Brevet FR2064211A1 — publié le 19710716

La présente invention est relative aux tubes échangeurs de chaleur du type cannelé on ondulé en vue d'accroître le coefficient de transmission de la chaleuro Plus spécifiquement, la présente invention a trait à un tube échangeur de chaleur perfectionné du 5 "type destiné à accroître la turbulence de l'écoulement du fluide à travers le tube, sans augmenter pour autant la perte de charge. Dans la conception d'un échangeur de chaleur, il est primordial d'obtenir une transmission de chaleur maximale par volume unitaire, tout en maintenant autant que faire se peut une perte de charge 10 minimale. Oes données s'avèrent particulièrement pertinentes dans le cas des évaporateurs du type -tabulaire tels que les évaporateurs instantanés à plusieurs étages utilisés pour le déssalement de l'eau de mer. Dans les tours ou colonnes d'évaporation verticales à tubulure allongée, les critères de pompage ne sont pas d'une 15 importance critique, mais l'obtention d'une transmission de chaleur maximale demeure cependant d'une importance primordiale. l'une des solutions propres à améliorer la transmission de chaleur globale dans les évaporateurs du type tubulaire consiste à augmenter le coefficient de transmission de la chaleur sur les 20 surfaces en contact avec l'eau en ayant recours à des tubes de petit diamètre, en vue d'obtenir une surface relativement grande de transmission de la chaleur par volume unitaire de l'échangeur de chaleur. Il existe cepéndant une limite à la réduction admissible du diamètre des tubes. En outre, bien que l'accroissement de la 25 vitesse de l'eau à l'intérieur du tube concoure h améliorer le coefficient de transmission thermique, les coûts de pompage progressent rapidement en proportion. Enfin, une vitesse élevée soulève également des problèmes du point de vue de la corrosion. Il est bien connu des techniciens en la matière que tout 30 accroissement de la turbulence de l'eau s'écoulant à travers le tube é changeur de chaleur accroît le coefficient de transmission thérmique des surfaces en contact avec l'eau. A cet effet, on a eu recours à divers expédients qui se sont soldés par la mise en oeuvre de tube échangeurs de chaleur dits du type "renforcés". 35 Dans le cas des tubes présentant des surfaces lisses, par exemple, la turbulence peut être accrue en insérant dans les tubes des tresses plates torsadées ou des fils de turbulence enroulés en hélice, mais de tels tubes s'avèrent soit trop chers à fabriquer et à entretenir, soit trop inefficaces en ce qui concerne la perte 40 de charge, ou les deux à la fois. 70 36433 2 2064211 Il a été également proposé d'augmenter la turbulence du fluide à travers la tubulure, et d'améliorer en conséquence le coefficient de transmission thermique, en ménageant de façon classique des ondulations ou cannelures à la surface de ladite tubulure, lesdites 5 ondulations présentant,, en coupe, une configuration symétrique. Ceci revient à dire que dans un tube vu en coupe longitudinale chaque ondulation se trouve uniformément cintrée ou arquée à partir de ses bords latéraux antagonistes, les tubes échangeurs de chaleur du type ondulé et donc renforcé présentent des avantages certains, 10 mais laissent beaucoup à désirer en ce qui concerne l'obtention d'une turbulence maximale doublée d'une perte de charge minimale. la présente invention a pour objet de pourvoir à un tube échangeur de chaleur doté de performances nettement supérieures. la présente invention concerne en conséquence un tube échangeur 15 de chaleur comportant au minimum une cannelure ou ondulation enroulée en spirale tout autour du tube sur une longueur prédéterminée, la surface extérieure dudit tube étant pourvue de parties latérales limitrophes antagonistes qui se trouvent délimitées chacune par une empreinte creuse ou rainure en spirale, ladite' ondulation en 20 spirale, telle que vue dans une coupe longitudinale du tube, faisant saillie radialement à l'extérieur du tube, entre les parties limitrophes antagonistes, et formant une crête ou arête à l'endroit du rayon maximal de la protubérance, étant caractérisé par le fait que ladite crête se trouve décentrée sur une distance appréciable 25 dans le sens de la longueur du tube, à partir d'un plan perpendiculaire à l'axe dudit tube et qui se situe à mi-chemin entre les parties limitrophes antagonistes