Brevet FR2486221A1 — publié le 19820108

ECHANGEUR DE CHALEUR. La présente invention concerne un échangeur de chaleur ayant des surfaces d'échange de chaleur constituées par un serpentin tubulaire dont les spires présentent un angle d'inclinaison variable ainsi que par une surface secondaire qui est fonctionnellement reliée audit serpentin tubulaire. On connaît des échangeurs de chaleur qui sont formés de tuyaux, à P'intérieur desquels circule un agent de condensation, par exemple de la vapeur d'eau, tandis que leur surface extérieure est balayée par un autre agent, par exemple un liquide ou de l'air ambiant. Avec ces échangeurs de chaleur, pour économiser de l'eau, on utilise à l'heure actuelle la plupart du temps de l'air en tant qu' gent de refroidissement. Cependant, le coefficient de transfert de chaleur entre l'air et le tuyau est inférieur d'un ordre de grandeur au coefficient de trans- fert de la chaleur de la condensation qui se produit à l'intérieur du tuyau et, en conséquence, il faut pulvériser une petite quantité d'eau sur la surface ex- térieure du tuyau, tandis qu'un courant d'air artificiel est établi entre les tuyaux. Une partie de l'eau s'évapore et exerce un effet de refroidissement sur la surface de tuyau. La partie restante de l'eau s'écoule dans l'espace situé en dessous de l'échangeur de chaleur; elle est alors recyclée à l'aide d'une pompe vers l'espace situé au-dessus du serpentin tubulaire. De cette manière, le processus de refroidissement nécessite beaucoup moins d'eau; on peut observer entre le tuyau et l'air un. phénomène d'évaporation et de convection, ce qui cor- respond à un processus combiné de transfert de chaleur. Dans les constructions connues qui sont utilisées pour la mise en pra- tique de ce procédé, on utilise soit une seule rangée-de tuyaux, soit plusieurs tuyaux parallèles disposés approximativement horizontalement et qui sont connec- tés en série pour former un serpentin tubulaire. L'agent de condensation, par exemple de la vapeur d'ammoniac, est introduit dans la partie supérieure du serpentin ou dans la rangée supérieure de tuyaux, et cet agent se condense graduellement dans les spires ou tuyaux situées les uns en dessous des autres, et le condensat formé s'écoule en direction de la spire la plus basse ou dans la rangée la plus basse de tuyaux. Le serpentin tubulaire est disposé dans un carter, des ventilateurs sont pla- cés en haut et en bas dudit carter et ils sont destinés à produire un écoule- ment d'air de refroidissement. L'inconvient commun des solutions connues réside dans le fait que le condensat s'accumule en une quantité augmentant de façon continue dans les spires superposées en assurant le remplissage complet de la spire la plus basse, et par conséquent empêchant que se produise une condensation dans cette zone. Un autre inconvénient des solutions connues consiste ence que, parcomparai- son autrès gros avantage auquel conduit le coefficient élevé de transmission de chaleur à l'intérieur des spires,il existe une différence considérable entre les coefficients de transmission de chaleur par convection extérieure et par évaporation et il en résulte qu'on doit faire intervenir des surfaces de transmission de chaleur relativement grandes. Pour remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus, on doit chercher à augmenter le coefficient de transmission de chaleur vers l'extérieur soit en augmentant la vitesse d'écoulement de l'air soit la puissance du ventila- teur, ou bien on doit augmenter la différence de température entre la paroi de tuyau et l'eau de pulvérisation en pulvérisant de l'eau plus froide sur la surface de tuyau. La solution conforme à la présente invention est basée sur les phénomènes suivants: l'inclinaison desspires d'unserpentin varieen relation avecles conditions réelles de condensation, c'est-à-dire que l'angle d'inclinaison aug- mente à mesure que les spires progressent vers le bas. D'autres moyens servant à améliorer la transmission de la chaleur sont représentés par les surfaces supplémentaires. Cette dernière solution est basée sur le principe que de l'eau pulvérisée ne doit pas s'évaporer exclusivement sur les surfaces des spires qui ont été pourvues d'une grande épaisseur de paroi à cause des pressions internes et qui représentent ainsi des composants surabondants, mais l'-eau peut être refroidie d'une manière plus aisée et moins coûteuse sur les surfaces supplémentaires qui sont reliées aux spires, ce qui est avantageux du point de vue de la mécanique des fluides. Conformément à la présente invention, les surfaces supplémentaires doivent être agencées de manière qu'elles ne limitent pas le trajet d'écou- lement de l'air vers le haut et que simultanément l'eau soit collectée à la sortie des spires et pulvérisée sur les surfaces. Pour cette raison, les surfaces supplémentaires