Brevet FR2110167A1 — publié le 19720602

L'invention est relative à un tube d'échangeur de chaleur pour de l'eau ou des milieux à propriétés de transfert calorifique analogues à celles de l'eau, en particulier pour des dispositifs de chauffage à circulation destinés à chauffer l'eau de consommation à l'aide de l'eau du chauffage, lequel tube est réalisé en un métal ou un alliage de métal d'une conductibilité thermique allant jusqu'à environ 100 kcal/mh C et est muni extérieurement de nervures hélicoïdales produites de préférence par laminage, la hauteur maximale de ces nervures étant au plus de 4,5mm et leur épaisseur au plus de 0,5 mm tandis que leur espacement est de l'ordre de 2 mm. On sait universellement que les tubes d'échangeurs de chaleur, qui sont munis de nervures, sont en général essentiellement plus avantageux pour la transmission calorifique d'un milieu à un autre que les tubes simples dépourvus de nervures. A l'aide de tubes d'échangeurs de chaleur munis de nervures, on peut surtout rapprocher les unes des autres et même égaliser les conditions de transmissions calorifiques différentes existant dans les milieux participant à l'échange calorifique.Par exemple dans un dispositif de chauffage à circulation servant à échauffer l'eau de consommation à l'aide de liteau du chauffage, auquel l'invention se rapporte en premier lieu, quoique non exclusivement,l'eau de consommation circule en général avec une vitesse d'environ 1à2,5 m/s à travers le système de tubes d'échangeurs de chaleur, tandis que l'eau de chauffage qui lèche la surface extérieure des tubes circule en convection libre, c'est-à-dire à une vitesse d'écoulement, essentiellement inférieure, de, par exemple,O,l m/s. Cette très grande différence des vitesses d'écoulement de l'eau de consommation etdel'eau de chauffage entraîne naturellement des différences de conditions de transmission calorifique correspondantes. Du côté où la transmission calorifique est la moins bonne, dans l'exemple précité sur la surface extérieure du tube d'échangeur thermique le long de laquelle s'écoule l'eau de chauffage à plus faible vitesse, il est prévu un système de nervures, pour augmenter en cet emplacement la surface extérieure, par laquelle s'effectue la transmission calorifique, du tube d'échangeur de chaleur et pour compenser par cette augmentation de surface la transmission calorifique plus mauvaise en raison de la plus faible vitesse d'écoulement du milieu.En principe il en va de même aussi lorsqu'on fait passer de l'eau de chauffage à une vitesse déterminée, relativement élevée, à l'intérieur du tube, tandis que l'eau de consommation s'échauffe le long de la surface extérieure du tube et ne présente qu'une vitesse d'écoulement relativement faible. On a affaire aussi à des conditions correspondantes dans d'autres appareils, par exemple les chaudières, lorsque les vitesses d'écoulement des milieux participant à lté- change calorifique sont très différentes. En outre, on peut obtenir également de cette manière une amélioration de la transmission calorifique, lorsque les différences de conditions de transmission calorifique sont dues à la différence de nature des fluides participant à échange calorifique. Les nervures d'échangeurs de chaleur sont ménagées de manièrestrès diverses sur les tubes en constituant le coeur. On sait par exemple déjà munir des tubes d'échangeurs de chaleur,par laminage, de nervures hélicoïdales. De tels tubes d'échangeurs calorifiques se distinguent par le fait qu'ils présentent une liaison de conduction calorifique impeccable entre le tube constituant le coeur et les nervures, qu'on peut les courber d'une manière impeccable et qu'ils permettent une fabrication économique. On peut donner à l'augmentation, recherchée pour améliorer les conditions de transmission calorifique à l'aide de nervures d'échangeurs de chaleur, des surfaces par lesquelles s'effectuent les échanges calorifiques, des valeurs très différentes en faisant varier la hauteur des nervures, leur épaisseur et leur espacement. Dans