Brevet FR2072108A1 — publié le 19710924

L'invention est relative à la technique des transferts de chaleur, et plus spécialement à un procédé de fabrication d'un assemblage tubulaire comprenant un tube et une garniture intérieure. re auxquels se rapporté l'invention compremantun tube habituellement disposé avec d'autres tubes semblables pour former un faisceau pour- qu'un premiér fluide s'écoule sur et autour des surfaces extérieures de ces tubes. Un second fluide, différent du premier 10 par sa température, et séparé de celui-ci, passe dans les tubes. Il se produit vin échange de chaleur à travers les parois des tubes. Une bande de métal ondulé dénommée garniture reçoit une forme annulaire et èst introduite dans les tubes où elle est en contact à la fois avec la paroi du tube et avec le second fluide qui 15 s'écoule à l'intérieur» la garniture est un élément à surface étendue, formant un complément à la paroi du tube dans le processus de conduction de la chaleur. Elle possède une efficacité qui est déterminée dans une large mesure par "l*excellence et la continuité de son contact avec la paroi du tube. 20 Dans la technique ancienne , un procédé connu sonsistait à ajuster la garniture par glissement dans le tube. On connaît aussi, dans là technique métallvxgique le procédé qui consiste à lier une garniture à un tube par soudure ou brasure. Dans tin autre procédé connu, on place un tube à l'in*= 25 térieur, de la garniture annulaire, et l'on tire un mandrin dans ce tube intérieur pour provoquer son expansion, et pour donner par suite à la garniture une assiette sur la paroi du tube extérieur qui 1'entoure. 30 de défauts qui se reflètent dans le fait que le transfert de chaleur est inférieur à 1'-optimum et-dans la nécessité où l'on est de disposer d'une quantité excessive de surfaces de transfert de chaleur pour réaliser les spécifications désirées. Ils sont, à différents degrés, défaillant^ ou ce qu'ils n'assurent pas unifor-35 mément le minimum de résistance au transfert de chaleur entre la garniture et la paroi du tube. avec la paroi du tube ou même ne s'engage aucunement avec ellej, il s'établit de ce fait une résistance au contact qui diminue la fa-40 cilité avec laquelle la chaleur peut passer de la garniture à la 5 Les assemblages tubulaires de ce gen- Tous les procédés connus' souffrent Si la garniture s'engage légèrement BÀD ORIGINAL 70 41829 2 2072108 paroi du-tube et vice versa.. Au contraire et en concordance avec les principes bien connus de la résistance, de contact un contact fortement serré de la garniture sur le tube réduit la résistance au passage de la chaleur0. 5 - „ ... Dans une construction à ajustement à glissement, il n'y-a pas d'engagement serré de la garniture avec la paroi du tube.-Une liaison métallurgique donne une bonne con-ductivité thermique mais peut.être difficile à réaliser dans une • garniture tubulaire de petite dimension, les lacunes dans les jonc~ 10 tions établies telles qu'elles .peuvent résulter d'irrégularités de hauteur de. la garniture produisent des effets de défaut d'uniformité dans le transfert de chaleur. Dans .un procédé ou. l'on expanse un tube intérieur sur une garniture interposée, les forces compres-sives appliquées ont des résultats inconstants en raison de l'im-15 possibilité où l'on est de façonner une bande de.matière eh une garniture dont les hauteurs .soient d'une uniformité précise, eu arussi, certains modèles de garnitures que l'on utilise avec profit dans les .-tubes échangeurs de chaleur possèdent des._surfaces de contact avec- leur tube façonnées en forme d'ondulations, ce qui 20 produit avec la paroi du .tube des interruptions du contact inhérentes à.la forme même. _ . . .. Un mandrin que l'on tire dans un,, tube intérieur peut avoir une certaine capacité de compression de certaines des surfaces de la garniture sur le tube extérieur, mais 25 , ne peut, pas serrer uniformément la garniture sur celui-ci quelles quç soient-les variations dans la hauteur ou la configuration de la garniture.. Un assemblage, tubulaire fabriqué par le procédé d'expansion d'un tube intérieur présentera, de nombreuses surfaces, qui auront-individuellement des étendues plus ou moins grandes, où le 30 contact de la garniture .avec 1e tube sera léger ou même inexistant. Le