Brevet FR2505474A1 — publié le 19821112

Echangeur de chaleur à nappe de tubes métalliques La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur délimité par deux surfaces parallèles destinées à être placées en position sensiblement verticale lors de l'utilisation, comportant une nappe ou faisceau de tubes métalliques parallèles reliés de façon à constituer un circuit pour un premier fluide et imbriqués au moins avec une nappe d'organes métalliques allongés en contact thermique avec les tubes et avec un second fluide, les fluides pouvant circuler on phase unique (liquide ou gaz) ou y changer de phase. On connaît déjà de nombreux échangeurs de chaleur de ce type Les organes allongés peuvent notamment être constitués par des tubes appartenant à un circuit pour le second fluide B ou par des ailettes en contact thermique avec un fluide ambiant tel que l'atmosphère Ces échangeurs utilisent en règle générale des tubes cylindriques Lors- qu'on cherche à obtenir des transferts thermiques élevés, on les constitue ou on les enrobe d'un matériau bon conduc- teur, tel que le cuivre ou l'aluminium. La présente invention vise à fournir un échangeur répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de réaliser des échangeurs de chaleur qui, tout à la fois, on un coût modé- ré, ont un coefficient d'échange élevé et permettent des échanges thermiques entre trois fluides. Dans ce but, l'invention propose notamment un échan- geur du genre ci-dessus défini dont les tubes sont de section rectangulaire (avantageusement carrée) et en contact avec les organes allongés adjacents par toute la surface des faces en regard desdits organes et qui est prévu pour des transferts de chaleur avec un fluide supplémen- taire circulant autour de l'échangeur (notamment si les organes allongés sont des tubes) ou dans une nappe de tubes supplémentaires (si ce sont des ailettes). On voit que l'échangeur présente ainsi une consti- tution monocouche, chaque tube ayant deux faces opposées libres et deux surfaces en contact avec les organes adjacents Les tubes sont avantageusement en acier, protégés sur leurs quatre faces contre les corrosions d'ori- gine externe et reliés thermiquement avec les organes allon- gés adjacents par une galvanisation à chaud Cette galvanisation remplit plusieurs fonctions distinctes: la durée de vie de l'échangeur est considérablement augmentée, y compris lorsque l'échangeur est exposé aux agents atmos- phériques, à un point tel qu'une garantie décennale est possible Du fait de la conductibilité thermique élevée du zinc (double de celle du fer), le coefficient d'échange thermique entre les tubes et les organes allongés devient très satisfaisant On peut toutefois utiliser un matériau autre que l'acier, notamment un métal apte à être mis en forme par filage à la presse (aluminium et alliages légers par exemple). L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les installations de fourniture d'eau chaude comprenant un circuit thermo- dynamique parcouru par un fluide frigorigène (fluide B) et dont la source froide comporte un échangeur solaire. L'échangeur de chaleur suivant l'invention peut dans ce cas être utilisé notamment comme échangeur évaporateur, auquel cas les organes allongés sont constitués par un second jeu de tubes, qui est parcouru par le fluide frigorigène, tandis que le premier jeu de tubes est parcouru par le fluide non solidifiable de-la source froide (fluide A) Il peut être utilisé comme échangeur atmosphérique, les organes étant constitués par des ailettes profilées, présentant des surfaces de même largeur que les tubes, prévues pour s'appli- quer sur ces tubes. Un échangeur suivant l'invention est particulièrement intéressant comme évaporateur dans une installation du genre décrit dans la demande de brevet FR N O 80 13831. Dans cette installation, de la glace peut se former sur des surfaces d'un échangeur de chaleur, la chaleur latente de cette glace étant fournie à un circuit thermodynamique. L'échangeur comprend un circuit parcouru par un fluide calo- porteur incongelable (fluide A) provenant soit d'échangeurs solaires, soit d'une capacité contenant du fluide chaud destiné à décoller la glace On peut faire ruisseler de 3 - l'eau sur l'échangeur pour décoller la glace. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de modes particuliers de réalisation de celle-ci, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui-l'accompagnent, dans lesquels: les figures 1 et 2 sont des schémas de principe montrant, en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe des tubes, un fragment d'un échangeur de chaleur à deux jeux de tubes (figure 1) et à un jeu de tubes et un jeu d'ailettes (figure 2); la figure 3 est un schéma de principe en élévation montrant une nappe d'échangeur de chaleur destiné à cons- tituer capteur atmosphérique, placée en façade; la figure 4 esquisse une batterie séries-parallèles destinée à un montage en toiture ou sur terrain attenant à un immeuble dont l'esthétique doit être préservée; la figure 5 est un schéma de principe montrant les liaisons entre les tubes d'un échangeur à deux jeux de tubes, de façon à constituer un échangeur évaporateur pour installation thermodynamique de fourniture d'eau avec ruissellement sur les deux faces,d'un fluide C (par exemple eau chaude) du genre décrit dans la demande de brevet FR N O 80 13831, puisée dans un bac et destinée à se glacer sur les parois pour céder sa chaleur latente au fluide B), le déglaçage étant programmé dans le cycle; les figures 6 a et 6 b sont des vues en élévation montrant respectivement les connexions à la partie