Brevet FR2304884A1 — publié le 19761015

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur dans lequel l'échange se produit entre au moins deux fluides circulant dans des directions parallèles ou à contrecourant. On sait qu'un échangeur de chaleur est un dispositif qui permet de mettre en contact thermique, à travers une cloison, un fluide caloporteur et un fluide à réchauffer. Dans les dispositifs connus, un des fluides circule dans un faisceau de tubes cylindriques et le second autour desdits tubes. I1 existe également des échangeurs monotubulaires coaxiaux réalisés à partir de tubes cylindriques qui peuvent être d'ailleurs, associés en parallèle. L'invention se rapporte à un échangeur de ce type. On sait d'autre part qu'afin de limiter l'encombrement des échangeurs et d'augmenter la surface de contact thermique des deux fluides sous un même volume, il est connu d'enrouler les tubes en hélice. Toutefois, dans les échangeurs connus, la nécessité d'avoir une résistance mécanique suffisante conduit à l'emploi de tubes dont les parois sont relativement épaisses et qui s'opposent par là à l'optimalisation du phénomène d'échange de chaleur. D'autre part cette épaisseur relative se traduit par un usinage difficile et donc par un prix de revient élevé. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Selon l'invention l'échangeur de chaleur à tubes concentriques enroulés en hélice, dans lequel circulent au moins deux fluides, est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit constitué par la juxtaposition de deux parois cylindriques concentriques de même longueur, présentant au moins deux nervures hélicoidales de même pas et de profils opposés, les deux cylindres étant obturés par deux plaques circulaires. L'assemblage des deux nervures formées sur les deux cylindres détermine un conduit dans lequel va circuler l'un des fluides. Le second fluide circulera à l'intérieur du cylindre intérieur et à l'extérieur du cylindre extérieur. I1 est ainsi possible selon l'invention d'ajuster la surface sur laquelle se produit l'échange de chaleur en modifiant Ie-pas des hélices en fonction des grandeurs physiques propres à chaque fluide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre en regard des figures qui représentent les figures 1, 2, 3 et 4 les différentes étapes de fabrication d'un élément pour échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 5 un échangeur constitué par deus tubes cylindriques concentriques entre lesquels est disposé un élément; la figure 6 une coupe d'un conduit de fluide selon la présente invention; la figure 7 une coupe d'un conduit de fluide dans lequel deux conduits de fluide ont des sections différentes; la figure 8 une association en parallèle de deux conduits de fluide; la figure 9 un mode de réalisation voisin de celui de la figure 8; la figure 10 un échangeur multinappes; -la figure 11 un échangeur instantané; la figure 12 un échangeur à semi-accumulation;; la figure 13 un échangeur utilisé dans un dispositif à accumulation; la figure 14 une variante du cas précédent dans lequel le conduit de fluide à réchauffer est noyé dans le fluide caloporteur. Les figures 1, 2, 3 et 4 représentent les différentes étapes de fabrication d'un conduit, données à titre d'exemple non limitatif. A la figure 1 sont représentés les deux cylindres, un cylindre intérieur 1 et un cylindre extérieur 2 qui peuvent être obtenus à partir d'une virole roulée et soudée longitudinale- ment selon une génératrice du cylindre ainsi formé. Les deux cylindres obtenus sont de même longueur et leurs diamètres respectifs seront déterminés ultérieurement. Ces cylindres peuvent être formés par exemple dans des feuilles d'acier inoxydable austénitique. Les cylindres 1 et 2 sont ensuite nervurés et prennent l'aspect qui apparaît sur la figure 2.Le diamètre extérieur des nervures 11 du cylindre 1 doit être égal ou légèrement supérieur au diamètre interne des nervures 12 du cylindre 2, les deux hélices ayant le même pas, de sorte que chacun des sommets 11 vienne au contact de la base 12 d'une nervure du cylindre 2 et cela de façon continue pour former un conduit de fluide. Les nervures peuvent être obtenues par différents procédés et par exemple par action de molettes avec mouvement relatif hélicoldal par rapport aux tubes ou par déformation sous pression avec ou sans intermédiaire d'une vessie élastique et avec une empreinte permettant de donner la forme de nervures désirée, ou encore par expansion ou compression à l'aide d'outillages adaptés combinés avec des mouvements centripètes ou centrifuges. I1 est également possible de procéder de la