Brevet FR2472157A1 — publié le 19810626

L'invention concerne un échangeur de chaleur comportant au moins un paquet de tubes plats qui se compose de tubes plats d'égale longueur, prévus pour l'écoulement d'un premier milieu, qui sont montés ensemble de façon que leurs cotés larges se recou- vrent en formant des espaces intermédiaires pour l'écoulement d'un deuxième milieu, et dont les ex- trémités voisines les unes des autres sont reliées à une paroi d'extrémité qui ferme à l'extérieur une ouverture d'un caisson collecteur, paroi à travers laquelle les tubes plats débouchent dans une chambre collectrice commune du caisson collecteur, en parti- culier d'un refroidisseur d'huile o le premier milieu qui circule à travers les tubes plats est de l'huile et o le deuxième milieu est de l'air. On connaît un échangeur de chaleur de ce genre d'après la demande de brevet allemand accordée pro- visoirement DE-AS 21 13 583. L'emploi de tubes plats dans les échangeurs de chaleur n'a pas seulement l'avantage que l'on obtient par là un rendement relativement élevé de l'échange de chaleur, mais que des échangeurs de chaleur de ce genre ont encore des avantages du point de vue de la fabrication. C'est ainsi que l'on peut former un paquet de tubes plats à partir de plaques rectangulaires qui sont reliées, par exemple soudées, alternativement à des bords opposés différents, par des réglettes qui ferment vers l'èxtérieur les espaces se trouvant entre les plaques, en sorte que sont créés des es- paces d'écoulement qui s'étendent dans des direc- tions différant chaque fois l'une de l'autre de 90 degrés. On peut, comme on le sait, fabriquer très simplement de tels paquets de tubes en empilant des plaques rectangulaires et des réglettes correspon- dantes, plaquées de soudure, les unes au-dessus des autres pour en former un paquet que l'on introduit alors dans un four o les éléments sont soudés les uns aux autres. Egalement, des paquets de tubes plats dans lesquels les tubes plats sont formés de tubes soudés ou de tubes ronds sans coutures, aplatis par com- pression, ont par exemple des avantages particuliers lorsqu'il faut construire des échangeurs de chaleur à l'épreuve de la corrosion. En pareil cas, les tu- bes plats peuvent par exemple être faits d'acier spécial. Dans tous les échangeurs de chaleur connus, dans lesquels on emploie des tubes plats soudés ou sans coutures, les espaces d'écoulement pour le pre- mier milieu à travers le tube plat s'étendent en direction rectiligne. Dans la pratique, cependant, il peut se présenter des circonstances dans les- quelles le premier milieu doit être conduit le long d'une trajectoire courbe. Comme on ne peut courber ces tubes plats autour d'un axe perpendiculaire à leur aplatissement, on ne pouvait, en pareil cas, employer des tubes plats que lorsque ceux-ci étaient fabriqués à partir de plaques de forme arquée, avec des réglettes courbées en forme d'arc. De telles plaques en forme d'arc conduisent cependant à une grande perte de matière. Le but de l'invention est de procurer un échangeur de chaleur à paquets de tubes plats, dans lequel une voie d'écoulement courbée pour le premier milieu soit possible,aussi avec des tubes plats rec- tilignes. Suivant l'invention, ce problème est résolu par un échangeur de chaleur du type précité, par le fait que le caisson collecteur présente deux ou- vertures pour l'assemblage à chaque fois une paroi. d'extrémité, de chaque fois un paquet de tubes plats,et par le fait que les surfaces définies par ces deux ouvertures font entre elles un angle, en sorte que le caisson collecteur forme un caisson angulaire qui assemble deux paquets de tubes plats de façon telle que les directions d'écoulement des tubes plats des deux paquets de tubes plats s'étendent en for- mant cet angle entre elles. On obtient ainsi qu'au moyen d'un caisson angulaire, on puisse réunir l'un à l'autre deux paquets de tubes plats formant un an- gle l'un avec l'autre et qu'ainsi on puisse dévier l'écoulement du premier milieu en dépit de la pré- sence de tubes plats rectilignes. On peut développer l'invention de façon par- ticulièrement avantageuse en donnant à l'angle entre les deux surfaces d'ouverture du caisson angulaire une valeur de 1/n de 360 degrés et en assemblant n paquets de tubes plats égaux à l'aide de n cais- sons angulaires de ce genre, pour former un échan- geur de chaleur annulaire à n côtés. L'invention donne donc la possibilité surprenante de fabriquer à partir de paquets de tubes plats constitués de tubes rectilignes, un refroidisseur annulaire. On connaît, à vrai dire, d'après