Brevet FR2356901A1 — publié le 19780127

La presente invention concerne un dispositif en vue de l'amélioration du transfert de chaleur entre un tube d'échangeur de chaleur et un fluide s'ecoulant à l'intérieur au moyen d*ai- lettes adjacentes à la paroi interne du tube. Il est connu de munir, dans le cas de réalisations d'échangeur de chaleur se composant de faisceaux de tubes, la surface extérieure ou intérieure des tubes ou les deux surfaces, d'ailettes de transfert de chaleur, afin de pouvoir mieux utiliser les tubes en fonction des propriétés de transfert de chaleur des fluides participant à l'échange de chaleur. Ces ailettes transmettent les quantités de chaleur transmises ou prélevées de leur côté par conduction thermique entre les fluide caloporteurs et les surfaces extérieures ou intérieures des tubes. Il va sans dire qu'entre les ailettes et les surfaces des tubes est r-scherchée une liaison de conduction thermique satisfaisante. On connaît en pratique de nombreuses réalisations -d'é- changeurs de chaleur, dans lesquelles les tubes sont munis sur leur surface extérieure ou intérieure d'ailettes conduisant la chaleur. Par exemple des tubes sont fabriqués, qui sont munis sur la surface intérieure d'ailettes s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du tube, de sorte que la section interne est subdivisée en plusieurs zones partielles. Les ailettes réalisées de cette façon sont en liaison intime avec la paroi du tube, afin opexiste entre les ailettes et la paroi du tube une bonne conduction thermique. L'inconvénient de ces réalisations connues consiste en ce que la résistance de frottement des fluides s'écoulant est considérablement accrue, le besoin en matières premieres croit fortement et en outre, dans les cas où, au cours de la fabrication, le diamètre du tube est accru par élargissement, cette réalisation est impossible ou l'application du procédé est au moins rendue très difficile. En outre, on connatt des solutions selon lesquelles les ailettes internes sont réalisées à partir de fil, qui est soudé à l'intérieur du tube sous la forme de poils ou de ressorts helicol- daux. Enfin, on connatt également des ailettes internes, qui st composent des fils précités ou de petites bandes métalliques et qui, introduites sur toute la longueur dans l'intérieur du tube, se rabattent grâce a' leur élasticité et leur conformation contre la surface interne du tube. La condition la plus importante pour l'efficacité consiste ici en ce qutentre les ailettes et la paroi interne du tube soit assurée une bonne conduction thermique.Cel :Le-eî peut titre rendue satisfaisante par le soudage des points de contact des ailetes avec les tubes, mais uniquement lorsque le nettoyage de l'intérieur des tubes et l'éloignement dans ce cas inévitable et la remise en place des ailettes n'est pas nécessaire. Si un nettoyage mécanique de l'intérieur des tubes est nécessaire, la liaison précitée par soudage ne peut pas etre utilisée. A partir de cela, l'invention a pour objet d'utiliser des ailettes de conduction thermique, qui peuvent trouver une application également dans de tels tubes dont l'intérieur doit être nettoyé mécaniquement de temps en temps. En outre, une liaison thermiquement conductrice satisfaisante entre les ailettes et la paroi du tube doit être assurée et enfin les ailettes ne doivent en aucun cas titre expulsées du tube par la pression accrue du fluide de transport, même dans le cas d'un colmatage éventuel. Ce problème est, selon l'invention, résolu par le fait que les ailettes se composent de nombreuses dents en succession dans le sens axial du tube et s'étendant depuis le centre du tube vers l'extérieur, qui sont défornées élastiquement par la paroi du tube, de telle sorte qu'une contrainte des dents conduise dans une direction axiale à une diminution, dans l'autre direction axiale à un accroissement de la déformation radiale.Ainsi les ailettes peuvent être introduites par déformation élast-que dans les tubes et simultanément le déplacement des ailettes dans une direction opposée à la direction d'introduction est empeché grÂce à leur conformation à auto-verrouiJlage (blocage automatique), Si les ailettes sont introduites dans le tube, dans la direction opposee à