Brevet FR2410238A1 — publié le 19790622

La présente invention concerne un tube d'échange de chaleur perfectionné pour transmettre la chaleur d'un fluide à un autre à travers la paroi du tube. Un tel tube d'échange de chaleur trouve différentes applica tions. Par exemple, on l'utilise dans un condenseur de vapeur d'une centrale électrique. Dans une centrale électrique, la chaleur qui sort d'une turbine a vapeur est condensée dans un condenseur, et le condensat résultant est renvoyé dans un générateur de vapeur, afin d'augmenter le rendement thermique global de la centrale. Pour condenser la vapeur qui sort, on utilise fréquemment de l'eau de mer comme eau de refroidissement. Cependant, l'eau de mer con tient souvent des matières étrangères telles que des organismes marins, qui ont tendance à corroder les tubes d'échange de chaleur, lesquels sont normalement faits de laiton d'aluminium, de cupro nickel, ou d'un alliage similaire. Un moyen classique pour empêcher une telle corrosion consiste à mélanger du sulfate ferreux à l'eau de mer avant de l'utiliser comme eau de refroidissement, le sulfate ferreux agissant en formant une pellicule protectrice sur la sur face de la paroi du tube d'échange de chaleur. Ce film permet d'em pêcher la corrosion de aux organismes marins qui se trouvent dans l'eau de mer.Cependant, l'eau de refroidissement à laquelle est mélangé le sulfate ferreux, après avoir servi d'eau de refroidis sement, est rejetée dans la mer. Ce rejet constitue l'une des causes de la pollution de la mer. Pour réduire au minimum la pollution de la mer, il faut éviter d'utiliser du sulfate ferreux. Pour supprimer la nécessité de mélanger du sulfate ferreux à l'eau de mer, il faut résoudre par d'autres moyens le problème de la corrosion de aux organismes marins qui se trouvent dans l'eau de mer. Un autre problème posé par Les tubes classiques d'échange de chaleur découle de la présence d'hydrazine, d'ammonium ou de produits chimiques similaires qui sont mélangés à l'eau d'alimentation de la chaudière en vue de contrôler la qualité de l'eau d'alimentation de la chaudière. A haute température, l'hydrazine se décompose en ammoniac qui passe dans la turbine en même temps que la vapeur d'eau et est déchargée dans le condenseur, puis s'accumule dans le condenseur sous la forme d'un gaz non condensable, tandis qu'une partie de l'ammoniac gazeux se dissout dans le condensat en donnant une vidange très concentrée en ammoniac. Une telle vidange a tendance à corroder la surface extérieure de la paroi du tube d'échange de chaleur qui est fait de laiton d'aluminium, de cupro-nickel ou d'un alliage similaire. Pour éliminer la corrosion due aux organismes présents dans l'eau de mer et à l'ammoniac présent dans le condensat, on a commencé à employer dans les condenseurs des tubes d'échange de chaleur qui sont faits de titane, ayant une plus grande résistance à la corrosion. Les tubes en titane ont une plus grande résistance à la corrosion mais ils sont coûteux, I1 est donc souhaitable d'améliorer le coefficient de transmission de chaleur et de diminuer la surface de transmission de chaleur. En général, le rendement de transmission de chaleur des tubes d'échange de chaleur est lié au coefficient de transmission de chaleur. Le coefficient de transmission de chaleur K est exprimé par l'équation suivante 1 = 1 + 1 + t ---------(15 K h. ho k dans laquelle : h. est le coefficient de transmission de chaleur de l'eau de refroidissement, h est le coefficient de transmission de chaleur de o la vapeur d'eau, k est la conductivité thermique du matériau qui constitue la paroi du tube, et t est l'épaisseur du tube. Dans les condenseurs à tubes en laiton d'aluminium, en cupronickel, ou en alliage similaire, qui sont utilisés dans les centrales électriques fonctionnant à la vapeur d'eau, h i est de l'ordre de 5000 kcal/m2h OC, ho est de l'ordre de 11000 kcal/m2h OC, et K est donc de l'ordre de 3000 kcal/m2h OC. Une façon d'augmenter la valeur de K consiste à améliorer le coefficient de transmission de chaleur h. de l'eau de refroidissement. Pour améliorer h., on a fait appel à différents types d'accé 1 lérateurs de turbulence et de tubes à paroi ondulée par exemple (1) des plaques torsadées ou des ailettes hélicldales placées sur le chemin du fluide pour provoquer son mouvement hélicoldal, (2) des plaques circulaires ou des plaques annulaires pour agiter l'écoule- ment, et (3) des saillies sur la surface d' échange de chaleur pour agiter la couche limite. Les tubes à paroi ondulée sont, comme le sait l'homme de l'art, munis de rainures et d'ailettes hélicoIdales pour agiter l'écoulement au voisinage de la surface de la paroi, de façon à améliorer le coefficient de transmission de chaleur. L'emploi des accélérateurs de turbulence ou des tubes à paroi ondulée améliore le coefficient de transmission de chaleur, mais se traduit aussi par une augmentation de la perte de charge qui fait plus que compenser cette amélioration de coefficient de transmission de chaleur. L'emploi des accélérateurs de turbulence ou des tubes à paroi ondulée dans un condenseur d'une centrale électrique a pour inconvénient d'augmenter le prix de revient du matériel et le coût de l'entrainement de la pompe qui fait circuler l'eau de refroidissement, et de tels inconvénients font plus qu'annuler l'avantage procuré par l'amélioration du coefficient de transmission de chaleur. Par conséquent, l'emploi des accélérateurs de turbulence se limite aux applications dans lesquelles l'amélioration du coefficient de transmission de chaleur est de première importance. Un autre tube d'échange de chaleur classique est muni d'ailettes droites dirigées axialement sur la surface intérieure du tube. Un tel tube d'échange de chaleur présente une faible perte de charge, mais