façon suivante : à partir d'une feuille plane on réalise sur celle-ci les empreintes développées par une simple déformation plane, puis on met la surface ainsi obtenue en forme cylindrique par exemple avec un train de galet, et enfin on soude longitudinalement le long de la génératrice ondulée ainsi obtenue. L'opération suivante consiste à introduire le tube intérieur 1 dans le tube extérieur 2 pour obtenir la configuration représentée à la figure 3. Un des avantages de l'invention est qu'il n'est pas nécessaire d'obtenir une étanchéité parfaite entre les spires puisqu'il s'agit toujours du même fluide sensiblement à la même température qui circule dans deux spires conjointes. Le montage peut donc être obtenu très simplement par une simple pression axiale. I1 peut être éventuellement amélioré par l'interposition de produits adaptés tels que des joints plastiques ou de caoutchoucs. Enfin, la liaison entre les deux surfaces nervurées peut être renforcée par des points de soudure électriques par exemple. A la figure 3, des références 3 et 4 représentent des électrodes de soudure par points qui sont reliées à un générateur non représenté. L'opération suivante consiste à Obturer les bases des cylindres et à monter les tubulures nécessaires à l'arrivée et à l'évacuation du fluide. Des plaques circulaires par exemple en acier inoxydable, peuvent être soudées sur les deux ondes extrêmes 9 et 10 au moyen d'un cordon de soudure continue selon le procédé appelé T.I.G. (tungstène inerte gaz) qui fait appel à une électrode infusibleY.Les tuyauteries de raccordement 5 et 6 sur la figure 4 peuvent être fixées soit sur les cylindres 1 et 2, soit sur les plaques 9 et 10. Bien entendu, les cylindres à nervures hélicoidales sont réalisés en un matériau qui est adapté aux conditions d'utilisation : température et nature des fluides, possibilité d'actions corrosives, pressions etc... Lorsque l'un des deux fluides est particulièrement agressif et nécessite le choix d'un matériau ou d'un revêtement de prix élevé, il est souhaitable de faire circuler celui-ci a l'intérieur du volume déterminé par les deux cylindres à nervures, la nature du conteneur ou de son revêtement étant alors adaptée au fluide le moins agressif. Pratiquement, les cylindres nervurés peuvent être réalisés én matière plastique ou en métal (acier inoxydable, cuivre,- laiton, etc.). Les deux cylindres sont réunis par soudure par collage par sertissage ou par toute autre méthode le long de leurs spires extrêmes dans lesquelles sont ménagés les orifices d'entrée et de sortie de fluide comme il a été expliqué précédemment. I1 est également possible d'utiliser un seul assemblage de cylindres à rainures hélicoïdales pour faire circuler deux fluides, voire davantage en usinant des nervures hélicoidales suivant des hélices à plusieurs filets. Le contact thermique se fait alors le long des spires, mais l'étanchéité doit être alors assurée. La figure 5 représente un échangeur selon l'invention. L'échangeur 13 est constitué essentiellement par deux cylindres concentriques, un cylindre intérieur 14 et un cylindre extérieur 15 entre ces deux cylindres est monté un assemblage tel que celui qui a été décrit en regard des figures précédentes. L'un des deux fluides est introduit par l'ajutage 16 et ressort de l'échangeur par l'ajutage 17 après circulation dans le conduit 18 obtenu ainsi qu'il a été dit précédemment. Le second fluide est introduit par l'ajutage 19 par exemple et sort de l'échangeur par l'ajutage 20. I1 circule dans l'espace 21 constitué par la paroi externe du tube 14, la paroi interne du tube 15, et les parois externes des cylindres nervurés 1 et 2. Bien entendu, les bases des cylindres 14 et 15 sont obturées par des disques ou par des couronnes (non représentées). La figure 6 représente une coupe des conduits qui sont ainsi obtenus, la section du conduit 18 étant sensiblement égale à la section du conduit 21. Cette disposition permet, pour autant que les pressions en jeu soient du même ordre d'obtenir des débits sensiblements égaux des deux fluides à travers l'échangeur. Toutefois, afin d'améliorer les données de l'échange, il est possible que l'on désire que le débit de l'un des fluides, (par exemple du fluide caloporteur) soit plus important que celui de l'autre fluide pour obtenir une élévation de température plus importante du second fluide. I1 est dans ce cas possible d'utiliser des sections du genre représenté à la figure 7 sur laquelle le conduit 21 a une section beaucoup plus importante que celle du conduit 18.Pour ce faire, il suffit de modifier le pas de l'hélice selon lequel la nervure est