les tubes d'échangeurs de chaleur, qui seront considérés ici, obtenues par laminage, à partir de matériaux métalliques, qui présentent une conductibilité thermique inférieure à celle du cuivre, à savoir allant jusqu'à environ 100 kcal/mh C on a adopté jusqu'à présent des hauteurs de nervures d'environ 3,5 à 4,5 mm, des épaisseurs de nervures d'environ 0,5 mm avec un espacement de nervures de 2,1 à 2,3 mm.Les matériaux susceptibles de constituer ces tubes d'échangeurs de chaleur connus sont principalement des alliages cuivre-nickel, des aciers au chrome-nickel, des alliages cuivre-aluminium, des bronzes d'étain et des alliages analogues qui présentent une conductibilité calorifique allant jusqu'à 100 kcal/mh C environ. Ces matériaux,comparés au cuivre sont bien relativement mauvais conducteurs, mais lui sont cependant préférables pour des raisons de corrosion. Les tubes d'échangeur de chaleur connus, de dimensions précitées, réalisés en un métal ou un alliage métallique présentant une conductibilité thermique allant jusqu'à environ 100 kcal/mheC, présentent l'inconvénient essentiel de n'utiliser que dans une faible mesure le matériau, relativement à la transmission calorifique. Ceci signifie que dans les tubes d'échangeurs de chaleur connus de ce genre, on utilise essentiellement plus de matériau pour la fabrication des nervures qu'il n'est matériellement nécessaire pour obtenir une puissance de transmission calorifique égale. Cet inconvénient a tout d'abord pour conséquence que les tubes sont considérablement plus lourds qu'il n'est réellement nécessaire. D'autre part, les dimensions extérieures des tubes d'échangeurs de chaleur connus sont particulièrement grands de sorte que leur encombrement est également important 1 en résulte que les dimensions des appareils, dans lesquels sont utilisés ces tubes d'échangeurs de chaleur, sont supérieures - celles qui seraient strictement nécessaires. Dans ces conditions l'encombrement des appareils dans lesquels sont montés de tels tubes d'échangeurs de chaleur, est aussi considérablement plu grand, ce qui affecte défavorablement les possibilités d'installations de tels appareils.En outre la fabrication des tubes d'échangeurs de chaleur connus exige une consommation de matériau beaucoup trop grande, qui est loin d'être utilisée de manière optimale et qui pourrait de ce fait,être économisée. Les tubes d'échangeurs de chaleur connus, obtenus par laminage ne sont donc pas économiques déjà rien que par leur poids, leur encombrement et leur consommation de matériau. Ces inconvénients résultent de ce que surtout la hauteur des nervures, mais aussi leur épaisseur, sont trop grandes, dans les tubes d'échangeurs de chaleur connus et que cela entraine la mise en oeuvre de plus grandes quantités de matériau qu'il ne serait absolument nécessaire pour transmettre la même quantité de chaleur et pour obtenir la rigidité mécanique indispensable. La trop grande hauteur des nervures surtout, mais aussi la trop grande épaisseur des nervures conduisent à des difficultés considérables pour la fabrication des tubes d'échangeurs de chaleur laminés du mode de construction connu, ce qui entraîne un pourcentage de déchets relativement élevé. Ainsi, au cours par exemple du processus de laminage il se produit facilement des déchirures des tubes, du fait que ceux-ci sont soumis au cours du processus de laminage à des contraintes mécaniques considérables. D'autre part, lorsque la hauteur des nervures augmente, le matériau est aussi soumis, dans la région des arêtes extérieures des nervures, à des contraintes qui vont en augmentant avec leur hauteur, de sorte qu'en cet endroit il se produit un effet d'entaille important qui entraîne fréquemment des fissures dans les régions extérieures des nervures.Par suite de la grande hauteur et de la grande épaisseur des nervures, on a besoin, comme matériau de départ pour le processus de laminage, de tubes à parois relativement épaisses, ce qui fait que le degré de déformation du matériau est très élevé. Un degré de déformation