Brevet FR2138417A1 — publié le 19730105

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques à ailettes et son procédé de fabrication. Dans la fabrication des échangeurs de chaleur, on cherche à mettre au point des dispositifs moins motteux et possédant un rendement plus élevé. Le perfectionnement des échangeurs de chaleur classiques à tubes lisses est limité tandis que les échangeurs de chaleur à ailettes se prêtent à une grande diversité de formes. On sait que dans les échangeurs de chaleur à ailettes, les ailettes sont appliquées sur le coAté où se trouve l'agent ayant le coefficient de transfert de chaleur le plus faible et que l'agent ayant le coefficient de transfert de chaleur le plus élevé circule à travers les tubes. De nombreuses variantes de tubes à ailettes sont connues, comme, par exemple, les structures à ailettes manchonnées à ailettes filiformes, à ailettes en forme de plaques et à micro-ailettes. Pour toutes ces structures, une liaison assurant une bonne conductibilité thermique entre les ailettes et les tubes est essentielle. Un autre point important réside dans le fait que la résistance à l'écoulement des ailettes doit être faible, de façon que l'on obtienne un bon coefficient de transfert de chaleur avec un fonctionnement relativement faible de la soufflante. Pour assurer des liaisons présentant une conductibilité thermique élevée, on réalise le tube et l'ailette de préférence avec la même matière et on les fixe l'un à l'autre par brasage ou soudage. Dans lune des applications importantes des échan geurs de chaleur à ailettes, notamment dans les techniques faisant appel à l'air, les techniques de refroidissement, les tours de refroidissement, etc.., les structures réalisées en un métal léger, particulièrement l'aluminium, se sont révélées être les plus économiques en raison de la bonne conductibilité thermique, du poids spécifique faible et de la résistance à la corrosion de ce métal. Toutefois, avec l'aluminium, on ne peut pas utiliser des techniques de brasage et de soudage classiques pour des considérations technologiques ou économiques. C'est la raison pour laquelle divers procédés d'emboutissage et d'estampage ou découpage à la presse ont pris de l'importance. L'un des procédés les plus répandus consiste à appliquer des pièces cintrées analogues à des bagues sur les ailettes en forme de plaque de l'échangeur de chaleur, les ailettes étant assemblées au tube et ce dernier étant soumis à une dilatation à partir de l'intérieur. Dans une autre solution, on obtient des liaisons de haute conductibilité thermique entre le tube à paroi mince et l'ailette de faible épaisseur par l'application de bagues-entretoises entre les ailettes, ces bagues étant fixées aux ailettes ou aux tubes par un emboutissage axial et par l'augmentation du diamètre des tubes.Ce dernier procédé, bien qu'ayant permis d'obtenir un contact parfait métal-métal présente de sérieux inconvénients, à savoir : les bagues-entretoises augmentent le prix de la structure et l'ensemble des bagues rend difficile la réalisation de tubes à ailettes, accroît le temps nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication et augmente le prix de revient. Pour réduire le prix de revient des échangeurs de chaleur à ailettes, il faut que les ailettes et les tubes aient une épaisseur relativement faible. Il va de soi que l'épaisseur des éléments constitutifs ne peut pas être réduite en dessous d'une certaine limite qui est déterminée par des données technologiques, la résistance mécanique et la nécessité d'une conduction thermique. Dans le type le plus répandu de liaison où une bague ou collet est formée sur l'ailette on ne peut pas obtenir la rigidité requise en dessous d'une certaine épaisseur du matériau et le contact entre le tube et l'ailette devient médiocre. Pour cette raison, le coefficient de transfert de chaleur se trouve réduit de 15 à 20 % par rapport à celui existant dans le cas d'un contact parfait.La diminution de l'épaisseur du matériau constituant les plaques à ailettes est limitée par le nombre des éléments engendrant une turbulence, lesquels en dessous d'une certaine épaisseur du matériau, ne peuvent pas répondre aux exigences de résistance mécanique. Avec une plaque à ailettes très fine, de quelques dixièmes de millimètre, on peut tout juste obtenir la résistance mécanique requise, si