Brevet FR2491202A1 — publié le 19820402

La présente invention concerne un réchauffeur atmosphérique du genre comportant une pluralité de tubes destinés à être parcourus par le fluide à réchauffer et équipés d'ailettes extérieure et intérieure de transfert thermique. On a constaté que ce genre de tubes réchauf- feurs assurait un échange thermique insuffisamment effi- cace notamment lorsque le fluide est à l'état diphasique; on a pu établir que ce défaut d'efficacité résultait du fait que l'extension radiale des ailettes intérieures était largement insuffisante (en fait elle ne dépasse ja- mais 0,4 R, R étant le rayon intérieur du tube) en sorte que la phase liquide du fluide à réchauffer s'écoule prin- cipalement le long d'une zone centrale de tube, ce qui fait que ses échanges thermiques avec les ailettes s'en trouvent considérablement réduits. L'invention a pour objet un réchauffeur du type sus-mentionné ayant une efficacité accrue d'échange ther- mique pour fluide diphasique, et cet effet est obtenu en ce qu'au moins deux ailettes intérieures se prolongent radialement vers l'axe du tube sur une distance d'au moins 0,6 R (R étant la distance radiale interne du tube), alors que les autres ailettes intérieures ont des extensions radiales comprises entre 0,2 R et 0,5 R. L'allongement radial d'au moins certaines ailettes intérieures permet, dans tous les cas, un contact direct de la phase liquide du fluide à réchauffer avec les ailettes de conduction thermique. Celles-ci, ainsi que le tube, sont formées de préférence d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. Dans certains cas, notamment lorsque le diamètre intérieur du tube est supérieur à 20 mm, le prolongement radial des ailettes intérieures est égal à R, ce qui signifie, en pratique que le tube se trouve divisé longitudinalement en deux ou plusieurs canaux séparés les uns des autres. Cependant, en général, le prolongement radial des ailettes intérieures est inférieur à 0,9 R. Selon une disposition complémentaire de l'in- vention, au moins deux ailettes extérieures à extension radiale et disposées symétriquement sont prolongées cha- cune par deux-voiles de dédoublement d'ailettes qui s'étendent dans des directions parallèles chacune à l'ai- lette qui lui est respectivement voisine, sur une longueur telle que la distance des extrémités de deux voiles d'ai- lette soit substantiellement égale à la distance des bords d'extrémité de deux ailettes voisines non prolongées, ou encore à la distance des bords d'extrémité entre une ai- lette prolongée et une ailette non prolongée. On constate également encore un accroissement de l'efficacité de trans- fert thermque sans qu'il ne résulte un encombrement accru dans toutes les directions. Les passages de circulation de l'air atmosphérique restent d'ouverture constante vers l'ambiance extérieure, ce qui-assure une efficacité maximale. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un tube réchauffeur selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation; - la figure 3 est-une vue partielle en coupe axiale du tube réchauffeur. En se référant à la figure 1, un tube réchauf- feur 1 faisant partie d'une grande pluralité de tels tubes connectés en série ou en parallèle est constitué d'une âme cylindrique 2 avec des ailettes intérieures 3 et des ailettes extérieures 4. Les ailettes intérieures 3 sont ici de deux sortes et au nombre de huit, bien que ce nombre puisse changer considérablement. Cependant, une partie des ai- lettes, ici quatre ailettes 3t, ont des extensions radia- les inférieures à 0,4 R o R est le rayon intérieur du tube, tandis que les quatre autres ailettes 3", ont une extension radiale nettement plus importante. A la figure 1, cette extension radiale est comprise entre 0,6 R et 0,9 R et dans certains cas même (voir figure 2), cette extension radiale peut aller jusqu'à R, en sorte que les ailettes prolongées 3" forment alors des parois de sépara- tion du tube en quatre conduits internes indépendants 5, chacun équipé d'une ailette interne d'extension réduite 3'. Les ailettes extérieures 4 sont également ici de deux sortes, certaines ayant une extension radiale classique avec pour certaines une conformation terminale en rail 8 permettant un emprisonnement d'un boulon de fixation 9 à un support 10. Cependant, certaines de ces ailettes, par exemple deux ailettes opposées 4' et 4", sont subdivisées, à une distance radiale quelque peu inférieure à la lon- gueur radiale des autres ailettes, en deux voiles diver- gents 11 et 12 qui s'étendent de préférence dans des di- rections respectivement parallèles à l'ailette voisine non prolongée et sur une distance telle que la section d'entrée du passage de deux ailettes voisines, ou entre deux voiles voisins, ou entre une voile et une ailette, qui est représentée par d au dessin soit sensiblement constante, ce qui favorise l'équilibre maximal des échan- ges thermiques. En se référant maintenant à la figure 3, on voit que pour favoriser encore les échanges thermiques on a fait en sorte que chaque ailette intérieure 13, qu' elle soit de grande extension radiale ou de plus faible extension radiale, ou une partie seulement de ces ailet- tes, présente des ondulations transversales comme repré- senté au dessin, ce qui assure ainsi un effet de turbu- lence particulièrement favorable à l'échange