Brevet FR2138418A1 — publié le 19730105

la présente invention concerne un échangeur de chaleur en métal léger ainsi que son procédé de fabrication. les échangeurs de chaleur à ailettes en métal léger trouvent une application dans un grand nombre de domaines de l'industrie et de la vie quotidienne. D'une façon générale, dans les échangeurs de chaleur à ailettes en métal léger, l'un des agents contribuant à l'échangeur de chaleur circule dans des tubes ou tuyaux tandis que l'autre agent circule parmi les ailettes sur le côté opposé des tubes. Une grande diversité d'échangeurs de chaleur à ailettes en métal léger ont été utilisés Jusqu'à présent. Conformément à la pratique suivie jusqu'ici dans la conception des échangeurs de chaleur, l'attend tion la plus grande s'est portée sur la technique de fabrication, la résistance mécanique et le dimensionnement tandis que lton a apporté très peu d'attention aux phénomènes thermiques et aux mécanismes d'écoulement. l'un des échangeurs de chaleur en métal léger les plus récents est l'échangeur de chaleur dit à ailettes hélicoidales dont les ailettes sont exécutées par laminage dans la matière du tube ou tuyau. Ceci donne une conduction thermique parfaite entre les ailettes et les tubes. Un inconvénient important de ce système réside dans le fait que, du point de vue de la technique de fabrication, l'épaisseur de la paroi du tube est un multiple de celle qui est nécessaire du point de vue de la résistance mécanique; par ailleurs, des indentations apparaissent dans la paroi intérieure des tubes, ce qui augmente considérablement la résistance à l'écoulement du fluide. En raison également de l'importance de l'épaisseur de la paroi et du diamètre extérieur, la résistance à l'écoulement du tube, côté air, est excessive.Ce sont des considérations technologiques qui, ici également, gênent la conception d'une structure op timbale du point de vue des phénomènes thermiques et des mécanismes d'écoulement. Dans les tubes à ailettes feuilletés bien connus où les ailettes, par exemple en aluminium, sont fixées aux tubes, il faut assurer entre les tubes et les ailettes des raccordements ou jonctions présentant une conductibilité thermique élevée. Lorsque l'on utilise des ailettes de faible épaisseur et des tubes avant une section circulaire, cela pour améliorer les jonctions, on utilise des manchons ou bagues fixés sur les tubes, grâce à quoi on obtient des tubes concentriques dont la paroi a une épaisseur qui est égale à plusieurs fois celle qui est nécessaire pour assurer la résistance méca nique requise. Cependant, des tubes ayant un diamètre plus grand qutil n'est nécessaire présentent un inconvénient en ce qui concer- ne la résistance d'écoulement sur le côté d'air. Un autre inconvénient des échangeurs de chaleur à ailettes et à tubes de section circulaire réside dans le fait qu'une tempéras ture uniforme ne peut pas être garantie pour les ailettes, particulièrement si celles-ci se présentent sous la forme de bandes très minces ou micro-ailettes, car la température au pied des ailettes varie avec la distance par rapport auxdits tubes. les ailettes se trouvant à une certaine distance du tube présentent une chute de température par rapport à celles se trouvant au voisinage immédiat du tube, ce qui réduit leur efficacité. De tels échangeurs de chaleur à ailettes constitués par des séries et des rangées décalées de tubes sont également susceptibles de comporter des espaces morts derrière les tubes dans la direction de l'écoulement de l'air, de tels espaces morts prenant part à la dissipation de la chaleur des ailettes dans une moindre mesure. Par ailleurs, en ce qui concerne la résistance à ltécou- lement côté air, le fait que les sections des ailettes, particulièrement celles des micro-ailettes,n'ont pas une forme qui serait optimale pour les mécanismes d'écoulement (leurs bords étant coupés nets et dans certains cas même ébarbés), constituent un inconvénient. La présente invention a pour objet de supprimer les défauts mis en évidence ci-dessus ainsi que la mise au point d'un échangeur de chaleur en métal léger spécialement du point de vue des caractéristiques thermiques et des mécanismes d'écoulement. L'invention est basée sur le concept inventif que l'on peut obtenir les résultats recherchés mentionnés ci-dessus en faisant en sorte que les tubes aient des profils favorisant les mécanismes d'écoulement, c'est-à-dire des sections de forme allongée qui se rapprochent du profil d'écoulement, étant donné que, dans ce cas, avec les mêmes sections droites côté eau, la résistance à l'écoulement, côté air, se trouve considérablement réduite par rapport à celle d'un tube ayant une section circulaire ou autre, la section côté eau du tube pouvant être augmentée sans accroissement