précitées, ladite ondulation constituant sur la surface intérieure du tube une gorge en spirale correspondante dont le creux maximal se trouve aligné dans le sens 30 radial avec ladite crête, la gorge en question étant égalëment décentrée par rapport audit plan perpendiculaire à l'axe du tube. la demanderesse est arrivée à la conclusion qu'il est possible d'améliorer substantiellement les performances du tube échangeur de chaleur du type ondulé en dotant ce dernier dune ondulation 35 hélicoïdale faisant saillié dans le sens radial à l'extérieur dudit tube jusqu'à une crête ou arête qui, telle que vue dans une coupe longitudinale du tube, se trouve décentrée sur une distance appréciable dans le sens de la longueur du tube à partir d'un plan de référence perpendiculaire à l'axe dudit tube et qui se situe à mi-40 chemin éntre les parties latérales limitrophes antagonistes de 70 36433 3 2064211 l'ondulation. ladite ondulation peut être qualifiée d'assymétrique, formant sur la surface intérieure du tube une gorge hélicoïdale correspondante dont le rayon maximal (autrement dit la partie la plus profonde) se trouve également décentré par rapport au plan 5 de référence susmentionné. Avec un tel mode d'agencement, lorsqu'un fluide s'écoule à travers le tube dans le sens susmentionné, ledit tube engendre une turbulence infiniment supérieure à celle obtenue dans les tubes du type ondulé propres à la technique antérieure, cependant que la résistance à l'écoulement ou autrement dit la perte 10 de charge ne s'en trouve pas significativement accrue. Dans un mode de réalisation préférentiel, le tube échangeur de chaleur du type original faisant l'objet de la présente invention est pourvu de plusieurs ondulations s'enroulant en hélice autour du tube selon une disposition côte à côte, leurs crêtes ou 15 arêtes respectives ainsi que les rayons maximums de leurs gorges étant décentrés dans une direction identique, ainsi qu'il a été décrit précédemment. Le tube est également pourvu de préférence de plats cylindriques lisses à ses extrémités opposées, de telle façon que ces dernières puissent être rendues effectivement étanches 20 dans l'échangeur de chaleur, un plat identique pouvant être installé dans la partie intermédiaire, entre les extrémités du tube, afin d'assurer une étanchéité effective avec un déflecteur situé entre deux étages de l1 échangeur de chaleur. Le tube échangeur de chaleur du type original faisant l'objet 25 de la présente invention convient également fort bien pour les évaporateurs tubulaires verticaux à films tombants du type à effet composite et dans lesquels une mince couche ou film du liquide devant être évaporé descend le long de la surface interne de chaque tube, à chaque étage étant réchauffé en condensant la vapeur émanant 30 d'un autre étage à la surface extérieure du tube. Dans le cas en question, la crête de la protubérance externe de chaque ondulation hélicoïdale et le creux maximal de la gorge interne correspondante se trouvent décentrés par rapport au plan de référence susmentionné perpendiculaire à l'axe du tube, et centrés entre les parties 35 latérales limitrophes antagonistes de l'ondulation. Le tube offre de la sorte tous les avantages propres au tube ondulé de la technique antérieure, cependant qu'il augmente grandement la turbulence sans pour autant accroître exagérément la perte de charge. Il appert clairement de la description qui précède que si 40 l'écoulement du fluide à travers le tube ondulé de configuration 70 36433 4 2064211 assymétrique s'effectue dans le sens opposé à celui du décentrement précité vis-à-vis du plan de référence, le phénomène de turbulence se trouve réduit en comparaison d'un tube ondulé selon la technique antérieure, le tube échangeur de chaleur faisant l'objet de la 5 présente invention a en conséquence pour avantage supplémentaire d'être indifféremment adapté pour l'accroissement ou l'atténuation de la turbulence de l'écoulement du fluide, en fonction du sens imprimé à l'écoulement dudit fluide à travers le tube. la présente invention sera maintenant décrite de façon plus 10 détaillée en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la fig. 1 représente une vue en élévation, avec arrachement partiel, d'un mode de réalisation du tube échangeur de chaleur de la présente invention j la fig. 2 est une vue en coupe verticale d'une partie