transfert d§ chaleur se fait à uniaible taux dans ces zones, réduisant l'efficacité générale du transfert de chaleur dans le tube» Plus encore, ces zones sont sensibles à la déformation par le - fluide à haute pression dans clés conditions qui élargissent progres-35 sivement les zones où il n'y a pas contact effectif. - . , - ' L'expansion du tube intérieur est de plus un. moyen, indirect comprimer la matière de la garniture sur la paroi du tube, extérieur. Gomme la résistance au contact sur la paroi du tube extérieur est un point capital dans un assemblage tu-40 ■ bulaire du type décrit, 1"expansion du tube intérieur est un moyen bad ORIGINAL 70 41829 3 2072108 moins efficace d'atteindre l'effet désiré que ne serait la contraction du tube extérieur» C'est là cependant un problème dont la solution est moins évidente, et l'utilisation d'une filière à étirer ou d'un outil du même genre est en toute occurence sujet+ 3 aux 5 mêmes désavantages que la poussée à force du mandrin dans le tube intérieur» la filière sera par nécessité d'un diamètre fixe et sera incapable de forcer le tube à se déformer en accord avec les défauts de formation de la surface de la garniture» l'invention a pour objet un pro-10 cédé de fixation de la garniture annulaire dans un tube faisant appel à un déplacement de métal mais qui n'est pas limité par la géométrie d'une filière ou d'un mandrin particulier. A cet effets l'invention concerne vin procédé pour obtenir une résistance minimale, de contact pour le transfert de la chaleur entre une paroi 15 de tube et une garniture annulaire contenue dans un tube s procédé caractérisé en ce qu'on introduit la garniture annulaire dans le tube„ cette garniture étant constituée par une matière déformable à base de métal mince ondulé, on réalise un support central pour cette garniture annulaire, \>n applique une force radiale compres-20 sive sur cette garniture annulaire de façon que toute les parties de celle-ci soient par compression en rapport, étroit de contact avec la paroi intérieure du tube nuelles que soient les irrégularités de hauteur de la garniture. la paroi du tube a ainsi la pos-25 sibilité de fluer librement dans une relation de conformité avec la surface de la garniture, avec ce résultat que la bande de garniture dans sa totalité est soumise à une compression uniform'-quelles que soient les ondulations et irrégularités de la hauteur de la garniture, la résistance au contacty réduite à un taux 30 minimum» est uniformément faible sur toute la longueur du tube. Conformément à une caractéristi-que le 1sinvention, le déplacement de la paroi du tube est fonction de 7.*application de forces électro-magnétiquess et peut se traduis re soit par l'expansion à"un tube intérieur soit par la contraction 35 d'un, -cube extérieur» Suivant une autre caractéristique, la rétraction du tube extérieur est envisagée dans des conditions où une action directe peut être exercée sur les surfaces qui se font face du tube extérieur et de la matière qui c onstitue la gar= 40 niture, le procédé de formage électromagnétique se prêtant facile» BAD ORIGINE 70 41829 4 2072108 ment lui-même à l'établissement d'une installation dans laquelle un assemblage tubulaire est entièrement introduit dans une bobine de formage. Un mode de réalisation de l'inven-5 tion est représenté, à titre d'exemple non limitatif sur les dessins ci-joints. - la figure 1 est une vue en perspective détaillée d'un tube extérieur compris dans un assemblage tubulaire fabriqué suivant le procédé de l'invention» 10 - la figure 2 est une vue en pers pective d'un tube intérieur que l'on peut utiliser alternativement comme organe de résistance au recul et comme organe destiné à appliquer une force de compression. - la figure 3 est une vue en pers-15 pective d'une longueur de matière de garniture telle qu'elle est interposée entre les tubes intérieur et extérieur. - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale partiellement schématique, montrant un assemblage tubulaire dans une bobine de formage électromagnétique, et indi- 20 quant la direction des forces appliquées. - la figure 5 est une vue partielle détaillée analogue à la figure 4 montrant les parties après achèvement de l'opération de formage. - la figure 6 est une vue partiel-25 le d'un tube tel