Brevet FR2322345A1 — publié le 19770325

La présente invention se rapporte à un échangeur ds chaleur pour équipement de chauffage thermodynamique du vype pompe de chaleur destiné essentiellement au chauffage des loge ment s et plus particulièrement à un échangeur iluide frigosiEàne/ eau dans lequel l'eau constitue le milieu à réchauffer. On sait que les pompes de chaleur comprennent un circuit fermé de fluide frigorigène sur le parcours duquel sont disposés un compresseur, un détendeur et deux échangeurs de chaleur qui permettent de puiser des calories à une source dite chaude et de les restituer à une source dite froide.La source chaude peut autre par exemple constituée par l'air vicié extrait du logement par ventilation mécanique et la source froide par un circuit areau, Les calories sont prélevées à la source chaude par évaporation du fluide frigorigène dans un échangeur de chaleur fluide frigorigène/air et restituées à la source froide par condensation dudit fluide dans un échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau ; on sait en outre que l'on récupère, aux pertes près, au niveau de e second échangeur, Itéquivalent calorifique du travail du compresseur. Les échangeurs fluide frigorigène/eau se présentent généralement dans le domaine considéré, sous la forme de serpentins coaxiaux constitués par un premier corps tubulaire continu formant enveloppe à 11 intérieur duquel est dispose un second corps tubulaire continu de diamètre externe nettement inférieur au diamètre interne du premier corps tubulaire. Ltun des fluides circule dans 11 espace annulaire ainsi ménagé, l'autre fluide circulant dans le tube intérieur, la paroi d'échange étant constituée par la paroi de ce tube. I1 est bien connu dans le domaine technique considéré que pour une mtme longueur axiale de l'échangeur on peut augmenter 11 échange thermique en augmentant la surface d t échange. Ainsi on a proposé des tubes munis d'ailettes obtenues par laminage d'un tube lisse ou rapportées, selon diverses dispositions constructives, à un tube initialement lisse. Ces tubes sont relativement cofteux et leur mise en forme, par exemple pour constituer des serpentins hélicoTdaux, est assez difficile compte tenu de la raideur du tube et de-la présence d'ailettes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, en particulier en ce qui concerne le cotit des échangeurs de chaleur coaxiaux et leur facilité de mise en forme pour constituer des serpentins continus, tcut en assur-lt un échange thermique important. A cet effet l'invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant un organe tubulaire externe et un organe tubulaire interne agencés coaxialement de façon à ménager un espace annulaire continu entre leurs parois respectives, ~arac- tersé en ce que organe tubulaire interne est constitué par un tube dtépaisseur de paroi sensiblement constante et présentant des ondulations s'étendant transversalement par rapport à ltaxe longitudinal du tube. Le tube interne est réalisé en un matériau présentant un coefficient élevé de transmission de la chaleur, par exemple un alliage de cuivre. Les ondulations peuvent être disposées perpendiculairement à l'axe longitudinal du tube ou de façon angulaire par rapport à celui-ci, auquel cas les dites ondulations peuvent former une surface d'allure générale hélicoïdale à une ou plusieurs spires. Selon une disposition avantageuse, l'organe tubulaire externe de l'échangeur est constitué par un tube non métallique de faible raideur propre et présentant un coefficient de transmission de chaleur peu élévé. L'organe tubulaire externe peut par exemple outre réalisé en caoutchouc, en polydiorure de vinyle ou en polyéthylène. Comme on le comprend, la conformation de l'organe tubulaire interne confère à celui-ci une surface totale développée supérieure à la surface d'un tube lisse de méme diamètre intérieur et de m8me épaisseur pour longueur axiale identique, ce qui permet d'accrottre la surface d'échange et ainsi de diminuer l'encombrement de ltéchangeur pour une puissance données Cette conformation confère en outre audit organe tubulaire une raideur mécanique nettement inférieure à celle d'un tube lisse, compte tenu de la non continuité des fibres susceptibles d'être mises en tension ou en compression par flexion du tube onduleux. En outre les ondulations constituent une succession de capacités permettant dans le cas de l'évaporation ou de la condensation d'un fluide en écoulement biphasique à l'intérieur de 1'organe tubulaire onduleux de favoriser un effet de barbotage qui peut s'avérer favorable à ltéchange thermique. La combinaison d'un tel tube souple et onduleux et d'un tube extérieur également souple agencé coaxialement permet de plus de constituer un échangeur de chaleur de faible prix de revient et de grande facilité de conformation, ces avantages s'ajoutant au faible encombrement qu'il est possible d'obtenir compte tenu de 1'efficacité de l'échange thermique. L'invention sera mieux-comprise en se rapportant à la description qui suit donnée à titre d'illustration en référence aux dessins annexés sur lesquels La Fig. I représente schématiquement une vue en coupe lontidudinale partielle d'un mode de réalisation d'un échangeur selon l'invention; et La Fig. 2 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale partielle d'une variante de réalisation d'un échangeur selon l'invention. On a représent0 sur la Fig. 1 un échangeur comprenant un tube extérieur 1 en polySthylène à l'intérieur duquel est agencé, de façon sensiblement coaxiale un tube en alliage de cuivre 2 dont la paroi présente une succession dondulationss 3 s'étendant perpendiculairement b l'axe longitudinal dudit tubs. On ménage ainsi entre la paroi interne du tube 1 et la paroi externe du tube 2 un espace annulaire 4. Comme on le voit, l'épaisseur de la paroi du tube intérieur 2 est sensiblement constante, ce qui en d'autres termes signifie que ce tube présen- te tant à sa surface externe qu'à sa surface interne