Brevet FR2404187A1 — publié le 19790420

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur à faisceau formé de plusieurs conduits enroulés en spirale et son procédé de fabrication. On connaît bien entendu les échangeurs du type à faisceau spiralé. Ceux-ci présentent deux plaques d'extrémité entre lesquelles se loge une pluralité de spires de tubes en plusieurs enroulements dans un sens et dans l'autre, bobines ou torsadés sur un mandrin servant d'axe mécanique à l'ensemble ou sur un enroulement primaire constituant un réseau de conduits de faible diamètre immobilisés à chacune de leurs extrémités sur les plaques. L'ensemble est fermé par une enveloppe formant avec les plaques d'extrémité une chambre d'échange. Les conduits situés à l'intérieur de ladite chambre d'échange véhiculent le fluide primaire à température supérieure et du fait de leur emplacement et de leur forme assurent un échange thermique correct avec le fluide secondaire qui les entoure. On distingue plusieurs réalisations de tels échangeurs. Ainsi, on distingue des échangeurs du type à double spirale où "tous les deux circuits se présentant sous forme de spirales concentriques". Il s'agit d'échangeurs pour des applications très particulières et de coût fort élevé. Il existe toute une série de réalisations où le conduit est enroulé sur un tube central en l'immobilisant à chacune de ses extrémités, en retenant sa partie centrale et en entraînant l'ensemble en rotation jusqu'à contact de la partie retenue avec le tube. Le maintien dé cette partie s'effectue bien souvent par l'intermédiaire d'une bague de serrage. Cette variante entraîne des réalisations complexes et une forme de faisceau irrégulière. On a pensé décaler les pas des hélices et les combiner avec un décalage angulaire adéquat. Malheureusement, cette complication supplémentaire ne procure qu'une augmentation bien faible du taux de régularité. Il reste une réalisation dans laquelle on procède à un bobinage double en aller et retour en formant une boucle en extrémité. Bien que plus intéressante a priori, cette réalisation présente certains problèmes de construction notamment dans le maintien de la boucle et l'immobilisation des spires consécutives. L'invention a pour but d'améliorer la construction de tels échangeurs et propose une réalisation de performances intéressantes. Elle en simplifie la fabrication pour une réduction du prix de revient et une augmentation sensible du rendement thermique. A cet effet, l'invention se rapporte à un échangeur de chaleur du type à faisceau spiralé caractérisé en ce qu'il comprend un mandrin reliant les deux plaques d'extrémité sur lesquelles viennent s'ancrer de façon étanche les extrémités de conduits bobinés en spirale sur ledit mandrin et tendus par l'intermédiaire d'une boucle, échangeur comprenant en outre une plaque d'entrée oblique et une chambre d'entrée ainsi qu'une chambre d'échange cylindrique ménageant entre ses parois et le corps de l'échangeur un volume d'eau dormant. L'échangeur selon l'invention présente de nombreux avantages - facilité de fabrication - faisceau homogène - fiabilité ; - bon coefficient d'échange thermique. Comme application principale, on envisage la fourniture de chaleur dans les immeubles d'habitation à partir d'un réseau de distribution de vapeur. D'autres caractéristiques plus techniques de l'invention sont consignées dans la description qui suit d'un mode de réalisation rédigée en référence aux dessins accompagnants dans lesquels - la figure 1, est une vue en coupe longitu- dinale de l'echangeur selon l'invention - la figure 2, est une vue schématique des enroulements de constitution du faisceau. L'échangeur selon l'invention se compose d'un tube central I, servant d'axe mécanique à l'ensemble et présen- tant une plaque d'extrémité 2 et une plaque frontale 3 dans les quelles viennent s'ancrer de façon étanche les extrémités des conduits formant le faisceau. Le tube central 1 constitue avec une enveloppe cylindrique 4 une chambre cylindrique d'échange 5 ouverte à 11 une de ses extrémités 6 en se terminant à une distance D de la plaque d'extrémité 2. Son autre extrémité 7 est raccordée à l'enveloppe