Brevet FR2482717A1 — publié le 19811120

La présente invention est relative à un échangeur de température et plus particulièrement un échangeur du type dans lequel une série de tubes branchés en parallèle et disposés en spirale sont parcourus par un fluide dit primaire, et sont disposés à l'intérieur d'un cylindre qui contient un autre fluide dit "secondai- re". Les échangeurs du type le plus courant sont ceux où les tubes du fluide primaire sont rectilignes et parallèles. Cette disposition simple se prête bien à l'installation de circulation à contrecourant,à courants croisés ou à co-courants;toutefois,la disposition rectiligne des tubes se prête mal à un transfert intense de cha leur)du fait qu'elle ne crée pas, par elle-..mêmede turbulence à l'intérieur des tubes, ni dans le cas d'une disposition à contrecourant ou à co-courant,au sein du fluide secondaire. Il est donc nécessaire d'utiliser des moyens complémentaires pour créer de telles turbulencesrgrâce à des ailettes,des spirales ou d'autres formes d'obstacles destinés à contrarier l'écoulement rectiligne des fluides, ce qui complique l'installation et alourdit son prix. Une disposition à spirale des tubes est donc favorable de ce point de vue, car elle entraîne l'apparition de mouvements tourbillonnaires dans le fluide qui circule dans les tubes. En revanche,elle rend plus difficile un contrôle parfait de la circulation du fluide secondaire, et il est pratiquement impossible d'obtenir,en particulier, un écoulement qui soit effectivement à contre-courant. La présente invention a donc pour but de fournir un échangeur à tube qui assure à la fois de. façon simple une turbulence améliorée du fluide primaire circulant dans les tubes, e t un contrôle efficace de l'écoulement du fluide secondaire qui circule autour de ceux-ci,ce résultat étant obtenu pour un prix de revient et avec des facilités d'entretien largement plus favorables que les dispositions de l'art antérieur. La présente invention fournit donc un échangeur de température comportant un circuit primaire formé de plusieurs tubes (5,6,7) parcourus par le fluide primaire, branchés en parallèle et disposés en spirale à l'intérieur d'une enceinte cylindrique (1) qui contient le fluide secondaire en circulation qui présente les particularités que l'enceinte (1) a la forme d'un cylindre annulaire et que chacun des tubes (5,6,7) parcourus par le fluide primaire est en contact à la fois avec le tube voisin qui décrit une spirale de plus grand diamètre ou la paroi externe de lQen- ceinte,et avec le tube voisin qui décrit une spirale de plus petit diamètre ,ou la paroi interne de l'enceinte,si bienkue le fluide secondaire doit parcourir dans enceinte un trajet sensiblemenE parallèle auxdites spirales. De préférence , dans une section axiale, les points.de contact entre tubes sont disposés sur une même perpendiculaire à lsaxe de l'échangeur. De préférence également, il est prévu des moyens pour équilibrer les pertes de charge entre les divers tubes parcourus en parallèle par le fluide primaire, et formant des spirales de longueur totale différente. Suivant une réalisation avantageuse pour les utilisations à basse température,la structure d'ensemble de l'échangeur est en matière plastique alors que les tubes parcourus par le fluide primaire sont en métal bon conducteur de la chaleur. L'invention va maintenant être exposée plus en détail à propos d'un exemple pratique,non limitatif1 illustré par la figure unique, qui est une vue en coupe partielle d'un échangeur selon l'invention. L'échangeur décrit à la figure, fait partie d'une installation de pompe à chaleur et est destiné à fonctionner à basse température. Il comprend une enceinte extérieure tubulaire l,en PVC, fermée à ses deux extrémités par des bouchons à recouvrement 2, de forme bombée,assemblés avec des joints d'étonchéitéonon repré sentés. A l'intérieur de l'enceinte se trouve une entretoise centrale 3 formée d'un tube de PVC obturé par des bouchons 4 soudes à ses extrémités.La section externe de l'entretoise représente une partie assez faible de la section interne de l'enceinte 1, dans une réalisation pratiqueles diametres carres- pondants sont respectivement de 40 mm et 110 mm soit un rapport des sections de 1/7,5 environ. Autour de l'entretoise centrale sont enroulées 3 spirales 5,6,7 formées de tubes de cuivre mis en forme sur un mandrin approprié. Le diamètre intérieur de la spirale intérieure 5 est tel qu'elle est en contact,à frottement doux sur l'entretoise intérieure 3,et s'enroule donc autour de celle-ci, Le diamètre extérieur de la spirale externe 7 est tel qu'elle est en contact à frottement doux avec la surface interne de l'enceinte tubulaire 1. La spirale moyenne 6 est en contact à la fois avec la spirale interne 5 et avec la spirale externe 7. Le maintien en position des spirales les uns par rapport aux autres est assuré par des zones de brasure régulièrement réparties. Ainsi1 les spirales 5,6,7 délimitent ensemble un passage 8 pour le fluide secondaire qui a lui aussi la forme d'une spirale de même pas que les spirales 5,6,7. Une quantité très faible de fluide secondaire peut