la demande publiée allemande No. 22 00 826, un refroidisseur annulaire à tubes plats. Celui-ci est formé toute- fois de plaques découpées en forme d'anneaux, qui sont reliées par des réglettes coudées en forme d'anneaux pour former des tubes plats pour le pre- M mier milieu, et qui sont reliées entre elles par des lamelles de tôle pliées en forme d'anneaux, pour la formation d'espaces d'écoulement, dirigés radialement, pour le second milieu. Dans la fabri- cation des plaques et lamelles annulaires pour cet échangeur de chaleur annulaire, on perd beaucoup de matière dans le découpage des plaques en forme d'anneaux. Par contre, avec l'invention, on obtient que les tubes plats pour un refroidisseur annulaire puissent être fabriqués à partir de plaques rectan- gulaires reliées entre elles à l'aide de réglettes rectangulaires. Le découpage des plaques et des réglettes est possible alors pratiquement sans pertes. Un autre avantage de cette configuration suivant l'invention réside dans le fait que, pour un refroidisseur annulaire, on peut former aussi des paquets de tubes plats à partir de tubes sou- dés ou de tubes ronds sans coutures, aplatis par compression, ce qui peut être très avantageux, no- tamment dans des cas de montages particuliers, lorsqu'il faut-fabriquer le refroidisseur rond en un matériau résistant à la corrosion, par exemple en acier spécial. Pour l'amenée et le départ du premier milieu dans les tubes platsformant un tour,d'un échangeur de chaleur rond suivant l'invention, on peut munir deux caissons angulaires de chaque fois une tubulure d'entrée et d'une tubulure de départ pour le premier milieu, ces tubulures étant agencées de préférence en des points diamétralement opposés. Dans une forme de réalisation préférée, on a, dans au moins un caisson angulaire, associé à cha- cune des deux ouvertures une chambre collectrice, les deux chambres collectrices étant séparées l'une de l'autre par une cloison intérieure et chacune étant munie d'une tubulure de raccordement pour le premier milieu. On obtient ainsi qu'il soit possible de conformer un échangeur de chaleur annulaire sui- vant l'invention de telle sorte que le premier milieu soit introduit dans l'une des chambres collectrices du caisson angulaire et s'écoule ensuite par tous les tubes plats de l'échangeur de chaleur annulaire, vers l'autre chambre collectrice du même caisson angulaire d'o il est alors évacué par la tubulure de départ. Mais on peut aussi utiliser deux ou plu- sieurs de ces caissons angulaires subdivisés, en sorte que l'on obtiendra alors deux ou plusieurs espaces d'écoulement pour deux ou plusieurs premiers milieux différents. On peut ainsi, avec un seul et même échangeur de chaleur annulaire, et par exemple avec un seul et même deuxième milieu ( par exemple de l'air), refroidir plusieurs premiers milieux différents. Un autre avantage de l'invention consiste en ce que, par la seule conformation différente des caissons angulaires, notamment par le choix de dif- férentes fractions de 360 degrés pour l'angle en- tre les deux surfaces d'ouverture, on puisse, à partir de paquets de tubes plats identiques, cons- truire des échangeurs de chaleur annulaires à con- tours polygonaux différents et ainsi avec un dia- mètre de l'anneau relativement grand, ce qui simpli- fie également la fabrication de refroidisseurs de grandeurs différentes. On décrira l'invention ci-après sur des exemples de formes de réalisation représentées aux dessins. Sur ces dessins: - La figure 1 est une vue en perspective d'un premier exemple de forme de réalisation d'un échangeur de chaleur qui ne comprend que deux paquets de tubes plats constitués de tubes sans coutures, aplatis par compression; - la figure 2 est une vue en élévation laté- rale d'un paquets de tubes plats de l'échangeur de chaleur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective du caisson angulaire employé dans l'exemple de forme de réalisation suivant les figures 1-et 2; - la figure 4 est une vue en perspective d'une deuxième forme de réalisation d'un échangeur de chaleur comprenant deux paquets de tubes plats; - la figure 5 est une vue en plan par-dessus, en partie en coupe et avec arrachement, de l'échan- geur de chaleur suivant la figure 4; - la figure 6 est une vue en perspective qui montre la structure d'un paquet de tubes plats de l'exemple de forme de réalisation suivant les figures 4 et 5, à l'état éclaté; - - la figure 7 est une représentation, analo- gue à celle de la figure 3, d'un caisson angulaire avec deux chambres collectrices; - les figures 8, 9, 10 et 11 sont des vues en