la direction d'écoulement du fluide s'écoulant, elles ne peuvent plus titre déplacées par le fluide de circulation, mais sont a contraire fortement poussées contre la paroi du tube. Ainsi, non seulement le déplacement des ailettes est empoché, mais surtc-ut aussi leur contact alrec la paroi est accru, de sorte qu'un transfert de chaleur particulièrement satisfaisant s'établit. La possibilité de déplacement souhaitée des ailettes dans un sens et le blocage automatique dans l'autre sens peut Qtre effectué de manière différente. Ainsi les ailettes peuvent, par exemple, s'étendre tout d'abord approximativement radialement vers l'extérieur par rapport à la-paroi du tube et etre adjacentes à celle-ci au moyen d'une nervure stétendant à peu près axialement d'un opté. Lorsque deux telles ailettes sont disposées superposées l'une contre l'autre, de telle sorte qu'elles se déforment radialement avec la paroi du tube, alors une application de force à l'encontre de la direction d'embranchement des nervurés dans la zone extérieure des ailettes conduit à une diminution de leur étendue radiale.Les ailettes peuvent ainsi etre insérées dans cette direction dans le tube. Dans le cas d'une application d'une force opposée, les extrémités des nervures sont par contre déployées, de sorte que leur pression d'application s'aecrott dans le sens du blocage automatique désiré. Des conditions particulièrement favorables sont obtenues lorsque les dents s'étendant vers l'extérieur forment avec l'axe du tube un angle aigu. Elles peuvent présenter dans l'état détendu une bande médiane dépassant le diamètre interne du tube. La pression radiale existant lors de l'introduction des dents dans le tube conduit à une diminution de l'angle entre les dents et l'axe du tube et/ou à une déformation élastique des dents de telle sorte que celles-ci ne peuvent plus s'étendre vers l'extérieur le long d'un plan radial, mais sont cintrées hors d'un tel plan radial. Les extrémités extérieures des dents sont de façon appropriées munies de racines s'adaptant à la paroi des tubes, afin d'accrottre leur surface de contact et ainsi le transfert de chaleur. Pour une fabrication de série à un cott favorable des ailettes, il est avantageux de partir d'une bande ou de fil s'étendant parallèlement à l'axe du tube. Ainsi elles peuvent autre fabriquées en particulier en fendant transversal bilatéral d'une bande de métal. D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'exemples de réalisation. La Figure 1 est une élévation latérale d'un tronçon de tube muni des ailettes selon l'invention. La Figure la est une vue de dessus de la section du tube dans le cas de la disposition selon la Figure 1. La Figure 2 est la vue de dessus d'une section de tube dans le cas d'utilisation d'ailettes avec racines repliées. La Figure 3 est une vue de dessus d'une section de tube dans le cas d'utilisation de deux bandes d'ailettes identiques. La Figure 4 est une vue de dessus d'une section de tube dont les ailettes s'etendent vers l'extérieur avec formation d'un cintrage. La Figure S est une élévation latérale d'un tronçon de tube, dont les dents successives axialement sont tournées à la manière d'un pas de vis. La Figure 6 est une élévation latérale d'un tronçon de tube dont les ailettes sont constituées par des fils. Les tubes des échangeurs de chaleur, dans lesquels, dans le cas d'utilisation de fluides de transport déterminés, doivent titre introduites des ailettes internes en vue de l'amélioration du transfert de chaleur, ne présentent pas toujours une forme circulaire exacte par suite de tolérances de fabrication inévitables et ne sont pas non plus parfaitement rectilignes. Pour une possibilité de fabrication aisée, les ailettes sont fabriquées à partir de petites bandes dont la rectitude, la largeur etc., également par suite d'inévitables imprécisions de fabrication, ne sont pas parfaites.Si dans un tube qui n'est pas d'une précision absolue est introduite une ailette interne qui n'est pas complètement parfaite, alors les ailettes ne viennent en contact de la surface interne du tube qu'en des points isolés, de telle sorte que la liaison thermiquement conductrice extrêmement importante du point de vue cession de chaleur, est également