Brevet FR2374610A1 — publié le 19780713

L'invention a trait à un tube de transfert thermique pour utilisation dans un échangeur thermique. "e transfert de chaleur dans les échangeurs thermiques,-grAce à l'utilisation de tubes d'échange ou de transfert thermique, a des applications très étendues dans toutes les industries, et particulièrement dans les industries de traitement et de production d'énergie. Les coûts en capitaux et en énergie ayant augmenté, la nécessité d'améliorer l'efficacité des surfaces detransfert thermique et les moyens de fabrication des tubes de transfert thermique ont pris une importance plus grande. Le prix de revient des échangeurs thermiques utilisant les tubes de transfert thermique dépendant du nombre de tubes et du prix du tuyautage, il est extrêmement souhaitable à la- fois de réduire la quantité de tubes nécessaire et de trouver une façon plus économique de les fabriquer.En outre, étant donné que la température de- la paroi du tube est déterminée par les coefficients de transfert thermique de la surface sur les faces interne et externe de la paroi du tube pour des conditions d'écoulement données, le contr8le préférentiel exercé sur l'un ou l'autre ou sur ces deux coefficients a pour rdsultat une certaine mesure de contr8le de la température de paroi du tube.Ce contrôle peut être utilisé soit pour accrottre, soit pour diminuer la température de l'un des écoulements de traitement, c'est-à-dire soit l1écoule- ment interne dans les tubes, soit l'écoulement externe sur les surfaces extérieures des tubes, pour une température de paroi de tube donnée, ou pour diminuer la température de paroi du tube pour des températures particulières d'écoulement de traitement. Un objet de l'invention est de réaliser un tube de transfert thermique perfectionné qui procure un transfert thermique amélioré en cas d'utilisation dans un dchangeur thermique. L'invention propose un tube de transfert thermique pour utilisation dans un échangeur thermique, la paroi du tube comportant un certain nombre de cannelures en spirale ou hélicordales internes et externes pour l'écoulement des fluides d'échange thermique le long du tube, les cannelures s'étendant sur toute la longueur longitudinale du tube, dtant de dessin uniforme et délimitant des creux et des crêtes en spirale internes et externes. Un procédé de fabrication-du tube de transfert thermique, également inclus dans l'invention, comprend les phases : de formation des surfaces opposées d'une bande de matériau, dont la longueur longitudinale est supérieure à la largeur transversale, en surfa ces ondulées sur la largeur latérale de la bande, les surfaces ondulées délimitant des cannelures s'étendant dans le sens longitudinal de la bande et comportant des creux et des crêtes ; de transformation de la bande cannelde en une configuration tubulaire par l'enroulement hélicotdal de la bande autour d'un axe, les bords lat- raux de la bande s'aboutant, et de fixation des bords latéraux en about de la bande enroulée hélicoidalement de manière étanche aux fluides. Avec le tube de transfert thermique de la présente invention, l'écoulement de fluide à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du tube de transfert thermique se fait en tourbillonnant. Plus parti culièrement, l'écoulement tourbillanNdre à l'intérieur du tube est causé par- l'interaction de l'dcoulement dans les cannelures et de l'écoulement dans la partie centrale. L'écoulement à l'intérieur des cannelures est eontraint, par les surfaces des cannelures, de suivre un trajet hdlicoldal qui fait nattre un écoulement secondaire le long des surfaces de la cannelure perpendiculaire à l'écoule- ment en spirale parcourant la cannelure.Cet écoulement secondaire est accru par le transfert thermique qui se produit entre la paroi à température supérieure et la surface de la cannelure, étant donné que le fluide en provenance de la partie centrale qui pénètre dans la cannelure est d une température inférieure et à une densité supt5- rieure à celles de l'écoulement quittant la cannelure. Cet écoulement de cannelure en spirale ayant une composante rotationnelle provenant de cet écoulement secondaire, l'écoulement principal de la partie centrale peut etre considéré comme limité par une série d'écoulements tourbillonnaires à l'intérieur des cannelures, ce qui communique un