Brevet FR2480924A1 — publié le 19811023

"Echangeur de chaleur à ailettes en tôle." La présente invention concerne un échangeur de chaleur à ailettesjou nervures, en tôle comportant au moins deux ailettes en tôle de profil et forme quelconques séparées à l'intérieur d'au moins une partie de leur surface, au moins un canal, de section quelconque et de profil fermé, traver- sant les ailettes en tôle et un élément de maintien d'écar- tement entre les ailettes, qui se rattachent au canal. L'échangeur de chaleur, équipé d'ailettes en tôle, selon l'invention peut être utilisé particulièrement dans des do- maines o le facteur de transmission de chaleur du fluide s'écoulant dans le canal est beaucoup plus élevé que celui du fluide qui passe entre les ailettes en tôle. Cette situa- tion se rencontre en général dans les refroidisseurs à air, les condenseurs refroidis à l'air, les réchauffeurs d'air, les radiateurs et les installations de climatisation. On connaît déjà, dans de tels domaines d'application, divers dispositifs dont la particularité essentielle est que l'un des fluides participant à l'échange de chaleur s'écoule dans le canal de section quelconque et de profil fermé tandis que l'autre fluide passe entre les ailettes en tôle. L'écartement entre lesdites ailettes en tôle est assuré par des éléments de maintien qui peuvent être soit des élé- ments séparés tels que des bagues-entretoises, soit des crampons formés sur les ailettes en tôle. C'est une caractéristique de ces dispositifs connus que l'élément de maintien à distance et les canaux présentent en service une notable résistance à l'écoulement sur le tra- jet du fluide s'écoulant entre les ailettes en tôle. Dans la 'one de calme" des canaux, ou des éléments de maintien à distance, le long du côté situé à l'opposé de la direction d'écoulement dudit fluide entre les ailettes en tôle, il se forme entre celles-ci, à partir de la paroi extérieure des canaux et en direction de l'écoulement du fluide, à l'inté- rieur d'une zone spatiale de plus en plus étroite, un espace dit "espace mort" dans lequel la transmission de la chaleur s'effectue non par écoulement, mais pratiquement par conduction. En conséquence, les surfaces limitant l'espace mort ne jouent à peu près aucun rôle dans la transmission de la chaleur et, par contre, les lignes de détachement de tour- billons formées dans l'espace mort augmentent dans une mesure essentielle la résistance à l'écoulement, si bien que, dans l'espace compris entre les ailettes en tôle, cet écou- lement nécessite une beaucoup plus grande puissance. Si l'élé- ment de maintien à distance est formé de crampons des ailet- tes en tôle, l'amincissement du matériau desdites ailettes par l'agencement de ces crampons diminue également la transmis- sion de la chaleur. Pour éviter, ou réduire, ces inconvénients, on a re- couru à divers autres dispositifs. Leur particularité essen- tielle réside dans le fait qu'en vue de réduire la résistan- ce à l'écoulement et l'espace mort, les canaux entre les ailettes en tôle sont établis à partir de tubes à section ovale ou elliptique allongés en direction du fluide en écoulement. Une telle solution est connue de par le brevet allemand n0 2 123 723 et d'autres communications dont fait état la littérature technique: cf. à ce sujet Transaction of the ASME, série B, mai 1966. Une caractéristique de ces dispositifs à forme ovale ou autres est qu'ils diminuent les espaces morts, mais ne les suppriment pas, aussi les caractéristiques d'écoule- ment des échangeurs de chaleur à ailettes en tôle établis de la sorte, quoique plus favorables>peuvent-elles être encore améliorées davantage. En utilisant des tubes ovales ou elliptiques, on peut difficilement être assuré que le contact métallique de bon- ne transmission thermique entre le canal et les ailettes en tôle se maintiendra pendant toute la durée du fonctionne- ment. Si, en effet, un tube de telle section est soumis à une pression de fonctionnement ou d'épreuve, sa section s'efforce de devenir circulaire sous l'effet de la pression. La répétition de ce processus peut séparer le contact métal- lique entre le tube et l'ailette en tôle au préjudice de la transmission de chaleur. En dehors des inconvénients précités, le tube à sec- tion elliptique ou ovale est plus défavorable du point de vue de la rigidité et sa réalisation plus compliquée, donc également plus coûteuse. L'invention a pour objet la réalisation d'échangeurs de chaleur à ailettes en tôle qui soient exempts des incon- vénients précités, c'est-à- dire dans lesquels il ne se produise pas d'espaces morts dégradant leurs caractéristiques thermiques et également pas de lignes de détachement de tour- billons accroissant la résistance à l'écoulement. La résistance à