube 20. Comme le montrent les figures 3 et 5 avec plus de détails la bande d'ailettes 10 formée de segments estœroulée sur le tube 40 de manière hélicoïdale. Le procédé d'enroulage est réalisé par une i 71 23108 6. 2096489 unité de commande (non représentée) accouplée à une extrémité du tube 20 pour le faire tourner par exemple en sens inverse des aiguilles d'une montre tout en tirant simultanément le tube le long d'un guidage et au-delà du poste de soudage 40. 5 Le poste de soudage comprend deux électrodes 41 et 42. La première électrode 41 est située de manière adjacente à la bande d'ailettes 10 et comprend un contact 43 pour être en contact avec la zone de contact 13 de la bande d'ailettes 10. La seconde électrode 42 est placée de manière adjacente au tube 20 et comprend un 10 contact 44 pour venir en contact avec le tube 20. Les deux électrodes 41 et 42 sont en contact avec la bande d'ailettes 10 et le tube 20 respectivement juste avant le point de contact mutuel 45. Une roue de forgeage 50 est prévue pour appliquer une force aux pointes de la bande d'ailettes à l'emplacement du contact 15 mutuel 45. Comme représenté dans la figure 6, la roue de forgeage comprend une surface périphérique 51 pour contacter les pointes de la bande d'ailettes 10 et deux flasques 52 et 53 s'étendant vers les côtés de la bande d'ailettes pour servir de guide à celle-ci. Les flasques 52 et 53 servent à supporter latéralement la bande 20 d'ailettes 10 tandis que la force de forgeage est appliquée par la roue de forgeage 50. Finalement, un contact en matière céramique 54 est placé à la base de la bande d'ailettes pour servir d'autre part de guide et supporter latéralement la base de la bande d'ailettes. 25 Dans le soudage de la bande d'ailettes 10 au tube 20, un courant à très haute fréquence est appliqué aux électrodes 41 et 42. Dans une telle application, un trajet de courant est prévu entre les électrodes 41 et 42 par l'intermédiaire de la partie de pied 15 de la bande d'ailettes 10 et de la surface du tube en re-30 gard (voir figure 4). Ceci oblige la partie de pied 15 à fondre à partir du point de contact avec le contact 43 jusqu'au point de contact mutuel 45. De la même manière,,la surface en regard du tube 20 depuis le point de contact avec le contact 44 jusqu'au point de contact mutuel 45 est également amenée à fondre. La roue de for-35 geage 50 sert ensuite à appliquer une force sur les pointes des ailettes au point de contact mutuel pour forger les surfaces fondues de la partie de pied 15 vers la surface du tube 20 en regard pour créer un assemblage par fusion entre elles. On doit noter que les indentations formant les ailettes permettent à celles-ci d'être 40 enroulées de manière plus étanche au tube. En conséquence, une for 71 23103 7. .2096489 ce de forgeage plus petite est nécessaire que celle nécessaire pour le soudage d'une ailette continue à un tube. Une vue en perspective du tube à ailettes terminé est représentée dans la figure 5. En conséquence, la présente invention prévoit une ailette for-5 mée de segments, du type en I assemblée à un tube de manière rapide et économique. Les figures 7 et 8 représentent un second exemple de réalisation dans lequel une plaque de forgeage 60 est substituée à la roue de forgeage 50. La plaque de forgeage 60 comprend une surface 10 planaire 61 qui est adaptée pour être en contact avec les pointes de la bande d'ailettes 10 et deux flasques 62 et 63 servent de guides et de supports latéraux de manière,similaire aux flasques 62 et 63. Le flasque 63 s'étend également jusqu'à la base de la bande d'ailettes 10 pour coopérer avec le contact en céramique 54 15 de façon à supporter par ailleurs latéralement la base de la bande d1ailettes 10 pendant que la force de forgeage lui est appliquée. La plaque de forgeage 60 est utilisée de préférence avec des ailettes relativement épaisses par rapport aux tubes. En conséquence, une bande d'ailettes formée de segments de type en I re-20 lativement épaisse est produite et elle peut servir principalement pour les chaudières de puissance et autres. Avec un tel appareil, l'échangeur de chaleur peut maintenant être placé plus près de la surface rayonnante de la chaudière pour un transfert de chaleur plus efficace. 25 L'appréciation de la valeur de mesure indiquée ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elle provient de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire 30 susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 71 23103 8. 2096489 REVENDICATIONS 1 - Tube à ailettes destiné à être utilisé dans un appareil à échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend : un tube cylindrique allongé ; et 5 des ailettes formées de segments du type en I placées sur la surface cylindrique de ce tube et soudées à lui, les moyens d'ailettes étant constitués d'un ruban ou bande plate de métal ayant une partie principale d'ailettes s'étendant radialement et une partie de base inférieure ayant une surface de contact de dimension 10 suffisante pour conduire m courant à haute fréquence, la partie de pied de cette partie de base et la surface en regard du tube étant forgées ensemble pour former un assemblage par fusion entre elles. 2 - Tube à ailettes selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que les ailettes formées de segments sont tordues en faisant un angle par rapport à la partie de pied des moyens d'ailettes. 3 - Tube à ailettes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de contact est formée sur le côté latéral du ruban plat de métal. 20 4 - Tube à ailettes selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de contact a au moins 9,5 millimètres de hauteur. 5 - Procédé d'assemblage d'une bande ou ruban d'ailettes à une surface cylindrique d'un tube, caractérisé en ce qu'il com-25 prend les étapes suivantes : le découpage de la bande d'ailettes pour former plusieurs parties principales de l'ailette s'étendant radialement ; la formation d'une surface de contact à la partie de base inférieure de la bande d'ailettes ; 30 la mise en place de la bande d'ailettes formées de seg ments sur ladite surface cylindrique j la prévision d'une première électrode pour la mise en contact avec la zone de contact à un emplacement juste avant le point de contact mutuel de la bande d'ailettes et du tube ; 35 la prévision d'une seconde électrode pour la mise en con tact de la surface en regard du tube juste avant le point de contact mutuel ; l'application d'un courant à très haute fréquence aux é-lectrodes, un passage de courant étant prévu entre ces électrodes 40 par l'intermédiaire de la partie de pied et de la surface du tube 71 23108 9. 2096489 amenant ainsi la partie de pied et la surface du tube à fondre ; et l'application d'une force aux pointes des ailettes au point de contact mutuel de la partie de pied et de la surface du 5 tube pour créer un assemblage par fusion entre elles. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à supporter latéralement la bande d'ailettes alors que la force de forgeage est appliquée aux pointes des ailettes. 10 7 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de forgeage pour appliquer me force aux pointes des ailettes au point de contact mutuel de la partie de pied et de la surface du tube. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce 15 que les moyens de forgeage comprennent une roue de forgeage ayant une surface périphérique adaptée pour être en contact avec les pointes des ailettes et deux flasques adaptés pour s'étendre au long des côtés de la bande d'ailettes afin de servir de guides à celle-ci. 20 9 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de forgeage comprennent une plaque de forgeage ayant une surface planaire adaptée pour être en contact avec les pointes des ailettes et deux flasques adaptés pour s'étendre au long des côtés de la bande d'ailettes pour servir de guides et de support 25 latéraux pour celle-ci. 10 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contact en matière céramique placés de manière adjacente à la surface de contact de la bande d'ailettes pour supporter latéralement 30 celle-ci alors que la force de forgeage lui est appliquée.