Brevet FR2155770A1 — publié le 19730525

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur et, plus particulièrement, les échangeurs 9 tubes. On sait que de tels échangeurs sont fréquemment utilisés et sont constitués par une enceinte fermée dans laquelle débouchent un conduit d'entrée et un conduit de sortie et par une série de tubes rectilignes ou en hélice qui s'étendent entre deux parois opposées de ladite enceinte. Dans ces tubes, circule un premier fluide d'échange thermique, ou fluide primaire, tandis qu'entre les conduits d'entrée et de sortie de l'enceinte, circule un fluide secondaire. Dans de tels appareils, l'échange de chaleur est fonction d'un certain nombre de variables telles que la surface d'échange, les températures des deux fluides et les vitesses de circulation. Pour ce qui est de ce dernier paramètre, la vitesse du fluide primaire est déterminée de façon précise par son débit total, le nombre et le diamètre intérieur des tubes ; auant 5 la vitesse de circulation du fluide secondaire, elle dépend également de son débit total et des sections de passage ménagées entre les tubes, mais demeure très difficile maîtriser car les conditions d'écoulement peuvent varier considérablement d'une section de l'échangeur l'autre. Etant donné que, pour une même surface d'échange, le rendement est amélioré lorsque la vitesse du fluide secondaire est accrue, on a cherché à réduire la section de passage entre les tubes sans accroître le nombre de ces derniers, notamment en disposant des chicanes qui allongent le parcours du fluide secondaire. Toutefois, l'adjonction de chicanes ou moyens analogues, outre le fait qu'elle complique sensiblement la construction de l'appareil, ne permet pas de fixer avec davantage de précision le trajet du fluide et de régler, par conséquent, sa vitesse à la valeur optimale. Le but de cette invention est de réaliser un échangeur à tube dans lequel ce résultat soit obtenu de façon simple et sans adjonction de chicanes ou moyens analogues. Suivant l'invention, un tel échangeur comprenant deux parois à peu près parallèles délimitant entre elles une chambre et au moins un tube pour l'écoulement d'un fluide primaire, est caractérisé en ce quece tube est enroulé pour former des spires espacées et est au moins à peu près tangent aux deux parois le long de deux lignes continues, ce tube délimitant ainsi dans la chambre un trajet également continu pour un fluide secondaire entre un conduit d'entrée et un conduit de sortie. Les parois parallèles peuvent être planes, cylindriques ou coniques, le tube étant alors enroulé, selon les cas, suivant une spirale plane, une hélice ou une spirale conique. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation d'un tel échangeur. Au dessin annexé, donné uniquement à titre illustratif : la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un échangeur plan selon l'invention ; la Fig. 2 est une vue en plan avec arrachement de cet échangeur la Fig. 3 est une vue en coupe d'un échangeur de forme cylindrique la Fig. 4 est une vue partielle d'une variante d'échangeur cylindrique la Fig. 5 est une vue en coupe d'un échangeur de forme conique ; les Fig. 6 à 9 représentent d'autres modes de réalisation plus complexes d'échangeurs selon l'invention. On va tout d'abord décrire, en se référant aux Fiq. 1 à 5, des modes de construction simples d'un tel échangeur. Sur la Fig. 1, deux plaques planes circulaires 1 et 2 reliées par une paroi latérale cylindrique 3, délimitent une chambre 4 dans laquelle débouchent un conduit d'admission 5a radial et un conduit de départ 5b à peu près axial. Entre ces deux parois planes, est logé un tube 6 qui est enroulé en spirale pour former un certain nombre de spires espacées, les deux extrémités de ce tube constituant un conduit d'arrivée 7 et un conduit de départ 8.Le long de ses deux génératrices supérieure et inférieure, le tube 6 est en contact d'étanchéité avec les deux parois parallèles 1 et 2, de sorte qu'il délimite avec ces deux parois un