Brevet FR2494830A1 — publié le 19820528

L'invention concerne un élément d'échange de chaleur formé de tubes en forme de serpentins en matière plastique présentant une bonne résistance aux acides et un récupérateur de chaleur le mettant en oeuvre. On a déjà proposé de réaliser des échangeurs de chaleur à partir de tubes en matière plastique; voir, par exemple, les brevets français 2 295 395, 2 346 659 et 2 362 358. Aucun d'eux, toutefois, ne ressemble à l'élément d'échange de chaleur selon la présente invention. L'invention concerne un élément d'échange de chaleur formé d'un faisceau de tubes en matière plastique destinés à être parcourus intérieurement par un fluide à réchauffer ou à refroidir, caractérisé en ce que chaque tube comprend une partie en forme de serpentins s'étendant sur la majeure partie de sa longueur et deux parties extrtmes, les parties en forme de serpentins étant imbriquées latéralement les unes dans les autres et les parties extrêmes des tubes situées d'un même côté du faisceau de serpentins imbriqués étant rabattues et réintroduites dans ledit faisceau dans les volumes de section lenticulaire délimités par chaque paire de serpentins adjacents imbriqués, et ressortant du faisceau du côté des autres parties extrêmes, les parties extrêmes rabattues maintenant ainsi le faisceau de tubes en un ensemble cohérent. Les parties en forme de serpentins peuvent être sensiblement hélicoidales, c'est-à-dire présenter des spires s'inscrivant dans un cylindre droit, ou tre des serpentins spiralés ou torses, c'est-à-dire présenter des spires légèrement décalées les unes par rapport aux autres.Cette forme de serpentin spiralé ou torse est avantageuse lorsqu'on utilise l'élément de l'invention dans un récupérateur de chaleur sur fumées car elle offre une surface frontale accrue au fluide circulant à l'extérieur des tubes0 Les sens d'enroulement des parties en forme de serpentins peuvent être identiques, mais on préfère que les sens d'enroulement de deux serpentins adjacents soient contraires car cela facilite l'inbricatlon et exerce un effet de pinçage sur les spires imbriquée les unes dans les autres qui contribuent a' la cohérence de l'ensemble0 Le choix de la matière plastique à utiliser pour la réalisation des tubes sera fonction de l'application particulière envisagée et, en particulier, des températures et des milieux auxquels seront exposés les tubes.Il est tout à fait possible, cependant, d'utiliser un élément selon l'invention pour réchauffer un fluide par un autre fluide dont la température est plus élevée que la limite d'utilisation du matériau plastique, ainsi qu'on le verra plus loine Des matières plastiques utilisables sont, par exemple, le polyéthylène réticulé, le polytetrafluoroéthylène, les polyamides, le chlorure de polyvinyle, le polypropylène, etc... Pour la fabrication des tubes constitutifs de l'élé- ment selon l'invention, il suffit, dans la plupart des cas, d'enrouler un tube rectiligne de la matière plastique choisie sur un mandrin cylindrique de diamètre convenable pour former la partie en forme de serpentin du tube. Généralement, les spires du serpentin seront sensiblement jointives ou peu espacées. De part et d'autre de ce serpentin, on peut laisser subsister des portions rectilignes destinées à former les parties extrêmes du tube. De préférence, toutefois, on enroulera l'une de ces parties extr8mes sur le mandrin mais avec un pas beaucoup plus grand que le pas de la partie en forme de serpentin de façon à conférer un certain caractère spiralé à cette partie extrême.On a constaté, en effet, qu'en procédant ainsi, lorsqu'on opérait ensuite le montage de l'élément en utilisant les parties extrêmes légèrement spiralées des tubes pour maintenir la cohérence du faisceau de tubes, on conférait aux parties en forme de serpentin des tabes la configuration spiralée ou torse préférée. Ceci étant fait, on soumet le tout à un traitement thermique ou chimique, selon la matière plastique, ayant