plan de divers échangeurs de chaleur annulaires construits suivant l'invention. L'échangeur de chaleur représenté à la figu- re 1 se compose de deux paquets de tubes plats dé- signés dans leur ensemble par 11, qui sont assemblés par un caisson angulaire désigné dans son ensemble par 12. Le caisson angulaire 12 qui est représenté seul en perspective à la figure 3 présente deux ou- vertures 13 et 14 qui définissent chacune une sur- face d'ouverture plane. Ces surfaces d'ouverture forment entre elles un angle 15 (figures 1 et 5) et sont reliées entre elles par l'espace intérieur du caisson angulaire. Le paquet de tubes plats 11 se compose, dans - l'exemple de forme de réalisation des figures 1 et 2, de tubes plats rectilignes et de même longueur, 21, qui sont formés en aplatissant par compression des 24?2157 tubes ronds sans coutures, et qui peuvent être fabriqués,par exemple pour des cas d'application o la corrosion présente un danger, d'acier spécial ou d'un autre métal non sujet à corrosion. Les ex- trémités des tubes plats 21 de même longueur sont assemblées (par exemple soudées) aux bords des ou- vertures 22 dans chaque fois une plaque 23, en sorte que les plaques 23 qui se trouvent aux deux extrémités du paquet de tubes plats 11 forment des parois d'extrémité du paquet de tubes plats. Chacune des deux ouvertures 13 et 14 du caisson angulaire 12 est fermée par une paroi d'extrémité, formée d'une plaque 23, d'un paquet de tubes plats 11,ce que l'on peut obtenir, par exemple, en soudant la plaque 23 aux bords de chaque ouverture 13 ou 14. La paroi d'extrémité demeurant libre peut alors être assem- blée à un autre caisson angulaire ou à un autre caisson collecteur. Par l'assemblage des deux paquets de tubes plats au moyen du caisson angulaire 12, on procure une voie d'écoulement courbée pour le premier milieu, en dépit du caractère rectiligne des espa- ces d'écoulement des tubes plats. L'exemple de forme de réalisation représenté aux figures 1 et 2 peut former aussi une partie d'un échangeur de chaleur annulaire, c'est-à-dire en forme d'anneau, comme on le décrira en détail dans la suite et comme représenté aux figures 8 à 11. Les figures 1 et 2 peuvent donc être considérées aussi comme des représentations fractionnées d'une partie d'un tel échangeur de chaleur annulaire. L'avantage particulier d'un tel échangeur de chaleur annulaire construit à partir de paquets de tubes plats 11 consiste en ce que celui-ci peut être fabriqué de paquets de tubes sans coutures, aplatis par compres- sion, faits d'un métal résistant à la corrosion, par exemple d'acier spécial ou d'un matériau analo- gue. L'exemple de forme de réalisation d'un échan- geur de chaleur représenté aux figures 4 à 6 cor- respond à l'échangeur de chaleur de la figure 1, avec cette seule différence qu'ici, chaque paquet de tubes plats 111 est formé de plaques rectangu- laires congruentes 123 qui sont disposées les unes au-dessus des autres en se recouvrant et qui sont maintenues à distance les unes des autres par des réglettes 124 et 125 et assemblées (par exemple sou- dées) à ces réglettes. Les réglettes 124 sont alors disposées le long des bords longitudinaux des pla- ques rectangulaires 123, en sorte que deux plaques 123 voisines l'une de l'autre et les réglettes lon- gitudinales 124 forment chaque fois un tube plat s'étendant dans la direction longitudinale des pla- ques rectangulaires 123, ce tube plat remplissant le rôle d'un tube plat 21 de l'exemple de forme de réalisation suivant la figure 1 et servant pour l'écoulement d'un premier milieu, par exemple d'huile dans un refroidisseur d'huile. L'espace in- termédiaire formé par la distance entre deux tubes plats ainsi superposés est limité latéralement par deux réglettes 125 qui s'étendent le long des bords courts, opposés les uns aux autres, des plaques 123, et qui sont reliées là aux plaques 123 qui s'y ap- pliquent. Ces réglettes 125 et les plaques qui leur sont assemblées limitent des espaces d'écoulement dont la direction d'écoulement s'étend perpendicu- lairement à la direction d'écoulement des tubes plats et qui servent à l'écoulement d'un deuxième milieu, par exemple de l'air, dans un refroidisseur d'huile. Pour améliorer la transmission de chaleur entre le deuxième milieu,à travers les plaques 123 247215? qui limitent ces espaces intermédiaires, et le pre- mier milieu qui s'écoule à travers les tubes plats, on a, dans ces espaces d'écoulement qui s'étendent le long des réglettes 125, disposé des lamelles de tôle 126 qui peuvent être soudées aux plaques voi- sines 123. On peut fabriquer de