doivent être pourvues d'une faible résistance, c'est-à-dire que la dimension, considérée perpendiculairement à l'écoulement, doit être aussi petite que possible et de préférence inférieure à un dixième du diamètre de la spire. En ce qui concerne la grandeur des surfaces supplémen- taires, on peut adopter comme proportion optimale entre la surface de tuyau (fp) et la surface supplémentaire (f5), la relation suivante: f s/fp = 2. Pour pouvoir réduire la résistance à l'écoulement, il est approprié de choisir une relation correcte entre le pas des surfaces supplémentaires et le diamètre des spires; ainsi, on peut donner au pas 0 une valeur égale à un multiple du quart du diamètre de la spire, c'est-à-dire D/4. Conformément à la présente invention, on peut définir l'inclinaison optimale des spires de la manière suivante: En considérant les spires placées 1 unes en dessous de l'autre, l'angle d'inclinaison de la spire la plus basse est compris entre 0 et 300 en fonction de la section droite de la spire, tandisque 1 gle d'inclinaison dela spire suivante doit être réduit de 3 à 5 ; en consé- quence, en supposant que l'angle d'inclinaison de la spire la plus basse s'élève à -30 , l'angle d'inclinaison de la seconde est de 250, l'angle d'inclinaison del troisième est de 20 , celui de laquatrième est de 150 et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne 5 . 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 mais non limitatif. La Figure 1 montrela structure de l'échangeur de chaleur selon l'inven- tion. La Figure 2 montre les conditions d'inclinaison du serpentin tubulaire de l'échangeur de chaleur. La Figure 3 représente une section du serpentin tubulaire de l'échangeur de chaleur et des surfaces supplémentaires dans un agencement faisant interve- nir une seule rangée de tuyaux. La Figure 4 montre la section du serpentin tubulaire de l'échangeur de chaleur et des surfaces supplémentaires, o deux rangées de tuyaux ont été décalées l'une par rapport à l'autre. La Figure 5 est une coupe partielle du serpentin tubulaire de l'échangeur de chaleur, o trois rangées de tuyaux ont été décalées l'une par rapport à l'autre. La Figure 6 montre un des agencements possiblesdes surfaces supplémen- taires qui sont reliées au serpentin tubulaire de l'échangeur de chaleur. La Figure 7 montre un autre agencement possible des surfaces supplémen- taires qui sont reliées au serpentin tubulaire de l'échangeur de chaleur. La Figure 1 montre un agencement qu'il est possible d'envisager pour l'échangeur de chaleur conforme à l'invention; la condensation d'un des agents intervenant dans l'échange de chaleur se produit dans le serpentin tubulaire continu 1; le long de la surface extérieure du serpentin tubulaire, le courant d'air - engendré par les ventilateurs 2a, 2b circule vers le haut, tandis que l'eau - qui a été pulvérisée à l'aide du pulvérisateur 3 sur les tuyaux - s'écoule vers le bas. L'eau qui a été pulvérisée sur les tuyaux et qui s'égoutte de ceux-ci est collectée dans le bac 4 d'o elle est recyclée vers le pulvérisateur 3 à l'aide-de la pompe 5. L'ensemble est pourvu d'un carter 6. Des surfaces supplémentaires 7 conformes à la présente invention sont disposées entre les tuyaux d'échange de chaleur. Les figures montrent que l'angle d'inclinaison des tuyaux d'échange de chaleur augmente à mesure que les tuyaux progressent vers le bas. Sur la Figure 2, on a mis en évidence la variation des angles d'incli- naison des spires du serpentin 1. L'inclinaison de la rangée la plus basse 11 de spires est la plus grande, cet angle d'inclinaison (sz1) s'élevant par exemple à 30 ; l'angle d'inclinaison (sz2) de la rangée suivante 12 est égal à 250, les angles d'inclinaison des rangées suivantes 13, 14, 15, 16 sont égaux successivement à 200, 150, 100, 50, tandis que l'angle d'inclinaison des autres rangées 17, 18 reste constant et égal par exemple à 5 . Sur la Figure 3, le serpentin tubulaire conforme à l'invention est sem- blable à celui du mode de réalisation précédemment décrit et il est prévu un ventilateur 2, un pulvérisateur 3, un bac collecteur 4, un carter 6, la figure montrant également la section droite des surfaces supplémentaires 7 conformes à l'invention. On peut voir que les surfaces supplémentaires forment un ensemble unitaire avec le serpentin tubulaire en ce qui concerne la méca- nique des fluides; en outre, elles ne limitent pas la section de passage de l'écoulement d'air dirigé vers le haut et elles permettent simultanément une accumulation de l'eau qui a été pulvérisée sur elles et la canalise vers l'avant en direction de la rangée suivante de tuyaux. Sur la Figure 4, l'ensemble comportant deux rangées de tuyaux paralléles, qui ont été décalées l'une par rapport à l'autre, met en évidence deux modes de réalisations possibles des surfaces supplémentaires 7a, 7b. La