de la résistance à l'écoulement côté air. Un autre avantage de cette conception réside dans le fait qu'avec des sections de tube de forme allongée, les distances entre le tube et les pieds des micro-ailettes deviennent plus uniformes. L'invention est basée, en#outre, sur le fait que la résistance à l'écoulement, côté air, de l'échangeur de chaleur peut être réduite si l'on arrondit les bords des ailettes. C'est pourquoi, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur dans lequel les tubes qui transportent l'un des agents prenant part à 1' échange thermique ont une section droite de forme allongée qui limite le profil de l'écoulement et des collets ou manchons sont formés sur les plaques à ailettes de manière à correspondre à la forme des tubes. Dans l'un des modes de réalisation préférés, les bords des ailettes perpendiculaires au sens d'écoulement sont arrondis.Pour favoriser le transport de chaleur dans l'échangeur de chaleur conforme à la présente invention, les plaques à ailettes comportent, entre les ailettes, des éléments d'ailettes qui sont analogues à des volets et qui sont fendus dans la direction d'écoulement et coudés vers l'extérieur par rapport au plan de la tôle suivant un certain angle. Par ailleurs, la présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'échangeurs de chaleur conformes à la présente invention et ce procédé est basé sur le fait que lton peut réaliser les ailettes avec des bords arrondis si, au point de découpage des ailettes, on ménage des encoches cunéiformes par laminage, meulage ou rabottage de la tale avant son découpage. les bords des ailettes découpés près des encoches ainsi préparées sont alors arrondis. On va maintenant décrire de façon détaillée la présente invention en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en plan un peu schématique d'un mode de réalisation de la plaque à ailettes de l'échangeur de chaleur conforme à la présente invention; la figure 2 est une coupe fragmentaire de la plaque à ailettes de la figure 1; la figure 3 est une coupe d'un échangeur de chaleur conforme à la présente invention et comprenant plusieurs plaques telles que celles des figures 1 et 2; la figure 4 est une vue similaire à la figure 1 mais montrant un autre mode de réalisation des plaques à ailettes; la figure 5 est une coupe fragmentaire à plus grande échelle de la plaque de la figure 4; la figure 6 est une coupe fragmentaire d'un mode de réalisation de plaques à ailettes d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, les bords des ailettes étant arrondis;; la figure 7 est une coupe fragmentaire d'un détail d'un dispositif de matriçage pouvant être utilisé pour la fabrication des plaques à ailettes de l'invention; la figure 8 est une coupe fragmentaire d'une plaque à ailet- tes dans lesquelles ont été ménagées des encoches; la figure 9 est une coupe schématique dans le plan des axes d'un mode de réalisation de dispositif de matriçage que l'on peut utiliser pour mettre en oeuvre la présente invention. la figure 1 montre une plaque à ailEttes pourvue de collets ou manchons 1 destinés à s'ajuster sur des tubes de section elliptique et disposés suivant un agencement en!quinconce. les ailettes sont constituées par des bandes 2 comportant des fentes perpendiculaires à la direction de l'écoulement de l'air représenté par les flèches, ainsi que des ailettes 3 coudées vers le haut dans la direction de l'écoulement de l'air, de façon à maintenir l'espacement entre les plaques. On peut réaliser, à partir des plaques assemblées sur les tubes de section elliptique, l'échangeur de chaleur à ailettes représenté sur la figure 3 de façon telle que les plaques à ailettes se trouvent en contact étroit avec les tubes de section elliptique 4 par l'intermédiaire des collets de renforcement 1. le collet 1 des plaques à ailettes et leurs ailettes coudées vers le haut 3 délimitent l'espacement entre les plaques.Pour que la jonction entre les plaques à ailettes et les tubes soit serrée, les plaques à ailettes se trouvant sur les tubes sont soumises à une compression axiale à un degré tel qu'elles viennent en contact intime les unes avec les autres tandis qu'un mandrin lisse de dimensions plus grandes que les dimensions intérieures des tuyaux est tiré à travers les tuyaux en soumettant ces derniers à des contraintes de tension sur leur circonférence, ce qui se traduit par une jonction fiable. lors de la conception du tube et du mandrin, il faut pren- dre soin que ce derniers pendant qu'il élargit le tube, ne modifie pas sa forme. Il est bon, dans la pratique, que le profil en forme d'ellipse des tubes se présente sous la forme d'une combinaison d'arcs de cercle de grand et de petit diamètres. La figure 4 est une vue en plan d'une plaque à ailettes d'échangeur de