façon très simple et pratiquement sans déchets un tel paquet de tubes plats en superposant (comme représenté à la figure 6) les plaques 123 et les réglettes 124 et 125. Si les plaques 123 et les réglettes 124 et 125 sont plaquées de soudure, on introduira, de façon connue en soi, un paquet ainsi composé dans un four de soudage ou dans un bain de soudure pour que ces par- ties soient soudées ensemble de façon étanche en une passe de travail. Dans un paquet de tubes plats 111 soudés ensemble de cette façon, les parois d'extrémité sont formées par les petits côtes des plaques 123, par les extrémités des réglettes 124 et par les cotés larges extérieurs des réglettes 125. Ces parois d'extrémité peuvent être assemblées, c'est-àdire soudées ensemble, avec les bords des ouvertures 13 des caissons angulaires 112. Aux figures 8 à 11, on a représenté différents échangeurs de chaleur annulaires fabriqués au moyen de paquets de tubes plats 11 ou 111. Dans ces échan- geurs de chaleur annulaires: il faut, en dehors d'un caisson angulaire 12, encore un caisson angu- laire 112 (figure 7) ou 212 (figure f). Dans le caisson angulaire 412, l'espace intérieur est divisé par une cloison intérieure 16 en deux chambres col- lectrices 17 et 18 auxquelles sont associées les ou- vertures 13 et 14. Chacune de ces chambres collectri- ces 17 et 18 est reliée à une tubulure de raccorde- ment 19. Le caisson angulaire 212 présente, comme le caisson angulaire 12, un espace intérieur continu et il est relié, au surplus, à une tubulure de raccordement 19'. Suivant la grandeur de l'angle 15 formé entre les deux surfaces d'ouverture des cais- sons angulaires 12, 112, 212, on peut faire varier à volonté le nombre des côtés de l'échangeur de cha- leur annulaire à plusieurs côtés. Dans les exemples de formes de réalisation des figures 8 et 9, l'angle indiqué par 15 est de 90 degrés. On réalise ainsi un échangeur de chaleur annulaire à quatre côtés. Dans l'exemple de forme de réalisation suivant la figure 8, on a prévu deux caissons angulaires 112 avec chaque fois deux cham- bres collectrices et chaque fois deux tubulures de raccordement 19. Ces caissons angulaires 112 sont disposés en des coins, opposés l'un à l'autre, du refroidisseur annulaire. Les deux autres caissons angulaires 12 forment chacun une chambre de passage unique.Comme représenté à la-figure 8 par des flè- ches 127 et 128, ainsi que par les lignes d'écou- lement 129 et 130 tracées en pointillés, cette con- figuration procure deux espaces d'écoulement pour le premier milieu qui s'écoule dans les tubes plats. Un tel échangeur de chaleur annulaire peut être em- ployé pour un courant divisé en deux courants par- tiels d'un premier milieu ou pour deux premiers mi- lieux différents. L'échangeur de chaleur annulaire représenté à la figure 9 ne se distingue de celui de la figure 8 que par le fait qu'ici les deux caissons angulai- res 212 munis des tubulures de raccordement 19' ne constituent chaque fois qu'un espace d'écoulement unique à travers eux et ne possèdent par conséquent qu'une tubulure de raccordement 19' chaque fois. On obtient ainsi un échangeur de chaleur annulaire qui il ne peut être employé que pour un milieu unique s'é- coulant par les tubes plats, l'écoulement de ce milieu étant divisé, comme indiqué également à la figure 9 par des flèches et des lignes en pointillés, en deux branches qui sont ramenées en un seul cou- rant dans la tubulure de raccordement 19'. Dans l'exemple de forme de réalisation re- présenté à la figure 10, on y voit un échangeur de chaleur annulaire dans lequel les surfaces d'ouver- ture des caissons angulaires 12' et 112' forment entre elles un angle 15 de 3600/3 = 1200. Au moyen de ces caissons angulaires 12' et 112', on peut construire un échangeur de chaleur annulaire à trois côtés. Dans cet exemple de forme de réalisation, un seul caisson angulaire 112' est divisé en deux cham- bres collectrices et il est pourvu de deux tubulures de raccordement 19. Les deux autres caissons angu- laires 12' ne possèdent qu'une chambre collectrice unique qui fonctionne comme espace d'écoulement. Dans cet échangeur de chaleur annulaire le premier milieu pénètre dans l'échangeur de chaleur annulaire par l'une des tubulures de raccordement 19, il par- court l'échangeur de chaleur tout entier en traver- sant les tubes plats et il s'écoule alors vers l'extérieur par la deuxième tubulure de raccordement 19.. L'échangeur de chaleur annulaire représenté à la figure 11 possède deux caissons angulaires 12'' et trois caissons angulaires 112'' dans lesquels l'angle 15 entre les