pour effet de fixer la forme du tube, après quoi il suffit de retirer le tube du mandrin. Les tubes peuvent avoir des dimensions très diverses. On peut, par exemple, utiliser des tubes d'un diamètre de 4-14 mm et les assembler en des faisceaux de 6 à 24 tubes ou dayantage. Genéralement, plus les tubes seront fins et plus le diamètre des parties en forme de serpentins sera réduit, plus la surface d'échange de chaleur par unité de volume de ltélé- ment selon l'invention sera élevée et plus grande sera son efficacité. L'invention concerne aussi un récupérateur de cha leur sur fluides chauds mettant en oeuvre l'élément selon l'invention qui se caractérise par son aptitude à travailler avec des fluides chauds dont la température excède de loin la température limite d'utilisation de la matière plastique constituant les tubes. La Demanderesse a, en effet, trouvé qu'unie telle application était possible si on faisait en sorte qu'il n'y ait aucun point chaud,en particulier aucun contact métaltubes plastiques sur la partie de l'élément parcourue par le fluide chaud, afin d'éviter la fusion des tubes et Si on concevait le récupérateur de façon que le coefficient d'échange côté fluide chaud soit assez faible pour que la température de la matière plastique constituant les tubes, qui est refroidie par le fluide circulant dans lesdits tubes, ne dépasse pas sa température limite d'utilisation. Un tel récupérateur de chaleur peut être utilisée notamment en combinaison avec une chaudière de chauffage au fuel ou au gaz, pour récupérer la chaleur contenue dans les fumées produites par la combustion du fuel ou du gaz et, donc, réaliser des économies d'énergie. La chaleur récupérée peut servir, par exemple, à réchauffer l'eau relativement froide provenant des radiateurs avant qu'elleletourne à la chaudière, ou à préchauffer de 11 eau sanitaire ou encore à préchauffer l'air comburant. Une application industrielle peut être la récupération de chaleur sur les effluents de fours ou séchoirs industriels afin de préchauffer l'air comburant ou l'air de dilution0 De façon générale, l'élément selon l'invention est utilisable avec avantage dans tot récupérateur de chaleur à condensation, c'est-à-dire récupérant une grande partie de la chaleur latente et la chaleur sensible du fluide chaud. L'élément de l'invention peut aussi autre utilisé comme évaporateur d'une pompe à chaleur pouvant être introduit, par exemple, directement dans l'eau d'une rivière ou analogue. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant bien entendu partie de ladite invention. La figure 1 est une vue illustrant un élément d'échange de chaleur selon l'invention comprenant six tubes constitutifs. La figure 2 est une vue en coupe transversale de l'élément de la figure 1. La figure 3 est une vue partielle en élévation de l'élément de la figure 1 montrant la nature spiralée ou torse des tubes constitutifs de l'élément de l'invention. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un élément selon l'invention comprenant 24 tubes constitutifs. La figure 5 est une vue en coupe verticale d'un récupérateur de chaleur selon l'invention. La figure 6 est une vue en coupe transversale du récupérateur de la figure 5, selon la ligne VI-VI de la figure 5. La figure 7 est une vue'en élévation montrant un détail de réalisation du récupérateur de la figure 5. La figure 8 est une vue en coupe verticale d'un autre récupérateur de chaleur selon l'invention. La figure 9 est une vue en coupe transversale, selon la ligne IA-IX de la figure 8, dudit récupérateur. bur les figures 1 à 3 est représenté un élément d'échange de chaleur selon l'invention. Cet élément 1 est constitué d'un faisceau de six tubes 2 en matière plastique,comprenant chacun une partie en forme de serpentin 3 s'étendant sur la majeure partie de sa longueur et deux parties extrêmes 4 et 5. Les serpentins 3 sont imbriqués latéralement les uns dans les autres, c'est-à-dire que chaque spire d'un serpentin