Brevet FR2470945A1 — publié le 19810612

On connalt depuis longtemps des échangeurs de chaleur entre deux fluides comportant un élément tubulaire en spirale, lequel est logé dans une enceinte Le plus souvent l'élément en spirale de hauteur relativement faible est enroulé régulièrement, l'un des fluides circulant dans la spirale, l'autre dans l'enceinte. Souvent les deux fluides ont des trajets parallèles On connaît aussi des échangeurs de chaleur entre deux fluides à paroi en spirale, la saroi-elle-meme comportant en certains endroits des tubes pour la circulation de l'un des fluides, tandis que l'intervalle entre les spires de la paroi forme un espace continu ou enceinte en spirale pour la circulation de l'autre fluide. Dans ces derniers échangeurs le réseau de tubes pour la circulation de l'un des fluides est généralement perpendiculaire au sens de circulation de autre fluide Tous ces échangeurs de chaleur permettent l'échange de chaleur seulement entre deux fluides De plus ils ne peuvent pas être associés directement avec un brûleur, soit par suite de leur conformation plutot aplatie, soit par suite du manque de place à l'intérieur de l'appareil Le but de l'invention est de réaliser un échangeur de chaleur à paroi en spirale conçu pour un échange de chaleur entre deux fluides ou entre plus de deux fluides et qui permette d'être associé directement avec un brûleur A cet effet l'invention a pour objet un échangeur de chaleur entre au moins deux fluides, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi creuse conformée en spirale présentant au moins deux faces, la dite paroi creuse permettant la circulation d'au moins l'un des fluides à l'intérieur dBellenême; des moyens d'obturation étant montés à ses deux extrémités, perpendiculai- rement à elle-même, de façon à réaliser au moins un espace en spirale à spires rapprochées extérieurement avec évidement central pour la circulation, entre les spires de la paroi, de celui des fluides qui ne circule pas dans la paroi creuse Cet échangeur peut, en outre, comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes a) Des obstacles sont constitués à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la paroi creuse de façon à former un ou plusieurs parcours créant des remous b) Les faces de la paroi creuse sont réunies entre elles en une pluralité de points de façon à constituer un parcours intérieur en chicanes entre deux faces voisines et des aspérités et creusures entre les spires de la paroi creuse. c) Les points de réunion des faces sont des points de soudure. d) La paroi en spirale présente trois faces de façon à constituer deux parcours internes en spirale, les points de réunion d'un système de deux faces étant plus écartés que ceux de l'autre système de deux faces, afin que la vitesse de circulation dans un parcours soit différente de celle existant dans l'autre parcours. e) La paroi en spirale présente n faces de façon à constituer n-l parcours internes en spirale, les points de réunion de chaque système de faces présentant un écartement différent de celui des autres systèmes, de façon à obtenir des vitesses de circulation différentes entre tous les systèmes. f) La paroi en spirale est disposée verticalement et refermée sur elle-même et un dispositif d'aspiration est monté latéralement à son extrémité inférieure de façon à aitraîner le fluide condensé et/ou le brouillard à la partie inférieure de l'appareil. g) La paroi en spirale est disposée verticalement et refermée sur elle-même et un dispositif d'aspiration est monté sous sa région centrale de façon à entraîner le fluide condensé et/ou le brouillard à la partie inférieure de l'appareil. h) La paroi en spirale est disposée verticalement et refermée sur elle-même et un tuyau de décharge avec obturation amovible est monté à sa partie inférieure de façon soutirer le fluide condensé à la partie inférieure de l'appareil. i) Les moyens d'obturation aux deux extrémités de la paroi sont constitués par la réunion des prolongements inférieurs et supérieurs des faces en regard de la paroi creuse. j) La réunion des prolongements des faces en regard de la paroi creuse est une soudure ou un agrafage. k) L'espace central ou la région extérieare de l'échan- geur placé verticalement est conformé en chambre de combustion où est logé un brûleur. 1) Au moins certains points de soudure des faces de la paroi creuse sont percés en leur centre afin de permettre la rupture des couches limites du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. m) Des moyens sont agencés entre l'espace en spirale et le dispositif d'aspiration pour amener à ce.dernier un flux de chaleur afin de chauffer les vapeurs saturantes pénétrant dans le dispositif d'aspiration. n) L'enroulement en spirale de la paroi creuse est à pas variable afin d'optimiser l'échange de chaleur par augmentation de la perte de charge inversement proportionnelle au gradient de température du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. o) L'écartement des points de soudure de la paroi creuse est variable afin d'augmenter l'échange par turbulence au fur et à mesure de la diminution du gradient de température du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. p) L'enroulement des spires de la paroi creuse présente une