d'un 15 échangeur de chaleur équipé du tube original de la présente invention ; la fig. 2A est une vue partielle en coupe, à une échelle agrandie, d'une partie de la paroi du tube illustré sur les fig. 1 et 2, un fragment de la paroi d'un tube de configuration normale 20 étant indiqué par les traits en pointillés aux fins de comparaison; la fig. 3 est une vue en élévation d'un tube réalisé conformément à la présente invention, lequel est pourvu de plats lisses ou unis destinés à assurer 1'étanchéité. En référence tout d'abord à la fig. 1, le tube 10 est constitué 25 Par plusieurs ondulations ou cannelures 11 entourant côte à côte le tube de façon hélicoïdale, les parties latérales limitrophes antagonistes 12 de chaque ondulation se trouvent délimitées par des rainures respectives ménagées à la surface extérieure du tube, lesquelles s'enroulent continûment en spirale sur une longueur 30 prédéterminée dudit tube. Chaque ondulation 11 fait saillie dans le sens radial à l'extérieur du tube, formant une gorge hélicoïdale correspondante lia à la surface intérieure du tube. Ainsi qu'on peut le voir sur la fig. 2A, de même que dans la partie inférieure de la fig. 1 qui représente une coupe longitudi-35 nale du tube, chaque ondulation hélicoïdale s'étend extérieurement dans le sens radial à partir de ses parties latérales limitrophes antagonistes jusqu'à une crête ou arête 13 qui est disposée sur un rayon maximal par rapport à l'axe A du tube, ladite crête 13 se trouve alignée dans le sens radial avec le creux maximal de la gorge 40 intérieure correspondante 11A, étant par ailleurs décentrée sur une 70 36433 5 2064211 distance significative dans le sens de la longueur du tube par rapport à un plan de référence M qui est perpendiculaire à l'axe du tube et qui se situe à mi-chemin entre les parties latérales limitrophes antagonistes 12. Dans le tube tel qu'illustré sur la fig. 1, 5 le décentrement de chaque crête 13» en comparaison de celui de la crête 13A (voir fig. 2A) d'un tube ondulé en spirale selon la technique antérieure, se produit vers le bas, par rapport au plan médian correspondant M. Grâce à ce mode d'agencement et en supposant qu'un liquide 10 soit amené à s'écouler à travers le tube 10 dans le sens du décentrement des crêtes 13 par rapport aux plans médians correspondants M, à savoir vers le bas, le tube imprime une plus grande turbulence sur un tel mode d'écoulement que dans le cas où les ondulations présentent une section symétrique, ainsi qu'il en va pour le 15 tube ondulé propre à la technique antérieure. Plus spécifiquement, chaque ondulation 11, telle que vue en coupe, présente une configuration assymétrique qui est susceptible d'accroître ou d'atténuer la turbulence de l'écoulement à travers le tube, en fonction du sens imprimé à l'écoulement, et ce sans modifier de façon signi- -20 ficative la résistance opposée à l'écoulement. En référence maintenant à la fig. 2, la tube 10 est représenté tel que monté verticalement dans un évaporateur à un seul étage dit du type à film tombant et à action multiple ou composite tel qu'utilisé pour le dessalement de l'eau de mer. La saumure 25 en provenance d'un poste de traitement précédent (non représenté) est déchargée dans une bâche 15 entourant le tube 10 à son extrémité supérieure, se déversant ensuite dans un réservoir de distribution angulaire 16 ménagé dans le tube. A partir dudit réservoir 16, la saumure descend sous la forme d'une mince couche ou film tombant 17 30 le long de la surface interne du tube, cependant qu'un flux de vapeurs engendrées lors de la phase de traitement précédente et n'ayant en conséquence qu'un, taux de salinité relativement faible) se trouve introduit en même temps par le haut du tube 10, à l'intérieur du réservoir de distribution 16, s'écoulant vers le bas tout 35 en,étant enveloppé par le film tombant 17 de saumure, ainsi qu'il est représenté par les flèches sur la fig. 2. Le tube 10 se trouve réchauffé extérieurement par la vapeur engendrée au cours de la phase de traitement précédente et qui est recueillie dans une chambre 18 entourant ledit tube. Ladite vapeur se condense à la surface exté-40 rieure du tube, réchauffant en conséquence le film tombant. 17 en 70 36433 6 2064211 vue de procéder à 1'évaporation de l'eau qu'il contient, les vapeurs ainsi engendrées se mélangent aux vapeurs descendant à l'intérieur du film tombant 17, étant dirigées a partir du fond du tube 10 vers la phase ou poste de traitement suivant (non représenté). 