Brevet FR2461915A1 — publié le 19810206

GARNITURE A AILETTES FABRIQUEE A PARTIR DE BANDES METALLIQUES ET DESTINEE A AMELIORER LA TRANSMISSION DE CHALEUR. La présente invention concerne une garniture à ailettes fabriquée à par- tir de bandes métalliques et destinée à améliorer la transmission de chaleur, cette garniture étant appelée notamment à être montée de manière convenable dans un tube d'échangeur de chaleur. La garniture à ailettes selon l'invention permet d'améliorer la transmission (ou le transfert) de chaleur, principalement par réduction de lavitesse d'éco, lement du fluide passant par la partie centrale du tube intéressé; par ail- leurs, cette garniture assure une égalisation de la distribution de tempéra- ture du fluide sur toute la section transversale du tube, par des effets com- binés de conduction thermique métallique et de brassage (mélange). Bien que la garniture à ailettes considérée soit facilement déplaçable dans le tube, une partie importante des extrémités d'ailettes peut être en contact plus ou moins lâche avec la paroi intérieure du tube, ce qui entraîne une amélioration de la transmission de chaleur. On sait que la transmission de chaleur entre des fluides à forte visco- sité et à faible conductibilité thermique, d'une part, et les tubes d'un échangeur de chaleur, d'autre part, est très réduite. Ceci résulte de la nature laminaire de l'écoulement du fluide intéressé dans le tube, en raison duquel il ne se produit pas, ou ne se produit guère, d'écoulement au voisinage immédiat de la paroi, cependant qu'à partir de la zone proche de la paroi et vers le centre du tube, la vitesse d'écoulement du fluide augmente. Etant donné qu'il ne se produit pas de brassage sur cette section transver- sale, la chaleur ne peut être transmise entre la grande quantité de fluide s'écoulant dans la partie centrale du tube et la paroi de celui-ci qu'en traversant les couches situées à proximité de la paroi. Ces dernières cons- tituent un véritable isolement thermique de la surface interne du tube, lorsque le fluide intéressé présente une faible conductibilité thermique; par conséquent, ces couches empêchent une transmission satisfaisante de la chaleur. 2 2461915 Afin d'améliorer les conditions de transmission de chaleur, on a déjà proposé de disposer, sur la surface interne du tube, des ailettes qui, d'une part, augmentent la zone de transmission thermique et qui, d'autre part, s'étendent vers le centre de la section transversale du tube, o elles exer- cent un effet de refroidissement direct. On appelle la structure comportant des ailettes à l'intérieur d'un tube "tubes à ailettes internes". Les ailettes peuvent être formées d'une pièce avec le tube proprement dit, ou bien elles peuvent être liées à la surface intérieure du tube par soudage ou analogue. On connait également des ailettes internes montées de manière amovible dans le tube associé, et qui sont en contact avec la paroi du tube, c'est-à-dire qui assurent un contact métallique direct entre l'ailette et le tube. L'agencement mentionné ci-dessus en premier lieu constitue une solution entièrement satisfaisante du problème posé, les ailettes produisant un ex- cellent effet de refroidissement, car même lorsqu'il s'agit d'ailettes fixées par soudage, la chaleur est transmise à la paroi du tube par contact métal- lique. Toutefois, la fabrication d'un tube à ailettes internes de ce genre est relativement onéreuse et, de plus, le nettoyage de l'intérieur d'un tel tube est difficile, sinon impossible. L'agencement mentionné ci-dessus en second lieu facilite les opérations de nettoyage, les ailettes étant montées de manière amovible dans le tube, mais afin que ces ailettes soient facilement amovibles, elles ne peuvent pas être montées avec un ajustage serré sur la surface interne du tube et, par conséquent, le contact métallique entre les ailettes et le tube n'est pas satisfaisant et se dégrade, notamment après plusieurs opérations de mise en place et de démontage. La présente invention a pour but de créer une garniture ou ensemble à ailettes du genre considéré ci-dessus, qui permette d'améliorer les carac- téristiques de transmission de chaleur, cet ensemble devant comporter une garniture d'ailettes fabriquée à partir de bandes métalliques; grâce à son agencement particulier, différent de celui employé dans les ensembles classiques, cette garniture améliore les caractéristiques de transmission thermique, notamment par le fait que les ailettes ne recueillent pas la chaleur de la zone transversale du fluide qui est espacée de la paroi du tube pour la transmettre directement à la paroi du tube par contact métal- lique, mais que lesdites ailettes transforment les caractéristiques d'écou- lement et de répartition de température à l'intérieur du tube de façon telle qu'il en résulte une amélioration des conditions de transfert de la chaleur. 