qu'il est figuré dans la figure 5, agrandie par rapport à celle-ci, et - la figure 7 est une vue en coupe transversale prise sur le tube assemblé» Un assemblage tubulaire, tel qu'il 30 est obtenu par le procédé de l'invention, comprend un tube extérieur 10 fait d'un métal dont les conductivités thermique et électrique sont bonnes, le tube a un diamètre uniforme, ses parois sont relativement minces et il est ouvert aux deux bouts. L'assemblage tubulaire comprend également un tube intérieur 11 qui peut être fa-35 briqué comme le tube 10, mais qui, dans tous les cas, présente une surface extérieure qui se prête relativement peu à l'appui sur lui de la matière de la garniture comme il ressotira plus clairement de ce qui suit. Dans le cas illustré, le tube intérieur est destiné seulement à servir de butée pour la matière de la garniture. 40 Au moins une de ses extrémités est fermée en écrasant ou en étran 70 41829 5 2072108 glant un bout 12 par exemple. Une bande 13 de matériel de garniture complète l'assemblage tubulaire. La bande 13 est constituée d'un métal ductile de bonne conductivité, de faible épaisseur. 5 Initialement sous forme de feuille, il est froncé et ondulé en une forme plissée de façon à définir une série d'ailettes 14 parallèles qui s'étendent longitudinaleraent. Chaque ailette comprend une partie 15 formant sommet raccordée par des.parties inclinées formant rayons et des parties formant un vide vertical 17 séparé des ai-10 lettes adjacentes» Suivant la caractéristique de l'invention dans la.forme où elle est illustrée,, les ailettes 14 sont façonnées suivant une configuration froncée, c'est-à-dire avec des ondulations continues allant d'un côté à l'autre sur toute la longueur. Un fluide qui s'écoule en conséquence à travers cette garniture est 15 soumis à. des changements de direction répétée avec un effet de turbulence qui provoque une augmentation de l'efficacité du transfert de chaleur. Des surfaces supérieures et inférieures qui apparaissent lors du façonnage dans le sens latéral 20 des ondulations sur les ailettes reçoivent simultanément une forme ondulée dans laquelle des points hauts 18 et des points bas 19 se succèdent, en alternance d'un bout à l'autre de la bande. Au cours du processus, on s'efforce de maintenir les ailettes 14 à une hauteur.uniforme sur toute la surface de la bande. Des limi-25 tations de fabrication empêchent que les résultats soient toutefois tout à fait excellente sous ce rapport, de sorte, qu'en plus des points alternativement hauts et bas 18 et 19, la matière qui forme la garniture peut présenter d'autres zones où les hauteurs sont plus-grands ou moindres que celles des surfaces adjacentes. 30 Le procédé suivant l'invention comprend un préassemblage des parties dans lequel la bande de garniture 13 est enroulée suivant une forme annulaire autour du tube intérieur. 11, ces parties étant ensuite introduites comme un sous-ensemble dans le tube extérieur 10.-Quand les parties sont ainsi 35 mises en place,-la bande 13 a .une surface extérieure qui se présente pour se mettre en contact avec la parois intérieure du tube .10, et une surface intérieure qui se présente pour se mettre en contact.avec l'extérieur du tube intérieur 11. Les parties seront ajustées d'une façon relativement précise suivant laquelle elles 40 sont maintenues par friction dans leur assemblage. Les points 70 41829 6 2072108 hauts de la bande de garniture s'engageront au moins légèrement vis à vis des surfaces des tubes, mais la relation entre les surfaces des ailettes et les surfaces de la paroi est irrégulière et il existe de nombreux emplacements où la résistance au contact 5 est élevée comme il est indiqué dans la figure 4» Si l'on se réfère à la figure 4, un tube préassemblé est introduit dans une bobine 21 électromagnétique destiné au formage. Cette bobine est un dispositif emmagasinant et libérant de l'énergie électrique qui prendra la forme 10 d'une pression magnétique sur la pièce en cours de traitement» Dans ce cas, la bobine dé formage a la forme d'un cylindre et est raccordée de façon appropriée à une source,d'énergie de façon à en tirer une certaine énergie pendant une période d'une durée de plusieurs secondta a, emmagasiner et ensuite libérer cette énergie en 15 une fraction de seconde' pour