Brevet FR2483591A1 — publié le 19811204

La presente invention concerne un échangeur thermique pour transfert de chaleur entre deux fluides dont l'un au moins est gazeux et plus particulièrement, à titre d'exemple, un aéroréfrigérant. De fanon usuelle dans un aéroréfrigérant on fait circuler le fluide à refroidir, généralement liquide, à l'intérieur des tubes d'un faisceau tubulaire reliant un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie. D'autre part, on engendre un courant gazeux de refroidissement, generale ment de l'air, qui circule autour des tubes chauds. Pour augmenter les surfaces d'échange thermique, les tubes sont toujours munis d'ailettes métalliques en contact le plus direct possible avec la paroi proprement dite des tubes. I1 existe de nombreuses techniques pour le flaconnage et la mise en place de telles ailettes, elles-mêmes de formes très diverses. On pourrait ainsi rappeler à titre d'exemple les ailettes simplement decoupees et montees à force à intervalles réguliers sur le tube, ou encore les ailettes obtenues par enroulement d'un feuil lard continu3 -en appui sur la paroi du tube ou serties dans une gorge helicoidale extérieure. On realise aussi des ailettes extrudés obtenues en repoussant au moyen d'une molette de forme la partie extérieure du tube, ou plus généralement un tube en métal plus malléable préalablement disposé en fourreau exterieur autour du tube de circulation du liquide.Mais quel que soit le mode de realisation ou de mise en place des ailettes, on est amené à distinguer deux grandes catégories pour celles-ci. La première est constituée par des ailettes dites souvent "lisses", c'est à dire dont la surface d'echange est continue, qu'il s'agisse d'ailettes empilées ou helicoidales. De telles ailettes présentent l'avantage d'être relativement peu coûteuses à realiser, et de ne créer que de faibles pertes de charge s'opposant à la circulation de l'air. Mais leur coefficient d'échange thermique est relativement faible, en raison en particulier de la formation facile de couches limites à leur contact immédiat. L'augmentation de leur efficacite impose alors d'augmenter-le nombre de tubes ou d'ailettes, ou d'augmenter la vitesse de circulation de l'air, ce qui entraine en même temps une augmentation de coût et une augmentation de lténergie nécessaire pour assurer la circulation de l'air réfrigérant. Une autre solution consistant à augmenter la surface des ailettes présente en contrepartie l'inconvénient de de faciliter l'apparition de couches limi- tes dont le développement est plus facile sur les grandes surfaces. Les ailettes de l'autre catégorie sont celles dites parfois "à turbulence" ou encore dont la surface d'échange est fractionnée et discontinue. Ce sera le cas par exemple pour des ailettes extrudées, puis fendues radialement, avec déport longitudinal alterné des portions ainsi formees. I1 peut s'agir aussi, dans cette même catégorie, d'ailettes empiles mais pressentant une ou plusieurs parties embouties avec découpage partiel stécartant plus ou moins du plan initial de l'ailette. On pourra encore ranger dans cette catégorie des ailettes en fil, simplement constituées par des boucles de fil localement soudees à la paroi du tube.De telles ailettes présentent l'avantage d'un bon rendement thermique3 car les couches limites peuvent difficilement se former sur des surfaces unitairesréduites, et autre part les turbulences engendres par les "accidents" de surface chassent par soufflage les couches limites qui auraient pu se former localement. Par contre les tubes ainsi équipés sont plus chers du fait de leur élaboration et des dispositifs spéciaux dont ils sont pourvus. En outre, du fait mne de ces dispositifs, ils opposent une résistance plus importante au passage du fluide réfrigérant. Pour ne pas trop augmenter les coûts de fonctionnement, et en particulier lténergie necessaire à la circulation de 11 air, on doit alors limiter la vitesse du fluide ré frigérant ce qui conduit à ne pas utiliser au maximum les possibilités thermiques de tels appareils. La pressente invention permet la realisation d'échangeurs à faisceaux de tubes ailettes qui presentent des coefficients d'échange thermique nettement supérieurs à ceux des échangeurs à ailettes lisses3 sans introduire complètement les defauts des appareils à haute turbulence. L'invention s'applique donc à un échangeur thermique entre deux fluides, comportant un faisceau de tubes reliant deux collecteurs et parcouru intérieurement par le premier fluide, le faisceau de tubes étant disposé dans le courant gazeux du deuxième fluide qui circule autour des tubes munis d'ailettes extérieures. Selon l'invention le faisceau comporte -à la fois des tubes munis d'ailettes lisses présentant chacune une surface d'échange continue, et des tubes munis d'ailettes portant chacune des surfaces d'échange discontinues. Sinon une forme préférentielle de réalisation de l'invention, dans le sens du courant gazeux, les tubes sont disposés par groupes alternés de chaque type, le premier groupe étant de préference du type à ailettes discontinues. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple et représente par les dessins annexés. La figure 1 rappelle, par une vue partiellement extérieure et partiellement en coupe axiale, la structure connue d'uCtube-muni d'ailettes lisses. Les figures 2 et 3, respectivement en coupe selon Il-Il de la figure 3 et selon III-III de la figure 2, representent un tube muni d'ailettes à surfaces d'éthange discontinues, également de type connu. La figure 4 représente de façon simplifiée la structure d!un aérore- frigerant realisé selon l'invention. On retrouve sur la figure 1 un tube aileté realisé par enroulement helicoidal d'un feuillard 1 dans une gorge 2 forme sur la/paroi extérieure d'un tube de circulation du fluide à refrigérer. Dans la réalisation d'un tube à ailettes rappelé aux figures 2 et 3, le tube 5 de circulation du fluide est entouré d'un tube jointif 6 en metal plus malléable, qui a été ensuite repoussé à la molette pour former des ailettes transversales 7. Chaque ailette a ensuite e' été fendue par des saignées radiales 8, et les lobes ainsi formés sont alternativement écart tes de part et d'autre du plan moyen transversal de l'ailette initiale. On realise ainsi, dans le sens d'un courant d'air transversal, une surface irrégulière avec des discontinuités brusques qui engendrent une certaine turbulence du courant d'air autour des ailettes. L'aéroréfrigérant représenté schématiquement à la figure 4, est cons -titue de façon usuelle par un faisceau 10 de tubes traversant à chacune de leurs extrémités les parois de deux capacités 11 et 12, -avec- assemblage etanche de tout type usuel connu des extrémités des tubes sur les parois. On pourra supposer que la capacité 11 est le distributeur d'un liquide à refroidir, qui circule alors dans le sens des flèches 13 vers le collecteur 12. Bien entendu ce n'est que pour simplifier le dessin qu'on n'a représenté qu'une couche de tubes, car le nombre d'etages de tubes 10 est sans rapport avec la nature de l'invention. La couche de tubes 10 repre- sentée ici comporte alternativement des tubes- 14, 16 à ailettes fendues du type des figures 2 et 3, et deys tubes 15, 17 à ailettes lisses du type de la figure 1. On notera que, pour un -sens de circulation représente par les flèches 19, le courant d'air de refroidissement rencontre d'abord un tube 14 à ailettes fendues. On sait que ce type de tubes a un bon officient de transmission calorifique grâce aux turbulences qu'il engendre, au prix d'une perte de charge relativement importante imposée à la circulation de l'air. Le tube suivant 15à ailettes lisses aurait tendance, dans un courant laminaire, à laisser se former des couches limites défavorables aux échanges thermiques. Mais il profite ici de la turbulence creée par le tube 14, et qui a pour effet de detruire les couches limites ; par~ailleurs le tube 14 introduit dans le courant d'air une faible perte de charge propre à sa structure.On retrouvera le même phenomène avec les tubes 16 et 17, en observant en outre que l'air arrivant sur le tube 16 aura -e régularisé par les ailettes du tube 15, de telle sorte que la turbulence engendre par les ailettes fendues du tube 16 ne sera pas excessive, comme elle aurait pu titre dans le cas de deux tubes successifs identiques, avec l'excès de perte de charge qui pourrait en résulter. On voit que dans ces conditions on peut arriver à utiliser les defauts propres à un type de tube pour diminuer l'effet néfaste des défauts de l'autre type. Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée au mode de réalisation qui a été décrite à titre d'exemple, mais elle couvre également les réalisations qui n'en diffèreraient que par des détails, par des variantes d'exécution, ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi selon les données propres à chaque réalisation, on pourra déterminer des combinaisons différentes de tubes de chaque type, ces combinaisons pouvant être prises tube par tube ou par groupe de quelques tubes identiques. De morne si on peut considérer qutil est géneralement préférable que le ou les premiers tubes rencontrés par le courant d'air soient du type à ailettes discontinues à forte turbulence, on pourrait aussi envisager l'inverse dans des cas particuliers, et par exemple si le courant d'air presentait dEjà une certaine turbulence lorsqu'il arrive sur le faisceau. REVENDICATIONS l.- Echangeur thermique entre deux fluides comportant un faisceau de tubes reliant deux collecteurs et parcourus intérieurement par le premier fluide, le faisceau de tubes étant dispose dans le courant gazeux du deuxième fluide qui circule autour des tubes munis d'ailettes extérieures, caractérisé par le fait que le faisceau comporte à la fois des tubes munis d'ailettes lisses présentant chacune une surface d'échange continue, et des tubes munis d'ailettes présentant chacune des surfaces d'échange discontinues. 2.- Echangeur thermique selon revendication 1, caractérisé par le fait que dans le sens du courant gazeux, la ou les premières rangees de tubes sont du type à ailettes discontinues. 3.- Echangeur thermique selon revendication 2, caractérisé par le fait que dans le sens du courant gazeux les tubes sont disposés par groupes alternés de chaque type, le dernier groupe étant du type à ailettes lisses.