si élevé exige naturellement des laminoirs de puissance d'entraîne- ment relativement grande réalisés sous forme très stable, ce qui augmente à leur tour considérablement les frais d'investissement et d'exploitation.Un autre inconvénient résulte de ce que la vitesse de laminage doit être relativement faible pour la fabrication des nervures, en raison du degré de déformation relativement élevé résultant de a hauteur et de l'épaisseur des nervures, de sorte qu'aussi le temps de fabrication est relativement long, ce qui se répercute également désavantageusement sur les frais de fabrication des tubes d'échangeurs de chaleur connus. L'invention a donc pour but de réaliser un tube laminé muni de nervures pour un échangeur de chaleur, qui ne présente pas les inconvénients exposés et discutés ci-dessus, mais qui présente, eu égard à la quantité de chaleur transmise, un poids relativement faible et qui, grâce à une meilleure utilisation du matériau, fournisse, d'une manière économique, une transmission calorifuge optimale, tout en étant en outre meilleur marché à fabriquer que les tubes connus décrits ci-dessus. Ce problème est résolu, conformément à l'invention,par la combinaison des caractéristiques suivantes a) la hauteur des nervures est de 2 0 à 3 2 mm, b) l'épaisseur des nervures est de d,25 a 0 35 mm, c) l'espacement des nervures est de 1,7 à 2,0 mm. Dans le tube d'échangeur de chaleur conforme à l'inven tion , la hauteur des nervures, en comparaison des dimensions des tubes à nervures connus, décrits cidessus, est essentiellement plus faible. La demanderesse a en effet découvert que la grande hauteur de nervures utilisée jusqu'à présent, avec les matériaux en question de conductibilité thermique allant jusqu'à environ 100 kcal/mh C n'est pas indispensable et que la quantité de chaleur transmise par unité de temps demeure la même bien que la hauteur des nervures soit essentiellement plus faible que jusqu'à présent.La raison en est surtout, que la conductibilité thermique des matériaux en question est insuffisante pour transférer une quantité de chaleur suffisamment grande, par exemple du milieu s'écoulant à l'intérieur du tube d'échangeur de chaleur jusque dans les régions extérieures des nervures du tube d'échangeur de chaleur. La résistance de conduction calorifique des matériaux en question est au contraire si grande que les parties marginales extérieures des nervures, dans les tubes d'échangeurs de chaleur connus, ne reçoivent du coeur du tube à peine la quantité qu'elles sont capables de céder au milieu ambiant.L'invention a montré ainsi que la surface d'échange thermique relativement grande qui existe dans les tubes d'échangeur de chaleur connus n'a aucun râle effectif. I1 en va en principe de même évidemment lorsque la chaleur est transférée dans le sens contraire,c'est-à-dire à partir de l'extérieur, par l'intermédiaire des nervures du tube d'échangeur de chaleur et du coeur de tube, jusqu'au milieu s'écoulant à l'intérieur du tube d'échangeur de chaleur. On obtient bien une Mégère amélioration en augmentant l'épaisseur des nervures, mais cette amélioration n'a que très peu d'efficacité. En effet l'augmentation de l'épaisseur des nervures ne se répercute sur l'amélioration d'une valeur calculée pour le rendement des nervures correspondantes, que d'une manière linéaire, alors qu'au contraire l'augmentation de la hauteur des nervures se répercute quadratiquement. Les dimensions conformes à l'invention de tubes échangeurs de chaleur à nervures obtenues par laminage, réalisés en un matériau présentant une conductibilité thermique allant jusqu'à environ 100 kcal/mh"C,constituant un optimum, pour lequel, à consommation minimale de matériau, la quantité de chaleur maximale possible est transmise.d'un milieu à l'autre. Le mode de réalisation conforme à l'invention du tube d'échangeur de chaleur présente ainsi tout d'abord l'avantage qu'à puissance égale on utilise une quantité essentiellement moindre de matériau relativement coûteux pour la fabrication du tube, ce qui se répercute