Brevet FR2474675A1 — publié le 19810731

La présente invention concerne le tranfert de chaleur et elle a plus particulièrement pour objet un tube à ailettes en forme de plaques comme composant pour échangeur de chaleur, de même qu'un échangeur de chaleur comprenant un faisceau de tubes formé de tubes à ailettes de ce type. Dans la dernière décennie, on attache de plus en plus d'importance aux considérations énergétiques et en particulier aux appareils et aux procédés capables de réduire les besoins énergétiques, soit par des économies d'énergie, soit par l'utilisation plus efficace de l'énergie. Les échangeurs de chaleur, particulièrement ceux du type à enveloppe et à tubes, notamment à refroidissement par air, possédant une enveloppe parcourue dans un sens par de l'air et un faisceau de tubes parcourus par un autre fluide perpendiculairement à l'écoulement d'air, comportent, en partie du moins, des tubes a ailettes, généra- lement du type o chaque tube est entouré d'une ailette en hélice (d'une ailette enroulée de type "L" ou d'une ailette fixée sur le tube du type "G") afin d'obtenir un meilleur transfert thermique par l'agrandissement de la surface de transfert de chaleur, bien que l'on ait également fabriqué de simples bandes de métal pour former des ailettes de transfert de chaleur qui sont sensiblement planes et disposées parallèlement et à distance uniforme les unes des autres, par exemple dans des radiateurs de chauffage pour habitations. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 1 966 906 décrit un serpentin de réfrigération qui porte une série d'ailettes en forme de plaques mutuellement espacées et chacune ondulée transversalement a l'écoulement normal de l'air afin de créer un parcours d'écoulement d'air sinueux. On utilise également des déflecteurs ou des chicanes dans des échangeurs de chaleur, particulièrement dans ceux du type à enveloppe et à tubes afin de créer un écoulement turbulent du ou des fluides parcourant un tel échangeur et d'augmenter ainsi le transfert thermique, bien que cela entraIne un accroissement considérable des pertes de charge. Pour compenser cet accroissement des pertes de charge, on a également proposé déjà des échangeurs de chaleur utili- sant des chicanes modifiées (voir les brevets des Etats-Unis d'Amé- rique 3 708 042, 4 127 165 et 4 136 736). D'une manière générale, il est considéré qu'il est nécessaire de produire ou de provoquer un écoulement turbulent des fluide dans les échangeurs de chaleur et il est tenu compte de cette nécessité dans la conception des échangeurs. Le dispositif de base de l'invention est une ailette en forme de plaque sur laquelle sont disposés des éléments perturba- teurs d'écoulement de fluide ou éléments générateurs de tourbillon et qui estutiliséedans la fabrication des faisceaux tubulaires pour échangeurs de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plu- sieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale, prise suivant la ligne 1-1 de la figure 2, d'un échangeur de chaleur possédant un faisceau de tubescomprenant des ailettes en forme de plaques selon l'invention la figure 2 est une coupe transversale de cet échan- geur, prise suivant la ligne 2-2 de la-figure 1; la figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'une ailette en forme de plaque portant des éléments générateurs de tourbillon selon un exemple de réalisation de l'invention la figure 4 est un détail, en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3 mais s'appliquant à deux ailettes superposées, portant des éléments générateurs de tourbillon selon l'exemple de la figure 3; les figures 5 et 6 sont des vues analogues montrant encore deux autres variantes de réalisation des éléments générateurs de tourbillon selon l'invention; - la figure 7 est une vue en perspective à plus grande échelle montrant schématiquement les tourbillons créés par les élé-. ments générateurs de tourbillon; la figure 8 est un graphique représentant le transfert de chaleur en fonction du débit d'air massique par unité de section d'écoulement d'air d'un échangeur de chaleur réalisé selon l'invention et de deux autres échangeurs de chaleur, dont l'un possède des ailette ordinaires; et la figure 9 est un graphique représentant la perte de charge en fonction du débit d'air massique par unité de section d'écou- lement d'air de ces mêmes trois échangeurs. Les figures 1 et 2 représentent un échangeur de chaleur désigné dans son ensemble par 10 et comprenant une enveloppe 12, un faisceau tubulaire 14, une tuyauterie d'admission 16 et un collecteur d'échappement 