extérieure 8 du corps de l'échangeur par une prolongation radiale 9 pour former avec la plaque frontale 3 et avec un élément de recouvrement,une chicane 10 constituant la chambre de sortie 11 du circuit secondaire. Celle-ci débouche à l'extérieur par un conduit de raccordement 12. La plaque frontale 3 forme avec un élément de transition cylindrique 13 à base oblique et une double plaque de recouvrement 14, 15 une chambre d'entrée -16 destinée à l'admission du fluide primaire par exemple de la vapeur. La plaque extérieure de recouvrement 15 possède une pièce de raccordement 17 destinée à son branchement sur le circuit de distribution constituant avec la plaque de recouvrement la tête 18 de l'échangeur. La face supérieure fermée de la tête présente une disposition oblique de façon à faciliter le dégagement rapide des bulles de vapeur qui se seraient créés à son contact provoquant dans les échangeurs traditionnels de ce type des bruits gênants dans les conduits ou conduites. La constitution intérieure de l'échangeur se complète à l'autre extrémité par l'entrée de la chambre de mélange à une distance D de la plaque d'extrémité 2. Le plan d'entrée correspond par exemple au plan médian du conduit de raccordement d'entrée 19. La plaque d'extrémité 2 possède un évidement central 20 formant avec une plaque de recouvrement 21 pourvue d'un évent 22 ainsi que le collecteur du circuit primaire raccordé au circuit de distribution par l'intermédiaire d'un conduit de sortie 23 et d'une bride de raccordement 24. La paroi cylindrique 8 de l'échangeur est recouverte d'une couche de matière isolante 25 protégée par une enveloppe extérieure 26 par exemple en tôle galvanisée. De plus, l'espace ménagé entre la chambre d'échange et la surface latérale de l'échangeur constitue un volume d'eau dormant 27 assurant un complément intéressant pour l'isolation thermique d'ensemble. L'échangeur selon l'invention comporte un faisceau d'échange spiralé 28 bien régulier occupant entièrement le volume intérieur de la chambre d'échange. Ce faisceau est constitué en tubes sous la forme d'une pluralité de conduits tels que 29 dont les extrémités sont ancrées dans les plaques d'extrémité, faisceau bobiné autour du mandrin 1 selon des spires concentriques imbriquées. L'extrémité de chaque conduit est enfoncée dans un perçage tel que 30 prévu dans la plaque d'extrémité 2. Chaque extrémité comporte au niveau de sa jonction une longueur de garde d entre la plaque d'extrémité et un coude tel que 31 pour son bobinage régulier sur le mandrin 1. Cette longueur d est obtenue par exemple en enfonçant une tige 32 de longueur appropriée dans le tube au moment du bobinage et retirée après. Le bobinage s'effectue selon des spires ré gulières 33 de sens différent d'un bobinage a l'autre jusqu'a environ quatre cinquièmes de la longueur totale. La longueur restante forme une boucle 34 dont l'extrémité est enfichée dans les perçages 35 de la plaque frontale 3 en prévoyant comme auparavant une distance d pour le passage de l'instrument de fixation et d'étanchéité par exemple par dudgeonnage. Cette boucle est rabattue sur le mandrin en la bobinant dans le même sens par appui sur son extrémité fixée dans la plaque et sur un point fixe formé sur la dernière spire par maintien de celle-ci a la spire de l'enroulement précédant, à l'aide d'un cavalier 36. On procède ainsi au nombre d'enroulements suf fisantSpour occuper tout le volume de la chambre d'échange en décalant angulairement les extrémités sur les plaques 2 et 3et en remplissant complètement chaque couche. On opère une judicieuse distribution entre les sens de bobinage droit et gauche. On arrive ainsi à un coefficient de remplissage intéressant assurant avec un bobinage régulier un échange optimal et, par une perte de charge minime, un rendement global exceptionnel-grâce aux hautes valeurs du coefficient de transfert thermique obtenu sur le fluide secondaire. On décrira ci-après le procédé de constitution du faisceau spiralé selon l'invention permettant de constituer un faisceau non difforme et bien régulier destiné à améliorer le rendement d'échange. On enfonce une des extremites du tube en cuivre dans