Brevet FR2128127A1 — publié le 19721020

La présente invention concerne un échangeur de chaleur entre deux fluides, comprenant une chambre dans laquelle l'un des fluides circule à l'intérieur d'un faisceau de tubes métalliques, l'autre fluide circulant autour de ces tubes. Elle vise à fournir notamment un échangeur de chaleur tel que l'on puisse facilement adapter le nombre-de tubes du faisceau en fonction des performances demandées à 11 échangeur, sans modification de l'enveloppe extérieure de l'échangeur, l'échangeur conservant le méme encombrement aussi réduit que possible. L'invention vise en particulier à résoudre- les problè- mes que posent les échangeurs utilisés pour réchauffer une eau sanitaire destinée aux besoins de-la consommation des habitants d'un pavillon ou d'un immeuble à partir d'une eau chaude sous pression impropre à la consommation. On conçoit que dans une telle application le nombre de tubes du faisceau de 11 échangeur est chisi en fonction du nombre des consommateurs et qu'il est donc utile de disposer à'un échangeur qui, de par sa conception même, soit facilement adaptable en fonction des besoins. Les échangeurs connus, dont diverses réalisations ont été représentées schématiquement sur les figures 1 à 4, sous les références 1 à 4, dans lesquels les tubes sont des serpentins cylindriques (figure 1) ou en épingles (figure 2} ou sont constitués principalement de parties rectilignes (figures 3 et 4), sont considérés comme non satisfaisants. La Demanderesse a maintenant trouvé que l'on obtient satisfaction avec une nouvelle conception d'échangeur caractérisé par le fait que chaque tube forme une spirale telle que ltécarte- ment entre deux spires successives de la spirale est au plus égal au diamètre extérieur du tube, et par le fait que ces spirales sont empilées co-axialement de façon à former un ensemble dans lequel l'écartement entre une spire quelconque d'un tube quelconque et la spire la plus proche du ou des tubes contigus de l'empilage est au plus égal à la moitié dudit diamètre. Une telle conception de l'échangeur permet notamment utiliser des tubes ayant des sections de passages intérieures à peu près identiques et des longueurs à peu près identiques, en ce sens que deux tubes quelconques de l'empilage ne présentent pas une différence de diamètre intérieur ou une différence de longueur qui soit supérieure à 10 % dudit diamètre ou de ladite longueur. Les spires d'un tube quelconque de l'empilage peuvent pénétrer partiellement mais seulement partiellement entre les spires du ou des tubes contigus. Un échangeur conforme a la présente invention est réalisable suivant l'un ou l'autre de deux types de réalisation, l'un dans lequel chaque spirale est développée dans l'espace à l'intérieur d'un tronc de cOne, le faisceau ayant alors une conformation tronconique, l'autre dans lequel chaque spirale est développée dans un plan, le faisceau ayant une conformation cylindrique. On décrira ci-après des exemples de ces types de réalisation, en référence aux figures du dessin joint sur lequel: - les figures 1 à 4 représentent chacune une structure connue d'échangeur de chaleur ;- - la figure 5 représente un tube d'un échangeur de chaleur selon une réalisation de l'invention - la figure 6 représente en coupe schématique une partie d'un échangeur de chaleur constitué avec des tubes selon la figure 5 - la figure 7 est une vue de l'une des spirales de l'échangeur de la figure 6 - les figures 8 à 13 représentent chacune, schématiquement, un échangeur de chaleurdu type de la figure 6, et caractérisé par les moyens d'introduction ou d'évacuation du fluide devant circuler autour du faisceau - la figure 14 est une vue de dessus d'un tube d'un échangeur selon une autre réalisation de l'invention, et - la figure 15 montre un faisceau conforme à l'invention formé de tubes selon la figure 140 Les échangeurs représentés sur les figures 5 à 13 concernent un type d'échangeur conforme à l'invention dans lequel chaque tube du faisceau est constitué par une spirale qui épouse aussi bien intérieurement qu'extérieurement la forme d'un tronc de cane. La figure 5 représente une telle spirale 5 comportant dans l'exemple représenté les spires de A à J, le tube comportant en outre des tronçons d'extrémité dont on ne voit que des parties AAt et JJ', pour la liaison du tube avec les collecteurs de l'échangeur auquel le tube est destiné. On notera sur la figure 5 que l'écartement e entre deux spires voisines est inférieur au diamètre extérieur du tube. De préférence, cet écartement est choisi de telle façon que le rapport de cet écartement au diamètre extérieur du tube soit inférieur à 0,8. La figure 6 représente un échangeur. comportant un faisceau constitué de six tubes 6 à Il qui sont en principe identiques et qui sont chacun tels que sur la figure 5 mais avec -un nombre de spires plus élevé. Ces tubes sont empilés co-axialement de façon à former un ensemble compact, qui est maintenu par deux parois tronconiques 12 et 13 formant les parois d'une chambre 14 dans laquelle est placé le faisceau. Les extrémités des tubes du faisceau sont décalées angulairement de façon à pouvoir sortir de la chambre par le centre du faisceau et par le pourtour du faisceau. On voit ainsi sur la figure 6 les extrémités d'entrée (ou de sortie) 6A, 9A, 10A et 11A des tubes 6, 9, 10 et Il sortant de la chambre par le centre du faisceau et les extrémités de sortie (ou d'entrée) 63 et 93 des tubes 6 et 9 sortant de la chambre par la périphérie du faisceau, les autres extrémités n'ont pas été représentées pour la clartée du dessin. La figure 7 illustre schématiquement la répartition des extrémités des tubes au centre du faisceau et une partie du tube 6. Le fluide qui doit circuler dans la chambre autour du faisceau pour l'échange de chaleur avec le fluide circulant à l'intérieur des tubes peut etre introduit et évacué de diverses manières. La chambre 14 peut comporter à son extrémité située près de la petite base du tronc de edne un passage central 15 et, à son autre extrémité, un passage