18. L'enveloppe 12 possède une forme généralement parallé- lépipédique et est composée de deux parois latérales 20, d'une paroi supérieure 22 présentant des orifices 24 pour le passage de conduits et une paroi inférieure 26 présentant des orifices 28 pour le passage de conduits. A l'extrémité d'entrée de l'enveloppe 12, les parois latérales 20, supérieure 22 et inférieure 26 se raccordent à des parois latérales 30, supérieure 32 et inférieure 34 intermédiaires, qui sont fixées aux premières par soudage par exemple et sont orien- tées obliquement vers l'axe de l'échangeur. Les parois intermédiaires sont suivies par des-parois latérales 36, supérieure 38 et inférieure d'extrémité, qui sont fixées aux parois intermédiaires par soudage par exemple et forment un conduit d'entrée pour l'introduction d'un fluide, de l'air en l'occurrence, dans l'enveloppe l2 de l'échangeurlO. Aux parois d'extrémité 36, 38 et 40 est fixée, par soudage par exemple, une bride d'entrée 42. L'extrémité de sortie de l'enveloppe 12 comporte de façon analogue des parois intermédiaires 44, 46 et 48 et des parois d'extrémité 50, 52 et 54, ces dernières formant un conduit de sortie pour l'extraction du fluide (de l'air) après son passage à travers l'enveloppe et entre les tubesdu faisceau tubulaire. Une bride de sortie 56 est fixée par soudage ou d'une autre manière aux parois d'extrémité 50, 52 et 54. Le faisceau tubulaire 14 comporte un certain nombre de tubes 58 orientés verticalement et disposés en colonnes et rangées de façon connue à l'homme de l'art, de même qu'un certain nombre d'ailettes 60 en forme de plaques disposées horizontalement. Une "rangée" de tubes désigne ici un alignement de tubes dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'écoulement du fluide entre les tubes, c'est-A-dire du fluide (de l'air) s'écoulant de la bride d'entrée 42 à la bride de sortie 56 de l'enveloppe 12, tandis qu'une "colonne" de tubes désigne un alignement de tubes dans un plan sensiblement parallèle à cet écoulement de fluide. Il va de soi que la disposition et la configuration du faisceau tubulaire 14 de l'échangeur 10 peuvent varier considérablement, de même que celles de l'enveloppe 12, Le faisceau 14 et l'enveloppe 12 peuvent notamment avoir une section circulaire ou hexagonale au lieu de la forme rectangulaire représen- tée. De plus, chaque ailette 60 peut être formée d'une ou de plusieurs plaques, suivant les dimensions et suivant d'autres critères de fabri- cation ou d'exploitation, comme il ressort également de ce qui va suivre. La tuyauterie d'admission 16 comporte un-conduit d'admission 70 communiquant avec plusieurs conduits 72 qui mènent à des tuyaux de distribution 74 à l'entrée de chaque rangée de tubes 58. L'extrémité de sortie de chaque rang4e de tubes est reliée à des tuyaux collecteurs 76 communiquant avec des conduits 78 quidébou- chent dans un conduit collecteur d'échappement 80 et forment avec lui le collecteur d'échappement 18. La figure 3 représente une partie d'une ailette 60 en forme de plaque. Elle présente des échancrures 82 dans lesquelles viennent se placer des tubes de transfert de chaleur 58, ainsi qu'un certain nombre d'éléments perturbateurs d'écoulement de fluide ou d'éléments générateurs de tourbillon, lesquels sont disposés en groupes ou jeux 84 et sont constitués par des éléments de surface 86, réali- sés par estampage ou emboutissage par exemple et faisant saillie de la surface de l'ailette. Les jeux 84 d'éléments saillants.86 sont disposés, dans l'exemple représenté sur la figure 3, entre les colonnes - et les rangées de tubes, deux jeux 84 étant chaque fois prévus ici entre deux colonnes voisines et deux rangées successives, et chacun de ces éléments possède une forme allongée et est orienté longitudi- nalement sous un angle de 10 à 35, de préférence de 20 à 250 par rapport à la direction d'écoulement locale du fluide entre les tubes, comme décrit plus en détail par la suite. La figure 4 montre deux éléments saillants 86 comme ceux de la figure 3 à plus grande échelle; ces deux éléments font partie de deux ailettes ou plaques 80 superposées. La figure 5 repré- De, sente de façon analogue deux autres éléments perturbateurs d'écoule- ment ou générateurs de tourbillonl86 selon l'invention; ces éléments ont été formés par découpage partiel au poinçon d'une partie des plaques 180 et par relevage de la partie de plaque ainsi découpée. Il est à noter sur la figure 5 que la partie relevée est située en aval, compte tenu de l'écoulement du fluide, c'est-à-dire de l'air entre les tubes, de l'ouverture