très médiocre. Le contact satisfaisant entre les ailettes et la paroi du tube est, selon l'invention, avec application de la conformation d'ailette selon la Figure 1 résolu par le fait que l'ailette 1, réalisée à partir de la petite bande de tôle ou analogue est interrompue par des entailles faisant un angle déterminé avec l'axe longitudinal de la bande, de telle sorte que les deux bords de l'ailette soient formés par des dents successives 3. En tenant compte du fait que ces dents sont réalises élastiquement, les imprécisions des tubes 4 et des ailettes 1 résultant de la fabrication sont surmontées et un contact sbr sur la surface interne Ces tubes assuré.Afin de pouvoir améliorer la liaison thermique ment conductrice, les etrémîtés des dents 3 peuvent être munies d'une racine plus large, de sorte que la surface disponible pour la conduction thermique soit accrue de plusieurs fois. L'ailette 1 représentée - la Figure 1 peut être intro- duite dans le sens de la flèche 6 facilement dans l'intérieur du tube. Grâce à la conformation des dents avec un angle aigu, le mouvements des ailettes dans une direction opposée à la direction d'introduction est empêché. L'échaneur de chialeur doit être utilisé de manière que le fluide circulant dans le tube s1 écoule en sens contraire de la flèche C, de telle sorte que les ailettes 1 présentes dans l'int;érieurdlI tube ne puissent pas être poussées par suite de l'écoulemênt. I1 est évident que, par suite des imprécisions de abri- cation précitées, théoriquement étalement les racines 5 des dents 3 ne peuvent venir en contact que ponctuellement avec la surface interne du tube. Entre le reste de la racine 5 et la surface d tube résulte une petite fente large de quelques centièmes 0?,4? millièmes de mm, qui est remplie de fluide s'écoulant.Dans cette petite fente a lieu par conséquent la conduction thermique entre les dents et le tube par transmission du fluide s' écoulant. Comme la plupart des fluides utilisés en pratique présentent une mauvaise conductibilité thermique et qu'existe pour ceux-ci la nécessité de la mise en place des ailettes internes décrites, les racines 5 des dents 3 doivent être dimensionnées relativement largement. Afin d'accrottre encore la transmission de chaleur à l'intérieur des tubes, l'outil, servant à l'introduction des ailettes, est, de façon appropriée, tourné lentement durant le processus d'introduction, de sorte que les ailettes puissent étre déplacées en forme d'escalier tournant autour de l'axe longitudinal du tube. Elles ne se superposent pas alors exactement dans le sens d'écoulement du fluide, mais sont tournées les unes par rapport aux autres d'un certain angle, comme ceci ressort de la Figure la. A la Figure 2, est représentée une ailette fabriquée également à partir de bandes dans laquelle les e trér.lités des dents 3 sont coudées avec le coude dans la partie venant en contact, afin qu'il en résulte pour assurer la conduction thermique entre les racines 5 et le tube 4 une surface de contact particulièrement grande. Egalement dans le cas de cette forme d'ailette, grÂce à la lente rotation de l'outil d'introduction durant l'introduction des ailettes, est obtenue une allure en forme d'hélice. Cette allure accrott du reste également le degré de turbulence de 11 écoulement, c'est-à-dire que l'échange entre le noyau et la couche périphérique de l'écoulement est intensifié, ce qui entratne un accroissement du transfert de chaleur. A la Figure 3 est représentée une réalisation d'ailette interne, qui peut être réalisée par la flexion des ailettes selon la Figure i. Ici au moyen de presses deux ailettes identiques selon la Figure 1 sont réalisées, après quoi une des deux ailettes est courbée selon la forme 1, l'autre la forme la. Les deux ailettes différentes réalises de cette manière, comme représenté à la Figure 3, sont assemblées et introduites dans le tube, grace à quoi non seulement la surface des ailettes internes est accrue, mais également le nombre des racines 5 est doublé. A la Figure 4 est représentée la section d'un tube dans lequel est introduite une ailette l réalisée élastiquement à partir d'une bande, dont l'élasticité est accrue grace au profil représenté. Dans le cas de cette forme