Brevet FR2288962A1 — publié le 19760521

L'invention concerne un tube d'échangeur de chaleur et un procédé pour sa fabrication. On trouve actuellement dans le commerce plusieurs types de tubes à surface accrue destinés à servir dans divers types d'échange de chaleur. Deux exemples sont le tube "câblé" et le tube "cannelé", tous deux fabriqués normalement à partir d'un tube simple par une opération de formage à froid utilisant par exemple un rouleau extérieur qui agit contre un mandrin intérieur. Le tube "câblé" est normalement utilisé pour les applications de condenseurs et présente des ondulations hélicotdales qui lui donnent une apparence similaire à un cabale. Le tube "cannelé1 est utilisé comme tube d'évaporateur vertical, par exemple dans une installation de dessalage et présente des ondulations longitudinales. On a aussi suggéré des tubes d'échageur à surface étendue tels que des tubes à ailettes, que l'on fabrique en soudant, en brasant ou en sertissant des ailettes à la surface extérieure ou intérieure du tube ou bien en courbant la bande avant de lui donner la forme d'un tube. On a trouvé que ces techniques sont conteuses et ne s'appliquent pas facilement à la fabrication commerciale du tube. En outre, le mécanisme de transfert de chaleur n'est pas habituellement modifie notablement parune telle extension de la surface. L'invention a pour obJet des tubes d'échangeur de chaleur qui peuvent avoir des caractéristiques améliorées de transfert de chaleur quand on les utilise en disposant leur axe horizon tapement ou verticalement. melon l'invewtion, un tube d'échangeur de chaleur comprend une bande métallique enroulée en hélice qui a une épaisseur de base pratiquement uniforme et présente de multiples saillies 9o- lidaires qu'on y a formées par moletage en faisant passer la bande métallique entre des cylindres profilés. Les saillies peuvent être situées sur une face ou sur les deux faces de la bande et ce sont avantageusement des nervures dirigées parallèlement à sa longueur. De préférence, les nervures ont des côtés pratiquement parallèles, bien que les bouts et les racines puissent. etre arrondies. Selon un aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'un tube d'échangeur de chaleur consiste à faire passer une bande métallique entre des cylindres profilés de manière à y former par moletage les saillies solidaires, sur une face ou sur les deux faces de la bande, à enrouler en hélice la bande moletée et à la souder. On peut conduire le processus de moletage à froid ou à chaud. On peut effectuer le soudage par toute technique appropriée, mais il est préférable d'utiliser le soudage autogène bout à bout. Comme il est évident pour l'homme de l'art, les tubes "cannelés" et "câblés" mentionnés plus haut présentent des configurations d'accroissement de surface qui s'étendent sur toute l'épaisseur de la paroi du tube, en ce sens qu'il y a sur la surface intérieure du tube des ondulations qui correspondent à celles de la surface extérieure. Par contre, les tubes-d'échangeur de chaleur de l'invention ont des surfaces accrues. Ils ne présentent pas de configurations d'accroissement s'étendant sur toute l'épaisseur de la paroi mais ont une paroi d'épaisseur pratiquement uniforme de laquelle partent les saillies solidaires. Il est ainsi possible d'avoir des configurations différentes de surface accrue sur les surfaces intérieure et extérieure du tube ou sur une seule surface. On a trouvé que pour les tubes de condenseur, il est préférable que les saillies soient situées des deux côtés de la bande. Un mode d'exécution préférentiel du tube de condenseur selon l'invention comporte un grand nombre de saillies par unité de largeur de bande sur la surface extérieure du tube que sur la surface intérieure. Pour les tubes d'évaporateur vertical, on a trouvé que les saillies peuvent se trouver sur un côté ou sur les deux côtés de la bande. Un mode d'exécution de tube d'évaporateur vertical selon l'invention qui convient particulièrement là où l'en- crassement en service pose des problèmes est seulement muni de saillies à la surface extérieure du tube et présente un alésage lisse, ce qui facilite l'application des techniques classiques de nettoyage de l'alésage des tubes0 L'avantage du procédé de l'invention est que l'on peut fabriquer des tubes de différents diamètres à partir d'une bande de grandeur et de forme données. Ou encore, on peut fabriquer un tube de diamètre