trajet 9, également en spirale, entre le conduit d'arrivée Sa et le conduit de départ 5b Sur les Fig. 1 et 2, le trajet du fluide primaire circulant dans le tube 6 et le trajet du fluide secondaire circulant dans l'intervalle 9 ont été indiaués par deux séries de flèches différentes. On peut constater, sur la Fig. 2, que ces deux trajets sont constamment parallèles et à contre-courant, ce qui est particulièrement favorable à un bon échange thermiaue, et que, contrairement à ce qui se passe dans les échangeurs à tubes classiques, le trajet du fluide secondaire ainsi que sa section de passage sont parfaite ment déterminés. En choisissant de façon convenable la section du tube 6 ainsi que l'écartement entre les spires successives, on peut donc régler, avec une très grande précision, la section de passage et la vitesse de circulation du fluide secondaire. Sur la Fig. 3, est représenté un échangeur de chaleur hasé sur le même principe, mais dans lequel les deux parois parallèles sont constituées par deux cylindres coaxiaux il et 12 aui délimitent, avec deux parois planes 13 d'extrémité, une chambre annulaire 14 dans laquelle débouchent deux conduits d'arrivée 15a et de départ 15b, et dans laquelle est logé un tube 16 enroulé en hélice et dont les deux extrémités 17 et 18 constituent également des conduits d'arrivée et de départ. Comme précédemment, le tube 16 est en contact d'étanchéité avec les deux parois 11 et 12 le lona de deux lignes continues qui sont, dans ce cas, des hélices, de sorte qu'il délimite un trajet de forme hélicoldale entre les deux conduits 15a et 15b pour le fluide secondaire. Cet agencement peut etre modifié sans sortir du cadre de l'invention, pour regrouper, à une même extrémité, les conduits d'arrivée et de départ respectifs pour les fluides primaire et secondaire, comme représenté sur la Fig. 4. Dans ce cas, le tube 16a comporte un retour rectiligne 16b qui s'étend dans le cylindre intérieur 12a, ce dernier étant ouvert à ses deux extrémités et servant de passage pour le fluide secondaire. Sur la Fig. 5, est représenté un autre type d'échangeur dans lequel les deux parois parallèles 21,22 ont une forme conique et sont reliées à leur base par une paroi plane annulaire 23 pour délimiter une chambre 24. Deux conduits 25a, 25b, respectivement d'arr4- vée et de départ, débouchent dans la chambre 24 qui reçoit, de plus, un tube 26 enroulé suivant une spirale conique. Les extrémités 27 et 28 de ce tube constituent des conduits d'arrivée et de départ pour le fluide. On voit que, comme précédemment, ce tube, en étant en contact d'étanchéité avec les deux parois parallèles 21,22, délimite un trajet continu, également en forme de spirale conique, pour le fluide secondaire qui circule entre les conduits 25a et 25b. Ona On a représenté, sur les Fig. 6 à 9, des modes de réalisation plus complexes, mais correspondant néanmoins aux formes élémentaires décrites ci-dessus, c'est-a-dire respectivement plane, cylindrique et conique. L'échangeur plan de la Fig. 6 est constitué par deux plaques planes 31,32 d'extrémité,reliées par une paroi latérale cylindrique 33 et entre lesquelles sont disposées trois plaques intercalaires 34,35,36 également planes et parallèles. Entre chaque paire de plaques adjacentes, est disposé un tube 37,38,39,40 enroulé en spirale, dont l'extrémité de la spire intérieure est reliée à un conduit d'arrivée 41 s'étendant axialement à travers les plaques 31,34,35 et 36, tandis que les extrémités des spires extérieures de ces tubes sont reliées deux à deux pour constituer des conduits de départ 42, 43.La plaque supérieure porte un conduit d'arrivée 44 pour le fluide secondaire, débouchant à l'extérieur des enroulements de tubes, tandis que les plaques intermédiaires 34,35 et 36 sont évidées dans leur partie centrale en 45,46,47 autour du conduit d'arrivée 41, de façon à constituer un collecteur pour le fluide secondaire qui sort de l'échangeur par un conduit de départ 48. On voit, sans au'il soit nécessaire de décrire en