d'ailette, le rayon de courbure Rh c'e la racine 5 est choisi de sorte que celui-ci dépasse le rayon de courbure Rc du tube, de telle sorte qu'après introduction dans le tube, la racine 5, par suite de la déformation élastique, soit adjacente avec une pression satisfaisante à la surface interne du tube. Le reste de la courbure favorise le mouvement de déploiement radial. A la Figure 5 est représentée une solution dans laquelle les dents 3 des ailettes internes sont fabriquées sans déchets. également dans ce cas, l'application des racines 5 sur la surface interne du tube 4 est assurée par l'élasticité des dents 3. Cette élasticité peut, ainsi qu'on l'a dit, entre obtenue grace à la position oblique des dents etiou par leur allure cintrée selon la Figure 4. La Figure 6 représente des ailettes internes, qui sont fabriquées à partir de fil. Dans le cas de cette solution, les ailettes 8 se composant de fil mince sont portées par les fils conducteurs 7 s'étendant le long de l'axe du tube 4. Les fils conducteurs 7 toronnés de façon appropriée maintiennent les fils 8 d'ailette dans leur position. Grace au-toronnage des fils conducteurs, les fils d'ailette ne sont pas déformés dans l'intérieur du tube l'un après l'autre, mais l'un vers l'autre en forme d'escalier tournant. Comme également ici la conductibilité calorifique satisfaisante entre les extrémités de fils et la paroi du tube est d'une importance primordiale, les extrémités de fil de la forme de réalisation avec la référence 9 peuvent entre réalisés avec une surface de contact agrandie. En résumé, l'avantage de l'invention consiste en ce qu'on obtient une ailette simple à fabriquer, qui peut etre introduite après coup dans des tubes terminés et également etre extraite et qui, lors de l'application de pression par le fluide de transport, exerce une pression accrue sur la paroi du tube, améliore ainsi la transmission de chaleur et ne peut pas etre déplacée par le fluide de transport. REVENDICATIONS 1. Dispositif en vue de l'amélioration du transfert de chaleur entre un tube d'échangeur de chaleur et un fluide circu lant dans celui-ci au moyen d'ailettes adjacentes à la paroi interne du tube, caractérisé en ce que les ailettes se composent de nombreuses dents en succession dans le sens axial du tube et s'étendant depuis le centre du tube vers l'extérieur, qui sont déformées élastiquement par la paroi du tube, de telle sorte qu'une contrainte des dents conduise dans une direction axiale à une diminution, dans l'autre direction axiale à un accroissement de de la déformation radiale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dents font un angle aigu avec l'axe du tube. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dents présentent dans l'état détendu une étendue dépassant le diametre interne du tube. 4. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités extérieures des dents sont réalisées avec des racines s'adaptant à la paroi du tube. 5. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dents partent de bandes ou de fils swé- tendant parallèlement à l'axe du tube. 6. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dents sont fabriquées en fendant transversalement et bilatéralement une bande métallique. 7. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dents sont disposées sur deux bandes adjacentes, qui s'étendent le long de l'axe du tube et sont rabattues par les dents. 8. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dents son en fil, qu'elles font avec l'axe du tube un angle oblique et qu'elles sont maintenues dans leur position-à l'aide d'un fil conducteur toronné en même fil. 9. Dispositif selon- la revendication ?, caractérisé en ce qu'afin d'accrottre les surfaces de contact les deux extrémités des différents fils sont courbées dans une direction parallèle à la surface interne du tube. 10. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dents se succédant axialement sont déca liées entre elles dans le sens périphérique du tube. 11. Dispositif selon ne des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dents se succédant axialement sont déca- lées entre elles de telle sorte que leurs points de contact sc trouvent sur la paroi Cu tube sur des lignes en forme de pas de vis vis.