accomplir sa fonction avec un degré d'énergie élevé»' La bobine est construite de façon que sa longueur dépasse celle du tube, de sorte qu'un tubr qux y est * introduit est entièrement contenu dans la bobine qui dépasse ses 20 deux bouts. Quand il est centré approximativement dans la bobine, le tube est soumis entièrement êt uni'f ormément au - champ magnétique exercé par ïâ décharge de la bobine 21. Un adapteur 22, fait d'une matière non-conductrice, est disposé dans la bobine-21 pour-recevoir et màintenir en place le tub'é dans la bobine. -25 Dans le procédé, le tube extérieur 10 conducteur de l'électricité devient la pièce en cours de traitement» Il est soumis, en réponse à ïa libération dë l'énergie électrique emmagasinée, à une forcé prôportionelle â l'intensité du champ magnétique et du courant. Les forces-engendrées provoquent 30 un déplacement du conducteur, en l'espèce le tube 10» La bobine applique," du fait qu"elle'entouré complètement lé tube 10, une force dirigée vers'l'intérieur, de'sorte"que la matière du tube est déplacée dans cette direction Ce qui a pour" résultat une diminution du diamètre du tubè. Cependant, du fait que le tube est com-35 plètemënt entoure par l'es enroulements' de la bobine 21 , toutes les parties du tube répondent indépendamment et également'à la-pression dirigée' vers" l'Tntériêui*. Cependant bien que le tube soit uniformément affecté par' la "déchargé' électrique, il est libre de se conformer à la surface qui est en-dessous et' contre laquelle il est 40 poussé» 70 41829 7 2072108 En accord avec la conception de l'invention, le tube n'est pas serré sur une filière fixe, mais plutôt sur un élément relativement compression tel qu'il est défini par la bande de garniture 13. le tube qui se contracte applique 5 une pression radiale sur la matière de cette bande, la serrant entre la surface intérieure du tube extérieur 10, et la surface extérieure du tube intérieur 11. Les sommets 15 et les vides 17 sont, dans une mesure limitée, déformés par ces forces compressives, mais la paroi 16 qui affecte la forme d'une poutre exerce une résis-10 tance efficace empêchant l'écrasement uniforme des ailettes. Les voies de passage telles qu'elles sont définies par les ailettes 14 restent en conséquence ouvertes. Le tube 10 est également contraint de cette façon à fluer d'une façon qui le fait s'adapter aux 15 points hauts et bas 18 et 19 de la surface de la garniture aussi bien qu'aux zones plus basses qui pourraient exister en conséquence des tolérances de fabrication. Le tube s'ajuste ainsi comme un gant sur la bande de garniture 13, et peut présenter à l'extérieur une configuration irrégulière et ondulée, représentant cel-20 le de la bande garniture. Les parties sont illustrées dans les figures 5, 6 et 7 dans la position qu'elles prennent à la suite de l'application des forces électromagnétiques. Comme il est indiqué dans la figure 5, le tube 10 a vu son diamètre diminuer, se 25 rétractant légèrement en s'éloignant de l'adapteur 22 et prenant une configuration irrégulière que montre avec plus de détails la vue segmentaire expansée de la figure 6. La configuration ondulée du tube a été dans une œrtaine mesure exagérée à titre d'illustration. Cependant la configuration d'adaptation prise par le tube 30 extérieur existe bien en fait et est efficace pour appliquer une compression essentiellement uniforme sur la totalité de la bande de garniture. La bande est en conséquence soumise sur toute sa surface à un contact énergique, étroitement serrée avec la paroi du tube extérieur, assurant un taux faible et uniforme à la ré-35 sistance au contact. On n'a pas illustré en détail les organes dont on dispose pour fournir l'énergie à la bobine car ils 'ne sont pas essentiels à la bonne compréhension du procédé suivant l'invention. Ils peuvent comprendre un circuit de charge approprié, 40 des organes de coupure et des condensateurs. Les flèches 23 de la 70 41829 a 2072108 figure 4 illustrent la façon dont le courant qui se décharge à partir de la bobine 21 est dirigé sous la forme d'une impulsion de formage vers l'intérieur exercée sur le tube 10» Quand l'assemblage tubulaire est 5 formé, il est retiré de la bobine et il est prêt à l'emploi. Les procédés pour son installation peuvent comprendre celui