Brevet FR2475710A1 — publié le 19810814

L'invention concerne la thermotechnique et a notam- ment pour objet les constructions des surfaces gaufrées d'échange de chaleur. La conception de la pièce gaufrée suivant l'inven- tion peut être appliquée dans les échangeurs de chaleur à tubes et rubans ainsi que dans des échangeurs de chaleur à lamelles et ailettes destinés à remplir des fonctions variées avec n'importe quel agent caloporteur. On connait une pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur comprenant des gaufrages ayant un profil triangulaire ou rectangulaire formant des canaux parallèles pour la circulation du caloporteur. Sur les surfaces latérales des gaufrages, suivant la direction du courant de caloporteur, des saillies et des cavités transversales s'alternant en permanence forment dans le canal des secteurs divergents-convergents disposés en continu et successivement. Les saillies et les cavités sont arrondies. En outre, -il est possible de réaliser sur les surfaces latérales, suivant le mouvement du cou- rant de caloporteur, des paires contiguës isolées de sail- lies et de cavités transversales séparées par des secteurs de surface planes. On forme ainsi, suivant la direction du mouvement du courant de caloporteur, des canaux dans lesquels des secteurs lisses alternent avec des secteurs divergents-convergents contigus. Chaque saillie ou cavité peut être exécutée tant sur toute la hauteur de la surface latérale du gaufrage que seulement sur une certaine partie de celle-ci. Grâce à l'étranglement du courant de calopor- teur sur les parois du secteur divergent du canal, il se forme des lignes de tourbillonnement tridimensionnelles. La viscosité de turbulence et la conductibilité turbulente du courant de caloporteur dans la zone limite, c'est-à- dire au voisinage de la paroi, augmentent. Le gradient de température et la densité du courant de chaleur augmen- tent, en provoquant ainsi l'accroissement du coefficient d'émission de la chaleur entre le caloporteur et les sur- faces latérales de la lamelle gaufrée. Cependant, à des régimes déterminés d'écoulement du courant de caloporteur et pour des dimensions déterminées des saillies et des cavités sur les secteurs divergents du canal, des tour- billons à grande capacité d'énergie peuvent se former et commencer à interagir avec le coeur du courant à cause de leur diffusion dans ce dernier. L'énergie totale consom- mée pour le pompage du caloporteur croit alors brusque- ment, tandis que l'émission de chaleur entre le courant et les surfaces latérales de la lamelle gaufrée n'augmen- te pratiquement pas. Une interaction analogue avec le coeur du courant se produit aussi avec une conception de la pièce gaufrée dans laquelle les saillies et les cavi- tés transversales sont disposées en continu ou les sail- lies et les cavités alternent avec des secteurs lisses de la surface latérale des gaufrages, quand le tourbillon formé sur le secteur divergent du canal rencontre sur son trajet une saillie suivante et diffuse dans le coeur du courant. L'efficacité thermodynamique qu'on obtient à l'aide de cette pièce gaufrée est très petite. Même dans le cas o le tourbillon formé sur le secteur divergent du canal a perdu totalement son énergie sur le secteur lisse du canal et o la structure laminaire de la couche limite du courant de caloporteur léchant la paroi s'est rétablie, l'effet d'intensification de l'échange de chaleur qu'on obtient par étranglement périodique du courant de calopor- teur n'est pas obtenu complètement. On s'est donc proposé de mettre au point une pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur dans la- quelle le processus d'intensification de l'échange de cha- leur serait assuré avec une plus haute efficacité thermo- hydraulique par étranglement périodique du courant de ca- loporteur. Le problème posé est résolu à l'aide d'une pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur, exécutée sous la forme d'une lamelle à rangées parallèles de gau- frages dont les parois forment des canaux pour le passage d'un caloporteur et possèdent, sur toute leur longueur, des saillies et des cavités transversales qui alternent avec des secteurs lisses et sont disposées par paires se faisant face sur les parois contiguës des gaufrages, de manière à former des secteurs divergents-convergents des canaux et à assurer ainsi un étranglement périodique du courant de caloporteur en vue de l'intensification du processus d'échange de chaleur, les sommets des gaufrages étant arrondis avec le rayon maximal possible, caractéri- sée en ce que la longueur de chaque secteur lisse d'un canal n'est pas supérieure à cinq diamètres hydrauliques de ce secteur lisse, le rayon intérieur