la plaque frontale d'extrémité par l'un des perçages 30 en prenant soin d'enfiler dans ladite extrémité du tube une longueur de tige lisse de diamètre voisin de façon à laisser droite la longueur de garde d etassurer plus tard le passage de l'outil de fixation et d'étanchéité par exemple de dudgeonnage. On coude ensuite le tube de manière à le. faire arriver tangentiellement sur le mandrin avec la pente correspondant au pas choisi. On enroule ledit tube à pas constant le long du mandrin. On arrête le bobinage environ aux quatre cin quièmes de la longueur totale, on coude l'extrémité libre du tube dans le sens approprié à une longueur suffisante pour respecter la distance de garde d, on place l'extrémité libre dans le perçage correspondant de la plaque frontale 3, on enfile ladite extrémité dans le perçage, on forme une boucle, on introduit la tige. On immobilise l'autre extrémité de cette boucle à l'aide d'un cavalier qui prend appui sur la spire adjacente par exemple de l'enroule ment précédant de même sens, et on enroule ainsi la boucle restante immobilisée à ses deux extrémités, dans le même sens que les spires. On procède de la même façon, ainsi de suite, avec les tubes suivants en formant autant d'enroulements que nécessaire pour remplir entièrement le volume intérieur de la chambre d'échange par plusieurs couches successives. Le décalage angulaire l'alternance des sens d'enroulement et la disposition concentrique des perçages sur les plaques permettent un bobinage homogène des spires et des couches régulières et par là un bon coefficient de remplissage. BEVENDICATIONS 1. Ecccgeur de chaleur du type à faisceau spiralé à contre courant croisé caractérisé en ce qu'il comprend sur un mandrin central entre deux plaques d'extrémité un faisceau spiralé homogène et régulier constitué d'une pluralité d'enroulements de tubes s'arrêtant aux quatre cinquièmes environ de la longueur totale pour se terminer en une boucle dont une extrémité fixée dans le perçage correspondant de la plaque d'extrémité et l'autre ex trémité immobilisée à la spire la plus proche servent de point d'appui pour le rabattement et l'enroulement sur le mandrin de ladite boucle et en ce que le faisceau est entouré sur toute sa longueur d'une paroi cylindrique délimitant une chambre d'échange ouverte à l'une de ses extrémités pour la communication du fluide à réchauffer avec l'extérieur à une distance D de la plaque, et formant à son autre extrémité avec une prolongation radiale, la plaque frontale oblique d'extrémité et son prolongement périphérique une chambre de sortie en chicane et en ce que la paroi extérieure de la chambre d'échange et l'enveloppe ex térieure de l'échangeur constituent un volume dormant améliorant le calorifugeage de l'ensemble. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités de chaque tube formant le faisceau pré- sentent une longueur de garde d droite perpendiculaire à la plaque d'extrémité avant son coude. 3. Procédé de fabrication d'un échangeur à faisceau spiralé à tube central ou mandrin et à plaque d'extrémité carac térisé en ce que l'on enfonce une des extrémités d'un tube constituant le faisceau dans la plaque d'extrémité dans l'un des perçages en enfilant dans ladite extrémité une longueur de tige lisse de diamètre voisin de manière à laisser droite une longueur de garde d, on coude le tube de manière à la faire arriver tangentiellement sur le mandrin, on le bobine à pas constant jusqu'à environ les quatre cinquièmes de la longueur totale, on coude l'extrémité libre à une longueur suffisante pour respecter la distance de garde d, en ce que l'on place et enfile l'extrémité libre dans le perçage correspondant, on forme une boucle, on introduit la tige dans l'extrémité du tube, on immobilise l'autre extrémité de la boucle par exemple à l'aide d'un cava lier qui prend appui sur la spire adjacente par exemple de l'enroulement précédent dans le même sens et on enroule ainsi la boucle sur le mandrin dans le même sens que les spires et on procède de la même façon pour les tubes suivants en décalant les extrémités angulairement et radialement et en combinant les sens d'enroulement d'un bobinage à l'autre.