l'écoulement de l'échangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'invention est plus faible que celle des échangeurs précédemment réalisés; son facteur de transmission de chaleur est néanmoins plus élevé et ses caractéristiques favorables se réalisent par une simplifica- tion de la fabrication. L'invention repose sur la constatation du fait que l'on peut empêcher de la façon la plus simple et la plus efficace la formation des espaces morts derrière les canaux en remplissant d'une substance solide l'espace compris entre les ailettes en tôle à l'emplacement des espaces morts, situé au-delà des canaux, et en créant un écoulement en forme de bande par l'établissement d'un conduit pour le fluide circu- lant entre lesdites ailettes en tôle. On parvient ainsi à rendre indépendantes de la forme de section du canal les caractéristiques d'écoulement et les résistances à l'écoulement de l'échangeur de chaleur. L'invention vise donc une modification des échangeurs de chaleur à ailettes en tôle connus telle que les emplace- ments d'origine des espaces morts et lignes de détachement de tourbillons de ces échangeurs soient exclus,en totalité ou en partie, de l'espace d'écoulement. Cet échangeur de chaleur à ailettesen tôle selon l'invention,comportant au moins deux ailettes de profil et forme quelconques séparées à l'intérieur d'au moins une partie de leur surface, au moins un canal, de section quelconque et de profil fermé, traversant les ailettes en tôle et un élé- ment de maintien d'écartement placé entre les ailettes en tôle et s'adaptant aux canaux, est caractérisé par le fait que l'élément de maintien d'écartement est une bance-entre- toise (2) dont la largeur varie opportunément et est avantageusement la plus grande au voisinage du canal fermé. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, au moins deux canaux fermés traversent, partiellement au moins, une bande-entretoise et ces canaux fermés sont avan- tageusement des tubes à section circulaire. Une telle forme de bande-entretoise modifie favora- blement et met en harmonie mutuelle les caractéristiques d'écoulement et thermodynamiques de l'échangeur de chaleur. D'autre part, le montage d'une bande-entretoise qui entoure plusieurs canaux est plus simple ainsi que la réalisation et le maintien-en bon état de tels échangeurs de chaleur. Dans une autre forme de réalisation avantageuse, la largeur de la bandeentretoise varie de façon continue entre deux emplacements de même largeur, maximale, et la dérivée première de la fonction caractéristique de cette variation présente, à l'intérieur de ce même secteur, au maximum une zone de signe négatif et une zone de signe positif. L'avantage réside dans le fait que l'on peut diminuer la largeur de la bande-entretoise à l'intérieur des interval- les des canaux et par conséquent la surface qui, dans les ailettes en tôle, prend part à la transmission de la chaleur et que l'on peut en même temps rendre les conditions d'écou- lement avantageuses par la modification continue de la lar- geur. Les surfaces latérales des bandes de maintien d'écar- tement se succédant le long des ailettes en tôle ou une partie au moins de ces surfaces déterminent un espace d'écou- lement en forme de lignes de courant. L'avantage est celui de voir lé'ifluide s'écoulant entre les ailettes en tôle circuler sous une perte minimale d'énergie à l'intérieur d'un tel espace d'écoulement en for- me de lignes de courant. Une partie au moins de la surface latérale d'au moins une bande-entretoise peut-présenter une denture ou être mu- nie d'ondulations ou de rainures ou présenter une surface agrandie de quelque autre façon. L'avantage réside dans le fait que, sans augmenter no- tablement la résistance à l'écoulement, les sources de tur- bulence ainsi formées sur la surface latérale des bandes- entretoises améliorent en revanche la transmission de chaleur et agrandissent la surface consacrée à celle-ci. Au moins un axe des bandesentretoises peut être une courbe dans le plan ou dans l'espace. La direction d'écoulement du fluide affluant entre les ailettes en tôle est ainsi variable avantageusement à l'in- térieur de l'échangeur de chaleur; en d'autres termes, le temps de séjour du fluide à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est augmentable sans réduction de la vitesse. De petites nervures qui s'achèvent avantageusement à proximité des surfaces latérales des bandes-entretoises ou touchent celles-ci peuvent être formées sur les faces des ailettes en tôle. L'avantage est que les sources de turbulence formées sur les faces des ailettes en tôle améliorent encore la transmission thermique et que la bonne alimentation en cha- leur des rainures se trouvant plus loin des canaux fermés est assurée par les