passer entre les spirales puisque, comme nous l'avons dit, celles-ci sont simplement maintenues par des points de brasage qui peuvent d'ailleurs hêtre remplacés par des entretoises. En fait,ces quantités sont absolument négligeables, et Si ce n'était pas le cas,par exemple dans un échangeur soumis à de fortes variations de température, il serait facile de remédier à ces dérivations en rendant les brasures continues. Le fluide secondaire pénètre dans l'enceinte à l'une de ses extrémités par un trou 9,en correspondant avec un alésage pratique dans un collier 10 entourant l'enceinte 1 au voisinage du bouchon 2 Le fluide secondaire ressort de la même manière à l'autre extrémité de 11 échangeur. Le fluide pénètre dans chacune des spirales 5,6,7 grâce à trois passages étanches 12 prévus dans un bouchon 2,et sort de la même manière à l'autre extrémité de l'échangeur.On peut aussi prévoir un passage par bouchon,les tubes étant raccordés à l'intérieur. Attendu que les trois spirales n'ont pas la même courbure, elles n'ont pas non plus la même longueur,ce qui pourrait entraîner une différence de perte de charge. Cette difficulté peut être résolue de diverses manières:on peut prévoir des étranglements à l'entrée et/ou à la sortie des spirales les plus courtes,ou bien on peut croiser les spirales au milieu, le tube de la spirale interne devenant celui de la spirale externe ou bien encore prévoir des tours supplémentaires pour les spirales internes au voisinage des bouchons. On peut aussi prévoir des tubes dont la section augmente avec la longueur. Tous ces moyens peuvent d'ailleurs être combinés entre eux pour un parfait équilibrage dés pertes de charge, qui garantit une efficacité optimale. On observe sur la figure que la section de l'échangeur par un plan axial coupe les spirales successives suivant des sections alignées sur une perpendiculaire à l'axe de l'échangeur, si bien que le passage 8 pour le fluide secondaire a une section de forme sensiblement rectangulaire. Cette disposition simplifie la construction et permet d'avoir la longueur globale la plus courte pour l'échangeur;elle assure en outre une grande rigidité. Cependant, au cas où une plus grande souplesse est souhaitée, par exemple si le fluide primaire subit des variations importantes de température ou de pression,il est possible de prévoir un léger décalage axial des spires, tout en les maintenant en contact, la section du passage 8 prenant alors une forme de parallélogramme. De toute façon,d'excellents résultats sont obtenus du fait que les circulations des fluides primaire et secondaire sont parallèles sur une longueur qui,dans le cas pratique évoqué plus haut est de 10 m environ pour un échangeur ayant ure longueur hors tout de 1,20 m,le nombre des spires étant de 43. La composition composite comprenant des tubes de cuivre et les éléments de structure en PVC assure, aux basses températures de bonnes propriétés mécaniques et un entretien réduit et facile. On notera que les spirales en cuivre,en contact entre elles, facilitent l'égalisation des températures d'un tube à l'autre, ce qui n'est pas le cas dans un échangeur à tubes rectilignes. Dans ce qui précède on a décrit sous le mot "spirale" des dispositions qui sont en toute rigueur des hélices. L'invention peut également s'appliquer à des spirales planes. Dans ce cas,le problème de compensation des longueurs entre spirales ne se pose pas mais la construction est plus délicate car les tubes doivent etre cintrés avec un rayon croissant, aussi cette solution n'est à retenir que pour des cas particuliers où des questions de compensation de longueur de tubes,ou d'encombrement,se posent de façon aiguë. REVENDICATIONS 1. Echangeur de température comportant un circuit primaire formé de plusieurs tubes (5,6,7) parcourus par le fluide primaire, branchés en parallèle et disposés en spirale à l'intérieur d'une enceinte cylindrique (1) qui contient le fluide secondaire en circulation,caractérisé en ce que l'enceinte (1) a la forme d'un cylindre annulaire et en ce que chacun des tubes (5,6,75 parcourus par le fluide primaire est en contact à la fois avec le tube voisin qui décrit une spirale de plus grand diamètre ou la paroi externe de l'enceinte, et avec le tube voisin qui décrit une spirale de plus petit diamètre, ou la paroi interne de l'enceinte,si bien que le fluide secondaire doit parcourir dans l'enceinte un trajet-sensiblement parallèle auxdites spirales. 2. Echangeur selon la revendication 1 c-aractérisé en ce que' dans une section axiale, les points de contact entre tubes sont dispo sus sur une même perpendiculaire à l'axe de I'échangeur. 3. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2,caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour équilibrer les pertes de charge entre les divers tubes parcourus en parallèle par le fluide primaire, et formant des spirales de longueur totale différente. 4. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 3,caractérisé en ce que la structure d'ensemble de l'échangeur est en matière plastique alors que les tubes parcourus par le fluide primaire sont en métal bon conducteur de la chaleur.