le coefficient de transmission de chaleur est insuffisant car une couche limite se développe totalement sur toute la longueur du tube, sauf dans la région proche de l'entrée du tube. L'objectif de la présente invention est de procurer un tube d'échange de chaleur ayant un grand coefficient de transmission de chaleur et une petite perte de charge. Selon la présente invention, il est procuré un tube d'échange de chaleur pour transférer la chaleur d'un fluide à un autre à travers sa paroi, le fluide qui circule à l'intérieur du tube d'échange de chaleur étant un liquide, le tube d'échange de chaleur étant doté d'ondulations axiales sur sa surface intérieure, et de rainures non ondulées qui sont disposées annulairement sur la surface intérieure du tube d'échange de chaleur et sont espacées les unes des autres. Sur la planche de dessins annexés la figure 1 est une vue en coupe d'une forme de réalisation d'un tube d'échange de chaleur selon l'invention la figure 2 est une coupe axiale suivant la ligne II-II de la figure 1 ; et la figure 3 est un diagramme permettant de comparer les rendements de différents tubes d'échange de chaleur. Le tube d'échange de chaleur i qui est représenté sur les figures 1 et 2 est doté d'ondulations axiales 2 sur la surface intérieure de sa paroi. Le tube d'échange de chaleur 1 est en outre doté de rainures non ondulées 3, qui sont disposées annulairement sur le pourtour intérieur du tube et sont séparées l'une de l'autre par une distance déterminée comme décrit ci-dessous. A titre d'exemple, le tube 1 a un diamètre extérieur d'environ 25,4 mm et un diamètre intérieur d'environ 23,4 mm. La distance entre deux rainures consécutives 3 est à peu près égale à six fois le diamètre intérieur. La largeur et la profondeur de chaque rainure 3 sont d'environ 3 mm et 0,5 mm, respectivement. La présence des ondulations axiales 2 et des rainures non ondulées 3 améliore le coefficient de transmission de chaleur pour la raison indiquée ci-dessous. I1 faut noter ici que l'expression coefficient de transmission de chaleur " désigne le coefficient de transmission de chaleur par unité de superficie de la surface intérieure de la paroi du tube, sans tenir compte de l'augmentation de superficie due à la présence des ondulations 2 et des rainures non ondulées 3. La présence des ondulations axiales 2 perturbe l'écoulement au voisinage de la surface d'échange de chaleur, et réduit donc l'épaisseur de la couche limite, si bien que le coefficient de transmission de chaleur est améliorer. Contrairement à ce qui se passe avec les accélérateurs de turbulence et tubes à ondulations hélicoldales classiques, la perturbation causée dans l'écoulement à l'intérieur du tube est limitée à la région proche de la surface de la paroi du tube, et ne s'étend pas à l'écoulement dans la région centrale du tube. La perte de charge est limitée au minimum inévitable pour l'amélioration de la transmission de chaleur, et il ne se produit pas de perte de charge supplémentaire, telle que celle qui pourrait résulter de la perturbation de i 'écou- lement dans la région centrale du tube.Par suite, le coefficient de transmission de chaleur est amélioré moyennant une perte de charge minimale. Dans un écoulement turbulent à l'intérieur d'un tube d'échange de chaleur, il y a une région qui couvre une certaine distance à partir de l'entrée du tube, dans laquelle la couche limite n'est pas totalement développée. Le coefficient local de transmission de chaleur dans cette région est plusieurs fois plus grand que dans une région dans laquelle l'écoulement turbulent est totalement développé. La région ayant le plus grand coefficiènt local de transmission de chaleur s'étend sur une distance égale à vingt fois le diamètre intérieur du tube. Les rainures non ondulées 3 sont prévues, compte tenu de ce qui précède, pour donner le même effet que l'entrée du tube de façon à favoriser la séparation de la couche limite d'avec la paroi du tube. La couche limite séparée de la paroi du tube se développe à nouveau à mesure que l'écoulement de l'eau de refroi dissement progresse, mais se sépare à nouveau de la paroi du tube du fait de la présence de la rainure non ondulée suivante 3. Un tel processus se répète chaque fois que I'écoulement de l'eau de refroidissement rencontre une rainure 3.Ainsi, la couche limite est séparée, avant d'être totalement développée dans le tube, par les rainures 3 qui sont séparées l'une de l'autre par une distance qui n'excède pas vingt fois le diamètre intérieur du tube, si bien que le coefficient de transmission de chaleur est notablement augmenté, et que par suite un condenseur comportant de tels tubes de transmission de chaleur est économique et occupe un volume nctablement plus petit qu'un condenseur classique. La figure 3 est un diagramme permettant de comparer le rendement exprimé par le coefficient de transmission de chaleur en fonction de la vitesse de l'écoulement à l'intérieur du tube, d'un tube d'échange de chaleur classique sans ondulations ni rainures (trait plein 11), d'un autre tube d'échange de chaleur classique sans ondulations axiales ( trait interrompu 12 ), et d'un tube d'échange de chaleur selon l'invention ( trait tireté 13 ). REVENDICATIONS 1. Tube d'échange de chaleur permettant de transmettre la chaleur d'un fluide à un autre à travers la paroi du tube, le fluide qui circule à l'intérieur du tube étant un liquide, caractérisé en ce qu'il est doté d'ondulations axiales sur sa surface intérieure, et de rainures non ondulées qui sont disposées annulairement sur la surface intérieure du tube et se trouvent à une certaine distance l'une de l'autre. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre deux rainures non ondulées consécutives n'excède pas vingt fois le diamètre intérieur du tube.