mouvement de rotation à l'écoulement principal de la partie centrale.Il se produit un échange d ' énergie et de quantité de mouvement sur la surface à la limite des deux écoulements, qui chauffeÎl'écoulement de la partie centrale et provoque la rotation du fluide. Comme il n'existe pas de limite à l'intérieur du fluide pour freiner cette rotation, il en résulte une distribution d'écoulement analogue à un tourbillon libre, qui n'est freiné que par les propriété de turbulence du fluide. A 1'*xtdrieur du tube, le méca- nisme est semblable à celui de l'intérieur, étant donné que le flux thermique provoque la diminution de densité du fluide à l'extérieur du tube.Le tube de transfert thermique fait preuve de propriétés de transfert thermique supérieures à celles des tubes cylindriques simples, ceci provenant du fait qu'une plus grande surface de trans fert thermique est créée par les protubérances pénétrant dans 1' écoulement de fluide principal dans le tube, de manière à accrottre la surface de transfert thermique, et en raison de l'écoulement secondaire engendré par l'écoulement en spirale a l'intérieur des cannelures.L'écoulement tourbillonnlbe accrott le transfert thermi que en augmentant la longueur du trajet de-l'écoulement et la vitesse d'un élément fluide au voisinage de la paroi, et introduit un champ de force centrifuge sur le fluide qui agit comme une force de masse accroissant le transfert thermique à l'intérieur du tube lorsque la paroi est plus chaude que le fluide et accroissant le transfert thermique à ltextérieur du tube quand la paroi du tube est plus froide que le fluide tournant autour du tube. Le champ de force centrifuge créé sur le fluide provoque un réapprovisionnement continu en fluide au voisinage de la surface intérieure de la paroi. L'invention va titre expliquée ci-après à titre d'exemple en se référant aux dessins-annexés dans lesquels la figure 1 est une vue partielle en élévation d'un tube de transfert thermique conforme à la présente invention ; la figure 2 est une vue en perspective d'une partie d'une bande de matériau métallique formée avec des cannelures longitudinales et à partir de laquelle on constitue le tube de transfert thermique de la figure 1 ;; la figure 2a est une vue en coupe transversale partielle prise le long de -la ligne 2a - 2a de la figure 2 J la figure 2b est une vue en coupe transversale partielle semblable à la figure 2a mais montrant une variante de forme de la t81e métallique cannelieL pour utilisation dans le tube de transfert thermique de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en plan partielle représentant schématiquement le dispositif pour transformer la bande cannelée de la figure 2 en un tube--enroulé en spirale afin de constituer le tube de transfert thermique de la figure 1 ; la figure 4 est une vue d'extrémité schématique du dispositif de formation du tube de la figure 3 ; ; la figure 5 est un graphique indiquant les températures d'une paroi de tube de transfert thermique, du fluide s'écoulant intérieurement dans le tube et du fluide s'écoulant extérieurement sur le tube en fonction de la longueur de tube pour un tube de transfert thermique conforme a' la présente invention, en comparaison d'un modèle de tubè cylindrique droit. Sur la figure 1, un tube de transfert thermique 10 comporte une paroi circulaire qui présente un certain nombre de cannelures en spirale 12, de manière à former alternativement des creux et des cotes eome indiqué respectivement par les chiffres 14a et 16a lorsque l'on considère ltextdrieur du tube 10, et comme indiqué par les chiffres 14b et 16b quand on considère l'intérieur du tube 10. Four maintenir une épaisseur moyenne maximum de la paroi du tube, les creux d'une face, la face extérieure, sont, de préférence, opposés aux crottes de l'autre face, ctest-d-dire de la face interne et vice-versa. Sur les figures 2 et 2a, le tube de transfert thermique 10 représenté est fait en partant d'une bande ou d'une tale, plate d l'origine, en matériau métallique approprié pour transfert thermique tel que de l'acier, de l'aluminium et autres, indiquée dans 1 'ensemble par le chiffre 20, qui est d'une épaisseur sensiblement unifone-et d'une dimension longitudinale sensiblement supérieure à la largeur transversale. On défozine les faces opposées de la bande métallique plate 20 par des moyens