Brevet FR2193188A1 — publié le 19740215

La présente invention concerne un tube à ailettes formées dans la matière du tube présentant une géométrie particulière grâce à laquelle le taux d'échange thermique est accru dans certaines applications pour lesquelles le tube est immergé dans un liquide qui doit être porté à ébullition. Plus précisément les ailettes, qui forment des spires ou anneaux autour du tube sont recourbées de telle sorte que l'arrête de chaque spire occupe une position très proche de la spire adjacente, les spires formées par les ailettes délimitant ainsi des cavités s' étendant circonférentiellement qui sont presque closes et qui définissent des ouvertures étranglées continues s'étendant circonférentiellement et communiquant avec les cavités, ce tube étant caractérisé en ce qu'en des zones circonférentiellement espacées d'étendue limitée, les parties terminales recourbées des spires sont façonnées de façon à élargir les ouvertures dans une mesure appréciable. Suivant un mode de réalisation de l'invention, un tube uni est uni d'ailettes, de préférence de forme hélicoldale réalisées par une opération de roulage bien connue dans la technique. Les spires produites par cette opération de roulage ont une hauteur uniforme et si les ailettes sont recourbées comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 154 312 au nom de Zatell, elles forment une ouverture étranglée uniforme débouchant dans la cavité presque close formée entre les ailettes adjacentes.Conformément à la présente invention, la hauteur des ailettes est réduite en des points circonférentiellement espacés de sorte que, lorsque les ailettes sont recourbées, les parties d'ailettes de hauteur réduite définissent chacune avec la spire adjacente des parties élargies dans les ouvertures continues s 'étendant circonférentiellement. Les ailettes initialement de hauteur uniforme peuvent avoir des parties réduites en hauteur par une opération de moletage exécutée dans le sens longitudinal du tube à ailettes. Cette opération de moletage repousse le métal des parties formant les arêtes des ailettes vers l'intérieur pour former des parties d'ailette de hauteur réduite circonférentiellement espacées. Naturellement, les parties d'ailettes de hauteur réduite peuvent également être obtenues en enlevant la matière dans des zones circonférentiellement espacées le long des ailettes par une opération d'enlèvement du métal, par meulage ou fraisage par exemple. Le tube de la présente invention est achevé en faisant passer le tube muni des ailettes modifiées dans une filière de dimensions appropriées, de façon à déformer ou à recourber les spires ou anneaux po' - réaliser l'ouverture étranglée requise débouchant dans les cavités formées entre les spires adjacentes du tube. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, l'opération initiale de formage des ailettes est réalisée comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 224 095 au nom de Rieger, suivant laquelle le tube uni est porté sur des mandrins munis de rainures hélicoldales pendant qu'une pression dirigée radialement vers l'intérieur est appliquée au tube pour former les ailettes par roulage. Lorsque la pression de formage des ailettes est appliquée sur une partie rainurée du mandrin, la matière du tube uni est refoulée dans le mandrin et, a cette partie du tube, la hauteur des ailettes est légèrement réduite.Cette hauteur réduite des ailettes n'a pas une signification particulière dans le tube décrit dans la demande de brevet précitée NO 224 095 au nom de Rieger mais, lorsque le procédé décrit dans cette demande est utilisé en tant que premier stade de fabrication des ailettes modifiées confor- mément à l'invention, la légère réduction de la hauteur des ailettes produit automatiquement les parties élargies des ouvertures continues s'étendant circonférentiellement qui débouchent dans les cavités entre les ailettes adjacentes, lorsque le tube est passé dans une filière ayant une forme convenable pour produire exactement la déformation ou courbure requise des spires d'ailette. Le fait de prévoir des ouvertures étranglées s'étendant circon férentiellement et continues débouchant dans les cavités formées entre les spires adjacentes d'ailette, les ouvertures comportant des parties élargies circonférentiellement espacées, est particulièrement avantageux dans l'échange thermique destiné à produire l'ébul- lition d'un liquide visqueux ou d'un liquide contenant de la mousse ou de l'écume. tans les deux cas, l'écoulement du liquide vers l'intérieur des cavités formées entre les ailettes adjacentes est permis au droit des parties élargies alors que la pénétration du liquide par les parties d'ouverture plus étrcites ou étranglées pourrait être insuffisante tour assurer un échange thermique de rendement optimal. La largeur moyenne de l'espace qui sépare les arêtes d'ailette et les flancs des ailettes adjacentes dépend