3 2 4619 15 Ce but est atteint, Selon l'inv&t;ion, par une --Àtuf au ci-dessus, qui est remarqublIe notamment en ce que chaque bande meta- Que est pourvue de protubérances formant dents. Les dents d'une bande sont dis- posées dans les intervalles entre les dents de la bande métallique adjacente. Les parties centrales respectives desdites bandes métalliques forment un canal. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le canal précité présente une section transversale en forme de polygone régulier. Avantageu- sement, la garniture comporte trois ou quatre bandes métalliques du genre défini ci-dessus. Les dents précitées peuvent s'étendre perpendiculairement ou sous un angle différent de 900 par rapport à-l'axe longitudinal. De préférence, l'angle d'inclinaison des dents respectivesde bandes adjacentes est choisi tel que les dents d'une bande soient orientées dans une direction opposée à celle des dents de l'autre bande. Dans un mode de réalisation par- ticulier, les parties terminales des dents sont élargies. Dans un autre mode de réalisation, des plaques déflectrices sont formées par pliage à partir de la zone centrale des bandes métalliques. Ces dernières sont disposées convenablement les unes par rapport aux autres de façon telle que les plaques déflectrices d'au moins une desdites bandes s'étendent vers l'axe géométrique de la garniture, cependant que les plaques déflectrices d'au moins une autre bande métallique s'étendent dans une direction opposée audit axe. Pour réaliser une garniture à ailettes selon l'invention, un élément de butée est monté dans la partie terminale d'un tube, ou bien la bande métalli- que pourvue de dents qui est en contact avec la paroi interne du tube associé est montée et ajustée sans déformation. On a constaté que les ailettes éga- lisent le profil de température et de vitesse, qui serait autrement sensible- ment laminaire et, par conséquent, non-homogène, étant donné que lesdites ailettes transmettent la chaleur à partir de la partie centrale du courant de fluide vers une zone à proximité de la paroi du tube, cependant que, par leur effet de "freinage", les grandes surfaces des ailettes dans le centre de ce courant empêchent les masses intermédiaires de fluide de traverser le tube à une vitesse d'écoulement élevée. Grâce à cette disposition, il n'est plus impératif d'obtenir un contact métallique efficace entre l'ailette et la paroi du tube, en vue d'une bonne transmission de chaleur, et les ailettes n'ont pas besoin d'être ajustées de façon serrée dans l'échangeur de chaleur. Les ailettes intérieures amovibles peuvent facilement être retirées du tube et remises en place dans celui-ci, ce qui permet un nettoyage facile de l'échangeur de chaleur. 4 2 461915 Etant donné que les ailettes sont montées de manière mobile, dès le départ, les conditions de transmission thermique ne sont pas altérées par l'usure résultant du montage et du démontage répétés des ailettes lors de plusieurs opérations successives de nettoyage de l'échangeur de chaleur. Un autre avantage de l'agencement décrit ci-dessus des ailettes réside dans le fait qu'il permet d'utiliser des ailettes susceptibles d'être désassemblées pour former alors des bandes métalliques planes, ce qui facilite autant le nettoyage que la fabrication. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illustratif mais non limitatif. La Figure 1 montre une bande métallique pourvue de protubérances per- pendiculaires formant dents. La Figure 2 représente, en perspective, une garniture à ailettes qui comporte trois bandes métalliques. La Figure 3 montre, en perspective, une garniture à ailettes comportant quatre bandes métalliques. La Figure 4 est une coupe transversale du mode de réalisation représenté sur la Figure 2. La Figure 5 est une coupe transversale du mode de réalisation représenté sur la Figure 3. Les Figures 6aet 6b montrent, en coupe transversale, le mode de réalisa- tion selon la Figure 3, de deux demi-ailettes pourvues de dents et espacées l'une de