Brevet FR2465981A1 — publié le 19810327

L'invention porte sur les échangeurs de chaleur et plus parti- culièrement sur les échangeurs de chaleur formés par deux tubes concen- triques espacés l'un de l'autre définissant entre eux une chambre sensiblement annulaire et ayant intérieurement une ailette métallique sous forme d'une bande de feuille métallique ondulée s'étendant en hélice dans la chambre annulaire et formant pont dans l'espace entre les deux tubes. Les échangeurs de chaleur de ce type ont parfois été utilisés dans le domaine de la réfrigération, dans le domaine automobile et des domaines semblables pour obtenir un échange de chaleur très efficace entre fluides contenus dans les tubes et un fluide extérieur aux tubes. Un tel échangeur de chaleur est décrit dans le brevet américain n0 3 197 975 délivré le 3 août 1965 au nom de Cecil Boling et cédé au cessionnaire commun. Dans ce brevet, une unité d'échange de chaleur très efficace est formée par une pluralité d'ensembles de tubes hori- zontaux, les ensembles s'étendant de manière générale parallèlement entre eux et étant formés chacun par une paire de tubes concentriques définissant entre eux une chambre sensiblement annulaire à l'intérieur de laquelle la circulation de l'un des fluides d'échange de chaleur s'effectue entre ses extrémités opposées tandis que l'autre des fluides d'échange de chaleur est véhiculé par le tube interne. Chacun des ensembles de tubes d'échange de chaleur présente une structure d'ailette métallique interne dans la chambre annulaire, formée par une bande de feuille métallique ondulée s'étendant en hélice dans la chambre annulaire, les ondulations ayant leurs axes sensiblement rectilignes et étant non déformables et s'étendant selon la longueur de la chambre et formant pont dans l'espace entre les tubes et étant en contact avec pression contre ces tubes de manière à diviser la chambre annulaire en une pluralité de passages sensiblement longitudinaux, chacun s'éten- dant entre les deux bords latéraux de la bande de feuille métallique ondulée. Les spires adjacentes de la bande de feuille métallique ondulée sont espacées les unes des autres pour obtenir un passage hélicoïdal entre les bords des spires adjacentes pour réduire la longueur effective de chacun des passages longitudinaux à celle d'une seule ondulation de la bande et pour permettre une circulation selon -2 - un trajet en courbe du fluide d'échange de chaleur renfermé entre les tubes, entre les passages longitudinaux disposés à la suite les uns des autres sur la longueur de la chambre annulaire. La distance entre les deux tubes est telle que les bords externes et internes de la structure d'ailette sont soumis à des forces de pression radiales de sorte que les ondulations sont comprimées radialement et soumises à des forces suffisantes pour assurer des conditions de bon transfert de chaleur entre les tubes par la structure interne d'ailette. Alors que l'échangeur de chaleur à tubes concentriques assure un échange de chaleur très efficace entre le fluide d'échange de chaleur à l'intérieur du tube interne et le fluide d'échange de chaleur contenu entre les deux tubes ou entre un fluide contenu entre les tubes et un fluide extérieur au tube externe, on a constaté que le coefficient de transfert de chaleur et en particulier le coefficient de transfert de chaleur à l'ébullition peut être amélioré en augmentant les caractéristiques d'échange de chaleur de la structure métallique interne d'ailette en bande de feuille métallique ondulée. Ainsi, selon la présente invention, on prévoit une pluralité de petites ouvertures dans la bande de feuille métallique ondulée qui s'étend en hélice dans la chambre annulaire définie par les deux tubes métalliques concentriques. Dans un mode de réalisation préférentielle, les ouvertures sont pratiquées dans la bande ondulée de telle manière qu'elles apparais- sent en certains points le long des ondulations, tels que sur les sommets et le long des creux, c'est-à-dire sur les surfaces adjacentes aux lignes de contact entre les ondulations et les parois du tube interne et du tube externe qui définissent la chambre annulaire. Les ouvertures peuvent être formées en perçant les bandes de métal avant leur mise sous forme ondulée et avant leur mise en hélice. En variante, les ouvertures peuvent être formées pendant l'opération d'ondulation en mettant tout d'abord la feuille métallique sous forme ondulée et en découpant ensuite ou en faisant de petites fentes sur les bords opposés de la bande ondulée, ces fentes étant de dimensions limitées pour former des ouvertures sur les sommets et dans les creux des ondulations. D'autres caractéristiques et les avantages de la présente invention -3 - apparaltront au cours de la description d'un exemple de réalisation, faite en regard du dessin ci-annexé. Dans ce dessin: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation de la structure selon l'invention, - la figure 2 est une vue partiellement en coupe longitudinale de la structure de la figure 1, - la figure 3 est une vue en plan d'une bande de feuille métallique présentant des perforations disposées en colonnes et rangées avant mise de la bande sous forme ondulée, allant constituer les ouvertures, - la figure 4 est une vue en plan de la bande métallique de la figure 3 suite à sa perforation et sa mise sous forme ondulée mais avant sa pose en hélice entre les tubes concentriques illustrés dans les figures 1 et 2, - la figure 5 est une coupe transversale d'une partie de la bande de la figure 4, selon la ligne 5-5, - la figure 6 est une coupe transversale d'une partie de la bande de la figure 4, selon la ligne 6-6, et - la figure 7 est un graphique illustrant la variation dans le temps du coefficient de transfert de chaleur à l'ébullition d'un échangeur de chaleur classique selon l'art connu et de plusieurs échangeurs de chaleur selon l'invention. En se référant aux figures 1 et 2, on voit un échangeur de chaleur amélioré selon l'invention à tubes concentriques, désigné sous la référence générale 10, et comprenant essentiellement un tube métallique extérieur 12, de diamètre donné, et un tube métallique intérieur 14, de diamètre inférieur, formant entre eux une cavité ou espace ou encore chambre annulaire 16 dans laquelle est disposé un troisième élément de la structure constitué par une ailette métal- lique interne, en hélice, 18 comportant une bande de feuille métallique ondulée qui s'étend en hélice dans la chambre annulaire 16 entre les tubes 12 et 14. Bien que non représenté, le tube extérieur peut porter une pluralité d'ailettes en feuille métallique s'étendant perpendiculairement à l'axe des tubes et espacées entre elles longitu- dinalement pour rayonner ou absorber la chaleur de surfaces environ- nantes ou pour prélever de la chaleur ou la transférer à d'autres fluides d'échange de chaleur qui circulent dans la chambre 16 et -4 - la chambre interne 20 définie par le tube interne 14. Les tubes 12 et 14 peuvent être en cuivre, en aluminium ou autres matériaux conduc- teurs de la chaleur tandis que la bande de feuille métallique ondulée ou ailette interne 18 sera en cuivre ou autres matériaux très bons conducteurs de la chaleur. L'ailette métallique interne en hélice 18 est pré-formée en cours de fabrication et disposée sur le tube 14 ou de toute autre manière comprimée lors de sa mise en hélice entre les tubes 12 et 14 et dans la chambre 16. Dans un premier exemple, le tube interne 14 peut être dilaté légèrement de manière à venir comprimer les ondulations individuelles entre la périphérie externe du tube interne 14 et la périphérie interne du tube externe 12. Le blocage mécanique des ailettes métalliques en hélice en bande de feuille métallique ondulée entre les tubes métalliques concentriques peut être obtenu en venant insérer à force dans le tube interne un mandrin de diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur de ce tube interne, de manière à dilater légèrement ce tube et forcer mécaniquement les pics 18a et vallées 18b des ondu- lations individuelles de la bande 18 à venir en contact avec la péri- phérie de chacun des deux tubes 12 et 14. La force de compression est suffisante pour assurer un transfert de chaleur efficace entre chacun des tubes et la bande de feuille métallique 18 d'ailette. La bande d'ailette 18 connecte les tubes 12 et 14 entre eux par des portions en forme d'auge des trajets longitudinaux de circu- lation, telles que 22 tangentes au tube interne 14 et telles que 24 tangentes au tube externe 12. En outre, lors de l'enroulement en hélice de la bande 18 sur le tube interne 14 selon le brevet américain n0 3 197 975, une hélice à spires non jointives est formée laissant un écart entre les spires adjacentes de l'hélice. De cette manière on définit un passage ouvert en hélice tel que 26, figure 2, dans lequel les extrémités de chaque passage longi- tudinal ou auges 22 et 24 débouchent. Ainsi, les passages longitu- dinaux 22 et 24 sont interrompus fréquemment par le passage en hélice 26. Ceci garantit une résistance minimale à la circulation à travers la chambre et fournit un transfert de chaleur efficace à ou à partir du fluide traversant la chambre 16 entre le tube interne et le tube externe. -5 - On a constaté, en supposant qu'un fluide circule de droite à gauche, figure 2, dans la chambre 16, alors qu'il n'y a aucune couche de fluide stagnant sur les bords de droite de la bande 18, qu'il y a cependant une couche de fluide stagnant d'épaisseur croissant progressivement vers un maximum du c8té gauche de la bande en spirale, c'est-à-dire du c8té aval de l'écoulement, qui agit comme une isolation thermique, entraînant une résistance au transfert de chaleur et réduisant l'efficacité du système. En tant qu'avantage par rapport à l'échangeur