formée par son découpage dans l'ai- lette en forme de plaque et par son relevage. La figure 6 représente des éléments générateurs de tourbillon 286 qui sont rapportés sur l'ailette 280 en-forme de plaque et sont constitués, par exemple, par des bouts de t8le allongés soudés sur la plaque 280. La figure 7 représente schématiquement les tourbillons créés par les éléments générateurs de tourbillon sur une plaque ou ailette 60 combinée avec plusieurs tubes. Il est k noter que l'axe des tourbillons créés est à peu près parallèle à la direction d'écou- lement du fluide pénétrant dans l'espace o est disposé le faisceau tubulaire selon l'invention. On voit également que l'écoulement dans les tourbillons est un écoulement généralement spiralé. Quand les tourbillons s'approchent des tubes, ils sont éloignés de ceuxci et repoussés entre les tubes; pour cette raison, la présente description fait état de la direction d'écoulement locale, spécialement dans le cadre de faisceaux à multiples colonnes de tubes et à multiples éléments générateurs de tourbillon. Bien que les ailettes 60 en forme de plaques soient montées sur les tubes 58, comme décrit dans ce qui précède, la partie suivante de la description porte sur un assemblage selon l'invention d'un tube et d'un certain nombre d'ailettes en forme de plaques, qui se distingue des tubes à ailettes de l'art antérieur mentionné dans ce qui précède. Généralement, les ailettes en forme de plaques devant être attachées à ou montées sur le tube de manière qu'une transmission de chaleur par conduction entre les ailettes et le tube soit assurée, possèdent une forme rectangulaire et sont fixées à un tube ayant de préférence une section droite autre que circulaire, par exemple une section ovale, elliptique ou rectangulaire, de préférence elliptique. La distance minimale entre les éléments générateurs de tourbillon détermine la distance minimale entre les ailettes. La hauteur d'un élément générateur de tourbillon correspond de préférence à environ la moitié de la distance entre des ailettes voisines, distance qui, de préférence, n'est pas plus grande que la distance entre les tour- billons produits. Il est préférable de disposer les éléments générateurs de tourbillon en arrière du bord avant de l'ailette en forme de plaque, c'est-à-dire du bord avec lequel le fluide circulant entre les tubes vient en contact en premier, de sorte que ces éléments ne viennent pas en contact avec l'écoulement de fluide à.ce point. De plus, les tour- billons produits ne devraient pas interférer avec les tourbillons cir- culaires créés autour du tube. Les éléments générateurs de tourbillon sont de préférence disposés de telle manière sur l'ailette en forme de plaque qu'ils engendrent des tourbillons juxtaposés ayant des sens d'écoulement de fluide opposés. Il est à noter à cet égard, sur la figure 7, que le sens d'écoulement du fluide dans le tourbillon pro- duit par l'élément 86a correspond à celui des aiguilles d'une montre (flèches C) et que le sens d'écoulement du fluide dans le tourbillon produit par l'élément 86b est contraire à celui des aiguilles d'une montre (flèches CC). Cette disposition des éléments générateurs de tourbillon pour produire des tourbillons de sens contraires l'un à c8té de l'autre a un effet global d'augmentation du transfert ther- mique avec des pertes de charge minimales. Des tourbillons voisins ayant le même sens d'écoulement, spécialement s'ils sont proches l'un de l'autre, sont à éviter parce que leur effet global est une insta- bilité résultant de la coalescence de ces tourbillons. De plus, les espacements des éléments générateurs de tourbillon ne doivent pas être trop petits, même si les sens d'écoulement des tourbillons alternent, parce que l'efficacité des tourbillons est réduite dans ce cas par un effet de destructionmutuelle des tourbillons. Il est compréhensible que, a des vitesses d'écoulement très faibles du fluide, l'efficacité des éléments générateurs de tourbillon risque d'être faible, à moins que l'échangeur de chaleur dans lequel ils seraient prévus ne doive répon- dre à d'autresbesoirs impliquant l'emploi efficace d'éléments généra- teurs de tourbillon. Exemple. On soude des ailettes en tôle d'aluminium d'une épais- seur d'environ 0,4 mm et avec un espacement d'environ 3,18 mm sur des tubes rectangulaires. Les ailettes en forme de plaques présentent des éléments générateurs de tourbillon du type représenté sur les figures3 et 4, les éléments étant formés par emboutissage et ayant une longueur d'environ 7,6 mmn et une hauteur d'environ 1,6 mm. On monte