donné vient stinsérer entre deux spires consécutives du serpentin adjacent, Les serpentins adjacents ont des sens d'enroulement contraires (droit et gauche), comme représenté, afin de faciliter l'imbrication. Les parties extrêmes 4, dirigées vers le haut, sont sensiblement rectilignes et de longueur relativement faible.Elles sont destinées à être raccordées à un col lecteur de sortie du fluide devant circuler dans les tubes. Les parties extrdmes 5, d'une longueur supérieure à la hauteur de l'élément, sont rabattues et réintroduites dans le faisceau de tubes, dans les volumes 6 de section sensiblement lenticulaire délimités par chaque paire de serpentins adjacents imbriqués. Ces parties extrêmes 5 traversent tout le faisceau et en ressortent du côté des parties extrêmes 4. Les parties extrêmes 5 sont légèrement spiralées de façon que, une fois rabattues et introduites dans le faisceau, elles exercent une certaine torsion sur les serpentins et leur confèrent un caractère légèrement spiralé ou torse, comme repré sensé, Bien entendu, si l'on désirait des serpentins droits, c'est-à-dire hélicoSdaux, il suffirait d'utiliser des parties extrêmes 5 sensiblement rectilignes.Les parties extrêmes 5 sont destinées à être raccordées à un distributeur du fluide devant circuler dans les tubes. L'élément obtenu est cohérent et on peut, par exemple, le saisir par ses extrémités 4 et 5 sans que l'imbrication des serpentins soit détruite. Cela facilite beaucoup la manipulation et le montage ultérieur de l'élément d'échange de chaleur. A titre indicatif, on a réalisé un élément formé de six tubes d'un diamètre extérieur de 12 mm, d'un diamètre intérieur de 10 mm, et présentant une hauteur de 900 mm. Le diamètre d'un serpentin était de 170 mm et le diamètre de l'élément était de 430 mm environ. La torsion exercée par les parties extrtmes 5 provoquait une rotation de 600 environ entre le haut et le bas des serpentins 3. La figure 4 représente un élément 11 d'échangeur de chaleur selon l'invention constitué d'un faisceau de 24 tubes 2 en matière plastique. Cet élément il dérive du précédent par l'adjonction de deux "cercles" concentriques de tubes 2 à l'élément 1 à 6 tubes de base. fle façon générale, on peut facilement accroître la surface d'échange d'un élément selon l'invention en y ajoutant, d'une manière aisée et rapide, des tubes supplémentaires à sa périnhérie. Bes iettres D et G signifient que le sens d'enroulement es serpentins est "droit" et "gauche" respectivemfnt. L'élément 11 prCsente une compacité supérieure à celle de l'élément 1 et peut donc être avantageux pour certaines applications où l'on recherche une haute efficacité d'échange. Sur les figures 5 à 7 est représenté un récupérateur 20 de chaleur sur fumées ou gaz chauds. Ce récupérateur comprend une entrée 21 des gaz chauds et une sortie 22 des gaz refroidis en acier inoxydable, chacune d'elles étant constituée par deux tronçons de tube soudés à angle droit. Sur l'entrée 21 et la sortie 22 sont soudés trois montants 23 en tube métallique, répartis à 1200 et destinés à maintenir l'espacement entre l'entrée 21 et la sortie 22. Dans le volume délimité par l'entrée 21, la sortie 22 et les montants 23, est disposé un élément selon l'invention, tel que l'élément 1 dcs figures 1 à 5, les tubes constitutifs étant formés de polyéthylène réticulé. Pour des raisons de simplification du dessin, cet élément n'est représenté que schématiquement.L'élément 1 est disposé dans un manchon imperméable souple 24 en matière polymère résistant aux températures élevées, par exemple en polytétrafluoroéthylène, monté par le moyen de colliers 25 et 26 sur l'entrée 21 et la sortie 22. Les parties extrdmes 4 et 5 des tubes de l'élément 1 sont raccordées à un distributeur-collecteur 27 monté sur le dessus du tronçon 21a de l'arrivée 21. Ce distributeur-collecteur 27 est constitué d'une simple boite divisée en deux compartiments par une cloison interne 28. Des raccords, tels que 29, sont prévus