l'autre. La Figure 7 représente une bande métallique pourvue de dents inclinées sous un angle prédéterminé. La Figure 8 montre une garniture comportant des bandes métalliques selon la Figure 7. La Figure 9 montre une bande métallique comportant des dents inclinées et pourvues de parties élargies à leurs extrémités. La Figure 10 représente une bande métallique plane à dents non-inclinées et pourvues de parties terminales élargies. La Figure lia montre une bande métallique comportant des plaques déflec- trices. La Figure Ilb représente la bande métallique de la Figure lia, vue de côté. La Figure 12a est une coupe longitudinale d'une garniture à ailettes constituée par des bandes métalliques assemblées et comportant des plaques déflectrices, cette garniture étant montée dans un tube. 24 61915 La Figure 12b est une coupe transversale représentant le mode de réali- sation représenté sur la Figure 12a. Les Figures 13a et 13b représentent des garnitures à ailettes incurvées montées sur la paroi intérieure d'un tube. Ainsi qu'il ressort des figures annexées, la garniture à ailettes selon l'invention forme une structure tri-dimensionnelle constituée par des bandes métalliques assemblées. Des dents 6 sont formées par usinage convenable sur les deux cûtés de chaque bande métallique et présentent une longueur appropriée, de façon telle que l'intervalle entre deux dents adjacentes soit plus grand que la largeur de chaque dent 6. La Figure 1 montre le mode de réalisation le plus simple d'une bande de ce genre. Trois ou quatre bandes métalliques 2 à dents sont assemblées comme indiqué sur les Figures 2 et 3, de façon telle que chacune des dents de chaque bande s'engage entre deux dents d'une bande adjacente. On obtient ainsi une structure définissant un canal 3 disposé au centre de la garniture, et des dents s'étendant à partir des coins longitudinaux du canal, alternativement dans deux directions différentes. Cet ensemble est introduit dans un tube l d'un échangeur de chaleur. La largeur de la bande métallique et la longueur des dents 6 sont choisies de façon telle que les ailettes formées par les bandes métalliques 2 et imbriquées les unes dans les autres soient facilement déplaçables dans le tube 1, sans qu'un tel déplacement risque de provoquer une séparation des bandes métalliques 2. Etant donné que les ailettes sont montées de manière lâche, elles peuvent être déplacées par le fluide s'écoulant dans le tube et, par conséquent, on place des plaques de butée convenables dans les deux extrémités de ce tube. Les Figures 4 et 5 représentent la section transversale du tube 1 pourvu d'une garniture composée de trois bandes métalliques, et d'une garniture com- posée de quatre bandes métalliques, respectivement. Ces coupes transversales illustrent clairement un espace annulaire 4 défini entre le tube 1 et le canal 3 et divisé en une pluralité de sections par les dents de la garniture à ailettes. Les ailettes ainsi agencées et disposées réduisent considérablement la vitesse d'écoulement du fluide et empêchent de ce fait, dans le centre du tube 1, une grande quantité du fluide de passer sans participer à un échange de chaleur; par ailleurs, le fluide s'écoulant dans le canal précité, de section relativement faible, est en contact avec des surfaces relativement grandes d'ailettes, ce qui favorise l'échange de chaleur. L'écoulement du fluide dans l'espace 4 défini entre le tube 1 et le canal 3 est ralenti seulement par les dents 6 des ailettes de la garniture, et par conséquent, la vitesse est plus élevée, dans cet espace, que dans le 2 461 915 canal 3. Dans cet espace, la transmission de la chaleur entre les ailettes et le fluide se fait de manière efficace, étant donné que les intervalles entre les dents 6 sont étroits, de sorte qu'aucune couche- limite épaisse ne peut s'établir, et la bonne conductibilité thermique des ailettes métalliques assure la transmission de chaleur en direction radiale. En plus de la conduc- tion de chaleur par les ailettes métalliques, on obtient un effet de brassage, car les dents de la garniture intersectent l'espace 4 de façon telle que le rayon hydraulique de chaque section d'espace varie de manière intermittente le long des rangées de dents. Cette variation de la section -transversale - dans le cas d'une garniture à ailettes constituée par quatre bandes métal- liques selon la Figure 3 - est illustrée par les figures 6a et 6b qui montrent, en coupe