détail le fonctionnement d'un tel échangeur, qu'il comporte, en parallèle, quatre échangeurs élémentaires tels que celui représenté sur la Fig. 1. Le nombre des plaques intercalaires et des tubes pourrait bien entendu être modifié à volonté,selon les caractéristrues souhaitées.Sur les Fig. 7 et 8, sont représentées deux variantes d'un échangeur cylindrique, celui de la Fig. 7 comportant deux tubes cylindriques enroulés suivant deux hélices de diamètres différents et montés en série, tandis que celui de la Fig. 8 comporte deux tubes de même dimension enroulés suivant deux hélices égales et imbriqués l'un dans l'autre. Sur la Fig. 7, l'enveloppe extérieure cylindrique 51 de l'é- changeur, fermée à une extrémité par une plaque 52 et à son autre extrémité par un collecteur 53, porte un conduit d'arrivée 54 pour le fluide secondaire. Deux autres parois cylindricues 55,56 sont montées dans cette enveloppe externe : une paroi interne 55, soudée à une extrémité sur la plaque 52 et fermée-également à son autre extrémité, et une paroi intermédiaire 56 délimitant deux chambres annulaires 57,58 avec les deux parois cylindriques adjacentes 51, 55. Dans ces deux chambres, sont reçus deux tubes 59,60 enroulés suivant des hélices de diamètres différents et reliés l'un à l'autre à l'extrémité de gauche du dessin, de façon à constituer un trajet en série pour un fluide primaire provenant d'un conduit 61 et retournant à un conduit de départ 62. On peut suivre, sur cette Fig. 7, les trajets respectifs des deux fluides, le fluide primaire se déplaçant dans le double enroulement de tubes, tandis que le fluide secondaire se déplace en suivant un premier trajet hélicoidal délimité dans l'intervalle 57 par le tube 59, puis en suivant un deuxième trajet hélicoIdal délimité dans l'intervalle 58 par le tube 60. Le retour de ce fluide secondaire s'effectue par le collecteur 53 et par un conduit de départ 63. Sur la Fig. 8, l'échangeur ne comporte que deux parois cylindriques parallèles 71,72 reliées par des plaques 73 et délimitant entre elles un intervalle 74 dans lequel débouchent un conduit d'arrivée 75 et un conduit de départ 76 pour le fluide secondaire. Dans cet intervalle, sont reçus deux tubes 77,78 montés en parallèle entre un conduit d'arrivée 79 et un conduit de départ 80 et enroulés suivant des hélices égales et imbriquées. Ces deux tubes délimitent deux trajets hélicoidaux parallèles pour le fluide secondaire entre les conduits 75,76, mais le principe de fonctionnement est exactement celui décrit à propos du mode de réalisation de la Fig. 3. Quant $ l'échangeur de la Fig. 9, de type conique, il est constitué par cinq parois coniques parallèles 81,82,83,84,85 délimitant quatre intervalles dans lesquels sont logés quatre tubes 86,87,88,89, enroulés chacun suivant une spirale conique et reliés à un même collecteur d'arrivée 90 et à un même collecteur de départ 91. Ces quatre enroulements délimitent dans chacun des quatre intervalles un trajet en forme de spirale conique pour le fluide secondaire qui s'écoule entre un conduit d'arrivée 92 et un conduit de départ 93. On a donc réalisé dans cet appareil quatre circuits d'échange en parallèle entre les deux fluides. Les principaux avantages de ces divers échangeurs sont essentiellement les suivants - il est possible de choisir et d'assurer pour le fluide secondaire une vitesse d'écoulement ayant la valeur la plus favorable ; - les directions d'écoulement des deux fluides sont constamment parallèles et toute la surface du tube participe à l'échange de chaleur - la trajectoire en hélice ou en spirale du fluide secondaire engendre un mouvement tourbillonnaire favorable à l'échange. Tous ces avantages concourent à l'obtention d'un rendement global particulièrement favorable A titre d'exemple, dans un appareil tel crue celui représenté à la Fig. 4, pour des conditions déterminées de température et de débit, il est possible d'obtenir aisément des vitesses de circula- tion de l'eau constituant le fluide secondaire, de