formée. En faisant varier la profondeur et la forme des nervures on peut ainsi ajuster les sections de passage des deux fluides en fonction des débits respectifs désirés à travers l'échangeur. Les conduits obtenus à l'aide de cylindres nervurés peuvent bien entendu être raccordés en série ou en parallèle. La figure 8 montre en demi-coupe un échangeur de chaleur faisant appel à deux conduits 22 et 23 formés à l'aide de cylindres nervurés. Sur cette figure les conduits 22 et 23 sont connectés en parallèle sur l'ajutage d'entrée 16 ce qui permet la circulation du fluide avec un débit double de celui qui serait obtenu avec un seul élément. Le débit du second fluide est également double puisque le conduit dégagé par les deux premiers éléments entre les cylindres 14 et 15 a une section égale à la section des conduits 22 et 23. Dans l'exemple qui est représenté sur la figure, le second fluide pénètre dans l'échangeur par la tubulure 19. Le conduit 24 qui est formé est utilisé pour faire circuler le second fluide.Dans l'exemple qui a été représenté, le conduit 24 est de longueur double de celle de chacun des conduits 22 et 23. I1 aurait bien entendu été possible de diviser le conduit 24 en deux parties et de connecter ces parties en parallèle sur l'ajutage d'entrée 19. La figure 9 représente en demi-coupe un échangeur à deux nappes de même structure que l'échangeur représenté à la figure 8, mais sur lequel ne sont représentés que les ajutages de sortie 17 correspondant aux conduits 22 et 23 et 20 correspondant au conduit 24. Dans ce mode de réalisation,la surface cylindrique de séparation 25 qui n'est pas nécessaire lorsque le conduit 24 est utilisé "en série",n'a pas été représenté. Cette séparation 25, permet éventuellement de diviser le conduit 24 en deux conduits parallèles. La figure 8 représente un échangeur multinappes qui comporte trois éléments d'échangeur formés de deux cylindres nervurés. Ces trois éléments sont contenus comme précédemment dans l'espace défini par deux tubes cylindriques concentriques 14 et 15. Ces éléments peuvent communiquer avec les sources extérieures de fluide par des tubulures 26, 28 et 30 et être reliés aux appareils d'utilisation par des tubulures 27, 29 et 31 pour ce qui est de l'un des fluides. Le second fluide peut être introduit dans l'échangeur par l'ajutage 32 et sortir dudit échangeur par l'ajutage 33. I1 est ainsi possible soit de faire circuler à l'intérieur de l'échangeur plus de deux fluides, soit de faire varier les débits en connectant les différents ajutages pour un même fluide (26, 28 et 30) en série ou en parallèle.Le mode de branchement dépend bien entendu de l'application qui est envisagée. Les figures suivantes représentent des exemples d'utilisation d'échangeurs selon la présente invention. La figure 11 représente un échangeur instantané. Pour des applications domestiques par exemple. Le fluide à réchauffer, par exemple de l'eau sanitaire, pénètre dans l'échangeur par la tubulure 36 et en ressort par la tubulure 37. Les deux nappes sont connectées en parallèle de manière à accélérer l'échange de chaleur. Le fluide caloporteur qui peut être de l'eau provenant d'une chaudière pénètre dans l'échangeur par l'orifice 34 et en est évacué par l'orifice 35. L'instantanéité qui est requise pour ce type d'échangeur nécessite une surface de contact très importante et c'est pour cette raison que le mode de branchement en parallèle a été employé ici. La figure 12 représente un échangeur à semi-accumulation. L'eau froide pénètre dans l'échangeur par la tubulure 38, elle ressort par la tubulure 40 réchauffée. Le fluide caloporteur qui est ici de l'eau provenant d'une chaudière pénètre dans l'échangeur par le conduit 39 et en ressort par le conduit 41. Dans ce mode de réalisation, l'échange n'est pas instantané, c'est-à-dire que le débit de fluide caloporteur n'est pas en relation directe avec le débit de l'eau chaude, l'échange de chaleur faisant intervenir une autre variable qui est le temps. On retrouve cette caractéristique dans le mode de réalisation qui est représenté à la figure 13 dans lequel le chauffage de l'eau se fait par accumulation. L'eau froide pénètre par le tuyau 43 dans un ballon 42 et en ressort sous forme d'eau chaude par le tuyau 44. L'eau qui est contenue dans le ballon 42 est prélevée en un point de celui-ci 45 et circule, grace à une pompe 46 à travers l'échangeur 13. L'échangeur 13, est d'autre part traversé par de l'eau provenant d'une chaudière à travers la canalisation 47 eau qui retourne après l'opération d'échange vers la même chaudière par la canalisation 48.L'eau contenue dans le ballon 