à la base de la bote 27 pour raccorder les extrémités 4 à l'un des compartiments et les extrémités 5 à l'autre compartiment. Des raccords 30 et 31 sont prévus sur le dessus de la boîte 27 pour l'arrivée de lteau à réchauffer et la sortie de l'eau réchauffée.L'ensemble formé par l'élément 1 et les organes 21 à 29 est soigneusement entoti- ré d'une matière isolante 32 telle que de la laine de roche, formant virole. Un écran 33 convenablement perforé et une isolation 34 sont prévus au niveau des raccords 29 pour éviter que ceux-ci ne soient exposés aux gaz chauds. Be tout est logé dans une enveloppe en matière plastique 35 pourvue des ouvertures nécessaires. Un orifice d'évacuation 36 pour les conden sats est prévu à la base de la sortie 22.Le rôle du manchon 24 est d'assurer 1'étanchéité vis-à-vis des gaz ou fumées et, en merle temps, de contribuer à maintenir l'élément 1 en sus pension. il est nécessaire, en effet, d'éviter que les gaz ou fumées de combustion du fuel, qui sont humides et acides, ne viennent en contact avec la laine de roche sous peine d'endommagement de celle-ci. Egalement, ce manchon contribue à maintenir le faisceau de tubes imbriqués, ce dernier ayant tendance à s'affaisser en service lorsque les tubes sont chauds. Âvec la structure susdécrite,il n'existe aucun point de contact entre les tubes en matière plastique et un élément métallique exposé aux gaz ou fumées chauds, de sorte que tout point chaud susceptible d'endommager les tubes en matière plastique est évité. Les gaz chauds 'arrivent en 21, passent à travers l'élément 1 et ressortent en 22. Bien entendu, on pourrait aussi, si on le désire, faire arriver les gaz chauds en 22 et les faire ressortir en 21. A titre indicatif, le récupérateur de l'invention peut fonctionner avec des gaz ou fumées chauds d'une température pouvant atteindre 2500C environ. Avec de l'eau entrant à 400C avec un débit de 1500 1/heure, on obtient à la sortie de l'eau à 41,30C. Bien sûr, on obtiendrait des élévations de températures supérieures avec des débits moindres t Par exemple, à un débit de 300 1/heure, on obtient une élévation de température de 6,60C. L'élévation de température résulte en grande partie de la chaleur latente récupérée sur les fumées. Sur les figures 8 et 9, est illustrée une variante de réalisation d'un récupérateur de chaleur utilisant llélé- ment selon l'invention. Ce récupérateur 40 est formé de deux demi-coques 41a et 41b assemblées avec un joint d'étanchéité 42 interposé. Chaque demi-coque 41a-4lb est constituée, de l'extérieur vers l'intérieur, d'une enveloppe extérieure sensiblement cylindrique 43, par exemple en acier ou en matière plastique, d'un garnissage isolant 44, par exemple en mousse résistant aux températures élevées et d'un revêtement imperméable 45, par exemple en élastomère de silicone. Une entrée 46 et une sortie 47 de gaz sont prévues sur les demi-coques 41a-41b, respectivement. L'entrée 46 et la sortie 47 sont constituées chacune d'un simple tronçon de tube, par exemple, en acier inoxydable pourvu d'ailettes assurant son ancrage dans le garnissage 44. Le revêtement 45 est raccordé à l'entrée 46 et à la sortie 47. Le volume interne délimité par les demi-coques reçoit l'élé- ment selon l'invention, tel que l'élément 1 des figures 1 à 3, Dans ce mode de réalisation, l'élément 1 est placé avec les extrémités des tubes dirigées vers le bas. Les extrémités d'entrée et de sortie des tubes constitutifs de l'élément 1 sont raccordées respectivement à un distributeur 48 et à un collecteur 49 logés dans un récupérateur 50 des condensats en forme de cuvette, situé à la base du récupérateur de chaleur. Le distributeur 48 et le collecteur 49 sont raccordés à des tuyaux 51 et 52, respectivement, assurant l'amenée de 11 eau à réchauffer et l'évacuation de l'eau réchauffée par les gaz chauds0 Le récupérateur 50 est muni d'un orifice 53 par lequel les condensats sont évacués. Le garnissage 44 des demi-coques 41a-4ib peut tre facilement