chaleur dans lequel des tubes de section elliptique sont disposés suivant des lignes droites. les ailettes 3 sont pro filées comme dans le mode de réalisation précédent, mais les ailettes 2t sont fendues et coudées à la façon de volets, comme on peut le voir plus clairement sur la figure 5. les tubes de section elliptique, placés les uns derrière les autres, assurent un apport de chaleur uniforme jusqu'aux ailettes car les pieds des ailettes se trouvent, en règle générale, extrêmement près des périphéries elliptiques des tubes. Un autre avantage de cet agencement réside dans le fait que les espaces morts inutiles derrière les tubes se trouvent réduits à un minimum. La figure 5 est une coupe comportant plus de détails que la conception d'ailettes représentée en plan sur la figure 4. les angles des ailettes en forme de volets, coudées à partir du plan de la plaque de manière à faire un angle de 10 à 40a par rapport à la direction d'écoulement, varient avec des groupes d'ailettes. Par exemple, sur la figure 5, trois ailettes dévient le fluide de l'échangeur de chaleur vers le bas tandis que trois autres ailettes le dévient vers le haut et, de ce fait, les deux groupes d'ailettes obligent le fluide à avoir un écoulement turbulent les jonctions entre les tuyaux de section elliptique et les chambres aux deux extrémités de 1' échangeur de chaleur peuvent entre effectuées par des techniques de pressage à froid connues, grtce à quoi on peut élargir ensuite les sections elliptiques des tubes par roulage ou dilatation de façon que ces tubes se terminent par des sections courtes circulaires. On peut alors raccorder sans difficulté une extrémité de tube de section circulaire aux chambres collectrices par roulage ou galetage ou au moyen de joints toriques. Pour constituer des micro-ailettes favorables en ce qui concerne les mécanismes d'écoulement du fluide, il faut arrondir les coins des sections d'ailettes rectangulaires. La figure 6 est une coupe agrandie de telles ailettes à sections arrondies. La figure 7 est une représentation schématique du procédé de fabrication au moyen duquel on peut réaliser des ailettes arrondies ayant la configuration désirée. Pendant la première phase, les poinçons des matrices 6 ménagent des encoches dans les ailettes. Après avoir pratiqué de fines incisions, on exécute de fines encoches dans la surface de l'ailette, comme on peut le voir sur la figure 8. Au cours de l'opération finale exécutée à la presse, les dispositifs de matriçage découpent les ailettes le long des encoches mentionnées ci-dessus et on obtient ainsi la plaque à ailettes de section rectangulaire à coins et arêtes arrondis représentée sur la figure 6. les petites plaques à ailettes de faible résistance à l'air mentionnées ci-dessus peuvent être fabriquées par laminage ou usinage. La figure 9 représente un dispositif de matriçage comprenant deux rouleaux. les rouleaux peuvent comporter des arêtes et/ou des saillies destinées à être utilisées pour refouler la matière. Toutefois, les paires de rouleaux peuvent, dans une variante, tourner à une vitesse élevée de manière à exécuter les encoches nécessaires sur la surface de la plaque non par laminage mais par meulage. Si l'on considère les très faibles dimensions des encoches, la perte de métal consécutive à l'usinage est sans importance. Lorsque l'on façonne les ailettes par pressage ou refoulement de matière, la largeur des rouleaux presseurs est égale à la largeur de la plaque à ailettes et, de ce fait, on peut exécuter en une seule opération toutes les encoches nécessaires. Si l'on considère qu'il n'est pas indispensable que la plaque à ailettes soit entaillée sur la totalité de sa longueur, les encoches n'étant nécessaires qu'à l'endroit où une ailette ou volet engendrant une turbulence doit être réalisé au cours d'une autre phase de la fabrication, il faut que les rouleaux de formation d'encoches comportent des parties lisses sur leur périphérie sur une distance correspondant à la distance d'espacement entre les tubes.A mesure que les plaques à ailettes passent entre une telle paire de rouleaux, des tronçons alternativement lisses et alternativement entaillés appa- raissent sur sa surface. les tronçons lisses sont réservés auxtubes et dans les tronçons entaillés on effectue à la presse les ailettes. les encoches peuvent, dans une variante, être exécutées avec un outil à raboter, par usinage. Si l'on considère qutau cours de l'assemblage des plaques à ailettes spéciales sur les tubes, l'espacement des tubes (particulièrement l'espacement des tubes destinés aux échangeurs de chaleur de grandes dimensions munis de longues plaques) a une grande importance, il faut que l'espacement entre les tubes sur les plaques soit des plus précis. S'il n'en était pas ainsi, les