d'un certain nombre de facteurs et, dans unie application particulière est, de préférence, déterminée expérimentalement. Cependant, d'une manière générale, la demanderesse considère que l'écartement moyen, sauf dans les zones élargies, devrait être inférieur à 0,18 mm et est, normalement, inférieur à 0,13 mm. La largeur des parties élargies de l'ouverture peut également dépendre d'un certain nombre de facteurs mais, en gé néral, cette largeur devrait être au moins égale à une valeur supérieure de 50 % à celle de la largeur moyenne de l'ouverture entre les parties élargies. Un exemple particulier des caractéristiques ci-dessus est une ouverture continue ayant une largeur moyenne de 0,1G mm et des parties élargies ayant une largeur moyenne de 0,15 mm. En outre, 12 fraction de l'ouverture continue occupée par les parties élargies doit etre comprise entre 10 et 30 fo de l'ouverture totale. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre. Aux dessins annexés: la Fig. 1 est une vue fragmentaire en coupe longitudinale d'une ébauche utilisée pour produire des tubes mettant en application la présente invention; la Fig. 2 est une vue fragmentaire à plus grande échelle, de la partie du tube cerclée sur la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la Fig.2; la Fig. 4 est une vue fragmentaire en élévation d'une partie d' un tube achevé, produit à partir du tube représenté sur les Fig. 1 à 3; la Fig. 5 est une vue fragmentaire en coupe suivant la ligne 5-5 de la Fig. 4; la Fig. 6 est une vue fragmentaire en coupe suivant la ligne 6-6 de la Fig. 4; la Fig. 7 est une vue fragmentaire en coupe à plus grande échelle du tube représenté sur la Fig. 5; ; la Fig. 8 est une vue fragmentaire en coupe d'une ébauche utilisée pour produire des tubes conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention; la Fig. 9 est une vue fragmentaire en coupe d'une partie du tube représenté sur la Fig. 8; la Fig. 10 est une vue similaire à celle de la Fig. 9 représentant l'état du tube après son passage dans une filière; la Fig. 11 est une vue fragmentaire en élévation du tube achevé tel que représenté sur la Fig. 10. Le tube formant échangeur thermique représenté sur les dessins constitue un perfectionnement apporté au tube tel que représenté dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 154 312 au nom de Zattel cédée à la demanderesse. Ce tube, de même que celui de cette demande de brevet, est produit en faisant passer un tube à ailettes formées dans la matière du tube dans une filière circulaire d'une manière telle que les spires constituant les ailettes sont recourbées de façon à amener l'arête de chaque spire à proximité de la paroi de la spire adjacente. Ceci produit une cavité presque close qui s'étend autour de la surface externe du tube. Si les ailettes sont des ailettes circulaires indépendantes, chaque intervalle entre deux ailettes adjacentes forme une cavité annulaire distincte.Si au contraire, les ailettes sont hélicoldales, les cavités s'étendent en hélice autour du tube. Comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 154 312, l'arête de chaque ailette est légèrement espacée de la paroi de la spire adjacente de façon à former une ouverture s'étendant circonférentiellement relativement étroite qui donne accès à l'intérieur de la cavité pour permettre la pénétration dans la cavité d'un liquide dans lequel le tube est immergé. Le liquide qui pénètre dans la cavité est vaporisé d'une manière très efficace et la vapeur résultante est chassée de la cavité par l'ouverture étroite, dans la masse de liquide dans laquelle le tube est immergé. les tubes du type décrit ci-dessus peuvent être fabriqués de manière avantageuse en formant par roulage les ailettes à partir de la matière d'un tube uni, après quoi le tube est enfilé dans une filière dont l'ouverture est étudiée pour recourber les ailettes de façon à former les cavités et les ouvertures continues ou presque continues 'étendant circonférentiellement et communiquant avec les cavités. 'un point de vue pratique, il est impossible de réaliser la largeur d'écar+eoent avec précision, mais il est suffisant de produire une action qui permet d'obtenir, dans des limites raisonna bles, une largeur d'écartement moyenne suffisante pour permettre 1' entrée du liquide, qui doit etre porté à ébullition dans la cavité, par l'ouverture étranglée et naturellement pour permettre à la vapeur résultant de l'ébullition ou de la vaporisation du liquide de sortir par l'ouverture pour pénétrer dans la masse du liquide dans laquelle le tube est immergé. Conformément à la présente invention, il est prévu dans l'ouverture sensiblement continue des parties élargies circonférentiellement espacées. Ces parties élargies permettent à certains liquides, ou matières fluides, de pénétrer dans les cavités, ce qui ne serait obtenu que d'une manière insuffisante si les ouvertures continues ou à peu près