le faisceau tubulaire ainsi réalisé dans une enveloppe d'échangeur de chaleur. On fait passer de la vapeur à travers les tubes et on produit une aspira- tion d'air transversalement à travers le faisceau tubulaire comprenant les tubes et les ailettes et A travers l'enveloppe, avec des débits d'air massiques variables. En mesurant l'élévation de la température de l'air a des débits massiques G donnés (en lb./ft. 2/sec. ou en kg/s/m 2), on peut calculer le coefficient de transfert thermique U (en BTU/hr./F0/ft. ou en kcal/m /h/C1) pour différents débits mas- siques par unité de section d'écoulement. Les graphiques des figures 8 et 9 représentent les résultats de tels essais. On détermine le coefficient global de trans- fert thermique U et la perte de charge 3p en fonction du débit d'air massique G parcourant latéralement l'enveloppe de l'échangeur selon des modes de calcul connus à l'homme de l'art et sur la base de don- nées fournies par des essais comparables. Sur les graphiques, les courbes correspondant à un échangeur de chaleur selon l'invention sont repérées par des cercles. Il s'agit d'un échangeur dont les ailettes présentent deux jeux d'élé- ments générateurs de tourbillon entre deux colonnes voisines et deux rangées successives de tubes, comme représenté sur la figure 3. Un deuxième échangeur de chaleur, dont les résultats d'essai sont repré- sentés dans les graphiques par des courbes repérées par des triangles, présentent seulement un jeu d'éléments générateurs de tourbillon situé en amont, tandis que les résultats d'essai d'un troisième échangeur de chaleur possédant des ailettes ordinaires sont indiqués dans le graphique par des courbes repérées par des croix. Il ressort clairement de la figure 8 que l'emploi d'élé- ments générateurs de tourbillon selon l'invention produit une nette amélioration du transfert thermique. Avec le débit massique typique de 1,2 lb/sec/ft (O,05 kg/s/m2), l'augmentation est d'environ 50%. Il est à noter que la différence de pente sur le graphique à double échelle logarithmique de la figure 8, c'est-à-dire sous les diffé- rents débits G, indique des changements notables dans le type d'écou- lement d'air sous l'effet des éléments générateurs de tourbillon selon l'invention. Il est prévu que l'améliotation (du transfert thermique) apportée par les éléments générateurs de tourbillon diminue lorsque diminue le nombre de Reynolds en raison de la réduction dans la per- sistance de tourbillons accompagnant l'élévation de l'importance relative de la viscosité avec l'abaissement du nombre de Reynolds. Pour tout nombre donné de jeux d'éléments générateurs de tourbillon, il y aura une position optimale pour les jeux du point de vue du transfert thermique et, par l'ajustement d'un équilibre adéquat entre les coefficientsde transfert thermique et les pertes de charge, il - est possible d'optimiser le nombre de jeux d'éléments générateurs de tourbillon et la configuration de chaque jeu. Le graphique de la figure 9 montre que l'emploi d'élé- ments générateurs de tourbillon entralne une élévation de la perte de-. charge, donc aussi de la capacité de refroidissement. Il est à noter que la perte de charge 6p pour les ailettes ordinaires en forme de plaques est mesurée à l'état froid et non pas à l'état chaud comme pour les autres échangeurs, ce qui pourrait signifier que la perte de charge de l'échangeur à ailettes ordinaires pourrait être d'envi- ron 5% plus forte que celle représentée. Cependant, ce qui est clair c'est-que, pourune valeurdeG d'au moinsO,05 kg/s/m2, l'augmentation de puissance due à l'emploi des éléments générateurs de tourbillon est bien plus faible que l'augmentation du transfert thermique. Bien qu'un ensemble formé d'un tube et d'un certain nombre d'ailettes en forme de plaques ait été décrit ici dans le cadre de l'assemblage d'un certain nombre de tels ensembles pour former un faisceau tubulaire destiné à être incorporé dans une enveloppe en vue de la réalisation d'un échangeur de chaleur à enveloppe et à faisceau tubulaire comprenant des ailettes en forme de plaques, il va de soi que de telsensembles peuvent également être utilisés sous d'autres formes à des fins d'échange thermique, par exemple dans des échangeurs de chaleur refroidis par air à cadre ou support du type "A" et avec ventilateur, dans des tours de refroidissement à sec et à tirage natu-_ rel et ainsi de suite. Par conséquent, il est possible, connaissant les caractéristiques auxquelles il doit satisfaire, de construire un échangeur de chaleur employant les ensembles à tubes et à ailettes en forme de plaques selon l'invention et d'obtenir ainsi des transferts thermiques plus importants qu'avec un échangeur de chaleur comparable dont les tubes portent des ailettes ordinaires. L'homme de l'art comprendra que l'application de l'in- vention a pour effet de rendre le fluide circulant entre les tubes plus turbulent, mais que cette turbulence est de nature uniforme. Bien que l'invention ait été décrite relativement à un exemple, il va de soi qu'elle n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite et que l'homme de l'art pourra y apporter de nombreuses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. RE V E N D I CA T I 0 N S ----....