toutefois on l'obtient. Les éléments engendrant de la turbulence, les petites ailettes, etc.., réalisés en un tel matériau mince risquent d'être endommagés. La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et la réalisation d'un échangeur de chaleur qui présente une conduction thermique adéquate entre tubes et ailettes, mme avec des plaques à ailettes minces et, qui a, en outre, une résistance mécanique appropriée. Dans la présente invention, on renforce le matériau de la plaque elle-même aux jonctions des plaques à ailettes et aux éléments engendrant de la turbulence. Des collets ou manchons sont constitués aux points de contact des tubes et des plaques et sont renforcés par le matériau de la plaque luimême. Les ailettes comportent des renforcements constitués par leur propre matériau. Dans l'un des modes de réalisation préférés de l'invention on réalise le collet ou manchon en refoulant le matériau à la presse et augmentant l'épaisseur de sa paroi en rabattant son bord sur 0 à 1800. On obtient les collets ou manchons de jonction de l'échangeur de chaleur conforme à la présente invention par un matriçage ou emboutissage de la plaque en plusieurs étapes, un découpage à la presse et finalement, le rabattement de son bord ou un refoulement. L'échangeur de chaleur conforme à la présente invention répond à toutes les exigences d'économie, de résistance mécanique statique et de bilan de puissance, cela tout en assurant une conductibilité thermique et une résistance mécanique appropriées, cet échangeur de chaleur pouvant être réalisé au moyen de plaques à ailettes considérablement plus minces que celles fabriquées jusqu a présent. On va maintenant décrire de façon plus détaillée la présente invention en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe fragmentaire d'un premier mode de réalisation d'un collet conforme à la présente invention la figure 2 représente une façon de renforcer le collet de la figure 1 la figure 3 illustre un collet renforcé par refoulement de son propre matériau les figures 4 à 10 illustrent diverses phases de la fabrication des collets les figures 11 à 15 montrent divers modes de réalisation d'ailettes d'échangeur de chaleur conformes à la présente invention les figures 16 à 18 illustrent diverses phases de fabrication des ailettes la figure 19 est une vue en coupe fragmentaire d'un premier mode de réalisation d'échangeur de chaleur conforme à la présente invention les figures 20 à 22 montrent d'autres exemples de l'invention. La figure 1 montre un collet classique 2 que l'on a renforcé en rabattant sur lui-même , vers l'arrière, son bord, comme représenté sur la figure à gauche de l'axe du collet. Le c8té droit de la figure montre un renforcement par pliage du bord vers l'extérieur comme représenté en 3. Un rabattement ou un pliage du bord assurent, en outre, l'espacement des ailettes. Sur la figure 2, en raison du rabattement du rebord 4, le collet a deux fois l'épaisseur de la plaque à aillettes 1 elle-m#me. On obtient de la meilleure façon des bagues-entretoises et des bagues de jonction ayant une efficacité remarquable, comme mentionné ci-dessus, en utilisant la solution représentée sur la figure 3 où, pour une meilleure compréhension, on a modifié quelque peu l'échelle. Ici, on obtient le collet ou "bague" 5 réalisé dans une plaque à ailettes d'épaisseur 6 (par exemple 0,3 mm) en refoulant la matière de fa çon telle que la paroi du collet 5 ait une épaisseur 7 supérieure à celle de la plaque non façonnée (par exemple 0,6 mm). La hauteur 8 du collet terminé (par exemple 1,8 mm) dépend de la technique de pressage et du matériau utilisé pour le pressage. En étirant la partie du matériau entourant le collet, on peut obtenir, toutefois, une "bague" ou collet de plus grande hauteur avec seulement un léger amincissement de la plaque adjacente. Dans le procédé de fabrication conforme à la présente invention, on peut procéder à la fabrication du collet rigide en plusieurs opérations de matriçage ou emboutissage, comme représenté sur les figures 4 à 7. Dans la première opération (figure 4) 11 emboutissage débute sur une surface d'un diamètre 9 plus grand que désiré par un léger refoulement de la matière de la plaque 10. A mesure que les opérations suivantes ont lieu, le diamètre du collet diminue tandis que sa hauteur (11, 12,13) augmente progressivement (voir figures 5 à 7). L'opération représentée sur la figure 8 est le découpage de la feuille ayant la forme représentée sur la figure 7 et le formage du collet droit 14. Sur la figure 9, à gauche, le collet a été renforcé par un pliage, par exemple à 90 , du collet 14 comme en 3, ou par rabattement du collet 14 sur lui-m#me, c'est-à-dire un rabattement de 1800, comme représenté en 2 sur le côté droit de la figure. Cette dernière opération peut être effectuée suivant la variante représentée sur la figure 10, à savoir par refoulement du collet 14, comme représenté en traits interrompus sur la figure 10, de manière qu'il prenne la forme 5 représentée en trait plein.De ce fait, on peut obtenir un collet de grande rigidité et dont la surface intérieure est parallèle à la génératrice du tube, de sorte qu'il se trouve en contact avec le tube sur une grande surface. Cette surface de contact importante et de grande précision garantit une conduction thermique parfaite entre le tube et l'ailette. Dans certains cas, le collet remplit le rôle supplémentaire d'une entretoise ou élément d'espacement entre les ailettes en raison du fait que le bord supérieur de la section formant bague porte contre la plaque qui la précède. Si un espacement plus grand que la hauteur du collet formant bague était nécessaire, les distances séparant les plaques pourraient être déterminées au moyen de pattes ou saillies formées à partir du matériau constituant les ailettes. Le façonnage des ailettes est représenté sur les figures 11 à 16. On obtient essentiellement la perturbation de la couche limite qui réduit la transmission de chaleur au moyen de l'agencement de micro-ailettes déjà connu, mais les ailettes sont renforcées par des renforts réalisés en leur propre matière. Conformément au mode de réalisation de la figure 11, les ailettes sont repliées sur elles-memes complètement, c'est-à-dire de 1800, de façon que leur épaisseur soit le double de l'épaisseur initiale de la plaque.Outre l'avantage que les micro-ailettes sont plus solides, cet agencement présente l'avantage supplémentaire que la partie la plus sensible de la plaque à ailettes, c'est-à-dire le bord avant par rapport au champ d'écoulement de l'air, est arrondi et renforcé Le concept inventif de la présente invention illustré sur la figure 12 réside dans le fait que la section droite des ailettes obtenues par pliage à la presse du matériau sur lui-mtme a un profil aérodynamique. Les profils peuvent être formés de manière à faire divers angles par rapport à la direction d'écoulement. Sur la figure 12, l'axe de l'ailette a est parallèle à l'écoulement. L'ailette b fait un certain angle par rapport à la direction d'écoulement. La position de l'axe rend possible une augmentation d'écoulement à l'endroit de cette ailette.L'ailette c fait, de la même façon, un certain angle par rapport à l'écoulement ; ici l'écoulement de l'air est dirigé vers le bas. les ailettes agencées de cette façon, suivant des angles différents, permettent d'obtenir un écoulement d'air le long d'une ligne ondulée. La création d'une couche limite laminaire se trouve gênée et l'air est soumis à un mélange intensif. Dans une variante, la couche limite peut être fractionnée par des ailettes coudées analogues à des pattes comme représenté sur les figures 13 à 15, ces ailettes étant munies de rebords de renforcement. On peut réaliser certaines des pattes en leur donnant une hauteur suffisante pour assurer l'espacement des plaques. Les pattes peuvent Aetre découpées à la presse de façon telle que certaines soient parallèles à la direction de l'écoulement de l'air tandis qu'une patte sur deux est inclinée par rapport à cette direction. Le procédé de fabrication d'ailettes conforme à la présente invention comprend les opérations représentées sur les figures 13 à 18. Dans la première opération (figure 16), les ailettes sont ébauchées. Ensuite, on les coude (figure 17) et on plie leur bord suivant la forme désirée (figure 18). La fabrication de l'échangeur de chaleur exécuté à la presse conformément à la présente invention peut avoir lieu en plusieurs opérations, comme mentionné ci-dessus, ou bien les opérations peuvent être combinées de façon appropriée. En premier lieu, on réalise les ailettes et, au cours d'une des phases du procédé, on ébauche et on comprime les bagues analogues à des collets. La