conformation conique avec sommet vers le haut de façon que l'espace en spirale et la paroi creuse soient inclinés sur l'horizontale, facilitant ainsi la condensation du ou des fluides et l'écoulement des condensats dans la partie basse de l'échan- geur. q) L'échangeur de chaleur est fabriqué en plaçant l'une sur l'autre deux ou plusieurs tales, en les réunissant par de nombreux points de soudure, en soudant les bords, en appliquant une pression entre les tôles, en remplissant l'espace entre les tôles avec un produit susceptible d'hêtre éliminé, en effectuant le cintrage et en éliminant le produit ci-dessus. r) L'échangeur de chaleur est fabriqué en plaçant l'une sur l'autre deux ou plusieurs tôles, en les réunissant par de nombreux points de soudure, en soudant les bords, en exerçant une traction sur les tales pendant la conformation en spirale, et en appliquant une pression entre les tôles pour obtenir le gonflement. Afin de mieux faire comprendre l'invention on en décrira ci-dessous plusieurs modes de réalisation en se référant aux dessins annexés dans lesquels La Fig. 1 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un échangeur selon l'invention dans le cas où il y a échange entre deux fluides. La Fig. 2 est une vue analogue d'une portion de la paroi creuse de l'échangeur de la figure 1 avant enroulement; La Fig. 3 est une coupe partielle de la paroi creuse dans le cas où il y a échange entre trois fluides; La Fig.4 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur suivant l'invention, dans le cas d'un échange entre trois fluides, l'échangeur étant associé avec un brûleur monté centralement et avec un ventilateur de tirage; La Fig. 5 est une coupe partielle verticale de l'échangeur de la Fig. 4 passant pas l'axe du ventilateur de tirage; La Fig. 6 est une coupe partielle horizontale de la paroi creuse de l'échangeur de la Fig. 4 montrant la liaison avec les tubes de sortie de fluides;; La Fig. 7 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur suivant l'invention dans le cas d'un échange entre trois fluides, l'échangeur étant associé avec un brûleur placé extérieurement à la paroi en spirale et avec un ventilateur de tirage monté centralement; La Fig. 8 est une coupe partielle verticale de l'échan- geur de la Fig. 7 passant par le brûleur; et La Fig. 9 est une coupe partielle de la paroi creuse analogue à celle de la Fig. 3 montrant des points de soudure percés en certains endroits. Sur toutes ces figures les mêmes références désignent les mêmes organes ou éléments. On voit sur la Fig. 1 un échangeur à deux fluides, chacun des fluides étant respectivement désigné par les lettres A et B, et le sens de circulation des fluides étant indiqué par des flèches. Le fluide A est, par exemple, de l'air chaud et le fluide B de l'eau. L'échangeur est constitué essentiellement par une paroi creuse 1 en spirale disposée verticalement présentant ici deux faces la et lb (Fig. 1 et 2). Cette paroi est obtenue en plaçant l'une sur l'autre deux tôles en acier inoxydable, par exemple, la, lb et en les soudant l'une à l'autre au moyen de nombreux points de soudure 2. Les tôles sont planes ou préalablement gaufrées. Les points de soudure sont réalisés, de préférence au moyen de mollettes de soudage par résistance programmées. Tous les bords sont ensuite soudés, en laissant au delà de la soudure des bandes non soudées qui ultérieuremeht saDnt rapprochées après conformation pour aménager l'espace entre les faces externes des parois creuses, comme on le verra plus loin. Grâce à une forte pression que l'on applique entre les deux tôles, par exemple hydrauliquement, on obtient le gonflement aux endroits non soudés comme on le voit sur la Fig. 2. I1 en résulte une paroi creuse à deux faces présentant de nombreux points de jonction entre les deux faces. Pour obtenir ensuite la conformation en spirale, on remplit d'abord l'espace entre les tôles avec un produit susceptible d'être éliminé, par exemple un sel soluble ou sublimable. En effet si l'on ne prend pas cette précaution les tôles s'applatiront pendant le cintrage. Ensuite on effectue le cintrage, après lequel on élimine le sel par dissolution ou sublimation. La paroi creuse en spirale ainsi obtenue constitue un parcours 3 en chicanes pour l'un des fludes, par exemple le fluide B. Une autre méthode pour obtenir la paroi creuse en spirale, sans intervention de sel, consiste à conformer les tôles après soudage en exerçant une traction sur celles-ci pendant l'enroulement. Cette traction empêche la compression de la tôle qui a le plus faible rayon. Le gonflage est alors effectué après conformation, éventuellement après recuit. La paroi a été conformée en spirale de manière que les spires soient rapprochées en laissant au centre un évidement central 4 dont on verra l'utilité plus loin. I1 y a donc entre les spires un espace 5 dans lequel circule l'autre fluide par exemple le fluide A. Un couvercle C1 obture l'extrémité supérieure de l'appareil tandis que l'extrémité inférieure est obturée par une paroi C2. Dans l'exemple de la Fig. 1 on a représenté très schématiquement un brûleur 6, placé centralement, pour faire passer de l'air chaud entre les spires, tandis que le fluide B, par exemple de l'eau est introduit dans le parcours 3 de la moi