d'arrondi du sommet du gaufrage ne dépasse pas la différence entre un quart du pas du gaufrage et la moitié de l'épaisseur de sa paroi, et la longueur des saillies et des cavités pré- vues sur les parois des gaufres est choisie de manière à assurer l'intensification du processus d'échange de cha- leur. Ceci permet aux tourbillons s'écoulant près des parois de ne pas interagir les uns avec les autres ét avec le coeur du courant et d'abaisser par conséquent la quantité totale d'énergie consommée pour l'intensification de l'échange de chaleur. L'efficacité thermohydraulique la plus élevée est obtenue lorsque la longueur n des saillies et des cavités est égale à une valeur déterminée à l'aide de la formule suivante: =F - dO/d (F + d.m) 2m o F est l'aire de la section d'écoulement du secteur lisse du canal; d0est le diamètre hydraulique réduit de la section la plus étroite du canal; d est le diamètre hydraulique réduit du secteur lisse du canal; et m est la hauteur des saillies. Ci-après, l'invention est expliquée en détail par une description d'exemples concrets de réalisation, avec référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure l représente une pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur, conforme à l'inven- tion; - la figure 2 montre une variante de pièce inter- calaire gaufrée pour échangeur de chaleur dans laquelle les saillies et les cavités sont disposées suivant toute la hauteur de la paroi du gaufrage; - la figure 3 est une coupe prise suivant la ligne III-III de la figure l; - la figure 4, montre la région IV de la figure l; - la figure 5 montre la région V de la figure 2; - la figure 6 est le diagramme des relations Nu/Nu = f(t'/d) et /. = f1( '/d) pour Re = 1700. Suivant l'invention, la pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur est exécutée sous la forme d'une plaque gaugrée munie de rangées parallèles de gau- | frages 1 (figures 1, 2) et est placée dans un échangeur à lamelles entre des lamelles de séparation plates et dans un échangeur de chaleur à tubes et rubans entre les tubes plats ou dans les tubes plats eux-mêmes. Les parôis 2 des gaufrages forment des canaux à section rectangu- laire ou triangulaire 3 par lesquels circule un calopor- teur. Sur toute la longueur de la parois on a prévu des saillies 4 (figure 3) et des cavités 5 disposées par pai- res en opposition l'une de l'autre sur les parois conti- gués 2 (figures 1, 2) des gaufrages 1 et séparées par des secteurs lisses 6 (figure 3). Ainsi, les parois (fi- gures 1, 2),avec les saillies 4 (figure 3), les cavités et les secteurs lisses disposés par paires et succes- sivement sur elles, forment des secteurs divergents-con- vergents 7 et 8 respectivement disposés successivement suivant le mouvement du caloporteur, indiqué par la flè- che A, dans le canal des gaufrages séparés par des sec- teurs lisses 9 de ce canal. Les sommets 10 (figure 2) et les cavités 11 des gaufrages 1 sont arrondis avec un rayon de courbure intérieur R. Le raccordement de la sur- face des saillies transversales 4 (figure 3) et des ca- vités 5 à celle des parois des gaufrages 1 (figures 1, 2) est effectuée par une surface formée par des arcs de cir- conférence de rayons R1 et R2 (figure 4) ou par des arcs de circonférence de rayons R3 et R4 (figure 5) raccordés entre eux par la tangente 12. Le prccessus diintensification de l'échange de cha- leur nar con7ection dans les canaux de la pièce interca- laire gaufrée pour échangeur de chaleur proposée consiste en ce que le courant de caloporteur perd sa stabilité hy- red-maniqte pendant qu'il circule à travers les canaux &e la pièce intercalaire gaufrée sur les secteurs diver- ernts du canal pour une valeur déterminée f d'ouverture du diffuseur (figure 3) et pour une certaine valeur du rayon d'arrondi R5 des sommets des saillies transversales et des cavités transversales. En conséquence, des tour- billons tridimensionnels sous forme de lignes de tour- billonnemnent, ou systèmes tridimensionnels tourbillon- naires sont engendrés sur les parois du diffuseur à un régime dé4terminé d'écoulement du caloporteur. Dans ce cas, l'échelle des tourbillons est comparable à la hauteur des saillies 4 et des cavités 5. L'inventeur a trouvé expérimentalement que c'est dans la couche de courant léchant la paroi que les va- leurs de la conductibilité thermique turbulente du cou- rant d'air AT sont minimales, tandis que la'densité du flux de chaleur q et le gradient de température grad.t sont les plus grands. Dans ce cas, les valeurs de la conductibilité thermique AT dans le coeur du courant sont maximales et supérieures de plusieurs ordres de grandeur aux valeurs de la conductibilité thermique mo- léculaire A, tandis que la conductibilité thermique mo- léculaire l de la couche s'écoulant près de la paroi dé- termine essentiellement la valeur du flux de chaleur dans Z4757 '5 cette couche s'écouiant près de ': C ?aroio Un t.ourbil..o..