seconde opération consiste à fabriquer les micro-ailettes ou nervures servant à l'obtention de la turbulence. Ces opérations peuvent comprendre plusieurs phases à la fois, grâce à l'utilisation d'une matrice de formage à plusieurs étages. Ensuite, les plaques à ailettes sont assem- blees sur les tubes et sont comprimées dans le sens axial, conformément à la hauteur globale des collets, et on fixe les plaques à ailettes au tube en augmentant le diamètre de ce dernier. La figure 19 montreuse des sections verticales d'un échangeur de chaleur réalisé avec des ailettes du type décrit ci-dessus. Dans l'agencement illustré sur la figure 19, des plaques à ailettes de configuration identique ont été assemblées sur les tubes de l'échangeur de chaleur. Les éléments analogues à des collets ou saillies d'espacement portent contre les plaques à ailettes les précédant. Dans l'agencement de la figure 20, chaque deuxième plaque est décalée d'un certain intervalle. On peut obtenir cet agencement en façonnant les collets à différents endroits sur les plaques. Deux types d'ailettes sont nécessaires. Avec celles référencées a, la jonction au tube couvre, par exemple, deux intervalles tandis qu'avec celles référencées b, la jonction couvre un seul intervalle à partir du bord de l'ailette. Du fait que les plaques de conceptions différentes sont assemblées sur le tube, elles donnent une disposition d'ailettes en quinconce avantageuse , une partie non découpée se trouvant sous une section découpée. On peut obtenir des agencements de micro-ailettes décalées suivant une variante représentée sur la figure 21 où des micro-ailettes sont formées par façonnage à la presse du matériau de l'ailette lui-m#me, la rigidité de l'ailette étant alors assurée par le pliage de l'ailette. Ce dernier procédé de fabrication quelque peu compliqué présente l'avantage qu'un seul type de plaque à ailettes et de collet est nécessaire. On obtient alors une disposition étagée des ailettes lorsque les plaques sont assemblées sur le tube. La figure 22 montre une variante possible de lfa- gencement d'ailettes coudée vers l'extérieur à la façon de pattes où les ailettes, en plus d'engendrer une turbulence, entrahnmF également une agitation de l'air, tandis que les diverses combinaisons d'ailettes dévient l'air dans la direction désirée. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à plaques à ailettes comp#r#enant plusieurs tubes, un empilage de plaques à ailettes traversées par lesdits tubes et perpendiculaires à ces tubes, les plaques comportant des collets détendant à partir des plaques et entourant les tubes en étant en contact de transfert de chaleur avec ces tubes, au moins une partie des collets ayant une épaisseur sensiblement plus grande que celle des plaques. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le bord des collets est rabattu suivant un angle de 900 à 1800. 3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les ailettes des plaques sont coudées d'environ 900 par rapport au plan de la plaque. 4. Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les ailettes sont parallèles à la direction d'écoulement de l'air. 5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les ailettes font un angle avec la direction d'écoulement de l'air. 6. Echanbeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les ailettes sont pliées s suivant un angle d'environ 1800, c'est-à-dire rabattues sur elle s-m#me s. 7. Echangeur.# de chaleur suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les ailettes rabattues sur ellesmêmes font, par rapport à la direction de l'écoulement de l'air, des angles aigus dans des directions alternées. 8. Procédé de fabrication d'échangeurs de chaleur du type dans lequel plusieurs tubes pénètrent dans un empilage de plaques à ailettes perpendiculaires à ces tubes, ce procédé consistant : à former par emboutissage et découpage à la presse des collets sur les plaques en plusieurs étapes, à augmenter l'épaisseur d'au moins une partie des collets par rapport au reste de la plaque puis à ajuster les collets autour des tubes. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que l'on augmente l'épaisseur des collets en rabattant leur bord suivant un angle de 90 à 1800. 10. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que l'on augmente l'épaisseur des collets en les refoulant à la presse.