l'ordre de 1 à 2 m/s et des coefficients globaux de transmission de chaleur de 2700 à 4300 kcal/h/m2/0C alors que, pour les mêmes conditions de température et de débit dans un échangeur classiaue àtubes droits ou en spirale, la vitesse de l'eau ne dépasse pas 0,25 à 0,50 m/s et les coefficients correspondants sont limités à 1200 kcal/h/m2/0C. - le montage en parallèle ou en série de plusieurs tubes peut s'effectuer très simplement (Fig. 6 à 9), ce qui permet d'augmenter la puissance de l'appareil sans accroître le diamètre des tubes et avec un encombrement total minimal - dans le cas des appareils plats ou coniques, les tubes en spirale et les plaques intermédiaires sont identiques, de sorte que ces appareils se prêtent particulièrement à une construction standardisée. REVENDICATION 1. Echangeur de chaleur, comprenant deux parois R peu près parallèles délimitant entre elles une chambre,et au moins un tube pour l'écoulement d'un fluide primaire, caractérisé en ce que ce tube est enroulé pour former des spires espacées et est au moins R peu près tangent aux deux parois le long de deux lignes continues, ce tube délimitant ainsi dans la chambre un trajet également continu pour un fluide secondaire, entre un conduit d'entrée ou d'arrivée et un conduit de sortie ou de départ. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux parois planes parallèles (1,2) entre lesauelles un tube (6) est enroulé en spirale, les conduits (5a,5b) d'arrivée et de départ du fluide secondaire étant disposés l'un, à l'intérieur de la spire intérieure et l'autre à l'extérieur de la spire extérieure du tube. 3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend n parois planes intercalaires (34,35,36) disposées entre deux parois planes d'extrémité (31,32), délimitant entre elles et avec ces dernières (n + 1) intervalles dans lesquels sont disposés (n + 1) tubes (37,38,39,40) enroulés en spirale, ces tubes étant reliés par l'extrémité de leur spire intérieure à un conduit commun tandis que les plaques intercalaires sont évidées dans leur partie centrale (en 45,46,47) autour de ce conduit pour constituer un collecteur , lui-même relié à un conduit (48). 4. Echanqeur de chaleur suivant la revendication 1, caractéri sé en ce qu'il comprend deux parois cylindrioues coaxiales (11,12) délimitant entre elles une chambre annulaire (14) dans laquelle au moins un tube 16 est enroulé en hélice. 5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi cylindrique intérieure délimite une chambre communiquant à une extrémité avec la chambre annulaire (14) et qui sert de passage pour le fluide secondaire, le tube en hélice comportant une branche d'arrivée ou de retour qui s'étend dans ledit passage, de sorte que les conduits d'arrivée et de départ des deux fluides sont regroupés à une même extrémité de l'échangeur. 6. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tubes (77,78) enroulés suivant des hélices égales,etimbriqués les uns dans les autres, ces tubes étant montés en parallèle et délimitant plusieurs trajets hélicoidaux pour 1e fluide secondaire. 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paroi intermédiaire cylindri- que (56) entre les deux parois cylindriques extérieure (51) et intérieure (55), délimitant avec ces deux parois deux espaces annulaires concentriques (57,58) dans lesquels sont logés des tubes (59,60) enroulés suivant des hélices de diamètres différents, ces tubes étant alimentés en parallèle ou en série. 8. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux parois coniques parallèles (21,22) délimitant une chambre (24) dans laquelle un tube (26) est enroulé suivant une spirale conique. 9. Echangeur de chaleur suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend n parois coniques intermédiaires disposées entre deux parois coniques intérieure et extérieure, et délimitant entre elles et avec ces dernières (n + 1) intervalles dans lesquels sont logés (n + 1) tubes enroulés suivant une spirale conique et alimentés en série ou en parallèle.