creuse par un tube 7, et en sort par un tube 8. Naturellement des dispositifs d'aspiration ou de refoulement, conventionnels ou non, sont nécessaires pour obtenir la circulation des fluides mais on ne les pas représentés pour simplifier. On comprend que le trajet des deux fluides n'est ni complètement rectiligne, ni complètement hélicoidal. De plus les nombreux points de soudure constituent pour le parcours intérieur 3 un trajet en chicanes. Ces points de soudure forment d'ailleurs sur les faces externes de la paroi creuse des aspérités et creusures de sorte que l'espace 5 provoque également des remous dans la circulation du fluide A. Cette action analogue sur chaque fluide est éminemment favorable à l'échange de chaleur. Le principe constructif de la paroi creuse permet de constituer plusieurs parcours à l'intérieur de la paroi. La Fig. 3 montre une paroi à deux parcours, un parcours 9 étant formé grâce à une troisième tôle lc dont les points de soudure sont, par exemple, deux fois plus rapprochés que les points de soudure du parcours 3. I1 y a naturellement une tôle, sensiblement plane, entre les deux tôles extrêmes. Cela permet d'obtenir, si le fluide B est de l'eau, à la fois de l'eau pour le chauffage et de l'eau, à une température moins élevée pour l'usage sanitaire. La Fig. 4 représente un échangeur de chaleur suivant l'invention dans lequel la paroi creuse présente trois parcours. Aux deux tubes 7, 8 de l'exemple précédent on a ajouté deux tubes 10, 11 correspondant au parcours 9 de la Fig. 3. La Fig. 6 montre comment les tubes 8, 11 sont raccordés respectivement aux parcours 3 et 9. Ici l'échangeur est associé avec un brûleur 6 placé centralement, que l'on a représenté très schématiquement, et avec un ventilateur 12 actionné par un mdeur 13, monté à la partie inférieure d'une paroi 14 en tôle, laquelle ferme latéralement l'espace en spirale et forme un espace de dégagement extérieur à la spirale. Le ventilateur agit par son orifice 15. Naturellement les fluides dans les parcours 3 et 9 sont mis en mouvement par des pompes de circulation montées sur les tubes raccordés aux tubes 7, 10 ou 8, 11. On n'a pas représenté ces pompes pour simplifier le dessin. Le ventilateur 12 entrasse non seulement le fluide gazeux mais aussi le fluide condensé et/ou le brouillard à la partie inférieure de l'appareil. Ce fluide condensé peut également être évacué par un tuyau de décharge 16, avec obturation anovible, non représentée. On voit en 17, représenté très schématiquement, un tuyau amenant à l'orifice 15 du ventilateur un flux de chaleur provenant de l'espace en spirale afin de chauffer les vapeurs saturantes pénétrant dans le ventilateur. Comme dans l'exemple représenté à la Fig. 1, on voit un couvercle C1 à la partie supérieure de l'appreil, mais en réalité l'obturation aussi bien en haut qu'en bas est obtenue d'une autre manière représentée à la Fig. 5. On voit que les faces opposées 1A, lb, par exemple, de la paroi creuse ont été prolongées, cintrées et rapprochées, pais soudées ou agrafées à leurs extrémités supérieure et inférieure. Dans le mode de réalisation représenté aux Fig. 7 et 8, la paroi en spirale a été cintrée à son extrémite de sortie de façon à former un renflement 18, constituant une chambre de combustion pour un brûleur 6 représenté très schématiquement. D'autre part le ventilateur 12 avec son moteur 13 a été monté sous la région centrale 4 de l'appareil Enfin la Fig. 9 montre une portion de la paroi en spirale dans laquelle les points de soudure en regard ont été percés en leur centre en 19. Cette disposition permet la rupture des couches limites du fluide circulant entre les vires de la paroi creuse. Il va de soi que les modes de réalisation décrits cidessus et représentés sur les dessins ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. C'est ainsi qu'au lieu de dispositifs d'aspiration on pourrait utiliser des dispositifs de refoulement, De même l'enroulement en spirale pourrait être à pas vaiable afin d'optimiser l'échange de chaleur en augmentant la perte de.charge d'une manière inversement proportionnelle au gradient de température du fluide apportant la chaleur Enfin l'écartement des points de soudure peut être variable afin d'augmenter l'échange par turbulence au fur et à mesure de la diminution du gradient de température du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. On n'a pas représenté sur les dessins toutes ces variantes qui se comprennent sans dessins. De même on pourrait donner à l'enroulement des spires de la paroi creuse une conformation conique avec sommet vers le haut afin que l'espace en spirale et la paroi creuse soient inclinés sur l'horizontale, pour faciliter la condensation des fluides et l'écoulement des condensats. On nga pas non plus jugé utile de représenter cette variante que l'on comprend immédiatement REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur entre au moins deux fluides, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi creuse conformée en spirale présentant au moins deux faces, ladite paroi creuse permettant la circulation d'au moins l'un des fluides à l'intérieur d'elle-même, des moyens d'obturation étant montés à ses deux extrémités perpendiculairement à elle-même, de façon à réaliser au moins un espace en spirale à spires rapprochées extérieurement, avec évidement central, pour la circulation, entre les spires de la paroi de celui des fluides qui ne circule pas à l'intérieur de la paroi creuse. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac térisé en ce que des obstacles sont constitués à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la paroi creuse de façon à former un ou plusieurs parcours créant des remous. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faces de la paroi creuse sont réunies entre elles en une pluralité de points de façon à constituer un parcours intérieur en chicanes entre deux faces voisines et des aspérités et creusures entre les spires de la paroi creuse. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les points de réunion des faces sont des points de soudure. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi en spirale présente trois faces de façon à constituer deux parcours internes en spirale, les points de réunion d'un système de deux faces étant plus écartés que ceux de l'autre système de deux faces, afin que la vitesse de circulation dans un parcours soit différente de celle existant dans l'autre parcours. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi en spirale présente n faces de façon à constituer n-l parcours internes en spirale, les points de réunion de chaque système de faces présentant un écartement différent de celui des autres systèmes, de façon à obtenir des vitesses de circulation différentes entre tous les systèmes. 7 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la paroi en spirale est disposée verticalement et refermée sur elle-même et un dispositif d'aspiration est monté latéralement à son extrémité inférieure de façon à entraîner le fluide condensé et/ou le brouillard à la partie inférieure de l'appareil. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la paroi en spirale est disposée verticalement et refermée sur elle-même et un dispositif d'aspiration est monté sous sa région centrale de façon à entraa- ner le fluide condensé et/ou le brouillard à la partie inférieure de de l'appareil 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la paroi en spirale est disposée verticalement et refermée sur elle-même et un tuyau cbmovlble de décharge avec obturation ftst monté à sa partie inférieure de façon à soutirer le fluide condensé à la partie inférieure de l'appareil. 10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens d'obturation aux deux extrémités de la paroi sont constitués par la réunion des prolongements inférieurs et supérieurs des faces en regard de la paroi creuse. Il. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la réunion des prolongements des faces en regard de la paroi creuse est une soudure ou un agrafage. 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'espace central ou la région extérieure de l'échangeur placé verticalement est conformé en chambre de combustion ou est logé un brûleur. 13. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que au moins certains points de soudure des faces de la paroi creuse sont percés en leur centre afin de permettre la rupture des couches limites du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. 14. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendicatioB 7 à 13, caractérisé en ce que des moyens sont agents entre l'espace en spirale et le dispositif d'aspiration pour amener à ce dernier un flux de chaleur afin de chauffer les vapeurs saturantes pénétrant dans le dispositif'd'aspiration. 15. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'enroulement en spirale de la paroi creuse est à pas variable afin d'optimiser l'échange de chaleur par augmentation de la perte de charge inversement proportionnelle au gradient de température du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. 16. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'écartement des points de soudure de la paroi creuse est variable afin d'augmenter l'échange par turbulence au fur et à mesure de la diminution du gradient de température du fluide circulant entre les spires de la paroi creuse. 17. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'enroulement des spires de la paroi creuse présente une conformation conique avec sommet vers le haut de façon que l'espace en spirale et la paroi creuse soient inclinées sur l'horizontale, facilitant ainsi la condensation du ou des fluides et l'écoulement des condensats dars la partie basse de l'échangeur. 18. Méthode pour fabriquer l'échangeur de chaleur selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que l'on place l'une sur l'autre deux ou plusieurs tôles, on les réunit par de nombreux points de soudure, on soude les bords, on applique une pression entre les tôles, on remplit l'espace entres tôles avec un produit susceptible d'être éliminé, on effectue le cintrage et on élimine le produit ci-dessus. 19. Méthode pour fabriquer l'échangeur de chaleur selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que l'on place l'une sur l'autre deux ou plusieurs tôles, on les réunit par de nombreux points de soudure1 on soude les bords, on exerce une traction sur les tôles pendant la conformation en spirale, et on applique une pression entre les tôles pour obtenir le gonflement.