donné à partir de bandes de largeur variable. En outre, la longueur de tubes que l'on peut fabriquer par le procédé n'est limitée que par la longueuride la bande moletée.Le moletage permet une plus grande souplesse dans la forme et la distribution des saillies. Ainsi, on peut former dans la bande des nervures paraSeles parcourant sa longueur, soit disposées de façon telle que les nervures des deux faces se correspondent comme le montre la figure 1, soit en quinconce comme le montre la figure 2, soit parcourant la longueur de la bande avec une forme ondulée comme le montre la figure 3. D'autres formes de saillies comprennent des boutons comme le montre par exemple la figure 4, des losanges (figure 5) ou des nervures entrecroisées (figure 6).Des tubes préférentiels de l'invention, que l'on fabrique en enroulant en hélice une bande présentant des nervures parallèles à sa longueur cosse sur les figures 1 et 2, présente une configuration de nervures qui l'entourent en hélice comme le montre la figure 7. La présence de nervures améliore la rigidité et la résistance des tubes. Les tubes peuvent étre fabriqués en tout métal ou alliage approprié ayant une conductivité thermique suffisante et une résistance suffisante à la corrosion du milieu. Avantageusement, ils sont fabriqués en cupronickel, par exemple 9OCu-1ONi ou 70Cu-30Ni, en laiton d'aluminium, en titane, en acier ou en alliages riches en nickel. Le procédé de l'invention permet de réaliser par moletage à froid un déplacement de métal étonnamment grand, sous forme de Saillies. Ces déplacements peuvent en outre etre facilement accrus par des passes répétées de moletage à froid, ou par un moletage à chaud, unique ou répété. Des exemples de ces déplacements sont indiqués au Tableau I qui indique les résultats d'essais de moletage effectués avec deux cylindres de 152 mm de diamètre contenant chacun 32 gorges de 0,84 mm de largeur chacune, espacées de 3,04 mm enire centres et ayant une profondeur approximative de 3,4 mm, avec une vitesse de moletage de iOm/mn. Dans d'autres essais effectués avec deux cylindres de 127 mm de diamètre dont l'un est muni de gorges comme ci-dessus et le deuxième uni, sur une bande de cuivre et de cupronickel, avec formation de nervures d'un seul côté, on obtient des hauteurs de nervures atteignant 2,1 mm en une seule passe. Des types de tubes d'échangeur de chaleur de l'invention peuvent avoir une épaisseur de paroi de 0,3 à 2 mm, présentant par exemple de multiples nervures hélicordales sur un côté ou sur les deux côtés, avec une hauteur de 0,2 à 2,5 mm et un espacement de 1,5 à 50 mm, les nervures ayant une épaisseur de 0,4 à 2 mm. Le diamètre du tube peut être de 15 à 250.mm. Un type de tube pour évaporateur à tubes verticaux a un diamètre de 75 mm, une épaisseur de base de paroi de 0,8 mm avec des nervures de 0,8 mm d'épaisseur espacées de 3,0 mm entre centres et une hauteur de 1 mm.Un type de tube pour condenseur a un diamètre de 29 mm, une épaisseur de base de paroi de 0,8 mm et porte à la surface extérieure des nervures de 0,8 mm d'épaisseur à un espacement nominal de 2,5 mm entre centres avec une hauteur de 0,5 mm et sur la surface intérieure, des nervures de dimensions similaires mais espacées de 8,5 mm entrecentres. Tableau I Matière Epaisseur Passe unique de Passe uni- Passes multiples de initiale de moletage à froid que de mo- moletage à froid la bande,mm réduc- hau- letage à chaud réduc- hauteur tion d'é- teur des en partant de tion d'é- des nerpaisseur de nervures, 600 C paisseur vures, la bande, % mm réduction hau- de la ban- mm d'épaisseur teur de, % de la bande, des % nervures, mm Nickel 2,8 33 0,37 39 0,5 73 0,84 Cupronickel 90::10 2,5 61 0,5 56 1,09 83 0,96 Alliage "Monel" 600 2,5 37 0,35 37 0,53 77 0,77 Alliage "Inconel" 825 3,2 37 0,24 - - 58 0,6 Titane 1,5 33 0,21 39 0,49 52 0,61 Acier inoxydable type 430 1,6 29 0,33 - - 65 0,74 Acier inoxydable type 316 1,7 28 0,21 1 1 54 0,52 On a fait des essais comparés de transfert de chaleur entre des tubes de l'invention et des tubes simplets, ai utili sans de la vapeur qui se condense à la surface extérieure et une solution de "saumure" formée d'une solution de chlorure de sodium à 3,5 % dans l'alésage des tubes. On essaie dans les conditions suivantes un évaporateur type à tubes verticaux formé de Cu:Ni 90:10, de 75 mm de diamètre, présentant des deux cotés des nervures de 0,8 mm d'épaisseur, espacées de 3,00 mm entre centres