annulaire 16 (figures 8 à 13). En outre, les parois tronconiques de la chambre peuvent comporter des passages de fluide 17 (figure 9). La chambre peut comporter autour du faisceau, une paroi cylindrique rigide 18 coaxiale au faisceau et pourvue de passages de fluide 19 (figure 13). Cette paroi 18 peut avantageusement servir au maintien du faisceau dans sa conformation. La chambre peut comporter au centre du faisceau, une paroi cylindrique rigide 20 coaxiale au faisceau et pourvue de passages de fluide 21 (figures 12 et 13). Cette paroi 20 peut aussi, comme la paroi 18, servir au maintien du faisceau. Le maintien du faisceau peut aussi centre assuré par des parois telles que 48 et 20 mais non perforées, comme les parois 22 et 23 (figures 9 et 10). La chambre 14 est normalement placée dans une enceinte 24 qui peut avoir des parois communes avec la chambre. L'enceinte 24 de l'échangeur comporte de façon en soi connue des passages 25 et 26 pour l'entrée (ou la sortie) et la sortie (ou l'entrée) du fluide devant circuler autour des tubes. Enfin l'échangeur comporte des collecteurs 27 et 28 pour l'admission et l'évacuation du fluide devant circuler dans les tubes. Lorsque les tubes sont à paroi mince (épaisseur inférieure à 1 mm) et en métal soudable par fusion, leurs extrémités peuvent avantageusement titre soudées, chacune au collecteur correspondant, par formage de collets sur le collecteur, comme le collet 35 sur la figure 13. La figure 14 représente un tube en spirale plane 30 à àir? spires utilisable dans un autre type d'échangeur conforme à l'invention. On notera que l'écartement e entre deux spires successives est inférieur au diamètre extérieur du tube. La figure 15 représente un faisceau constitué par un empilage cylindrique conforme à l'invention de quatre tubes 31, 32, 33, 34 chacun tel que sur la figure 14. Dans une telle réalisation, les extrémités des tubes sont décalées angulairement, comme pour le type d'échangeur de la figure 6, ce qui permet de les répartir respectivement les unes au centre et les autres à la périphérie du faisceau0 Les deux types de réalisation qui ont été décrits présentent en commun cet avantage que la forme spiralée des tubes réduit les problèmes de dilatation différentielle entre les tubes et les parois de l'échangeur, que les tubes peuvent titre identiques les uns aux autres tant en section qu'en longueur et qu'en forme, et que le nombre de tubes d'un faisceau est facilement modifiable, ce qui permet de construire des gammes d'échangeurs ne différant les uns des autres que par le nombre des tubes du faisceau. Comme dans les échangeurs connus, les tubes peuvent comporter des gorges ou des ailettes favorisant les échanges. Dans le dernier cas, on considère que le diamètre extérieur du tube est le diamètre extérieur des ailettes. Enfin, l'échangeur peut comporter en adjonction au faisceau tout dispositif auxiliaire qui serait désiré. REVENDICATIONS Echangeur de chaleur entre deux fluides, comprenant une chambre dans laquelle l'un des fluides circule à l'intérieur d'un faisceau de tubes métalliques, l'autre fluide circulant autour de ces tubes, et comprenant un collecteur pour l'admission et un collecteur pour l'évacuation du Fluide devant circuler dans les tubes, caractérisé par le fait que le faisceau est constitué d'un empilage de tubes en spirale dans lequel chaque tube forme une spirale telle que l'écartement entre deux spires successives de la spirale est au plus égal au diamètre extérieur du tube, ces spirales étant empilées coaxialement de façon à former un ensemble dans lequel l'écartement entre une spire quelconque dpun tube quelconque et la wire la plus proche du ou des tubes contigus de l'empilage est au plus égal à la moitié dudit diamètre, et par le fait que lesdits collecteurs sont disposés à l'extérieur du faisceau. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes du faisceau ont à peu près mêmes sections de passage intérieures et à peu près mes longueurs. 3. Echangeur selon la revendication 9 ou 2, caractérisé par le fait que chaque spirale épouse la forme d'un tronc de cane, le faisceau ayant une conformation tronconique 4o Echangeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la chambre comporte deux parois tronconiques épousant respectivement intérieurement et extérieurement le faisceau. 5. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que chaque spirale est plane, le faisceau ayant une conformation cylindrique0 6. Echangeur selon l'une des revenaications précédentes, caractérisé par le fait que les tubes au faisceau sont maintenus en un ensemble compact par les parois mane de la chambrez 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la chambre comporte autour du faisceau une paroi périphérique rigide qui est cylindrique et coaxiale au faisceau. 8, Echangeur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que cette paroi périphérique est munie de passages pour l'autre fluide. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la chambre comporte au centre du faisceau une paroi centrale rigide qui est cylindrique et coaxiale au faisceau. 10. Echangeur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que cette paroi centrale comporte des passages pour l'autre fluide. 11. Echangeur selon l'une des revendications-précédentes, caractérisé par le fait que la chambre comporte au moins un passage annulaire pour l'autre fluide à une extrémité au faisceau. 12. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la chambre comporte aux deux extrémités de l'empilage des parois comportant des perforations pour le passage de l'autre fluide. 13. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les tubes sont à parois minces et sont en métal soudable par fusion, les extrémités de chaque tube pénétrant chacune dans un collecter à la paroi duquel cette extrémité est soudée par formage de collet. 14c Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les extrémités des tubes sont décalées angulairement et passent les unes au centre du faisceau, les autres à la périphérie du faisceau.