Brevet FR2489950A1 — publié le 19820312

Echangeur de chaleur. La présente invention concerne des échangeurs de chaleur et particulièrement le tube dans le type à tubes communément trouvé dans les pompes à chaleur, les circuits de réfrigération, les conditionneurs d'air et appareils analogues. Le brevet US no 3 199 583 décrit un tube dans un échangeur de chaleur à tubes pour des applications cryogéniques. Des efforts pour améliorer les qualités de ce type d'échangeur de chaleur ont concerné généralement les modifications du dessin pour rendre maximum le rendement d'échange en augmentant la conductivité, la surface d'échange, le gradient thermique et l'isolement des surfaces appropriées. Le fait de rendre optimum le dessin de cette façon utilise des quantités superflues de métaux chers, la construction de collecteurs complexes et néces- site des éléments encastrés qui augmentent les risques de cor- rosion et de blocage. La présente invention a pour objet de fournir un échan- geur compacte utilisant les quantités minimum de métal avec comme conséquence une certaine amélioration dans le rapport d'échange thermique. La présente invention fournit un échangeur de chaleur pour un premier fluide et un second fluide, comprenant un trio de tubes thermiquement conducteurs ayant des surfaces de section transversale différentes, logés les uns dans les autres en vue d'un échange thermique, qui délimitent ensemble un pas- sage intérieur et un passage extérieur, fournissant une voie pour un premier fluide, un passage intermédiaire donnant une voie pour un second fluide, une entrée et une sortie raccor- dées aux passages intérieur et extérieur, et une entrée et une sortie raccordées au passage intermédiaire. Le passage inter- médiaire peut être entouré par le tube qui délimite le passage extérieur. L'échangeur peut être allongé ayant deux extrémités, les entrées et les sorties respectives pour les deux fluides sont logées près des extrémités et l'échange thermique est ef- fectué en une seule traversée. Les surfaces de section trans- versale du passage intérieur et du passage extérieur, et les - 2489950 positions des entrées et des sorties, peuvent être telles,qu' elles permettent d'avoir des courants sensiblement égaux dans les deux passages. Les tubes peuvent avoir une section circu- laire et les rapports des diamètres sont d'environ 1,25 1,5: 2. De préférence, les tubes sont disposés co-axialement. Quand les tubes possèdent une partie incurvée sur leur longueur, les passages intermédiaire et extérieur peuvent contenir chacun des pièces d'écartement hélicoïdales. Celles-ci en réa- lité ne sont pas nécessaires du fait qu'on peut maintenir un bon alignement même sur des coudes de 90 en remplissant avec du sable avant de courber tant que les positions mutuelles sont précisées en fixant les tubes d'entrée et de sortie du gaz à la paroi extérieure du tube. Le cuivre, le cupronickel et l'acier inoxydable sont les métaux de choix. Ce rapport des diamètres peut ne pas être optimum pour l'échangeur de chaleur à un débit donné et une gamme sensiblement supérieure et inférieure à ce rapport donnera également de bons résultats. L'auteur de la présente invention a découvert que dans les installations domes- tiques et industrielles, les échangeurs de chaleur de cette invention sont une amélioration sur le tube dans les échangeurs à tubes et il s'attend pleinement à ce que si l'échangeur est développé, la même amélioration soit évidente. Par exemple, dans une installation pour une application municipale, les rap- ports des tubes peuvent nécessiter un ajustement pour améliorer le débit des fluides, mais l'amélioration est surtout attri- buable au rendement-d'échange rendu possible en amenant le liquide et le gaz au contact de deux surfaces cylindriques incurvées au lieu d'une. On s'attend à ce que des vitesses de passage de 1,2 à 2,44 m/seconde démontrent que des échangeurs de chaleur de ce type sont utiles pour des liquides ayant une chaleur spécifique du même ordre de grandeur que l'eau. Une réalisation de la présente invention est maintenant décrite en se référant aux dessins ci-joints sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'une partie de l'échangeur, la figure 2 représente une partie d'une extrémité de l'échangeur, la figure 3 est une vue extérieure de la même extrémité montrant un couplage pour le raccordement du tuyau, la figure 4 est un schéma de son utilisation dans une installation à pompe à chaleur arrangée pour utiliser une piscine privée comme un piège de chaleur/source de chaleur. En se référant maintenant aux figures 1 et 2, l'échan- geur est constitué par un tube rond central 2 ayant 25,4 mm de diamètre extérieur, un tube rond extérieur 4 ayant 50,8 mm de diamètre extérieur, et un tube rond intermédiaire 6 ayant 38,1 mm de diamètre extérieur. Les trois tubes sont en acier inoxydable 18 swg. Pour une installation réglée à 1,656 Kw, l'échangeur a 2,743 m de long. Une conduite 8 pour l'entrée du gaz et une conduite 10 pour la sortie du gaz font saillie à travers le tube extérieur 4. Le tube central 2 comporte une partie évasée 12 à chaque extrémité qui est un