de chaleur selon le brevet américain no 3 197 975, du fait que les dimensions longitudinales de chacune des surfaces individuelles d'ailette de la bande de feuille métallique ondulée 18 sont suffisamment petites pour éviter la formation d'une couche de fluide stagnant suffisante pour interférer matériellement avec l'échange de chaleur réel entre les portions d'ailettes et le passage d'écoulement de fluide 16, on a constaté qu'un échange de chaleur plus efficace a lieu entre le fluide qui s'écoule dans le passage 20 tel que défini par le tube 14 et le fluide qui s'écoule dans la chambre annulaire 16 entre les tubes d'une part, en réduisant la surface de la bande métallique d'ailettes 18 et, d'autre part, avec un fluide en ébullition circulant dans la chambre annulaire entre les tubes, en améliorant l'action des points d'ébullition de ces fluides au moyen d'une pluralité d'ouvertures de faible diamètre ou trous formés dans la bande de feuille métallique ondulée d'ailette en hélice 18. La présence de ces ouvertures crée des zones localisées de turbulence dans le trajet d'écoulement formé par l'ailette. Les ouvertures sont formées par perçage de trous de petit diamètre, comme en 28, disposés en rangées et colonnes, tandis que la bande 18 est ensuite mise sous forme ondulée selon les lignes d'ondulation telles que 30, figure 3, pour constituer la structure de bande ondulée de la figure 4. En conséquence et en particulier en regard des figures 4 et 5, on voit que certaines ouver- tures 28 apparaissent sur les pics 18a tandis que d'autres sont dans les creux 18b de la bande ondulée 18. De manière évidente, le nombre et la taille des ouvertures ou trous 28, leur position et autre, dépendent de la taille de l'échan- geur de chaleur désigné par 10, du diamètre des tubes 12 et 14 et des variations aussi bien de l'épaisseur que de la largeur de la -6- bande métallique 18 ondulée et perforée illustrée dans les figures 4, et 6. A titre d'exemple, le diamètre des ouvertures ou trous 28 percées dans la bande 18 avant sa mise sous forme ondulée peut être de l'ordre de 1,25 à 2mm pour un échangeur de chaleur type. D'autre part, dans une variante de formation de la bande de feuille métallique ondulée et mise en hélice, la bande de feuille métallique après mise sous forme ondulée peut être soumise à de multiples découpes, au moyen d'une scie ou fraise, sur l'une et l'autre des surfaces formant bosses et creux, ces découpes étant de préférence également espacées les unes des autres et décalées des fentes du bord opposé, la longueur des fentes correspondant sensiblement à la moitié de la hauteur de l'ailette. De plus, l'ensemble utilisé pour faire les ondulations, tel que des jeux de pignons en prise, peut être équipé de moyens destinés à former les fentes en même temps que les ondulations. Les fentes peuvent être de 0,25mm de largeur, 0,S5mm, etc...... De plus, alors que les ouvertures, ou trous, 28 sont illustrées étant unifor- mément formées sur chacune des rangées, ou sur chacun des pics et creux des ondulations, elles peuvent en fait être formées dans les portions intermédiaires de l'ondulation, c'est-à-dire entre les creux et les pics. De plus, la structure améliorée d'échangeur de chaleur à ailette interne présente un effet positif défini lorsque l'un des fluides d'échange de chaleur est en ébullition, c'est-à-dire s'évapore. En outre, l'utilisation d'ouvertures, ou trous, 28 dans la bande de feuille métallique ondulée 18 améliore effectivement l'échange de chaleur, même lorsque les fluides ne changent pas d'état pendant l'opération de transfert de chaleur, par l'augmentation de turbulence des fluides que provoquent ces ouvertures. En se référant à la figure 7, on peut comparer les courbes de variation du coefficient de transfert de chaleur avec fluide en ébullition données pour un échangeur de chaleur à ailette interne du type de celui donné dans le brevet américain no 3 197 975 et de celui selon l'invention. Les courbes de coefficient de transfert de chaleur à l'ébullition sont faites en regard de la charge du tube c'est-à-dire en fonction de la quantité de chaleur transférée pendant une période de temps donnée. La courbe C montre le coefficient de transfert de chaleur à l'ébullition pour un échangeur de chaleur -7 - à ailette métallique interne en bande de feuille métallique ondulée et mise en hélice selon le brevet américain no 3 197 975. Les deux courbes A et B, qui se coupent, sont deux courbes représentatives d'échangeurs de chaleur tels que celui illustré dans les figures 1 et 2 et qu'un autre conforme à la présente invention, le coefficient de transfert de chaleur étant nettement amélioré par rapport à celui d'un échangeur à ailette interne, dit standard, auquel correspond la courbe C. L'amélioration représentée dans les caractéristiques d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur réduit de manière importante