transversale, l'espacement entre deux demi-ailettes. On voit que la section 5 de moindre résistance à l'écoulement se trouve, dans le cas de la Figure 6a, à droite et à gauche et, dans le cas de la Figure 6b, en haut et en bas. En vertu de cette variation de résistance, le fluide qui s'écoule est forcé à changer toujours de direction, ce qui détermine un effet de bras- sage dans l'espace 4 et résulte, de ce fait, en une amélioration des caracté- ristiques de transmission de chaleur. Cet effet de brassage est encore amélioré lorsque les dents 6 sont incli- nées comme dans le mode de réalisation représenté sur la Figure 7. Dans ce mode de réalisation, le démontage et la remise en place de la garniture sont également facilités. Aux fins d'augmentation de l'effet de brassage, les bandes métalliques - 2 pourvues de dents inclinées sont assemblées de façon telle que les dents 6 soient orientées dans la direction de l'écoulement, sur deux des quatre bandes métalliques, tandis que les dents des deux autres bandes sont orientées dans la direction opposée (cf. la Figure 8). Tant dans le cas d'une orientation perpendiculaire que dans le cas d'une orientation des dents, il est avantageux de prévoir des parties terminales élargies des dents 6, comme indiqué sur les Figures 9 et 10, ce qui entraIne une augmentation de la surface terminale de chaque dent, à proximité immédiate de la paroi du tube. La garniture à ailettes décrite permet d'utiliser le canal 3 délimité par les ailettes pour assurer le brassage ou intensifier l'effet de brassage. A cette fin, il est prévu, dans la partie centrale de la bande métallique 2, des entailles en forme d'U, et les languettes ainsi découpées sont repliées sous un certain angle, à partir du plan de la bande. On obtient ainsi des plaques déflectrices 8 qui font dévier le fluide s'écoulant le long de l'axe longitudinal de l'ailette, et qui font passer ce fluide à travers les ouvertures 7 2461915 définies par le repliage des plaques i, à irartir- d. M k'j-f re fûtP de l'ailet;te. Lorsqu'on assemble les -iictes ainsi agencées de façor telle que les plaques déflectrices 8 s'étendent alternativement vers l'extérieur à partir d'une bande et vers l'intérieur à partir de l'autre bande, on obtient, le long d'une ailette selon la Figure 12, un écoulement de fluide dans lequel les plaques déflectrices repliées vers l'extérieur font dévier le fluide depuis l'extérieur vers l'intérieur du canal central 3, cependant que les plaques déflectrices repliées vers l'intérieur font dévier le fluide s'écou- lant dans le canal 3 vers l'espace 4 défini entre ledit canal et la paroi du tube associé. Etant donné que, le long d'une des bandes métalliques, il se produit seulement une déviation vers l'extérieur, et le long de l'autre bande, seulement une déviation vers l'intérieur, en référence au canal central 3, le fluide s'écoule, de manière à assurer, dans l'espace 4 défini entre le canal et le tube, un écoulement continu non seulement suivant une ligne droite mais, également, en direction latérale. Ainsi, dans le cas d'une garniture à quatre ailettes, le fluide s'écoule, comme indiqué sur la Figure 12, suivant quatre trajets hélicoïdaux; par conséquent, le fluide s'écoulant dans le centre ou à proximité de la paroi du tube change conti- nuellement de direction, et le brassage ou mélange des différentes parties intéressées du fluide entraîne une amélioration considérable des caracté- ristiques d'échange thermique. L'aménagement des plaques déflectrices décrites ci-dessus peut s'appli- quer à n'importe lequel des types d'ailettes mentionnés plus haut. La garniture à ailettes constituée par des bandes métalliques 2 pourvues de dents, comme décrit ci-dessus, assure une transmission de chaleur efficace, même lorsque cette garniture est montée de manière lâche dans le tube associé. Ceci ne signifie pas que l'on doive renoncer aux avantages résultant d'un ajustage serré des parties terminales 6 par rapport à la paroi du tube 1, lorsqu'il s'agit de refroidir un liquide qui ne risque pas de polluer l'échangeur de chaleur, de sorte que ce dernier n'a pas besoin d'être nettoyé. La garniture à ailettes constituée par des bandes métalliques 2, comme décrit ci-dessus, présente l'avantage de pouvoir être fabriquée de façon telle que les ailettes comportent des dents dont les extrémités sont en contact intime et uniforme avec la paroi interne du tube 1. Un type d'ailettes de ce genre est représenté sur les Figures 13a et 13b, qui montrent deux modes de réali- sation comportant quatre bandes métalliques dentées 2 et trois bandes métal- liques dentées 2, respectivement. 