une succession de zones situées de part et d'autre d'un cylindre moyen repéra par la lettre sur le dessin ; ainsi, le tube présente un diamètre externe apparent D et un diamètre interne apparent d, la hauteur des ondulations étant sensiblement égale à (D - d)/2. Le tube intérieur 2 est parcouru par un fluide frigorigène en écoulement biphasique, par exemple par un fluide en cours de condensation. L'espace annulaire 4 communique par des organes non reprEsentés avec une conduite d'arrivée et une conduite de départ dtun fluide, par exemple de l'eau, de façon à assurer un passage continu de fluide dans ledit espace généralement en sens inverse du sens d'écoulement d'un fluide frigorigène. La chaleur latente de condensation du fluide frigorigène est transmise à travers la paroi du tube interne 2 à l'eau circulant dans espace annulaire 4, cette eau subissant ainsi au cours de son passage dans l'échangeur une élévation de température. Il est bien entendu possible à laide d'un même échangeur de récupérer une partie des calories de surchauffe du fluide frigorigène gazeux l'entrée de l'échangeur par un processus d'échange gaz-liquide et une partie des calories de sous-refroi- dissement ou fluide frigorigène liquide à la sortie de écanan- geur par un processus d'échange liquide-liquide, le fluide frigorigène étant alors entièrement condensé. Toutefois, la majeure partie des calories cédées à l'eau le sont du fait de la condensation du fluide frigorigène .Les essais conduits par la demanderesse ont montré une efficacité remarquable de l'échan ge thermique, ce fait pouvant être attribu d'ure part à la grande surface d'éclnange, d'autre part à un effet de barbotage gaz/liquide dans les gorges intérieures du tube 2. En outre, la conformation de ce tube donne naissance à des pertes de charge relativement importantes, ces pertes de charge constituant une énergie récupérable sous forme calorifique.L'ensembe de ces particularités a permis d'obtenir d'excellents résultats dans l'application particulière de l'échangeur selon l'invention à la constitution de condenseurs, pour les pompes de chaleur dans lesquelles la source froide est constituée par de l t eau destinée à alimenter un réseau de chauffage central ainsi qu'éventuelle- mentfin ballon d'eau chaude sanitaire.L'échange entre le tube externe I et l'ambiante constituant dans le cas d'espèce un inconvénien-t, on peut choisir comme matériau constitutif de ce tube un matériau peu coûteux facile à conformer et sans carec- téristiques thermiques particulières, ce qui n'ast pas le cas généralement pour les condenseurs contus ans lesquels on cherche à évacuer le maximum de calories en vue de limiter la consommation d1 eau. On a représenté sur a Fi. 2 une variante de réalisa- tion dans laquelle les ondulations sont disposés de façon angulaire par rapport à l'axe longitudinal de l'échangeur. On retrouve sur la Fig. 2 un tube extérieur I en matériau synthé- tique et un tube intérieur 5 en alliage de cuivre. Ce tube présente des ondulations 6 dont la direction générale est inclinée par rapport à l'axe longitudinal dudit tube intérieur, ces ondulations pouvant ainsi constituer une paroi de forme générale hélicoTdale. On a représenté une paroi à une seule spire, mais il doit outre compris que des parois à plusiars spires peuvent être réalisées sans sortir du domaine de l'inventiorl, une tel disposition permettant d'accroître le pas des spires. On peut également fretter le tube par des fils extérieurs de façon à en limiter la déformation. Le mode de fonctionnement de l'échangeur selon cette variante de réalisation est identique à celui qui a été décrit plus haut en référence à la Fig. 1; l'avantage de la variante de la Fig. 2 est de permettre une diminution dus pertes de charge afférents au fluide circulant dans l'espace annulaire ménagé entre les deux tubes et une certaine augmentation de la vitesse de circulation de ce fluide contre la paroi du tube intérieur 2, ce qui a pour effet d'augmenter la valeur du coefficient dtéchange thermique. Les avantages procurés par les échangeurs selon l'invention sont les suivants : - Leur coefficient d'échange thermique est élevé, ce qui permet à puissance égale de diminer l'encombrement; - leur prix de revient est faible, le tube onduleux intérieur métallique et le tube extérieur étant des produits de fabrication courante; - leur facilité de conformation est très grande du fait de la souplesse des deux organes tubulaires constitutifs ce qui concourt à en faciliter l'utilisation dans des équipements divers Il a été observé par la demanderesse que le fait éventuellement observable d'un décalage du tube intérieur par rapport à l'axe du tube extérieur ne constitue nullement un obstacle au fonctionnement de l'échangeur. Les échangeurs selon ltinvention trouvent en particulier une application avantageuse pour constituer des condenseurs de pompes de chaleur. - R e v e n d i c a t i o n s 1 - échangeur de chaleur, comprenant un organe tubulaire externe et un organe tubulaire interne agencés coaxialement de façon à ménager un espace annuaire continu entre leurs parois respectives, caractérisé en ce que l'organe tubulaire interne est constitué par un tube d'épaisseur de paroi sensible me1t constante et présentant des ondulations s étendant transversalement par rapport à l'axe longitudinal du tube. 2 - Echangeur de chaleur selon la revenCîcation 1, caractérisé en ce que lesdites ondulations sont disposées perpendiculairement à lTaxe longitudinal de l'organe tubulaire interne. 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondulations sont disposées de façon angulaire par rapport à l'axe longitudinal de l'organe tubulaire interne. 4 - échangeur de -chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites ondulations constituent une surface de forme générale hélicoldale. 5 - Changeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1'organe tubulaire externe est constitué par un tube non métallique de faible raideur mécanique.