avantageusement sur son prix de fabrication. D'autre part la moindre consommation de matériau entraîne aussi un poids plus faible du tube d'échangeur de chaleur, de sorte que les supports, les enveloppes ou les éléments analogues des appareils dans lesquels sont utilisés les tubes d'échangeurs de chaleur conformes à l'invention peuvent être réalisés sous une forme essentiellement plus légère, ce qui permet encore d'économiser du poids, des matériaux et des frais. En outre le tube d'échangeur de chaleur conforme à l'invention, en raison de la hauteur considérablement moindre des nervures, prend essentiellement moins de place de sorte que les appareils, dans lesquels Ces tubes d'échangeurs de chaleur sont montés, présentent un encombrement moindre et sont essentiellement plus faciles à loger. Mais la moindre hauteur de ses nervures facilite considérablement la fabrication du tube d'échangeur de chaleur, du fait que le degré de déformation au laminage est naturellement moindre lorsque la hauteur des nervures est plus faible. I1 en résulte qu'on n'a plus à redouter de déchirure du tube d'échangeur de chaleur au cours du processus de laminage. De meme les parties marginales extérieures des nervures réalisées par laminage sont loin d'être sollicitées jusqu'à subir des fissurations, comme cela se produit dans les tubes d'échangeurs de chaleur connus. Par conséquent le pourcentage de déchets lors de la fabrication du tube d'échangeur de chaleur conforme à l'invention est essentiellement inférieur et à peine sensible. D'autre part on peut se contenter pour le tube d'échangeur de chaleur conforme à l'invention d'une épaisseur de paroi de départ essentiellement moindre de tube non encore laminé, du fait que le degré de déformation au laminage et la quantité de matériau utilisée sont essentiellement moindres que dans le cas du tube d'échangeur de chaleur connu. En outre on peut augmenter essentiellement la vitesse de laminage, de sorte que le temps de fabrication est réduit, ce qui se répercute aussi avantageusement sur le prix de fabrication. Enfin il est possible, par suite du moindre degré de déformation, de se contenter de laminoirs de plus faible puissance ce qui abaisse considérablement aussi bien les frais d'investissement que les frais d'exploitation de ces machines. Du fait, ainsi qu'on l'a exposé, que l'épaisseur des nervures n'a aucune influence notable sur la quantité de chaleur transmise, l'épaisseur des nervures, dans le tube d'échangeur de chaleur conforme à l'invention est également plus faible que dans les tubes d'échangeurs de chaleur connus de ce genre. L'épaisseur des nervures est limitée vers le hauteur le fait qu'une augmentation au delà d'une épaisseur de 0,35 mm environ ne produit qu'une augmentation de la transmission calorifique si faible que le supplément de consommation de matériau nécessaire à cet effet n'est pas rentable. I'épaisseur des nervures est limitée vers le bas par les possibilités de fabrication et par les exigences minimales de solidité mécanique des nervures. On ne doit donc dans ce cas pas descendre en dessous de 0,25 mm. En dehors de la hauteur et de l'épaisseur des nervures, l'espacement de celles-ci permet encore de faire varier la surface d'échange calorifique par mètre de tube d'échangeurs de chaleur. La demanderesse a découvert qu'un espacement des nervures de -moins de 1,7 mm a pour conséquence qu'il se forme le long des nervures des couches limites laminaires, adhérent aux nervures, qui réduisent essentiellement la transmissi-n de chaleur de la nervure au milieu qui la baigne. I1 est don recommandé de ne pas adopter d'espacement de nervures inférieur 1,7 mm.Un espacement de nervures supérieur à 2,8 mm n'est p:s non plus conseillé du fait qu'il ne se produit alors plus aucune amélioration du léchage des nervures par le milieu léchant l'extérieur du tube d'échangeur de chaleur, mais au contraire uniquement une augmentation inutile de la longueur du tube à surface d'échange thermique égale. Les valeurs mentionnées ci-dessus ne sont