ajustage à coulis- se dans le tube intermédiaire 6, permettant à une soudure circulaire 14 de réunir les deux tubes en formant un passage intermédiaire 16 étroit pour le gaz. Le passage intérieur 18 et le passage extérieur 20 conduisent l'eau à travers l'échan- geur depuis l'entrée 20 pour l'eau jusqu'à la sortie 22 pour l'eau. Le passage intermédiaire 16 est le condenseur du circuit réfrigérant de la pompe à chaleur 24 (voir figure 4). L'eau circule dans le passage extérieur 20 et le passage intérieur 18. Afin d'améliorer l'échange thermique dans le passage intérieur, une spirale 26 en acier inoxydable est enfoncée dans l'orifice du passage intérieur pour créer un tourbillon initial qui persiste. Celui-ci nécessite seulement de s'étendre sur un court trajet dans le passage. Les courants d'eau se divisent donc à l'entrée et-se recombinent à la sortie 22. La manière de raccorder la conduite d'entrée et la conduite de sortie du gaz est indiquée sur les figures 2 et 3. Le tube extérieur 4 présente une fente 28 avec une extrémité fermée semicirculaire. La conduite 10 pour l'entrée du gaz s'appuie sur l'extrémité fermée de la fente et est maintenue en place par l'extrémité 30 d'un manchon fileté 32 fixé au tube 4 par une spudure 34. La jonction de la conduite 10 et du tube 4. est réalisée par une soudure d'angle 36. Le manchon 32 reçoit un raccord flexible mâle 38. En se référant maintenant à la figure 4, une pompe 40 fait circuler de l'eau depuis une piscine 42 à travers un filtre 44 et l'échangeur qui forme une partie de la pompe à chaleur domestique 24. La pompe maintient un débit d'environ 2,134 m/seconde à travers l'échangeur qui est enroulé en spirale à l'intérieur du carter de la pompe à chaleur. L'échangeur recueille seulement-la chaleur perceptible provenant de l'eau de la piscine et en régime, un rapport apport/élimination,de chaleur, de 1:5 peut être obtenu contrairement aux meilleures performances d'un tube dans un échangeur à tubes de dimension comparable o le rapport est de 1:3. Les températures concernées sont indiquées ci-dessous Gaz à l'entrée 820C Gaz à la sortie 610C Eau à l'entrée 100C Eau à la sortie 60C L'auteur de la présente invention trouve que l'échan- geur de chaleur de cette forme présente les avantages suivants. L'échangeur de chaleur peut être construit avec un isolement thermique minimum parce que le gaz chaud est entouré parun volume relativement grand de liquide en mouvement. L'échangeur est bon marché à fabriquer et peut être enroulé d'une façon compacte dans l'installation, les deux extrémités du serpentin étant raccordées par un tube comportant un robinet par lequel l'échangeur peut être débarrassé du liquide. Des débits impor- tants de liquide peuvent être atteints, soit en installant des échangeurs en parallèle apportant ainsi d'autres circuits de pompe à chaleur dans le système, soit en augmentant la dimen- sion des tubes en même temps que le réglage de la puissance de l'installation. 248i9'50 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour un premier fluide et un second fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend un trio de tubes thermiquement conducteurs, ayant des surfaces de section droite différentes, logés les uns dans les autres en vue d'un échange thermique, qui délimitent (a) un passage intérieur et (b) un passage extérieur, fournissant ensemble une voie pour un premier fluide (c) un passage intermédiaire fournissant une voie pour un second fluide (d) une entrée et une sortie reliées aux passages intérieur et extérieur (e) une entrée et une sortie reliées au passage inter- médiaire. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le passage intermédiaire est entouré par le tube qui délimite le passage extérieur. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que l'échangeur est allongé pour avoir deux extrémités, que les entrées et les sorties respectives pour les deux fluides sont logées près des extrémités et quel'échange thermique est réalisé en une seule traversée. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3,carac- térisé par le fait que les surfaces de section droite du passage intérieur et du passage extérieur, et les positions des entrées et des sorties sont telles, qu'elles permettent d'avoir des courants sensiblement égaux dans les deux passages. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que les tubes ont une section droite circu- laire et que les rapports des diamètres sont d'environ 1,25 1,5 2. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que les tubes sont disposés co-axialement. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, carac- térisé par le fait que le passage intérieur est adapté pour communiquer un tourbillon au fluide traversant le passage. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, carac- 248i9sO térisé par le fait que le passage intérieur contient une pièce insérée en spirale, capable de communiquer une direction héli- coldale au fluide traversant le passage intérieur. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, carac- térisé par le fait que les tubes forment ensemble une spirale contenant un tour complet.