connus, tels que des galets profileurs opposes (non représentés) entre lesquels on fait passer la bande, pour former les cannelures 12 s'étendant longitudinalement dans les faces opposées.D'autres procédés de fabrication, par exemple extrusion, peuvent également Entre utilisés pour former les cannelures 12. Les cannelures 12 s'étendent sur toute la largeur transversale de la bande et forment donc les cannelures en spirale 12 sur le tube de transfert thermique 10.Dans le mode de réalisa- tion représenté, les faces opposées de la bande métallique présentent des courbures sinusoïdales, si on les considère en coupe transversale, corne dans la figure 2a. les cannelures longitudinales pratiquées dans les faces opposées de la bande métallique 20 peuvent Outre délimitées par une configuration de surface différente de la courbure sinusoTdale représentée. Par exemple, les cannelures pourraient Entre constituées par des nervures rectangulaires s 'étendaat longitudinalement. Les éléments de surfaee-les plus profonds délimitant les creux dans les faces cannelées opposées de la bande 20 tels que 14a et 14b, sont, de préférence, séparés par une épaisseur du maté- riau de base, une telle épaisseur étant désignée par "b" dans la figure 2a. L'épaisseur du matériau de base est uniforme sur toute la circonférence du tube 10 formé. De cette façon, la bande cannelée 20 n'est pas simplement une bande ondulée.En séparant les creux l4a et 14b des faces opposées de la bande 20 par une épaisseur du matériau de base, le tube constitué à partir de la bande cannelée conserve une capacité de résistance aux pressions, à la fois internes et externes, sans imposer de grands efforts de flexion sur les parois ; la paroi du tube aurait tendance à se dé for- mer si le tube était fait d'une t81e ondulée mince, telle que celle utilisée Jusqu'd présent pour les tubes d'echangeur thermique. Un exemple d'effort de flexion agissant sur une paroi 14c est indiqué par le vecteur de force 18 de la figure 2a. Bien que les plans contenant les éléments de surface les plus profonds des creux 14a et 14b pratiqués dans les faces opposées de la bande cannelée 20 soient, de préférence, espacés comme représenté dans la figure 2a, un rendement satisfaisant, dépendant de l'usage particulier, peut être obtenu quand de tels plans sont sensiblement coplanaires, comme' représenté dans la figure 2b. Comme indiqué dans la figure 2b, la dimension "b" de la figure 2a peut Entre voisine de zéro. In tube 10 peut entre fait de n'importe quel matériau métallique approprié de transfert thermique, par exemple l'acier allié à 12% de chrome, tel que l'acier inoxydable type 420 ou 422, ou l'acier inoxydable de série type 300, le titane et l'aluminium. La bande métallique 20 peut avoir une épaisseur d'environ 1,65 à 3 millimètres et une largeur transversale appropriée d'environ 6,5 centimètres pour donner ensuite un tube dont le diamètre est d'environ 19 à 25,4 millimètres. Une épaisseur d'environ 1,1 millimètre peut entre tuilisée lorsque le tube 10 doit avoir un diamètre d'environ 12,7 millimètres. Lors de la transformation de la bande métalliqueondulée 20 en tube de transfert thermique 10, la bande est transformée, par enroulement en spirale autour d'un axe, en une configuration tubulaire enroulée en spirale, avec les bords latéraux de la bande, ou tranches indiqués par les chiffres 22 et 24 dans la figure 2 > dis- posés en about, après quoi les bords latéraux en about sont assemblés de manière étanche aux fluides. Les figures 3 et 4 représenteS schématiquement un type de dispositif, indiqué dans l'ensemble par le chiffre 30, pour enrouler la bande métallique à cannelures longitudinales 20, en hélice ou en spirale, autour d'un axe, afin de constituer le tube de transfert thermique 10.Le dispositif 30 utilise un mandrin cylindrique 32 muni de trois galets rotatifs positionnds sur son pourtour. Les galets se composent d'un premier galet de support inférieur 34, d'un deuxième galet de support latéral 36 de diamètre inférieur et d'un troisième galet de formage 38 d'un diamètre supérieur à celui des galets 34 et 36 et qui est disposé de manière à recouvrir le mandrin 32 sur la face de celui ci se trouvant à ltopposd du galet de support inférieur 34.Le galet de support inférieur 34 et le galet de support latéral 36 ont des surfaces périphériques