continues avaient une largeur moyenne uniforme et ne comportaient pas de parties élargies espacées les unes des autres pour permettre l'écoulement du liquide dans les cavités. Comme décrit dans la demande de brevet Zatell, la largeur moyenne de l'intervalle entre l'arête d'une spire d'ailette et la surface adjacente de la spire suivante peut atteindre 0,18 mm et l'amélioration maximale du rendement d'ébullition est notée lorsque l'intervalle ne dépasse pas 0,13 mm. En pratique, naturellement, la largeur moyenne de l'intervalle peut être de beaucoup inférieure à 0,13 mm, comme par exemple dans le cas des tubes mentionnés dans la demande Zatell pour lesquels des largeurs d'intervalle n'atteignant que 0,025 mm ont été essayées.En conséquence, la présente invention prévoit l'utilisation d'ouvertures continues s'étendant circonférentiellement communiquant avec l'intérieur des cavités s'étendant autour du tube qui, sauf en ce qui concerne les parties élargies qui seront décrites ci-après, ont une largeur utile moyenne qui ne dépasse pas 0,18 mm et de préférence 0,13 mm et est dans de nombreux cas bien inférieure, par exemple de 0,025 mm. la largeur la plus efficace pour un liquide particulier à porter à ébullition peut être déterminée expérimentalement dans les limites indiquées ci-dessus. Une largeur moyenne de l'ouverture d'accès continue qui permet le fonctionnement le plus efficace pour le liquide contenu dans la cavité peut être inférieure à la largeur qui donne le rendement global le meilleur du fait que l'étroitesse de l'ouverture ou intervalle peut 4tre telle qu'elle freine l'écoulement du liquide dans la cavité dans laquelle il est vaporisé.En conséquence, selon la pré- sente invention, l'ouverture continue débouchant dans la cavité a une largeur choisie de façon à produire un échange de chaleur maximal et en conséquence à favoriser l'ébullition tandis qu' en même temps des dispositions sont prises, sous la forme des parties élargies circonférentiellement espacées, pour permettre l'entrée dans les cavités circonférentielles du liquide, dans la masse duquel le tube est immergé. En termes généraux, la largeur de l'ouverture est dans une relation déterminée avec la largeur moyenne de l'ouverture mesurée entre les parties élargies successives. La largeur des parties élargies doit cependant être considérablement supérieure à la largeur de l' ouverture entre les parties élargies et, en pratique, la-largeur de l'ouverture élargie doit être au moins supérieure de 50 ss à celle de l'ouverture entre les parties élargies.Ainsi, par exemple, si la largeur moyenne de l'ouverture entre les parties élargies est de 0,075 mm, la largeur des parties élargies doit naturellement être limitée de telle sorte qu'elle ne permette pas un écoulement presque complètement libre du liquide dans et hors des cavités, qui réduirait les performances du tube concernant l'amélioration de l'ébullit ion. On se référera tout d'abord aux Fig. 1 à 7. La Fig. 1 représente un tube 10 ayant une surface intérieure lisse 12 et muni sur sa surface extérieure d'ailettes désignées par la référence 14. Comme on le voit plus clairement sur la vue à plus grande échelle de la Fig. 2, chacune des ailettes 14 s'étend vers l'extérieur à partir de la surface extérieure généralement cylindrique 16 du tube 10 sur une hauteur "h" qui est au moins plusieurs fois supérieure à l'épaisseur moyenne "t" d'une ailette. les tubes à ailettes du type représenté sur les Fig. 1 et 2 sont obtenus, comme il est bien connu, en repoussant par roulage la matière du tube pour former la matière des ailettes. Les ailettes peuvent etre réalisées sous la forme de spires ou anneaux circulaires indépendants ou, comme ceci est en général le cas, les ailettes peuvent être formées de façon à s'étendre en hélice autour du tube. En outre, les ailettes peuvent être formées par une ailette hélicodale unique ou par deux ailettes hélicoidales imbriquées ou davantage. Cas le tube à ailettes représenté sur les Fig. 1 et 2, les spires d'ailette ont une hauteur uniforme de sorte que les arêtes d'une multittde de spires d'ailette se situent sur une surface cylindrique fictive. Conformément à la présente invention, la hauteur des ailettes est réduite en des-points circonférentiellement espacés, comme montré sur la Fig. 3. Sur cette figure, le tube 10 a des ailettes 14 qui comportent des encoches ou dépressions circonférentiellement espacées 18. Comme représenté, ces encoches ont une forme générale en V et ont une profondeur qui ne s'étend que sur une faible partie de la hauteur de l'ai'ette, par exemple sur 10 à 20 % de cette hauteur. Ces encoches sont espacées les unes des autres d'une distance relativement importante de sorte que l'élargissement de l'ouverture continuedébouchant à l'intérieur de la cavité presque close formée à l'extérieur du tube ne constitue qu'un faible pourcentage de la lon- gueur totale de l'ouverture de