bandes-entretoises beaucoup plus denses sur les ailettes en tôle. Autre avantage si les extrémités des petites rainures touchent les surfaces latérales des bandes-entretoises, la transmission thermique a lieu aussi sur les surfaces opposées entre elles. Les canaux fermés, les ailettes en tôle et les bandes- entretoises peuvent être en contact métallique mutuel ou il peut se trouver entre leurs surfaces un matériau de meilleure conductibilité thermique que celle du fluide s'écoulant entre les ailettes en tôle. L'avantage est une nouvelle amélioration de la trans- mission de chaleur. La bande-entretoise peut aussi être composée de tronçons séparés, en direction de l'écoulement, par une fente plus min- ce que la largeur maximale de ladite bande-entretoise. Ainsi les éléments de maintien d'écartement en forme de bandes peuventils consister en des tronçons de bande si des motifs de construction ou de réalisation le rendent souhai- table. En effet>l'écoulement du conduit en forme de bande du fluide peut être aussi assuré par une telle disposition, mais il y a naturellement avantage, en général, à rendre aussi faible que possible la fente entre lesdits tronçons de bande. Suivant une autre particularité avantageuse possible de l'invention, la bande-entretoise forme une unité de construction commune avec l'ailette en tôle et peut être usi- née avantageusement à partir du matériau de cette dernière. La bande-entretoise forme de la sorte une unité organi-- que avec l'ailette en tôle, est fabriquée pratiquement avec ladite ailette dans un même processus de réalisation et se compose en outre avantageusement du matériau de celle-ci. La réalisation et le montage en sont uniformément simplifiés. Enfin, les parties les plus larges des bandes-entre- toises peuvent se trouver en face des parties les plus étroites des bandes de maintien d'écartement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés schématiquement par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en plan d'un échangeur de cha- leur à ailettes en tôle selon ladite invention; la figure 2 est une coupe suivant A-A de l'échangeur de chaleur selon la figure 1; les figures 3 et 4 sont des vues en plan de deux autres formes de réalisation possibles de bandes-entretoises; les figures 5 à 8 sont des vues en plan d'autres formes de réalisation possibles de l'échangeur thermique à ailettes en tôle selon l'invention. L'échangeur de chaleur à ailettes en tôle représenté sur les figures 1 et 2 se compose des ailettes en tôle 1, des bandes-entretoises 2 et des canaux 3. Les bandes-entre- toises 2 sont rattachées, entre les ailettes en tôle 1> aux canaux 3 d'une façon telle qu'un conduit d'écoulement en forme de bande soit ménagé pour l'un des fluides à l'inté- rieur de l'espace compris entre lesdites bandes-entretoises 2. L'autre fluide jouant un rôle dans l'échangeur de chaleur circule dans les canaux 3. On voit sur la figure 3 une bande-entretoise 2 compor- tant sur sa surface latérale une denture 2a qui provoque une turbulence améliorant la transmission de la chaleur sans augmenter notablement la résistance à l'écoulement. La bande-entretoise selon la figure 4 change de lar- geur le long de son axe longitudinal et la diminution de cette largeur augmente la surface libre de transmission de chaleur des ailettes en tôle 1. Dans la réalisation selon la figure 5, les ailettes en tôle 1 sont munies de petites nervures 5 génératrices de tur- bulences qui améliorent la transmission de la chaleur. La direction d'écoulement 4 qui s'établit dans l'échangeur de chaleur ne forme pas un angle droit avec le plan d'entrée, car elle est parallèle à l'axe longitudinal des bandes-entre- toises 2. Dans l'échangeur de chaleur à ailettes en tôle selon la figure 6, les bandes-entretoises 2 forment des courbes dans le plan et la direction d'écoulement 4 du fluide à l'intérieur de l'échangeur de chaleur change ainsi en sorte que ledit fluide suit un trajet plus long augmentant la durée de son séjour dans l'échangeur. Dans la réalisation selon la figure 7, les petites nervures 5 formées sur la surface des ailettes en tôle 1 s'étendent pratiquement jusqu'à la surface latérale des bandes-entretoises 2 en assurant ainsi un bon approvisionné- ment en chaleur des nervures éloignées des canaux 3, cela par la conduction thermique assurée par les bandes-entretoi- ses 2, de section supérieure à celle des ailettes en tôle. On remarque sur la figure que les flux thermiques communs à plusieurs petites nervures 5 circulent dans la section 7. Cette section 7 est beaucoup plus grande dans le cas des bandesentretoises 2 que dans celui de bagues et cela diminue notablement la résistance à la chaleur. Dans la réalisation de l'échangeur de chaleur à ailet- tes en tôle selon la