Brevet FR2478291A1 — publié le 19810918

ECHANGEUR DE CHALEUR. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur et elle vise plus particulièrement un échangeur de chaleur à ailettes du type comportant des tubes, des tôles formant ailettes enfilées sur les tubes, ainsi que des éléments générateurs de turbulence s'étendant perpendiculairement auxdites tôles et disposés sur des lignes médianes définies entre lesdits tubes, et/ou sur des tangentes à ces derniers. On sait que la fonction essentielle d'un échangeur à ailettes consiste à canaliser dans les tubes ou conduites analogues un fluide, tel qu'un liquide ou de la vapeur, présentant un coefficient de conductibilité calorifique rela- tivement élevé, cependant qu'un autre fluide, généralement un gaz ou de l'air, présentant un coefficient de conductibilité calorifique relativement faible s'écoule le long des ailettes disposées perpendiculairement aux tubes. Le coefficient de conductibilité calorifique relativement faible est compensé par la surface relativement grande des ailettes; toutefois, l'agen- cement (ou la configuration) de celles-ci n'est pas indifférent. L'efficacité de la transmission thermique entre le fluide s'écoulant le long d'une ailette et la surface de celle-ci est déterminée notamment par la vitesse et la na- ture de l'écoulement de ce fluide. La nature de l'écoulement est déterminée notamment par deux données, à savoir: la forme d'écoulement (écoulement tur- bulent ou écoulement laminaire) et la distribution des vitesses d'écoulement sur la surface de l'ailette. Lorsqu'un fluide gazeux, tel que de l'air, s'écoule le long d'une tôle formant ailette, il se forme une couche-limite laminaire qui s'élargit pro- gressivement à partir du bord d'attaque. Il est possible d'empêcher la for- mation d'une telle couche-limite, notamment en créant sur la surface de la tôle des discontinuités sous forme de "sous-ailettes". Dans des dispositifs connus, de telles sous-ailettes conférant à l'écou- lement une forme turbulente sont formées par des pattes découpées dans la tôle et orientées perpendiculairement à la direction d'écoulement du fluide; dans d'autres dispositifs connus, ces pattes découpées sont enlevées, ce qui entraîne une diminution de la surface utile de transmission thermique. Lorsqu'on désire déterminer le nombre et la disposition des éléments générateurs de turbulence, on doit également tenir compte des conditions qui résultent de la résistance à l'écoulement et de la transmission de la chaleur. Ces éléments générateurs de turbulence doivent tenir compte des lois de la mécanique des fluides; en d'autres termes, le nombre et les emplacements des éléments générateurs de turbulence doivent être choisis de façon telle que ceux-ci remplissent correctement leur fonction, compte tenu des lois qui régissent les écoulements des fluides. On sait, en effet, que les moyens générateurs de turbulence n'entraInent pas seulement une augmentation de l'efficacité de la transmission thermique mais, également, une augmentation de la résistance à l'écoulement à travers l'échangeur de chaleur. On doit donc tenir compte de l'influence des caractéristiques d'échange thermique et de résistance à l'écoulement sur la rentabilité globale de l'échangeur. On sait que la chaleur est transmise, dans les ailettes de l'échangeur, par conduction. Il s'ensuit que la température d'une ailette atteint une valeur maximum dans une certaine zone et qu'elle baisse en fonction de l'éloignement de cette zone, une température minimum étant atteinte sur la ligne médiane située entre deux tubes voisins. Par conséquent, les éléments générateurs de turbulence doivent être placés, dans toute la mesure du possible, à des endroits o ils ne gênent pas la transmission de la chaleur, c'est-à- dire à des endroits o la température des ailettes atteint une valeur minimum. On doit considérer, enfin, également le gradient de vitesse d'écoulement le long de la surface des ailettes. Les éléments générateurs de turbulence doivent être disposés de manière à favoriser une distribution uniforme de l'air. On sait que cette distribution est irrégulière dans l'écoulement en aval des tubes. Par conséquent, on peut accroître l'uniformité de l'écoulement par une disposition appropriée des éléments générateurs de turbulence. On peut obtenir ce résultat en disposant les éléments générateurs de turbu- lence le long d'une ligne médiane définie par des tubes, qui s'étend dans la direction de l'écoulement. L'échangeur de chaleur selon la présente invention tient compte des principes et conditions ci-dessus, en ce qu'il comporte des générateurs de turbulence agencés d'une manière particulière, entièrement différents des éléments analogues connus jusqu'à présent. En effet, l'agencement des éléments générateurs de turbulence selon l'invention tient compte, à la fois, des données relatives aux paramètres des écoulements et des données thermiques, tout en permettant d'assurer de manière convenable l'écartement voulu entre les ailettes, c'est-à-dire d'assurer un "pas" constant de la disposition des ailettes. Ces éléments générateurs de turbulence d'un genre nouveau remplis- sent donc une triple fonction: ils permettent d'obtenir une. transmission sa- tisfaisante de la chaleur à partir des ailettes, avec un rendement élevé, ils permettent d'agir sur l'écoulement du fluide intéressé, et ils permettent d'assurer l'écartement réciproque voulu des ailettes. Selon une caractéristique de l'invention, un échangeur de chaleur à ailettes comportant des tubesà section circulaire et des plaques de tôle formant ailettes parallèles entre elles et disposées sur les tubes perpendi- culairement à ceux-ci comprend des éléments générateurs de turbulence disposés à la surface des ailettes et formés dans celles-ci par découpage ou estampage, ces éléments générateurs de turbulence présentant une configuration trapé- zoïdale et comportant des pattes repliées formant un angle de 90 avec la surface de l'ailette. Chaque paire de pattes repliées constitue un élément unitaire générateur de turbulence. Les pattes ou éléments jumelés générateurs de turbulence formés à la surface des ailettes sont disposés alternativement le long de tangentes aux tubes et/ou sur des lignes médianes définies entre les tubes. L'invention s'applique aussi bien aux échangeurs comportant des tubes alignés, c'est-à-dire disposés parallèlement en registre les uns der- rière les autres, qu'aux échangeurs comportant des tubes disposés en échiquier (ou en quinconce). Selon une autre caractéristique de l'invention, la dimension longitudi- nale des éléments générateurs de turbulence, mesurée dans la direction de l'écoulement du fluide intéressé, correspond au plus à la moitié du diamètre desdits tubes. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la disposition des éléments générateurs de turbulence est déterminée par des droites formant avec la direction d'écoulement du fluide intéressé un angle de 45 à 60 et passant, dans la direction d'écoulement et dans une direction perpendiculaire à celle-ci, par des points situés à mi-distance entre des tubes voisins. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illustratif niais non limitatif. La Figure 1 montre, en élévation frontale, un détail d'un échangeur de chaleur classique à ailettes. La Figure 2 est une vue en plan d'une plaque de tôle formant ailette d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans lequel les tubes sont diposés parallèlement et en registre. La Figure 3 est une vue en plan d'une plaque de tôle formant ailette d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans lequel les tubes sont dis- posés en quinconce. La Figure 4 montre, en vue latérale, une patte formant élément généra- teur de turbulence. La Figure 1 représente un échangeur de chaleur classique comportant des tubes 1 associés à des ailettes 2 et appelés à être parcouru par un fluide présentant un coefficient de conductibilité calorifique relativement élevé. Les ailettes 2 sont disposées perpendiculairement aux tubes 1 et fixées sur ceux-ci. La fixation des ailettes 2 sur les tubes 1 est assurée par des cols 3 formés dans la tôle de chaque ailette. Ces cols 3 assurent, par ailleurs, le positionnement relatif des ailettes 2 avec l'écartement voulu. La Figure 2 montre, en plan, une ailette d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans lequel les tubes 1 sont disposés parallèlement en registre. La Figure montre que les tubes 1 sont disposés par rangées paral- lèles en registre. L'ailette comporte des éléments générateurs de turbulence 4, 5, 6, 7, 8, 9. Dans ce mode de réalisation, les éléments générateurs de turbulence 4, 5, 6 et 7 sont alignés dans la direction des tangentes aux tubes 1, qui s'étendent dans la direction de l'écoulement. Par contre, les éléments générateurs de turbulences 8 et 9 sont disposés sur des lignes médianes définies entre les rangées de tubes. La Figure 3 montre, en plan, une ailette d'un échangeur de chaleur dans lequel les tubes 1 sont disposés en quinconce (ou à la manière d'un échiquier). Les éléments générateurs de turbulence 4, 5, 6 et 7 sont dis- posés, dans ce mode de réalisation, le long de tangentes aux tubes, qui sont orientéesdans la direction de l'écoulement. Par contre, les éléments géné- rateurs de turbulence 8 et 9 sont disposés le long de lignes médianes situées entre les tubes. La Figure 4 montre un élément générateur de turbulence constitué par une paire de pattes trapézoïdales 10 formées par estampage dans la tôle ou ailette 2. La hauteur h de chaque patte est égale à l'écartement 0 entre les ailettes voisines 2 (ou égale au pas des ailettes), de sorte que les pattes forment des éléments d'écartement. Le côté de la patte trapézoïdale forme un angle de 45 à 850 avec la surface de base de l'ailette, de sorte que chaque patte est empêchée de pénétrer dans le trou estampé voisin de l'ailette adjacente. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus, qui peuvent faire l'objet de nombreuses variantes. 24'?829 1 REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur à ailettes, comportant plusieurs groupes de tubes disposés parallèlement et en registre ou en quinconce et des tôles formant ailettes fixées sur lesdits tubes et s'étendant perpendiculairement à ceux-ci, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments générateurs de turbulence (4, 5, 6, 7, 8, 9) ou paires d'éléments générateurs de turbulence, formés par estampage et repliage à 90 à partir de la surface de base de la - tôle (2) intéressée, lesdits éléments générateurs de turbulence étant dispo- sés alternativement le long des tangentes auxdits tubes, qui sont orientées dans la direction de l'écoulement du fluide intéressé, et/ou sur des lignes médianes situées entre les tubes (1). 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension longitudinale des éléments générateurs de turbulence (4, 5, 6, 7, 8, 9), mesurée dans la direction de l'écoulement du fluide intéressé, correspond au plus à la moitié du diamètre desdits tubes (1). 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque élément générateur de turbulence présente la forme d'un trapèze (10) dont la hauteur (m) est égale à l'écartement (0) entre deux ailettes (2) voisines. 4.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les côtés latéraux des éléments générateurs de turbulence en forme de trapèze (10) forment avec la surface de l'ailette (2) associée un angle compris entre 45 et 850. 5.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la disposition des éléments générateurs de tur- bulence (4, 5, 6, 7, 8, 9) est déterminée par des droites formant avec la direction d'écoulement du fluide intéressé un angle de 45 à 600 et passant dans la direction d'écoulement et dans une direction perpendiculaire à celle-ci, par des points situés à mi-distance entre des tubes (1) voisins.