façon à ne pas dépasser par exemple 10 à 50 % de cette longueur. Les encoches ou dépressions 18 peuvent être formées dans le tube à ailette par moletage au moyen d'une molette, appliqué dans une direction longitudinale du tube de façon à déplacer la matière des arêtes des ailettes et former ainsi les encoches. les encoches peuvent être également formées par une opération impliquant l'enlèvement de la matière des arêtes des ailettes, par exemple par une opération de fraisage ou de meulage appropriée. Après que les spires d'ailette 14 ont été pourvues des encoches circonférentiellement espacées 18, le tube suivant l'invention est obtenu simplement en faisant passer le tube à ailettes dans une filière ayant une ouverture circulaire dont les dimensions sont choisies de façon à produire la courbure requise des ailettes et à les amener à la configuration représentée sur les Fig. 4 à 7. Sur ces figures, les ailettes recourbées sont désignées par la référence 20 et sont pourvues chacune des encoches ou dépressions 18.L'arête 22 de chaque ailette est recourbée de façon à n'être que peu écartée d'un coté de la spire d'ailette immédiatement adjacente formant ainsi l'ouverture continue désignée par la référence 24 sur la Fig. 6, pourvue des élargissements périodiques, désignés par la référence 26 sur la Fig. 5, formés par les encoches ou dépressions 18, qui communiquent avec les cavités 27. Sur les Fig. 8 à 11 auxquelles on se référera maintenant, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation est caractérisé par la fabrication d'un tube à ailettes extérieures muni de nervures ou arêtes intérieures, tel que décrit dans la demande de brevet .ieger, cédée à la demanderesze. tans ce cas, un tube uni est déplacé sur un mandrin sur lequel sont formées une ou plusieurs rainures hélicoïdales, les rainures ayant un grand angle d'hélice ou pas par rapport à l'axe du mandrin. l'opération de roulage est effectuée en utilisant plusieurs ensembles de disques de formage d'ailettes dont les axes sont transversaux par rapport au mandrin et au tube qui avance sur le mandrin, de façon à presser fortement le tube au contact du mandrin et de ce fait à refouler la matière du tube dans la ou les rainures prévues dans le mandrin au fur et à mesure de l'avance du tube. A cet effet, le mandrin est monté à rotation de sorte que, lorsque le tube à ailettes avance sur le mandrin, une ou plusieurs nervures intérieures hélicoïdales sont formées dans le tube. L'opération de formage des ailettes, lorsqu'elle est effectuée sur le mandrin cylindrique uni produit des spires d'ailette qui ont une hauteur à peu près constante. Lorsque, cependant, le mandrin est muni de la ou des rainures hélicoidales, comme décrit dans la demande de brevet Rieger, la partie des spires d'ailette qui est située audessus de la nervure formée à l'intérieure du tube a une hauteur légèrement inférieure. Cette variation de hauteur, en tant que caractéristique de la configuration du tube fabriqué selon la demande de brevet Rieger n'a aucun intérêt pratique.Cependant, dans son application à la présente invention, cette très légère réduction de la hauteur en des points circonférentiellement espacés des arêtes des spires d'ailette permet de réaliser les élargissements périodiques de l'ouverture continue donnant accès A-l-'interieur de la cavité, lorsque les ailettes sont recourbées par une opération de formage dans une filière comme précédemment décrit. Sur la Fig. 8 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté une partie d'un tube 50 muni sur sa surface intérieure de spires de nervure s'étendant en hélice 32, qui, comme représenté, font saillie radialement vers l'interieur sur une distance quelque peu inférieure à leur dimension axiale. Les nervures 52 s'étendent avec un angle d'hélice ou pas important par rapport à l'axe 34 du tube, par exemple de 30 à 45 . Les ailettes 36 s'étendent en général, presque circonférentiellement d'où il résulte que chaque spire de nervure intérieure est coupée par un grand nombre de spires d'ailette. là où une spire d'ailette coupe une spire de nervure intérieure au tube, la hauteur de l'ailette est réduite de quelques centièmes de millimètres. Sur la Fig. 9 la ligne théorique 38 passe par les arêtes des ailettes 36a aux points où les ailettes ne se trouvent pas au droit des nervures intérieures 32. là où les ailettes, telles que celles désignées par la référence 36b, sont situées au droit des nervures intérieures, on remarque que ces ailettes ont une hauteur réduite et sont espacées vers l'intérieur par rapport à la ligne théorique 38 d'une distance désignée par la référence 40. Sur la Fig. 10, le tube 30 a été représenté dans l'état produit par le passage du tube à ailette représenté sur la Fig. 9 dans une filière circulaire. Les ailettes 36 ont été toutes déplacées pour amener leur arête dans une position légèrement écartée de la spire d'ailette immédiatement