cylindriques dans l'ensemble et servent à assurer et à maintenir le support de la surface périphérique du mandrin 32 au voisinage du galet de formage 38/Le galet de formage 38 a une surface périphérique comportant un profil de surface correspondant à la configuration de surface des cannelures 12 de la bande métallique 20 de manière à épouser la forme de la surface de~lsbande métallique cannelée pendant la transformation par enroulement en spirale de la bande en tube de transfert thermique 10. Pour prendre un exemple, le mandrin 32 peut Etre prdvu avec une configurationode surface sinusordale en spirale pour épouser la forme de la surface opposée de la bande cannelée 20 pendant la transformation de la bande en tube 10. Les galets de support 34 et 36 et le galet de formage 38 sont supportés pour tourner autour d'axes qui sont disposés angulairement, comme connu, par rapport à l'axe do mandrin cylindrique 32. Dans la pratique, une bande métallique cannelée préformée 20, dans laquelle-les cannelures ont été pratiquées par laminage avec galets profiles, est introduite entre le galet de formage 38 et le mandrin 52 en position tangente aux surfaces périphériques du man- drin 32 et du galet de formage 38 dans une direction perpendiculaiw re à un plan vertical renfermant l'axe de rotation du galet de formage 38.. Le dispositif de formage 30 agit pour transformer la bande 20 en une configuration tubulaire enroulée en spirale avec les bords latéraux 22 et 24 disposés en about. Ensuite, les bords latéraux en about de -la bande enroulée en spirale 20 sont fixés l'un à l'autre de manière étanche aux fluides par tout procédé de soudure connu, y compris la soudure par faisceau d!électrons ou par rayon laser. Les plissements ou cannelures 12 de la surface qui étaient initialement longitudinaux sur la bande 20, avant la mise en spirale, forment maintenant une spirale continue ou une surface cannelée en spirale à la fois sur l'intdrieur et sur l'extérieur du tube 10. En formant le tube de transfert thermique 10, la bande métal- lique 20 est, de prdfdrence, mise en forme de manière à définir un angle à hélice d'environ 30 à 70 degrés, l'angle d'hélice étant l'angle compris entre l'axe du tube et un plan coupant l'axe du tube et tangent à un point situé sur la ligne de contact des bords latéraux de la bande enroulée. Dans la figure 1, l'angle de spirale est indiqué par la lettre . Le tube 10 est formé de manière à-ce que les cannelures en spirale soient de dimension suffisante pour forcer ltécoulement du fluide, à la fois sur les surfaces interne et externe du tube, à être soumis à un champ de force centrifuge qui agit pour réapprovisionner continuellement en fluide le voisinage des surfaces du tube quand la direction du flux thermique est centripète par rapport à l'axe longitudinal du tube. L'écoulement tourbillonnaire à l'intérieur du tube résulte de l'interaction-entre l'écoulement à l'intérieur des cannelures et l'écoulement de la partie centrale. L'écoulement à l'intérieur des cannelures est contraint, par les surfaces des cannelures, de suivre un trajet en spirale qui induit un écoulement secondaire le long des surfaces de la cannelure perpendiculaire à l'écoulement en spirale qui se fait à l'intérieur de la cannelure. Cet écoulement secondaire est accru par le transfert thermique entre la paroi à température supérieure et la surface de la cannelure, étant donné que le fluide qui pénètre dans la cannelure en provenance de la partie centrale est à une température inférieure et à une densité supérieure à celles de l'écoulement sortant de la cannelure.Etant donné que cet écoulement dans les cannelures en spirale comporte une composante rotationnelle résultant de cet écoulement secondaire, on peut considérer que l'écoule- ment principal dans la partie centrale est bordé par une série d'écoulements tourbillonnaires à l'intérieur des cannelures, ce qui communique un mouvement de rotation à l'écoulementprincipal de la partie centrale. I1 se produit un échange d'énergie et de quantité de mouvement sur la surface à la limite des deux écoulements, qui chauffe l'écoulement de la partie centrale et met le fluide en rotation.Corme il n'existe pas de limite à l'intérieur du fluide pour freiner cette rotation; il en résulte une distribution d'écoulement-analogue à un tourbillon libre, qui n'est freinée