obtenu par des techniques dtinjection ou de formage de blocs de mousse0 Le revêtement 45 peut être réalisé par revêtement de la mousse préalablement injectée ou formée avec une composition de caoutchouc de silicone. En variante, on pourrait remplacer le garnissage 44 et le revêtement 45 par un garnissage de verre cellulaire qui présente à la fois des propriétés d'isolation thermique, d'étanchéité et de la résistance aux acides0 Comme pour le mode de réalisation des figures 5 à 7, il n'existe aucun point chaud susceptible d'endommager les tubes de l'élément 1, les gaz venant au contact du distributeur et du collecteur étant déjà suffisamment refroidis pour qu'il n'r ait pas de problème. Le mode de réalisation des figures 8 et 9 présente l'avantage d'être d'une construction plus économique que le mode de réalisation des figures 5 à 7 lorsqu'il s'agit de produire des séries importantes. il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVEI > DICATIONS i. Eiément d'échange de chaleur forme d'un fais ceau de tubes en matière plastique destinés à être parcourus intérieurement par un fluide à réchauffer ou à refroidir, caractérisé en ce que chaque tube (2) comprend une partie en forme de serpentin (3) s'étendant sur la majeure partie de sa longueur et deux parties extrêmes (4,5), les parties en forme de serpentins étant imbriquées latéralement les unes dans les autres et les parties extrêmes (5) des tubes situées d'un mê- me côté du faisceau de serpentins imbriqués étant rabattues et réintroduites dans ledit faisceau dans les volumes de section lenticulaire délimités par chaque paire de serpentins adjacents imbriqués, et ressortant du faisceau du côté des autres parties extrêmes (4), les parties extrêmes rabattues maintenant ainsi le faisceau de tubes en un ensemble cohérent 2. Elément selon la revendication i, caractérisé en ce que les parties en forme de serpentins sont sensiblement hélicoidales. 3. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties en forme de serpentins sont des serpentins spiralés ou torses. 4. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les sens d'enroulement de deux serpentins adjacents sont contraires. 5. Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que la configuration spiralée ou torse des parties en forme de serpentins résulte de l'utilisation de parties extrimes rabattues présentant elles-mêmes un certain caractère spiralé. 6. Récupérateur de chaleur comprenant un élément d'échange de chaleur constitué d'un faisceau de tubes destiné à être parcourus par un fluide à réchauffer et logés dans une virole destinée à être traversée par un fluide chaud, caractérisé en ce que l'élément d'échange de chaleur est tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Sécupérateur de chaleur selon la revendication 6, pour utilisation avec un fluide chaud dont la tempé rature excède la température de fusion de la matière plastique constituant les tubes, caractérisé en ce qu'il est exempt de tous points de contact entre les tubes en matière plastique de l'élément d'échange de chaleur et des pièces métalliques, sur le trajet parcouru par le fluide chaud. 8. Récupérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la virole est constituée d'un manchon imperméable en matière polymère résistant aux températures de travail, maintenant enserré l'élément d'échange de chaleur et raccordé à des organes d'entrée et de sortie pour le fluide chaud, ces organes étant maintenus espacés par des montants et le tout étant entouré d'une matière thermo-isolante. 9. Récupérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la virole est constituée d'un revêtement imperméable d'élastomère de silicone appliqué sur un garnissage isolant et résistant aux températures de travail, ledit revêtement étant raccordé à des organes d'entrée et de sortie pour le fluide chaud. 10. Récupérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la virole est constituée de verre cellulaire mis à la forme.