et d'une hauteur nominale de 1mm, l'épaisseur de paroi étant de 0,8 mm Température d'évaporation de la saumure 1189C ; gradient de température d'entrainement 3,90C ; débit de saumure 9,1 et 13,6 1/mn. Le coefficient global mesuré de transfert de chaleur est de 9130 et 8300 Kcal/h. C.m2 respectivement pour les deux débits de saumure. L'extrapolation des données publiées suggère que dans des conditions d'essai similaires, les résultats types pour des tubes simples sont respectivement de 3220 et 4100 kcal/ h. C.m2 aux débits de 9,1 et 13,6 1/mn.Les valeurs d'environ 7800 et 8300 kcal/h. C.m2 seraient obtenue, respectivement à 9,1 et 13,6 1/mn, pour le meilleur tube qui se trouve actellement dans le commerce, ce qui montre que les tubes de l'invention sont aussi bons que ceux-ci ou légèrement meilleurs. On essaie un tube de condenseur de l'invention, formé de cupronickel 90:10, d'un diamètre extérieur de 29 mm, présentant des nervures de 0,8 mm de largeur, 0,5 mm de hauteur, espacées de 4,5 mm entre centres sur la surface extérieure et de 8,5 mm sur la surface intérieure, dans les conditions suivantes : Température de condensation de la vapeur 990C ; gradient de température d'entrainement 5,60C ; vitesse de la saumure dans le tube variant entre 0,9 et 4,2 m/s. Le coefficient de transfert partiel de chaleur sur la surface extérieure de condensation de vapeur est amélioré d'environ 100 % relativement à celui d'un tube à surface lisse et le coefficient de transfert partiel de chaleur à la surface de l'alésage du tube d'environ 60 96, relativement à celui d'un tube à surface lisse. Le coefficient global de transfert de chaleur à un débit de saumure de 27,3 1/mn, est de 7800 kcal/h. C.m2. Dans des conditions d'essai similaires, le meilleur tube "c blé" commercial présente des amé- liorations de 80 à 90 % et de 25 à 30 % relativement aux tubes lisses. Ainsi, les tubes de l'invention sont également supérieurs aux meilleur tube commercial de condenseur. REVENDICATIONS 1. Tube d'échangeur de chaleur formé d'une bande métallique enroulée en hélice et caractérisé par le fait que la bande a une épaisseur de base pratiquement uniforme et porte de multiples saillies solidaires quel'on a formées par moletage en faisant passer la bande entre des cylindres profilés. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les saillies sont des nervures dirigées parallèlement à la longueur de la bande. 3. Tube selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les nervures ont des côtés pratiquement parallèles, bien que les bouts et les racines puissent être arrondies. 4. Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il est formé de cuivre, de cupronickel, de laiton d'aluminium, de titane, d'alliage riche en nickel ou d'acier inoxydable. 5. Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les saillies sont situées des deux côtés de la bande. 6. Tube selon l'une des revendications 1 à 5, destiné aux applications de condenseurs et caractérisé par le fait qu'il porte un plus grand nombre de saillies par unité de largeur à la surface extérieure qu'à la surface intérieure. 7. Tube selon l'une des revendications 1 à 4, destiné aux aux applications d'évaporateurs et caractérisé par le fait qu'il porte des saillies seulement à la surface extérieure et présente un alésage lisse. 8. Procédé de fabrication d'un tube d'échangeur de chaleur, caractérisé par le fait que l'on fait passer une bande métallique entre des cylindres profilés de manière à y moleter des saillies solidaires sur une face ou sur les deux, que l'on enroule en hélice la bande moletée et qu'on la soude. 9 Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé par le fait que lton effectue le moletage à chaud. 10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait que l'on répète les passes de moletage. 11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait qu'un seul des cylindres ou tous les deux sont munies de gorges de façon telle que l'on forme sur la bande par moletage des nervures parallèles à sa longueur et ayant des côtés pratiquement parallèles. 12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé par le fait que la bande métallique est formée de cuivre, de cupronickel, de laiton d'aluminium, de titane, d'alliage riche en nickel ou d'acier inoxydable. 13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé par le fait que l'on conduit le soudage par une technique de soudage autogène bout à bout.