les surfaces d'échange de chaleur requises et en conséquence les dimensions de l'échangeur de chaleur. On a constaté que l'amélioration des caractéristiques d'échange de chaleur de l'échangeur à tubes concentriques utilisant une ailette interne perforée ou à ouvertures selon la présente invention est plus évidente lorsque l'un des fluides d'échange de chaleur change d'état. Par exemple, en regard des résultats d'essais mis en évidence dans la figure 7, les fentes, en particulier sur les périphéries de la bande métallique d'ailette 18 o les ondulations forment des ailettes individuelles, accroissent la formation de centres d'ébullition, c'est-à-dire la création de points o les bulles de gaz peuvent se former avant de disparaître du liquide mis en état de vapeur. Ceci est le cas en particulier dans des échangeurs de chaleur tels que de réfrigération ou des évaporateurs d'air conditionné. De plus la capacité d'échange de chaleur pour un échangeur de dimension donnée selon la présente invention est améliorée lorsque les échangeurs de chaleur fonctionnent en condenseurs. On note également qu'une meilleure circulation d'huile entre les tubes concentriques est obtenue grâce à la présence de fentes ou perçages ou trous, lorsque cette circulation s'effectue entre les passages parallèles définis par les ondulations de la bande de feuille métallique en hélice. Ainsi qu'il a été indiqué ci-avant, la largeur, la longueur, l'épaisseur, le nombre de trous ou ouvertures et l'écart entre les bords de la bande en hélice définissant le trajet de circulation en hélice du fluide contenu entre les tubes concentriques qui circule entre les intervalles ou espaces 26 dans les passages définis par la bande 18 en hélice peuvent varier en fonction des dimensions de l'échangeur de chaleur. -8- REVENDICATIONS 1/ Echangeur de chaleur comportant au moins un ensemble de tubes formé par une paire de tubes disposés concentriquement définissant entre eux une chambre sensiblement annulaire pour la circulation d'un fluide d'échange de chaleur entre ses extrémités, une ailette métallique à l'intérieur de ladite chambre comportant une bande de feuille métallique ondulée s'étendant en hélice dans cette chambre annulaire, les ondulations ayant leurs axes sensiblement rectilignes et étant non déformables et s'étendant selon la longueur de la chambre et formant pont dans l'espace entre les tubes pour diviser la chambre annulaire en une pluralité de passages longitudinaux sensiblement parallèles entre eux s'étendant chacun entre les bords latéraux de la bande de feuille métallique ondulée, les spires adjacentes de la bande de feuille métallique ondulée mise en hélice étant espacées les unes des autres pour constituer un passage en hélice entre les bords latéraux des spires adjacentes et ainsi réduire la longueur réelle de chacun des passages longitudinaux à celle d'une seule ondu- lation de la bande et permettre une circulation du fluide d'échange de chaleur selon un trajet en courbe entre les passages longitudinaux disposés à la suite les uns des autres le long de ladite chambre annulaire, dans cet échangeur la distance entre les tubes étant telle que les bords intérieurs et extérieurs de l'ailette métallique interne formée par la bande de feuille métallique ondulée supportent des forces radiales de compression de sorte que les ondulations sont comprimées radialement et soumises à une force suffisante pour assurer des conditions de bon transfert de chaleur entre chacun desdits tubes et l'ailette métallique interne en bande de feuille métallique ondulée, ledit échangeur étant caractérisé par le fait que la bande de feuille métallique ondulée comporte une pluralité de petits trous pour améliorer le coefficient d'échange de chaleur d'ébullition de l'échangeur de chaleur à fluide en ébullition circulant entre les tubes et d'un côté à l'autre des surfaces de la bande de feuille métallique ondulée. 2/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits trous sont disposés de manière uniforme en rangées et colonnes. 3/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par -9- le fait que lesdits trous sont formés le long des bords intérieurs et extérieurs de la bande de feuille métallique ondulée mise en hélice, pour constituer des ouvertures sur les pics et dans les creux d'ailettes individuelles définies par les ondulations. 4/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits trous sont formés dans la bande de feuille métallique ondulée enroulée en hélice pour qu'au moins certains de ces trous constituent des ouvertures sur les pics et dans les creux d'ailettes individuelles définies par les ondulations. 5/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits trous sont formés dans la bande de feuille métallique enroulée en hélice pour constituer des ouvertures sur les portions intermédiaires situées entre les pics et les creux des ondulations.