valables que lorsque les tubes c'échangeurs de chaleur sont léchés extérieurement et intérieurement par de l'eau ou par des milieux à propriétés de transmission thermique analogues. Il s'est révélé avrntageux, lorsque le tube et ses nervures sont réalisés, d'une marnière en soi connue, en un matériau présentant une conductibilité thermique d'environ 50 à 90 tcal/- mh C, de donner à la hauteur des nervures une valeur de 2,4 à 3,2 environ.Au contraire, il s'est révélé avantageux, lorsque le tube et ses nervures sont réalisés, d'une manière en soi connue, en un matériau présentant une conductibilité thermique de 10 à 50 kcal/mh C environ, de ne donner à la hauteur des nervures qu'une valeur de 2 à 2,6 mm environ. il en résulte que pour une conductibilité thermique relativement élevée du matériau, il est avantageux de donner aussi à la hauteur des nervures une valeur relativement grande et au contraire, pour une conductibilité thermique relativement faible de matériau, de donner à la hauteur des nervures une valeur relativement faible.Une augmentation de la hauteur des nervures, dans le cas d'un matériau de conductibilité thermique relativement faible, n'entraînerait aucune amélioration notable de la quantité de chaleur transmise par unité de temps. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'espacement des nervures est d'environ 1,7 à 2,2 mm environ. Cet espacement relativement faible est important surtout pour les alliages cuivre-nickel, que l'on utilise particulièrement volontiers pour des tubes d'échangeurs de chaleur de ce genre en raison de leur résistance à la corrosion. Cet espacement des nervures est également valable pour d'autres matériaux essentiellement de même conductibilité thermique. Sur le dessin unique annexé on a représenté en coupe longitudinale à titre uniquement illustratif mais nullement limitatif, une section 1, d'une certaine longueur, d'un tube d'échangeur de chaleur réalisé conformément à l'invention. Comme on peut le voir nettement, le coeur, désigné par 2, du tube 1 comporte des nervures d'échange thermique 3 réalisées en une seule pièce avec le coeur 2 du tube. Ces nervures 3 entourent hélicoidalement le coeur 2 du tube, ce qu'on ne voit pas sur la figure. Au contraire cette figure montre. nettement la hauteur h, l'épaisseur d et l'espacement t des nervures. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. -REVENDICATIONS 1.- Tube d'échangeur de chaleur pour de l'eau ou desmilieux à propriétés de transfert calorifique analogues à celles de liteau, en particulier pour des dispositifs de chauffage à circulation destinés à chauffer l'eau de consommation à l'aide de l'eau du chauffage, lequel tube est réalisé en un métal ou un alliage de métal d'une conductibilité thermique allant jusqu'à environ 100 kcal/mh-C et est muni extérieurement de nervures hélicoïdales produites de préférence par laminage, la hauteur maximale de ces nervures étant au plus de 4,5 mm et leur épaisseur au plus de 0,5 mm tandis que leur espacement est de l'ordre de 2 mmf lequel tube d'échangeur de chaleur est caractérisé en ce qu'il met en oeuvre la combinaison de caractéristiques suivantes a)la hauteur (h) des nervures est de 2,0 à 3,2 mm, b)l'épaisseur (d) des nervures est de 0,25 à 0,35 uim; c)l'espacement (t) des nervures est de 1,7 à 2,8 mm. 2.- Tube d'échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube(1) et ses nervures (3), d'une manière en soi connue, sont réalisés en un matériau présentant une conductibilité thermique de 50 à 90 kcal/mh C et que la hauteur (h) des nervures est d'environ 2,4 à 3,2 mm. 3.- Tube d'échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (1) et ses nervures (3), d'une manière en soi connue, sont réalisés en un matériau présentant une conductibilité thermique de 10 à 50 kcal/ mhoC et que la hauteur (h) des nervures n'est que d'environ 2 à 2,6 mm. 4.- Tube d'échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou l'une quelconque des suivantes, caractérisé en ce que l'espacement (t)des nervures est d'environ 1,7 à- 2,2 mm.