thermique. De préférence les ondulations ont un pas compris entre 0,4 et 2 R. 4. D'autres aménagements sont souhaitables qui per- mettent tous d'augmenter le coefficient d'échange thermi- que avec l'extérieur; ces aménagements sont les suivants: Une-ou plusieurs ailettes extérieures peut 8tre peinte ou anodisée de préférence en noir de façon à mieux capter l'énergie solaire ou l'énergie ambiante grâce à l'augmentation de l'émissivité de surface. On a constaté que cette disposition permet de gagler plus de 150 W/M2 de surface les jours sans soleil et plus de 1.000 W/2 de surface en période ensoleillée. De préférence, seront ainsi traitées les ailettes qui se situeront le plus en aval par rapport à la circulation du fluide à réchauffer car dans cette zone tout givre est absent et le givre pourrait perturber l'effet rappelé ci-dessus. Avantageusement, on placera sur le dernier ou l'avant-dernier réseau de tubes échangeurs un dispositif à ventilation forcée (ventilateur ou turbine animée par un moteur pneumatique) entraîné par le gaz réchauffé, ce qui permet de maintenir une indépendance complète des ré- chauffeurs à l'égard de toute source extérieure d'énergie. De préférence, on met en place sur les ailettes des tubes les plus en amont par rapport à la direction du fluide à réchauffer, un film en matière plastique par exemple en poly-éthylène biorienté, ce qui provoque une légère résistance thermique entre l'air et l'ailette ainsi revêtue évitant ainsi l'accrochage du givre qui a tendance à se déposer, du fait du très faible coefficient de frot- tement de cette matière. On obtient le même résultat en projetant ou en enduisant l'ailette d'un produit à faible coefficient d'adhérence comme le polytétrafluoroéthylène. A titre d'exemple, on précise qu'on a réalisé un réchauffeur de 50 Nm3/h constitué de quatre tubes de 2,3 m de long (non traité pour le rayonnement) alors que pour obtenir le même résultat avec les tubes classiques, il était nécessaire de prévoir au minimum six tubes de 2,5 m ou huit tubes de 2,3 m de longueur, le profil des tubes utilisés avec une surface de transfert thermique extérieure de 2,4 m2 par mètre linéaire et une surface thermique intérieure de 0,135 m2/m linéaire, le tout dans un encombrement rectangulaire de 200 xl6O =n et un poids au mètre linéaire inférieur à 5 kg. L'invention s'applique plus particulièrement au réchauffement de fluides cryogéniques tels l'azote, l'oxy- gène liquide. REVENDICATIONS 1. - Réchauffeur atmosphérique, du genre compor- tant une pluralité de tubes destinés à être parcourus par le fluide à réchauffer et équipés d'ailettes extérieures et intérieures de transfert thermique, caractérisé en ce qu'au moins deux ailettes intérieures se prolongent ra- dialement vers l'axe du tube sur une distance d'au moins 0,6 R (R étant la distance radiale interne du tube), alors que les autres ailettes intérieures ont des extensions radiales comprises entre 0,2 R et 0,5 R. 2. - Réchauffeur atmosphérique selon la reveil- dication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux ailettes extérieures à extension radiale et disposées symétrique- ment sont prolongées chacune par deux voiles de dédouble- ment d'ailettes, qui s'étendent de préférence dans des di- rections parallèles chacune à-l'ailette qui lui est res- pectivement voisine, sur une longueur telle que la distan- ce des bords d'extrémités de deux voiles d'ailette soit substantiellement égale à la distance des bords d'extré- mité de deux ailettes voisines non prolongées, ou encore à la distance des bords d'extrémité entre une ailette pro- longée et une ailette non prolongée. 3. - Réchauffeur atmosphérique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'au maximum une ailette in- térieure sur deux se prolonge radialement vers l'intérieur; 4. - Réchauffeur atmosphérique selon la reven- dication 1 ou 3, caractérisé en ce que les ailettes inté- rieures ont une forme ondulée selon leur direction longi- tudinale. 5. - Réchauffeur atmosphérique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que-le pas des ondulations est compris entre 0,4 R et 2 R. 6. - Réchauffeur atmosphérique selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins certaines ai- lettes extérieures sont peintes en noir ou anodisées. 7. - Réchauffeur atmosphérique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins le dernier jeu de tubes réchauffeurs situé le plus en aval dans le sens d'écoulement du fluide à réchauffer est équipé d'un moyen de refroidissement à convection forcée à moteur pneumatique entraîné par du fluide à l'état ga- zeux issu du réchauffeur. 8. - Réchauffeur atmosphérique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins une des ailettes extérieures est pourvue, par revêtement, en- duction ou projection, d'un film de matière plastique à très faible coéfficient de frottement, ou très faible coefficient d'adhérence, tel que PTFE et ses dérivés. 9. - Réchauffeur atmosphérique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que, lorsque le diamètre in- térieur du tube est supérieur à 20 mm, le prolongement radial des ailettes intérieures prolongées est compris entre 0,6 R et R. 10. - Réchauffeur atmosphérique selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le prolongement radial des ailettes intérieures prolongées est inférieur à 0,9 R.