- nement complémentaire du coeur du t -, atd. l... oporteur dans le canal provoque une augmentr-:ion i,-n-...lante de la conductibilité thermique turb:;V.-, Fe s? -a..s ce canal. En même temps, étant donné que le coeur du co:r-t occupe une grande partie de la section du canal, i. c,.ntité d'énergie consommée supplémenLtairement puar,e tourbi1- lonnement artificiel du coeur du courant est injustifia- blement grande en comparaison avec l'augmentation corres- pondante de la valeur de la densité du flux de chaleur dans celui-ci. Les faits qu'on vient de citer illustrent d'une manière spectaculaire l'hypothèse de Fourier, qui s'écrit pour le cas envisagé de la manière suivante q = -( + AT) grad.t pour la couche s'écou.ant nrès de -a paroi, o >> AT; q = -( X + XAT) grad.t pour le coeur du courant, o: fournie supplémentairement au courant à l'aide des orga- nes tourbillonneurs ou de mise en turbr)ence ne donne qu'une intensification,:eatiLcement '-.::..nte de l'échange de chaCour s..:'-ni.. ." ce:e raison, il faut fourni rg de, -: r;:.'., aentaire à la couche du courant de calcyr-tGlr s' couiant près de la paroi tandis que la hauteur _ ( des cavités transversales varie de façon correspondante. En conséquence, la valeur du taux de rétrécissement de la section du canal do/d varie elle aussi. Dans la con- ception de l'invention de la pièce intercalaire gaufrée, les valeurs do sont déterminées dans la section la plus étroite du canal et sont - 4 F0 nlo FO et nfo étant respectivement la section d'écoulement et le périmètre mouillé de la section la plus étroite du ca- nal du gaufrage. La valeur du diamètre hydraulique réduit d est déterminée dans le secteur lisse du canal du gau- frage à l'aide de la formule suivante d = 4 F F et n étant la section d'écoulement et le-périmètre mouillé du secteur lisse du canal gaufré. Comme on vient de noter, dans les canaux de la pièce intercalaire gaufrée selon l'invention, les tour- billons sont engendrés sur les secteurs divergents de la circulation du caloporteur. A un certain régime d'écou- lement du caloporteur déterminé par le taux de rétrécis- sement de la section du canal do/d, et pour une hauteur m déterminée des saillies et des cavités transversales, 1 'échelle desdits tourbillons est oomparable à la hauteur des saillies et des cavités transversales. Ces tourbil- lons sont entraînés par le courant de caloporteur dans le secteur lisse du canal dans sa zone voisine des parois et, en se dissipant graduellement, ils disparaissent. La longueur optimale V (figure 3) du secteur lisse du canal 9, sur laquelle est totalement utilisée l'énergie des tourbillons nécessaire à l'intensification du processus d'échange de chaleur, l'efficacité thermohydraulique de la pièce intercalaire gaufrée de l'invention étant maxi- male, sera limitée par une valeur qui ne dépasse pas cinq, diamètres hydrauliques réduits des secteurs lisses du canal 9. Cela est dû au fait que sur cette longueur t' n'interagissent pas avec le tourbillon formé sur ce sec- teur divergent -suivant du canal et ne se diffusent plus dans le coeur du courant, mais ils se dissipent dans la couche limite, avoisinant la paroi, à cause de la visco- sité du courant et de son frottement contre les parois du canal. Il en résulte que l'énergie complémentaire four- nie au courant de caloporteur n'est plus fournie à son coeur, ce qui se traduit Dar une baisse de la consommation totale d'énergie nécessaire à l'échange de chaleur dans les échangeurs de chaleur utilisant la pièce intercalaire gaufrée de l'invention. Les faits précités sont prouvés par une expérience dont les résultats sont résumés sur le diagramme des re- lations suivantes Nu/Nuo = F(L'/d) et = f1 (t'/d) (figure 6), pour un régime d'écoulement du calomorteur caractérisé par l'indice Re = 1700. Ici, Nu et Nu0 sont les critères de Nusselt, respectivement pour des canaux dont la surface d'échange de chaleur est formée par des secteurs lisses et divergents-convergents qui s'alternent et pour les ca- naux identiques mais lisses; et tO étant les coefficients de perte de charge o respectivement dans des canaux, dont la surface d'échange de chaleur est formée par des secteurs lisses et des sec- teurs divergents-convergents alternés et dans des canaux identiques mais lisses. Sur le diagramme, sur l'axe des abscisses est por- té le pas relatif d'étranglement Q'/d, sur l'axe des or- données, le rapport Nu/NuO0 (courbe I) et le rapport t/o (courbe II). Comme il ressort du diagramme, l'efficacité thermohydraulique de la pièce intercalaire gaufrée de 1'rinventicmi, dans toutes les plages de valeurs t'/d = O à 24, est supérieure à I c'est-à-dire que: Nu/Nu pendiant, dans l'intervalle de valeurs V'/d = O à 5, les raq:rts N%/r? uo sont les plus grands et atteignent les vlreu's -1u/Puo - 2,15, ce qui permet de réduire notable- !nent, jusquà dieux fcir, lSercombrement et la masse de !