2 461915 Une des caractéristiques essentielles de cette garniture réside dans le fait que la bande métallique 2, pourvue de dents sur ses deux côtés et formée d'une tôle mince, est très souple et peut se déformer facilement, dans un plan transversal; en d'autres termes, cette bande est sensiblement plus flexible lorsqu'elle est incurvée que lorsqu'elle est plane. Etant donné que les dents 6 sont disposées de manière excentrique, c'est-à-dires'étendant suivant des cordes plutôt que de s'étendre suivant des rayons ou diamètres du tube, chaque dent 6 se déformera non seulement dans son plan propre mais, également, en direction perpendiculaire à ce plan, ce qui empêche la garniture d'être coincée dans le tube 1. Puisque l'ailette est très flexible dans le plan transversal, elle compense facilement les irrégularités de la surface intérieure du tube, et il n'est pas nécessaire d'appliquer une force de traction excessive afin d'obtenir un contact uni- forme et satisfaisant entre l'ailette introduite et le tube 1. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Garniture à ailettes fabriquée à partir de bandes métalliques et destinée à améliorer la transmission de chaleur, cette garniture étant appelée à être montée de manière appropriée dans un tube d'échangeur de chaleur, ca- ractérisée en ce que chacune desdites bandes métalliques (2) est pourvue de dents (6) qui sont disposées chacune dans un intervalle correspondant défini entre deux dents voisines d'une bande métallique (2) adjacente, cependant que les parties centrales (7) respectives desdites bandes métalliques délimi- tent un canal (3). 2.- Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que le canal (3) formé par lesdites parties centrales (7) des bandes métalliques (2) pré- sente une section droite en forme de polygone régulier comportant un nombre de côtés égal au nombre de bandes métalliques (2) constituant ladite garniture. 3.- Garniture selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle com- prend trois bandes métalliques (2) pourvues de dents (6). 4.- Garniture selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle com- prend quatre bandes métalliques (2) pourvues de dents (6). 5.- Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracté- risée en ce que lesdites dents (6) de chaque bande métallique (2) s'étendent perpendiculairement à l'axe longitudinal de celle-ci. 6.- Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracté- risée en ce que lesdites dents (6) de chaque bande métallique (2) s'étendent de manière à former avec l'axe longitudinal de celle-ci un angle différent de 90 . 7.- Garniture selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites bandes métalliques (2) sont disposées de façon telle que les dents (6) res- pectives de chaque bande s'étendent angulairement dans une direction opposée à celle des dents des bandes métalliques adjacentes. 8.- Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracté- risée en ce que les extrémités desdites dents (6) des bandes métalliques (2), qui sont éloignées des parties centrales (7) de celles-ci, présentent une largeur plus grande que les parties restantes de ces dents. 9.- Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caracté- risée en ce que des plaques déflectrices (8) repliées sont formées dans les parties centrales (7) respectives desdites bandes métalliques (2). 246 191 5 10.- Garniture selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdites bandes métalliques (2) sont disposées les unes par rapport aux autres de fa- çon telle que les plaques déflectrices (8) d'au moins une desdites bandes (2) s'étendent vers l'axe géométrique longitudinal de la garniture, et que les plaques déflectrices (8) d'au moins une autre bande (2) s'étendent dans une direction opposée audit axe géométrique longitudinal. - 11.- Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caracté- risée en ce qu'elle comporte au moins une plaque de butée disposée dans une partie terminale du tube (2) associé. 12.- Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, carac- térisée en ce que les dents (6) d'au moins une des bandes métalliques (2), qui sont en contact avec la paroi intérieure du tube (1) intéressé, sont déformées de manière à présenter une configuration incurvée.