--..--...----.--.--..... 1. Plaque pour un tube à ailettes en forme de plaques, caractérisée en ce qu'elle-possède au moins une ouverture ou une échancrure (82) pour la réception d'un tube (58) et présente plusieurs éléments de surface (86, 186, 286) faisant saillie de la plaque (80, 180, 280) et constituant des éléments générateurs de tourbillon. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments (86, 186) sont formés par emboutissage de la plaque (80, ) ou par une opération analogue. 3. Plaque selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments (186) sont constitués par des parties relevées de la plaque (180). 4. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments (286) sont constitués par des bouts de tôle en forme de bande qui sont fixés sur la plaque (280). 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments (86, 186, 286) ont une forme allongée et sont orientés longitudinalement sous une angle de 10 à , de préférence de 20 à 25 par rapport à la direction d'écoule- ment locale prévue. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'ouverture ou l'échancrure (82) pour la récep- tion d'un tube (58) possède une forme elliptique ou sensiblement rec- tangulaire. 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les éléments (86, 186, 286) ont une disposition uniforme. 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à.7, caractérisée en ce que les éléments (86, 186, 286) sont disposés de manière à créer des tourbillons voisins ayant des sens d'écoulement contraires. 9. Tube à ailettes en forme de plaques faisant applica- tion de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 A 8, caractérisé en ce qu'il comprend un tube (58) sur lequel sont montées des ailettes (60) mutuellement espacées et présentant des éléments générateurs de tourbillon. 10. Tube à ailettes selon la revendication 9, caractérisé en ce que le tube (58) possède une section droite elliptique ou sen- siblement rectangulaire. 11. Tube à ailettes selon la revendication 9 ou 10, carac- térisé en ce que les éléments générateurs de tourbillon sont disposés de telle manière que les axes des tourbillons créés s'étendent autour du tube (58). 12. Tube à ailettes selon l'une quelconque des revendica- tions 9 à 11, caractérisé en ce que la hauteur des éléments généra- teurs de tourbillon correspond à peu près à la moitié de l'espacement d'ailettes (60) voisines. 13. Faisceau de tubes à ailettes faisant application de tubes à ailettes en forme de plaques selon l'une quelconque des reven- dications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il est constitué de tubes dis- posés en colonnes et rangées et d'ailettes (60) disposées parallèlement et à distance les unes des autres sur et entre les tubes (58), les ailettes (60) portant des éléments générateurs de tourbillon situés entre les colonnesde tubes. 14. Faisceau de tubes selon la revendication 13, caractérisé en ce que les éléments générateurs de tourbillon sont-disposés en arrière du bord avant des ailettes (60). 15. Echangeur de chaleur faisant application d'un faisceau de tubes selon la revendication 13 ou 14 et possédant un conduit d'entrée (36, 38, 40) et.un conduit de sortie (50, 52, 54) pour un premier fluide et des conduits d'admission (70, 72, 74) et d'échappe- ment (76, 78, 80) pour un second fluide à mettre en relation d'échange thermique avec le premier, caractérisé en ce que les conduits d'admis- sion et d'échappement sont reliés entre eux par les tubes (58) d'un faisceau de tubes comprenant des ailettes (60) disposées parallèlement à la direction générale d'écoulement du premier fluide entre le con- duit d'entrée et le conduit de sortie, les ailettes (60) portant des éléments générateurs de tourbillon situés entre les colonnes de tubes (58) du faisceau, de préférence en arrière par rapport au bord avant des ailettes, avec lequel le premier fluide vient en contact en pre- mier.