42 circule ainsi à l'intérieur de l'échangeur jusqu'à ce qu'elle ait atteint la température voulue qui est déterminée par un thermostat qui ferme à ce moment une valve non représentée contrôlant la canalisation 45. L'échanaeur 13 peut d'ailleurs être placé à l'intérieur du ballon 42. L'échangeur de chaleur réchauffe une partie du volume du ballon mais le débit instantané ne passe pas à travers, ce qui permet de dimensionner l'échangeur en tenant compte du volume d'eau chaude accumulée dans le ballon. La régulation de température s'effectue alors sur le débit d'eau sanitaire traversant l'échangeur par tout ou rien par exemple. La figure 13 est une variante du cas représenté à la figure 12, dans laquelle l'échangeur de température 13 est placé directement dans la chaudière 50. Le fonctionnement de la chaudière 50 est contrôlé par une soufflerie 49. On retrouve sur cette figure les éléments décrits à propos de la figure 12 portant les mêmes références. Parmi les autres applications possibles de l'échangeur faisant l'objet de la présente invention il est possible de citer à titre d'exemples non limitatifs, la réalisation de réchauffeurs pour combustibles liquides visqueux à froid (réchauffeurs de fuel lourd) avant alimentation des brûleurs d'une installation de chauffe. Gracie à l'invention objet du présent brevet, on peut réaliser des échangeurs de chaleur présentant les avantages suivants par rapport aux échangeurs de types connus : Utilisation optimalisée des surfaces d'échange , facilité d'adaptation des sections de passage et des matériaux, élimination des tubes cylindriques généralement d'un prix de revient élevé et d'une épaisseur surabondante pour l'utilisation en échangeur courant, facilité d'industrialisation et de production en série, encombrement particulièrement réduit et prix de revient inférieur à celui des échangeurs classiques. Bien entendu la présente invention n'est nullement limitée aux exemples qui ont été décrits et représentés et il est possible d'introduire des variantes tant au plan de la réalisation des échangeurs eux-mêmes qu'au plan des utilisations de ceux-ci sans sortir pour cela du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à circulation de fluides dans lequel lesfluides circulent dans des conduits enroulés.en hélice, caractérisé en ce que au moins l'un des conduits est constitué par la juxtaposition de deux parois cylindriques minces, concentriques nervurées, de longueurs sensiblement égales, lesdites nervures formant des hélices de même pas, de sorte le sommet de l'hélice formée dans la paroi intérieure détermine avec le creux de la nervure de la paroi cylindrique extérieure une liaison continue, les deux parois cylindriques étant réunies à leurs extrémités, des ajutages d'entrée et de sortie du fluide étant disposés au voisinage desdites extrémités. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit précité est placé entre deux tubes cylindriques coaxiaux, dont la différence de diamètre est sensiblement égale au diamètre des sommets des nervures de la paroi extérieure, un fluide circulant dans leconduit et le second fluide circulant dans l'espace compris entre le conduit et les parois desdits tubes. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux conduits dont le pas de nervures est identique, disposés concentriquement. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que au moins deux des conduits précités sont reliés par une tubulure à l'une de leurs extrémités. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ajutages d'au moins deux conduits sont reliés en parallèle sur une arrivée et une sortie communes. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois cylindriques précitées sont nervurées selon des hélices à plusieurs filets parallèles, des ajutages permettant la circulation d'au moins un fluide dans les conduits ainsi formés. 7. Echangeur de fluide selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section du conduit est sensiblement égale à la section de passage du second fluide autour dudit conduit. 8. Elément pour échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué à partir de deux feuilles minces malléables de longueurs égales et de largeur différentes usinées de façon à présenter, lorsque lesdites feuilles sont roulées pour former deux cylindres respectivement intérieur et extérieur, des rainures hélicoïdales de même pas et de profils opposés, le diamètre intérieur des nervures du cylindre extérieur étant sensiblement égal au diamètre extérieur des nervures du cylindre intérieur, les deux cylindres étant assemblés sur leurs bases, le long des spires extrêmes.