5 C'est ainsi que lorsque le film tombant 17 de saumure descend le long de la surface intérieure à gorge ou cannelure hélicoïdale i du tube 10, la concentration de sa teneur en sel augmente en raison du phénomène d'évaporation. D'autre part, les vapeurs évacuées dans le fond du tube 10 sont relativement exemptes de 10 toute teneur en sel. Ainsi qu'on peut le remarquer sur la fig. 2, l'arête ou crête 13 de chaque ondulation du tube 10 (et par suite la profondeur maximale de la gorge interne correspondante 11A) se trouve décentrée vers le bas par rapport au plan médian correspondant M entre les 15 parties latérales limitrophes antagonistes de l'ondulation (voir fig. 1). II. en résulte que le film 17 s'écoulant vers le bas se trouve soumis à une.turbulence considérablement accrue, renforçant de la sorte le réchauffement du film ainsi que l'effet évaporatif. 20 le tube 10 se trouve représenté sur la fig. 3 avec des plats lisses à ses extrémités respectives, un autre plat lisse 21 interrompant par ailleurs partiellement les ondulations hélicoïdales 11. les plats 20 permettent de mandriner les extrémités du tube dans les plaques tubulaires propres à 1'échangeur de chaleur, cependant 25 que le plat intermédiaire 21 permet d'obtenir une étanchéité efficace vis-à-vis des déflecteurs inter-étages d'une installation à plusiéurs étages et à action instantanée. les tubes échangeurs de chaleur renforcés conformes à la Présente invention peuvent être réalisés dans n'importe quel type 30 de métal ferreux ou non ferreux de nature ductile, bien qu'il soit préférable d'utiliser les métaux à base de cuivre qui présentent une conductibilité thermique élevée, le diamètre extérieur des tubes peut aller approximativement de 12 à 60 mm, le nombre des ondulations hélicoïdales 11 sur chaque tube étant par ailleurs 35 variable. C'est ainsi par exemple que le tube peut comporter une seule ondulation hélicoïdale 11, ou jusqu'à 36 ondulations hélicoïdales sur les tubes de grand diamètre. En outre, l'on peut également modifier la profondeur ainsi que le pas de chaque ondulation en fonction des conditions requises dans chaque cas d'espèce. 40 Dans le cas des évaporateurs dits "à plusieurs étages et à 70 36433 7 2064211 action instantanée", l'amélioration de la transmission de chaleur dans les tubes est obtenue par une turbulence accrue de l'écoulement du fluide à l'intérieur dudit tube, ainsi que par une condensation améliorée sous forme de film sur leurs surfaces extérieures. 5 Lorsque les tubes faisant l'objet de la présente invention sont utilisés dans des évaporateurs du type "à tubulure verticale allongée" ou du type "à film tombant et à action multiple du composite" la transmission de chaleur se trouve augmentée en raison de la Présence de gradients de température latérale à la surface courbe 10 irrégulière ménagée par les gorges ou rainures hélicoïdales assy-métriques, le fluide étant amené à s'écouler de préférence dans lesdites gorges et à se diluer à l'endroit où se produit l'essentiel du phénomène de condensation. C'est ainsi que le tube échangeur de chaleur de la présente invention présente un coefficient 15 de transmission de la chaleur qui est une fois et demi à deux fois et demi supérieur à celui du tube rond et lisse constitué dans un métal identique et présentant des dimensions nominales d'ensemble également identiques. Le tube échangeur de chaleur faisant l'objet de la présente 20 invention peut être réalisé en soumettant un tube rond et lisse à une opération d'usinage grâce à laquelle la configuration décentrée ou assymétrique précédemment décrite se trouve obtenue par tout moyen approprié, en utilisant par exemple un outil correspondant de conformation cannelée. Toutefois, il est préférable que ledit 25 tube soit cannelé ou ondulé dans une machine du type dans laquelle le tube est amené à avancer à travers une tête rotative, tout en étant enserré ou attaqué par le pourtour de un ou plusieurs rouleaux ou molettes de façonnage d'ondulation supportés par ladite tête, mais dans laquelle la position angulaire desdits rouleaux soit 30 telle qu'elle se trouve décentrée par rapport au parcours hélicoïdal théorique déterminé par la vitesse d'avancement du tube en fonction de' la