caracté- ristique commune consiste en ce que, dans les deux cas, les surfaces sont disposées directement en dessous des tuyaux. La surface supplémentaire 7a peut être disposée entre deux tuyaux adjacents du serpentin tubulaire qui ont été décalés l'un par rapport à l'autre, tandis que la surface supplé- mentaire 7b remplit l'intervalle existant entre deux tuyaux qui sont placés l'un en dessous de l'autre. Sur la Figure 5, on a mis en évidence un autre agencement possible des surfaces supplémentaires; les surfaces 7c sont orientées dans une direction horizontale et n'entrent pas directement en contact avec les spires; en outre, leur rebord inférieur n'entre pas en contact direct avec les spires placés en dessous. Les surfaces supplémentaires sont fixées à l'aide des coins 9 ayant la dimension requise et qui sont placés entre les plaques de fixation 8 et les spires. De cette manière, les surfaces supplémentaires peuvent être pour- vues de hauteurs identiques, indépendamment du fait que, conformément à la présente invention, les angles d'inclinaison des spires - en particulier à la base - sont différents et que, en conséquence, l'intervalle existant entre elles varie également. Sur la Figure 6, on a représenté un mode de réalisation des surfaces supplémentaires suivant lequel les surfaces 7d peuvent être disposées non seulement en dessous du bord inférieur des spires mais, également, en dessous- de leurs bords extérieurs. Une telle solution peut être utilisée dans des cas o une grande quantité d'eau est pulvérisée sur les spires et o il peut arriver que le film d'eau se détache sur les lisières extérieures des spires. La Figure 7 montre différents profils de sections droites des surfaces supplémentaires 7. En ce qui concerne la surface 7e - qui est en contact direct avec la spire - l'arche supérieur 71et l'arche inférieur 72 ont des rayons identiques aux rayons du tuyau. Dans le cas de la surface supplémentaire 7f, la partie supérieure de cette surface est orientée parallèlement à la tangente à la spire placée au- dessus d'elle. Le côté de la surface supplémentaire 7g est pourvu des surfaces com- plémentaires 73 servant à collecter l'eau. Les surfaces supplémentaires 7h touchent seulement lesspires placées en dessous et au-dessus desdites sur- faces. Les figures montrent, d'une manière tout à fait évidente, que l'échan- geur de chaleur conforme à l'invention est pourvu de spires présentant des angles d'inclinaison différents et comportant des surfaces supplémentaires qui sont reliées aux spires en conformité avec la mécanique des fluides. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur, en particulier pour la condensation de vapeurs, comprenant un serpentin tubulaire (1) de type connu, unventilateur(2a,2b) produisant un écoulement d'air orienté perpendiculairement au serpentin tubulaire, ainsi qu'un pulvérisateur (3) destiné à pulvériser de l'eau sur le serpentin tubulaire(1), caractérisé en ce que le serpentin tubulaire(]estagencé de façon à présenter un angle d'inclinaison croissant de façon continue, et en ce qu'il est prévu entre les spires du serpentin des surfaces supplémentaires(7) reliées aux spires, la dimension desdites surfaces supplémentaires(7) étant égale ou supérieure au double de la surface des spires. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison de la rangée la plus basse de spires du serpentin (1) est compris entre 0 et 300, tandis que l'inclinaison des spires suivantes, pla- cées au-dessus, est diminuée progressivement de 3 à 50, cet angle présentant cependant toujours une valeur d'inclinaison supérieur à 3 à 5 . 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pas (D) des surfaces supplémentaires correspond au quart du diamètre de spire (D/4) ou bien à un multiple de celui-ci, tandis que l'épaisseur est inférieure au dixième du diamètre de spire. 4.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les extrémités inférieures et supérieures des surfaces sup- plémentaires (7) épousent le profil des spiresplacées en dessous et audessus. 5.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce quele bord supérieur des surfaces supplémentaires (7) est hori- zontal et en ce que, entre le bord inférieur et la spire placéeen dessous, le positionnement desdites surfaces est assuré à l'aide de coins de dimensions variables. 6.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section droite des surfaces supplémentaires(7) estpro- filée de manière que l'arche corresponde au rayon de la spire, ou bien que la partie supérieure de la surface supplémentaire (7) soit orientée parallèlement à la tangente à la spire placée au-dessus de ladite surface, ou bien que le côté de la surface supplémentaire soit pourvu de bords servant à collecter l'eau, ou bien que la surface supplémentaire soit étroitement disposée entre deux spires adjacentes.