surfaces d'ouverture est de 3600/5 = 720. A l'aide de ces caissons angulaires, on peut construire un échangeur de chaleur à cinq côtés. Les trois caissons angulaires 112'' employés ici sont divisés chaque fois en deux chambres col- lectrices et munis chaque fois de deux tubulures de raccordement 19. Cet échangeur de chaleur annu- laire comporte trois espaces d'écoulement 131, 132, 133. On peut donc l'employer pour trois milieux dif- férents. A ce propos, il y a lieu d'observer que les différents espaces d'écoulement peuvent être, dans tous les échangeurs de chaleur annulaires représen- tés, de longueurs différentes, suivant l'endroit o l'on place les caissons angulaires 112,1121 ou 112". - Ceci a l'avantage que dans le cas de l'emploi de premiers milieux différents, on peut procurer à ceux-ci des conditions d'échange de chaleur diffé- - rentes. Si les échangeurs de chaleur annulaires sui- vant l'invention sont construits, dans la forme de réalisation préférée de l'invention, à partir de paquets de tubes plats suivant les figures 4 et 6, on a l'avantage surprenant, rencontré pour la pre- mière fois, qu'ici l'échangeur de chaleur annulaire peut être construit à partir de paquets de tubes plats 111 que l'on peut fabriquer pratiquement sans perte de matière dans le découpage des plaques 123 et des réglettes 124 et 125. Un autre avantage consiste en ce que ces paquets de tubes plats 111 et aussi les paquets de tubes plats 11, suivant l'exemple de forme de réalisation des figures 1 et 2, peuvent être employés pour des échangeurs de chaleur annulaires de grandeurs différentes suivant le genre de caissons angulaires 12,12',12'',112,212, 112'' que l'on utilise. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur comportant au moins un paquet de tubes plats, qui se compose de tubes plats d'égale longueur, prévus pour l'écoulement d'un premier milieu, qui sont montés ensemble de façon que leurs côtés larges se recouvrent en formant des espaces intermédiaires pour l'écoulement d'un deu- xième milieu, et dont les extrémités voisines les unes des autres sont reliées à une paroi d'extré- mité qui ferme à l'extérieur une ouverture d'un caisson collecteur, paroi à travers laquelle les tubes plats débouchent dans une chambre collectrice du caisson collecteur, caractérisé en ce que le caisson collecteur présente deux ouvertures pour l'assemblage, à chaque fois une paroi d'extrémité, de chaque fois un paquet de tubes plats, et par le fait que les surfaces définies par ces deux ouvertu- res font entre elles un angle, en sorte que le caisson collecteur forme un caisson angulaire qui assemble deux paquets de tubes plats de façon telle que les directions d'écoulement des tubes plats des deux paquets de tubes plats s'étendent en formant cet angle entre elles. 2.- Echangeur de chaleur suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'angle entre les deux surfaces d'ouverture du caisson angulaire a une valeur de 1/n de 360degrés et en ce que n pa- quets de tubes plats égaux sont assemblés à l'aide de n caissons angulaires de ce genre pour former un échangeur de chaleur annulaire à n côtés. 3.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins un caisson angulaire est muni d'une tubulure de raccordement pour le premier milieu. 4.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel- conque des revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que, dans au moins un caisson angulaire, une chambre collectrice est associée à chacune des deux ouvertures et en ce que les deux chambres collectri- ces sont séparées l'une de l'autre par une cloison intérieure et sont munies chacune d'une tubulure de raccordement pour le premier milieu. 5.- Echangeur de chaleur suivant la revendi- cation 4, caractérisé en ce que l'on a prévu au moins deux caissons angulaires divisés en deux chambres collectrices, ces caissons angulaires sé- parant l'un de l'autre au moins deux espaces d'écou- lement pour un premier milieu ou pour au moins deux premiers milieux différents. 6.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes plats d'au moins un paquet de tubes plats sont formés de plaques rectangulaires qui sont reliées alternativement, de préférence soudées, à des bords opposés différents, par des réglettes. 7.- Echangeur de chaleur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tubes plats d'au moins un paquet de tubes plats sont formés-de tubes soudés ou de tubes ronds sans coutures, aplatis par compression, dont les extrémités sont assemblées aux bords d'ouvertures d'une plaque qui forme la paroi d'extrémité du pa- quet de tubes plats.