dans le= quel une pluralité de tubes ainsi formés sont disposés en un faisceau pour qu'un premier fluide s'écoule sur et autour des tubes extérieurs. Un second fluide, séparé du premier, est contrôlé et 10 dirigé de façon à passer longitudinalement dans les tubes. Le fiux est de forme annulaire, ïe tube intérieur 11 étant fermé. Le fluide qui s'écoule est en contact avec la paroi intérieure du tube 10 et est aussi en contact avec la matière qui constitue la bande garniture 13- Si l'on admet que les fluides sont à des températu-15 res différentes, il se produit un transfert de chaleur à travers la paroi du tube. La paroi du tube sert de surface primaire de transfert de chaleur par rapport au second fluide qui est en contact avec elle. La matière qui forme la bande garniture 13 agit comme surface secondaire, conduisant la chaleur vers et à partir 20 de la paroi du tube. L'engagement uniforme étroitement ajusté de la paroi du tube avec la surface de la garniture assure une faible résistance au contact donnant un transfert de chaleur uniformément efficace. L'invention supprime la nécessité 25 d'une filière de formage; la bande garniture 13 prend les caractéristiques d'une matrice et, du fait qu'elle est compressible assure l'application de forces compressives uniformes. Si on le trouve nécessaire ou désirable, on pourra placer des accessoires en forme de matrice dans les extrémités des tubes pour que s'établis-30 se à ces emplacements un diamètre fixe défini pour simplifier le montage des tubes dans les plaques d'assemblage ou autre. La bande de garniture a été décrite comme ayant une forme ondulée, et l'invention attache une valeur spéciale à cette forme du fait qu'elle montre la possibilité, in-35 connue jusqu'ici, d'obtenir, avec le procédé suivant l'invention, une résistance au contact excellente sur la surface ondulée de la garniture telle qu'elle est définie par les points hauts et bas 18 et 19. Le problème qui se présente dans les garnitures ondulées est toutefois à un certain degré présent dans toutes les construc-40 tions de garnitures, en raison de l'incapacité où l'on est prati- 70 41829 9 2072108 quement de maintenir des dimensions en hauteur précises sur toute la surface d'une garniture terminée» Le procédé suivant l'invention est en conséquence d'une utilisation avantageuse avec des garnitures de configuration différente y compris les ailettes 5 droites. La forme ondulée de la bande de garniture 13 existe naturellement par rapport aux deux surfaces supérieure et inférieure, ou par rapport aux surfaces intérieure et extérieure quand la bande est recourbée suivant sa configura-10 tion annulaire. Ainsi quand les parties sont en position d'assemblage partiel comme le montre la figure 4» des emplacements présentant une résistance au contact élevée se trouvent le long de l'extérieur du tube intérieur 11 aussi bien que le long de l'intérieur du tube extérieure 10. L'opération de formage électroma-15 gnétique applique énergiquement la bande garniture sur le tube intérieur, mais avec un effet irrégulier que l'on n'a pas essayé d'illustrer dans les figures 5 et 6. Dans le cas présent ce qui est en cause est 1'interface entre la matière de la garniture et le tube extérieur 10. Si s'était l'inverse c'est-à-dire si c'était 20 l'interface entre la garniture et le tube 11 intérieur qui était en cause„ on introduirait alors une bobine d'électroformage à effet expansif dans le tube 11. Le tube extérieur 10 servirait alors de butéep pendant que le tube 11 se déformerait pour s'ajuster comme un gant sur la surface intérieure de la garniture. 25 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 70 41829 2072108 REVENDICATIONS 1°) Procédé pour obtenir une résistance minimale de contact pour le transfert de la chaleur entre une paroi de tube et une garniture annulaire contenue dans un tube, 5 procédé caractérisé en ce qu'on introduit la garniture annulaire dans le tube, cette garniture étant constituée par une matière dé= formable à base de métal mince ondulé, on réalise un support central pour cette garniture annulaire, on applique une force radiale compressive sur cette garniture annulaire de façon que toutes les 10 parties de celle-ci soient par compression en rapport étroit de • contact avec la paroi intérieure du tube quelles que soient les irrégularités:de hauteur de la garniture. 