ô Il'nhangeur de c1aleur relativement aux échangeurs de ch leur analoues dans lesquels on utilise une surface lisse. En cutre, or obtient également une réduction de la consonuaatLil d'énergie pour le pompage du caloporteur, dans la conception de l 'inventionr, grâce au fait que les -5 sourmets des gaufres sont arrondis avec le rayon R maximal possible (fiure 2),et que!es surfaces des saillies 4 l'échange de chaleur pour une consommation d'énergie mo- dérée. Dans le cas o les rayons intérieurs d'arrondi du sommet du profil triangulaire des canaux des gaufrages sont injustifiablement grands, la rigidité des sommets des canaux décroît et, dans certains cas, on ne réussit pas pendant la fabrication à appliquer les gaufrages con- tre les lamelles séparatrices dans les échangeurs de cha- leur à lamelles et contre les tubes plats dans les échan- geurs de chaleur à tubes et à rubans, alors que cette application est nécessaire pendant le brasage de l'échan- geur de chaleur. Pour cette raison, on doit limiter la valeur du rayon R à la valeur l o R = t4 - ú t 2 o: t est le pas du gaufrage I (figures 1, 2) et & est t son épaisseur. Dans le cas de petites valeurs R est grande, la formation et la propagation des tourbil- lons dans les zones laminaires à angles aigus des sommets et des cavités Il des canaux 3 de gaufrages 1 sont rendues difficiles, ce qui impose de prévoir une quantité complémentaire d'énergie pour le pompage du caloporteur. L'inventeur a trouvé que la longueur des saillies transversales 4 (figure 3) et des cavités 5, pour la sur- face de la pièce intercalaire gaufrée suivant l'invention, est déterminée d'une manière univoque, atrès la détermina- tion expérimentale des valeurs requises de la hauteur m (figures 1, 2) des saillies 4 (figure 3) et des cavités 5 ainsi que du taux de rétrécissement du canal 3 (figures 1, 2), à l'aide de l'équation suivante d0 F - d (F + d.m) 2 m o F est l'aire de la section d'écoulement du secteur lisse du canal; d0est le diamètre hydraulique réduit de la section la plus étroite du canal; d est le diamètre hydraulique réduit du secteur lisse du canal; et m est la hauteur des saillies. Cette valeur de longueur n est optimale et assure la plus haute efficacité thermohydraulique du processus d'intensification de l'échange de chaleur dans la pièce intercalaire gaufrée de l'invention. La comparaison des résultats des essais, au banc et sur le terrain, des radiateurs à eau de tracteurs fa- briqués en série et des radiateurs à eau dans l'enceinte d'air desquels on a utilisé la pièce intercalaire gau- frée selon l'invention, a fait apparaître que le radia- teur dans lequel on a utilisé la pièce intercalaire gau- frée selon l'invention est caractérisé par un volume et une masse réduits de deux fois, toutes les autres carac- téristiques étant égales. En prenant en considération que les radiateurs de tracteurs sont fabriqués en grandes séries, l'application de la pièce intercalaire gaufrée de l'invention permet, bien que dans les radiateurs d'eau de tracteurs, d'obtenir un grand effet économique. REVENDICATIONS 1. Pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur, exécutée sous la forme d'une lamelle.à rangées parallèles de gaufrages dont les parois forment des ca- naux pour le passage d'un caloporteur et possèdent, sur toute leur longueur, des saillies et des cavités transver- sales qui alternent avec des secteurs lisses et sont dis- posées par paires se faisant face sur les parois contiguës des gaufrages, de manière à former des secteurs divergents- convergents des canaux, et à assurer ainsi un étranglement périodique du courant de caloporteur en vue de l'intensi- fication du processus d'échange de chaleur, les sommets des gaufrages étant arrondis, caractérisée en ce que la longueur ( choisie de manière à assurer l'intensification du proces- sus d'échange de chaleur. 2. Pièce intercalaire gaufrée conforme à la reven- dication- 1, caractérisée en ce que la longueur (n) des saillies (4) et des cavités (5) est déterminée à l'aide de la formule suivante F - do/d (F + d-m) 2 m o F est l'aire de la section d'écoulement du secteur lisse (6) du canal (9); d0est le diamètre hydraulique réduit de la section la plus étroite du canal; d est le diamètre hydraulique réduit du secteur lisse du canal; et m est la hauteur des saillies.