figure 8, les bandes-entretoises 2 sont formées de tronçons de bande entre lesquels se trouve une lame d'air, mais qui forment ensemble, pour le guidage du fluide, un espace d'écoulement en bande o la direction d'écoulement 4 est également déterminée. L'avantage de l'échangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'invention réside dans le fait que son utilisa- tion permet d'éliminer les espaces morts et lignes de déta- chement de tourbillons qui se trouvent à l'intérieur de l'é- changeur, o ils sont très nuisibles, au même degré les uns que les autres, aussi bien quant à la chaleur qu'à l'écoule- ment. On peut rendre indépendante de la forme de section des canaux la résistance à l'écoulement de l'échangeur de cha- leur et choisir ainsi la forme et la section de façon opti- male du point de vue thermique et du point de vue de la fa- brication, car on parvient à s'approcher de l'optimum d'é- coulement par l'agencement des bandes-entretoises. Autre avantage: la charge thermique des canaux est uniforme le long de leur pourtour. La résistance de l'échan- geur de chaleur se réduit notablement en sorte que la consom- mation d'énergie nécessaire à l'écoulement du fluide entre les ailettes en tôle est plus faible, ce qui augmente la puissance spécifique de ventilation, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie transmise et l'énergie maintenant l'écoule- ment. A cela s'ajoutent encore la simplicité -de la fabrica- tion et du maintien en état ainsi que la stabilité des ca- ractéristiques dans le temps. 1.- Echangeur de chaleur à ailettes, ou nervures, en tôle comportant au moins deux ailettes en tôle de profil et forme quelconques séparées à l'intérieur d'au moins une partie de leur surface, au moins un canalde section quelconque et de profil fermé, traversant les ailettes en tôle et un élément de maintien d'écartement entre les ailettes, échangeur de cha- leur caractérisé par le fait que l'élément de maintien d'écar- tement est une bande-entretoise (2) dont la largeur varie avantageusement en étant la plus grande au voisinage du canal fermé (3).- 2.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'au moins deux ca- naux fermés (3) traversent, partiellement au moins, une bande- entretoise (2) et que ces canaux fermés (3) sont avantageuse- ment des tubes de section circulaire. 3.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que la largeur de la bande-entretoise (2) varie de façon con- tinue entre deux emplacements de même largeur, maximale, et que la dérivée première de la fonction caractéristique de cette variation présente, à l'intérieur de ce même secteur, au moins une zone de signe négatif et une zone de signe positif. 4.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que les surfaces latérales des bandes-entretoises (2) se suc- cédant le long des ailettes en tôle (1) ou une partie au moins de ces surfaces latérales sont établies à la forme d'un espace d'écoulement créant des lignes de courant. 5.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait qu'une partie au moins de la surface latérale d'au moins une bandeentretoise (2) présente une denture (2a) ou des ondulations ou des rainures ou une surface agrandie d'une quelconque-autre façon. b6.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait qu'au moins un axe des bandes-entretoises (2) forme une courbe dans le plan ou dans l'espace. 7.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que de petites nervures (5) qui s'achèvent avantageusement à proximité de la surface latérale des bandes-entretoises (2) ou touchent celle-ci sont formées à la surface des ailettes en tôle (1). 8.- Echangeur de chaleur à ailettesen tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que les canaux fermés (3), les ailettes en tôle (1) et les bandesentretoises (2) sont en contact mécanique mutuel ou qu'il se trouve entre leurs surfaces un matériau de meilleure conductibilité thermique que celle du fluide s'écoulant entre les ailettes en tôle. 9.- Echdngeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que la bande-entretoise (2).est composée de tronçons et que la fente entre ceux-ci, en direction de l'écoulement,est plus mince que la largeur maximale de ladite bande-entretoise. 10.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait que la bande-entretoise (2) forme une unité de cons- truction commune avec l'ailette en tôle (1) et est avanta- geusement usinée à partir du matériau de cette dernière. 11.- Echangeur de chaleur à ailettes en tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé par le fait que les parties les plus larges, ou de largeur maxi- male, des bandes-entretoises (2) se trouvent en face des parties plus étroites, ou de largeur minimale, des bandes entretoises (2) voisines.