plaques, lorsqu'elles sont empilées sur les tubes, seraient disposées en rangées ondulées, de façon inégale. C'est la raison pour laquelle il faut soumettre à un calibrage ou ajustage la plaque après la formation à la presse des ailettes et le formage des collets. Un calibrage à, la presse est effectué de manière que dans les Sntervalles d'eapacement des plaques à ailettes terminées, on exéoute des avant-trous semi-cylindriques qui renforcent la plaque et font disparaitre les inégalités d'espacement. Dans une variante, le calibrage peut être exécuté en diminuant l'épaisseur des sections couvrant les espacements entre tubes, cela à des points tels que, lorsqu'elle est tirée sur un mandrin lisse qui correspond à l'espacement définitif, la plaque à ailettes subit un allongement l'amenant à la dimension requise. On peut se dispenser d'un calibrage extérieur des plaques si, au cours de la fabrication, les plaques à ailettes ne sont pas simplement avancées jusqu'à ce qu'elles soient arrêtées mais si la plaque est bloquée sur la totalité de sa longeur au moyen d'une cré ma ère ou d'une rangée de mandrins de positionnement. Après cette opération, on monte l'échangeur de chaleur en assemblant les plaques munies d'ailettes et de collets de jonction sur les tubes de section elliptique et on exerce une compression dans le sens axial à un degré tel que les ailettes viennent porter intimement les unes contre les autres; ensuite, on tire à travers les tubes un mandrin ayant la même forme que la section interne des tubes mais ayant des dimensions plus grandes, de manière qu'une jonction serrée entre le tube et les ailettes soit obtenue. REVENDICATIONS le Echangeur de chaleur à plaques à ailettes comprenant plusieurs tubes avec des plaques empilées s'étendant entre les tubes dans un sens transversal aux tubes, cet échangeur de chaleur étant caractérisé par le fait que les tubes ont une section droite allongée dans le sens de l'écoulement du fluide sur le côté extérieur des tubes. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes ont une section ayant la forme générale d'une larme, les extrémités avant et arrière des tubes se trouvant sur des arcs de cercle, l'arc de plus grand diamètre se trouvant en avant et l'arc de plus petit diamètre se trouvant en ar rière. 3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les plaques comportent des ailettes qui en font saillie, les bords desdites ailettes perpendiculaires à la direction d'écoulement étant arrondis. 4. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que des éléments d'espacement sont formés dans les plaques de manière à venir en contact avec les plaques adjacentes et à déterminer l'espacement entre les plaques. 5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les plaques comportent des collets qui entourent étroitement les tubes et sont en contact avec ces derniers de manière qu'il existe entre collets et tubes un échange de chaleur, les collets ayant sensiblement la même hauteur que les éléments d'espacement précités. 6. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les ailettes se trouvant sur les plaques sont coudées hors du plan des plaques et font partie intégrante desdites plaques, ces ailettes ayant une forme allongée dans une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du fluide à l'extérieur des tubes. 7. Procédé de fabrication d'échangeurs de chaleur du type comprenant plusieurs tubes munis de plaques empilées traversées par lesdits tubes et s'étendant transversalement à la longueur des tubes, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il consiste: à former dans les plaques des encoches cunéiformes qui sont transversales à la direction d'écoulément du fluide à l'extérieur des tubes et à dévier du plan des plaques des parties de la matière consti tuant les plaques bordées par lesdites encoches, de manière à former ainsi sur les plaques des ailettes ayant des bords ou arêtes arrondis. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on procède à un calibrage ou ajustage des plaques à ailettes de manière qu'elles correspondent à l'espacement des tubes. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que le calibrage précité est effectué sous forme d'une opération de pressage final. 10. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que l'on façonne à la presse, dans les plaques, une section amincie. 11. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on fait passer un mandrin lisse à travers les tubes après avoir assemblé les plaques sur les tubes de façon à dilater les tubes vers l'extérieur contre les parties adjacentes des plaques. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que les tubes précités ont une section non circulaire mais que le mandrin lisse précité a une section circulaire.