vitesse de rotation de ladite tête. Le décentrement en question entraîne une action de frottement ou d'usure par l'intermédiaire des rouleaux, permettant ainsi d'obtenir des ondulations 35 présentant des arêtes ou crêtes décentrées, ainsi qu'il a été décrit précédemment. En référence à la fig. 2, laquelle illustre la mise en oeuvre du tube échangeur de chaleur de la présente invention dans un éva-porateur du type à film tombant et à action multiple ou composite, 40 ce dernier ne se trouve que très partiellement et brièvement décrit 70 36433 8 2064211 du fait qu'il est bien connu dans la technique, ainsi qu'il appert, par exemple, dans l'article intitulé "Progrès relatifs aux installations tubulaires verticales pour la distillation de l'eau de mer" rédigé par M. David D. Kays de la Stearns-Roger Corporation de Denver, Colorado, Etats-Unis d'Amérique, pour le Symposium sur l'énergie hydraulique de la Côte Ouest, tenu les 8 et 9 Avril 1968 à Los-Aîigelès, Etats-Unis d'Amérique. 70 36433 9 20642V1 - REVENDICATIONS - 1.- Tube échangeur de chaleur comportant un nombre égal ou supérieur à une ondulation s'enroulant en spirale sur une longueur prédéterminée dudit tube, ladite ondulation étant pourvue de 5 parties latérales limitrophes antagonistes délimitées chacune par une rainure ou gorge hélicoïdale ménagée à la surface extérieure dudit tube, ladite ondulation hélicoïdale, telle que vue dans une coupe longitudinale dudit tube, faisant saillie extérieurement dans le sens radial par rapport audit tube entre lesdites parties 10 latérales limitrophes antagonistes et comportant en outre une arête ou crête sur le rayon maximal de la protubérance y afférente, caractérisé par le fait que ladite crête se trouve décentrée sur une distance donnée dans le sens de la longueur dudit tube par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe dudit tube, à mi-chemin 15 entre lesdites parties latérales limitrophes antagonistes, l'ondulation précitée formant sur la surface intérieure ou interne du tube une gorge hélicoïdale correspondante dont le creux ou profondeur maximal se trouve aligné dans le sens radial avec la crête précitée et étant par ailleurs décentrée de façon identique par 20 rapport audit plan perpendiculaire à l'axe du tube. 2.- Tube échangeur de chaleur, suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite ondulation hélicoïdale se trouve cintrée ou cambrée vers l'extérieur à partir desdites parties latérales limitrophes antagonistes par rapport à la crête précitée. 25 3.- Tube échangeur de chaleur, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une ou plusieurs ondulations supplémentaires, lesdites ondulations étant disposées côte à côte en spirale. 4.- Tube échangeur de chaleur, suivant l'une quelconque des 30 revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube comporte un plat lisse de configuration cylindrique disposé de façon adjacante à chacune des extrémités de ladite section le long de laquelle s'enroule en spirale ladite ondulation. 5.- Echangeur de chaleur, suivant l'une quelconque des reven-35 dications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube comporte une deuxième section le long de laquelle s'enroule en spirale ladite ondulation, ledit tube étant également pourvu d'un plat lisse ie configuration cylindrique entre les longueurs ou sections précitées. 40 6.- Tube échangeur de chaleur, suivant l'une quelconque des 70 56433 10 2064211 revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube comporte également.à chacune de ses extrémités un plat lisse de c onfigorat i on cylindri que. 7.- Tube échangeur de chaleur, suivant l'une quelconque des 5 revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte des dispositifs destinés à diriger un liquide devant être évaporé dans ledit tube, en vue de permettre son écoulement dans le sens précité. 8.- Tube échangeur de chaleur, suivant l'une quelconque des 10 revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube s'étend dans le sens vertical, la crête et la profondeur ou creux maximal précités étant décentrés vers le bas à partir dudit plan'perpendiculaire à l'axe du tube, lesdits dispositifs destinés à diriger le liquide comportant des dispositifs aptes à distribuer 15 ledit liquide en vue de l'amener à descendre sous la forme d'une couche ou film le long de la surface intérieure dudit tube *