que par les propriétés de turbulence du fluide. A l'extérieur du tube, le mécanisme est semblable - celui de l'intérieur, étant donné que le flux thermique provoque la diminution de densité du fluide à l'ex- térieur du tube. Le tube 10 offre des propriétés de transfert thermique supé rieurs à celles des tubes de transfert thermique à paroi cylindrique classique pour deux raisons. Fremièrement, il fournit une surface de transfert thermique plus importante parce que les plissements de surface délimitant les cannelures pénètrent dans le courant et prolongent ainsi la surface de transfert athermique, et deuxièmement, en raison de l'écoulement rotationnel qui est créé par la composante périphérique de la friction de surface.L'dcoulement tourbillonnaire aeerott le transfert thermique en augmentant la longueur du trajet et la vitesse d'un élément fluide près de la paroi et introduit une force centrifuge qui agit comme une force de muse qui accrott le transfert thermique à 1 intérieur du tube quand la paroi est plus chaude que le fluide, et qui accroSt le transfert thermique à 1 'extérieur du tube quand la paroi est plus froide que le fluide entourant le tube. La force de masse du fluide ainsi créée provoque un réapprovisionnement continu en fluide au voisinage des surfaces de paroi du tube. les propriétés supérieures de transfert thermique provenant du tube de transfert thermique 10 peuvent etre vues en se référant à la figure 5. Ia figure 5 représente graphiquement la température de la paroi de tube d'un tube de transfert thermique, la température d'un fluide s'coulant à linterieur du tube, tel que de l'eau et la température d 'un fluide passant extérieurement sur le tube de transfert thermique, tel que de l'hdlium, en fonction de la longueur de tube pour un tube de transfert thermique conforme à l'invention, en comparaison d'un modèle de tube de transfert thermique classique droit ou cylindrique.L'axe vertical du graphique de la figure 5 indique la température en degrés centigrades, tandis que l'axe horizontal du graphique indique la longueur du tube en centimètres. Les courbes désignées par les chiffres 40 et 42 représen- tent respectivement la température moyenne du métal des parois de tube d'un tube de transfert thermique 10 et d'un tube de transfert thermique métallique à paroi tubulaire droite ou cylindrique, en fonction des longueurs des tubes quand le fluide, à l'extérieur des tubes t0 et 42 est aux températures telles qu'indiquées respectivement par les courbes 44 et 46, et quand le fluide à l'intérieur des tubes est aux températures telles qu'indiquées respectivement par les courbes 48 et 50.On peut voir que la température maximum du tube diminue d'environ 620- C pour un tube de transfert thermique à paroi cylindrique ou droite, tel que représente par la courbe 42, Jusqu'd une température maximum de 560 C pour le tube de transfert thermique 10, tel qu'indiqué par la courbe 40. On peut voir que la température de la paroi de tube pour le tube de transfert thermique 10, telle que représentée par la courbe 40, est, dans une mesure importante, inférieure à la température de la paroi de tube pour le tube de transfert thermique à paroi droite représentée par la courbe 42 à diverses distances le long des tubes dans les conditions de température indiquées pour le fluide s'écoulant à l'intérieur des tubes et pour le fluiae d'écoulement S'écoulant sur l'extérieur des tubes. En raison des propriétés supérieures de transfert thermique du tube 10, on s'attend à ce que le prix de revient des tubes de transfert thermique pour des générateurs de vapeur de modèles existants puissent être réduit de plus de trois fois par rapport à l'utilisation des tubes cylindriques classiques faits en Chrome Molly ou en Incoloy, les deux pouvant être soudés en une configuration tubulaire en spirale, les bords métalliques en about de la bande enroulée en spirale étant fixés par des soudures bimétalliques. Outre le prix de revient réduit des tubes de transfert thermique conformes à l'invention, une- réduction supplémentaire du coQt des échangeurs thermiques est rendue possible par le fait que le nombre de soudures de tube à plaque tubulaire est diminué et que, en conséquence, le nombre de trous nécessaires dans les ttles-de support du tube est réduit. De plus, les pièces d'espacement de tubes peuvent etre