2°) Procédé suivant la revendication 1 „ caractérisé en ce qu'on réalise l'application 15 de la force compressive par déplacement radial vers 1'intérieur de la paroi du tube de façon que celle-ci soit par compression en rapport étroit de contact avec la garniture annulaire quelles que soient les irrégularités de hauteur de la garniture, le tube se déformant pour épouser ces irrégularités.' 20 3°) Procédé suivant la revendica tion 2, caractérisé en ce qu'on provoque le déplacement de la matière du tube par un formage électromagnétique, un tube et la garniture annulaire qui y est introduite étant montée dans une bobi-^ ne électromagnétique disposée de façon à entourer complètement le 25 tube. 4°) Procédé suivant la revendica- -tion 2, caractérisé en ce qu'on constitue la garniture annulaire d'une feuille de métal mince déformàble ondulée de façon à produire des sommets et des vides alternés, la feuille étant façonnée en 30 une configuration circulaire pour être introduite dans le tube et présenter une surface extérieure destinée à se mettre en contact avec la paroi du tube ainsi qu'une surface intérieure destinée au contact avec le support central, le'déplacement vers l'intérieur de la matière du tube rencontrant la résistance de la matière de la 35 garniturë, la paroi du tube fluant pour s'adapter aux ondulations "qui se trouvent sur la surface extérieure de la garniture. 5°) Procédé suivant la revendication 4s caractérisé en ce que la paroi du tube et le support central présentent dés surfaces parallèles séparées par une certaine 40 distance, la matière de la garniture ayant des surfaces extérieures bad original 70 41829 h 2072108 et intérieures destinées à entrer en contact respectivement avec elles, le déplacement de la matière du tube appliquant la surface intérieure de la garniture sur le support central et déformant la paroi du tube pour qu'elle épouse en s'y adaptant la surface ex-5 térieure de la garniture. 6°) Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'on provoque le déplacement du tube électromagnétique et en même temps sur toute la longueur, chaque partie du tube étant soumise aux formes appliquées, indépendamment 10 de toutes les autres parties. 7°) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on assure le déplacement de la matière du tube au moyen d'une bobine électromagnétique, un assemblage tubulaire comprenant un tube, une garniture tubulaire qui y est 15 introduite et un support central étant contenu entièrement dans la bobine, les éléments de celle-ci étant disposée de façon à entourer d'une façon continue le tube, celui-ci étant essentiellement sans butée rigide à part celle qui est fournie par le support central par l'intermédiaire de la matière de la garniture déformable 20 disposée entre les deux autres éléments. 8°) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel un tube intérieur est disposé centralement dans la garniture annulaire pour lui assurer un support, procédé caractérisé en ce qu'on déforme l'un des tubes 25 pour diminuer l'espace annulaire occupé par la garniture annulaire, et appliquer une force compressive sur cette garniture annulaire, cette déformation consistant en une opération de formage électromagnétique exécutée simultanément sur toute la longueur de la garniture annulaire, et réalisant l'ajustement à la façon d'un gant 30 de la paroi déformée du tube sur la surface de contact de la garniture annulaire, ajustement par lequel le tube se conforme et adopte une configuration qui lui fait épouser les irrégularités de la surface de la garniture. 9°) Procédé suivant la revendica-35 tion 8, caractérisé en ce que la garniture annulaire est constituée d'une feuille ondulée de matière métallique réalisant des canaux adjacents longitudinaux délimités par des sommets et des creux alternés, et reliant des.cloisons formant poutre, ces cloisons occupant essentiellement des positions radiales entre les tubes, ces 40 cloisons étant essentiellement incompressibles lors de la déforma 70 41829 12 2072108 tion du tube, et obligeant celui-ci à s'adapter à la surface de la garniture qu'il rencontre. Î0°) Tube échangeur de chaleur obtenu par application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.