adjacente en délimitant avec elle la cavité presque close 42 s'étendant dans une direction générale circonférentielle et en formant l'ouverture d'accès continue 44 s'étendant dans une direction générale circonférentielle, qui débouche dans la cavité. Aux emplacements où les ailettes sont de hauteur réduite, comme désigné par la référence 36b, il y a un élargissement de l'ouverture continue, cet élargissement étant désigné par la référence 46 sur la Fig. 10. Le tube terminé est représenté sur la vue fragmentaire en élévation de la Fig. 11, sur laquelle les spires d'ailettes recourbées désignées dans leur ensemble par la référence 36 comportent des parties élargies légèrement espacées 46 qui sont disposées dans une configuration hélicoïdale comme indiqué par la ligne théorique 48 en s' étendant suivant le meme angle d'hélice que les nervures 32. Pevendications 1 - Tube à ailettes formant échangeur thermique, utilisable notamment dans un liquide qui doit être mis en ébullition, ce tube comportant une multiplicité d'anneaux ou spires formant des ailettes, axialement espacés s'étendant autour du tube et une paroi cylindrique continue, chaque spire étant recourbée vers la spire adjacente de telle sorte que l'arrête de chaque spire est rapprochée de la face d'une spire adjacente et définit ainsi des ouvertures étranglées s' étendant circonférentiellement qui communiquent avec les cavités formes entre les spires, caractérisé en ce que la partie externe des ailettes est, dans des zones espacées circonférentiellement, fa çonnée de façon à élargir les ouvertures. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures étranglées sont essentiellement continues autour du tube et ont une largeur moyenne qui ne dépasse pas 0,18 mm. 3 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures étranglées sont essentiellement continues autour du tube et ont une largeur moyenne qui ne dépasse pas 0,13 mm. 4 - Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parties élargies des ouvertures ont une largeur moyenne qui est supérieure d'au moins50 % à la largeur moyenne des parties des ouvertures situées entre les parties élargies. 5 - Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce- que les élargissements sont prévus à des espacements à peu près égaux le long des ouvertures. 6 - Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étendue circonférentielle des élargissements représente 10 à 30;de celle des ouvertures. 7 - Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ailettes s'étendent en hélice autour dudit tube. 8 - Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le tube est muni de nervures intérieures s'étendant en hélice. 9 - Tube selon la revendication 8, caractérisé en ce que les nervures ont un angle d'hélice d'au moins 300. 10 - Tube selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, caractérisé en ce que les élargissements sont formés par des parties d'ailettes ayant des dimensions réduites. 11 - Procédé pour produire un tube formant échangeur thermique, utilisable notamment dans un liquide à porter à ébullition, caractérisé en ce qu'on forme dans la matière d'un tube uni des ailettes constituées par une multiplicité de spires ou d'anneaux étendant autour du tube et qui ont dans des zones espacées circonférentiellement, une hauteur réduite, on recourbe la partie extérieure des ailettes, de telle sorte que l'arrête de chaque spire est écartée d' une faible distance de la face d'une spire adjacente et définit ainsi des ouvertures étranglées s'étendant circonférentiellement qui communiquent avec les cavités formées entre les ailettes, les parties des ailettes qui ont une hauteur réduite formant dans les ouvertures des parties élargies. 12 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on forme initialement les ailettes par roulage de la matière du tube, puis on réduit la hauteur des ailettes dans des zones circonférentiellement espacées. 13 - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la hauteur des ailettes est réduite par un moletage des arêtes des ailettes, effectué dans le sens longitudinal du tube. 14 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on forme initialement les ailettes en leur donnant une hauteur uniforme par roulage de la matière du tube, alors que le tube est supporté par un mandrin muni de rainures longitudinales, de façon à produire des nervures intérieures dans le tube, les parties d'ailettes situées au-dessus desdites nervures ayant une hauteur réduite pour former les parties élargies des ouvertures. 15 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les rainures du mandrin sont formées par des rainures hélicoïdales relativement étroites et sont espacées les unes des autres d'une distance importante, de façon à former des parties d'ailettes de hauteur réduite dont la dimension circonférentielle est nettement inférieure à celle des parties d'ailettes de hauteur non réduite.