très simplifiées. La réduction importante du nombre de tubes dans un échangeur thermiquè, due à l'utilisation des tubes de transfert thermique 10 > réduira également la durée de montage et la main-d'oeuvre, déterminant ainsi une réduction supplémentaire du prix de revient. On estime qu'une économie totale d'environ 35 à 40 peut être réalisée dans la construction des générateurs de vapeur ou des échangeurs thermiques par l'emploi de tubes de transfert thermique 10 conformes à l'invention par rapport au prix de revient des générateurs de vapeur utilisant les tubes de transfert thermiques cylindriques conventionnels. Un autre facteur important attribué à l'utilisation des tubes de transfert thermique 10 dans les échangeurs thermiques est le fait que l'on peutrapprocher la température de la paroi de tube vers le flux de traitement de température inférieure par un contr8le approprié de la mesure d'augmentation, c'est-à-dire des cannelures et de l'importance de la configuration transversale des cour bures sinusotdales, sur chaque face du tube. L'augmentation de transfert thermique établie par la paroi périphérique cannelée à courbure sinusoRdale du tube de transfert thermique de l'invention a pour résultat un coefficient de transfert thermique supérieur à l'intérieur du tube, ce qui mène à une température moyenne du métal de la paroi du tube plus proche de la température du fluide à ltin térieur du tube, ce qui atténue l'effet des stries. REVENDICATIONS 1. Tube de transfert thermique pour utilisation dans un échan- geur thermique caractérisé par un certain nombre de cannelures hélicoRdales ou en spirale externes et internes le long desquelles s'écoulent des fluides d'échange thermique, les cannelures s'étendant sur la longueur du tube, étant de configuration uniforme, et délimitant des creux et des crêtes internes et externes de forme hélicotdale ou en spirale. 2. Tube de transfert thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cannelures ont une dimension suffisante.pour faire en sorte que les fluides s'écoulant le long des faces intérieure et extérieure de la paroi de tube sont soumises à un écoulement rotationnel. 3. Tube de transfert thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du matériau de la paroi de tube est sensiblement uniforme, les plans oontenant les creux internes et externes étant séparés par une épaisseur dudit matériau. 4. Tube de transfert thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cannelures en hélice s'étendent sensiblement sur toute la longueur du tube. 5. Procédé de fabrication d'un tube de transfert thermique selon la revendication 1, caractérisé par les opérations de transformation des surfaces opposées d'une bande de matériau, dont la dimension longitudinale est supérieure à la largeur transversable, en surfaces ondulées sur la largeur latérale de la bande, les surfaces ondulées définissant des cannelures s'étendant dans le sens longitudinal de la bande et comportant des creux et des crêtes, transformation de la bande cannelée en une configuration tubulaire par enroulement en hélice de la bande autour d'un axe, les bords latéraux ou tranches de la bande étant disposés en about, et fixation des bords latéraux en about de la bande enroulée en hélice de manière étanche aux fluides. 6. Procédé selon la revendication-5, caractérisé en ce que les surfaces ondulées de la bande sont formées de telle sorte que les plans des creux pratiqués dans les surfaces opposées de la bande sont séparés par une épaisseur de matériau de bande. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bande est mise en configuration tubulaire par enroulement en hélice autour d'un mandrin. 8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les bords latXraux en about de la bande enroulée en hélice sont fixés par soudure de manière étanche aux fluides. 9. Procédé selon la revendication 5, caractkrisé en ce que l'opération de transformation des surfaces opposées de la bande en surfaces ondulées comprend la mise en forme des surfaces opposées en eonfigurationstransversales sinusotdales. 10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces ondulées sont constituées par laminage avec profilage de la bande sur sa longueur. 11. Procédé de fabrication d'un tube de transfert thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est formé par extrusion.