droite et à la partie gauche d'un échangeur suivant le schéma de la figure 4, la figure 7 est une vue en coupe de l'échangeur des figures 6 a et 6 b suivant la ligne VII-VII de la figure 6 a, la figure 8 est une vue de dessus de la figure 6 a, la figure 9 est un schéma en perspective montrant une variante de la figure 3, l'échangeur n'étant plus plan mais-de forme cylindrique, à deux circuits en tubes carrés en hélicesimbriquées les figures 10 et 11 sont respectivement une vue en élévation et une vue de dessus du fragment XI (figure 4 - ) d'un échangeur conforme au schéma de la figure 9. On décrira tout d'abord, en faisant référence àfla figure 1, puis à la figure 2, la constitution courante de deux variantes d'échangeur. Dans les deux cas, l'échangeur comprend une nappe plane comportant des tubes métalliques 10 alternés avec des organes allongés Dans le cas de la figure 1, ces organes allongés sont constitués par des tubes lia identiques aux tubes 10 Dans le cas de la figure 2, ces organes allongés sont constitués par des ailettes profilées 11 b de même largeur que les tubes Les tubes sont en acier, de forme rectangulaire,et traités par galvanisation à-chaud. Ce traitement, avantageusement appliqué à de l'acier (exempt de silicium), peut notamment comporter successivement un dégraissage, un décapage à l'acide chlorhydrique à 50 e, un double rinçage, un traitement par un flux constitué par un sel double d'ammonium et de zinc, un préchauffage à 1100 C environ et une immersion dans une cuve de zinc en fusion à 450 'C environ Les opérations de rinçage et de fluxage sont spécialement reprises au jet sous pression de manière à chasser toute trace d'acide et pénétrer au droit des inter- stices entre tubes. L'association de ce type de préparation et d'une immersion dans le zinc à cette température conduit à une disso- lution de la couche superficielle du fer par le zinc On trouve ainsi successivement, de l'intérieur vers l'extérieur du tube et sans interface, le fer, puis un alliage fer-zinc, puis du zinc contenant du fer en solution, puis le zinc. En règle générale, on réalisera une couche de 80 microns environ d'épaisseur, sur les quatre faces des tubes. Cette galvanisation à chaud permet non seulement de protéger les tubes, mais encore d'améliorer les transferts thermiques Par exemple dans le cas illustré en figure 1, les tubes 10 et lia, parcourus par les fluides entre lesquels on cherche à favoriser les échanges thermiques, sont véritablement "soudés" par le zinc de revêtement Le couplage thermique est donc excellent On a en particulier, grâce au traitement spécial au jet haute pression, une meilleure pénétration du flux et du zinc pour assurer et garantir un remplissage et une obturation hermétique des interstices entre tubes, chaque face en regard étant complètement recouverte de zinc De la sorte, on obtient une liaison thermique sans interface ou la constitution d'une cavité vide d'air, étanche, parfaitement conductrice de la chaleur. Non seulement les échanges thermiques se font avec une résistance faible, mais la protection contre les corrosions externes est très élevée. Il faut de plus remarquer que les circuits constitués par des tubes continus peuvent résister à une pression très élevée, de l'ordre de 50 bars,sans dommage, et que la constitution de l'échangeur de chaleur en deux faisceaux étanches distincts assure une grande sécurité lorsque l'un des fluides utilisés est corrosif ou réagit de façon vio- lente en cas de contact avec l'autre fluide Cette disposition est imposée dans le cas d'une installation domestique (article 19-6 du Règlement Sanitaire Départe- mental). Dans la réalisation montrée en figure 2, les organes allongés sont constitués par des ailettes en profilé ou tôle pliée dont la section est en forme de M Là encore, l'acier des ailettes est recouvert par une couche obtenue par galvani- sation à chaud, couche qui améliore les transferts thermi- ques entre ailettes 11 b et tubes 10. Les dispositions montrées en figures 1 et 6-8 peuvent être combinées pour réaliser un échangeur de chaleur entre trois fluides ou même davantage: deux des fluides circu- lent dans deux faisceaux de tubes distincts, tandis que le troisième fluide baigne l'échangeur ou ruisselle sur ses faces Un quatrième fluide peut être injecté à contre- courant pour provoquer un changement d'état de l'un des autres fluides en présence. Les jonctions entre les tubes dépendront évidemment de l'application qui est faite de l'échangeur. Lorsque, par exemple, on souhaite réaliser un capteur ou échangeur atmosphérique, destiné à être posé en façade, une nappe du genre montré en figure 3 peuit être reliée à un collecteur haut 12 et un collecteur bas 13 dans lesquels débouchent en parallèle les tubes 10 Les conduites d'admission 14 et d'échappement 15 des collecteurs peuvent être reliées en série ou en parallèle jusqu'à constituer la surface d'échange requise. Un tel échangeur de chaleur est notamment utilisable s en tant que capteur atmosphérique dans une installation de fourniture d'eau chaude du genre décrit dans la demande de brevet FR N O 80 13831 déposée le 20 juin 1980 par ELECTRICITE DE FRANCE. Dans les cas o les surfaces disponibles en façade sont insuffisantes, indisponibles ou "classées", plusieurs nappes d'échange peuvent être groupées en batterie, par exemple sur la toiture d'un immeuble ou dans un terrain attenant Dans ce cas, illustré en figure 4, on peut disposer plusieurs nappes du genre montré en figure 3 en position horizontale, à distance les unes des autres Ces nappes peuvent consti- tuer des cadres raidisseurs insérés dans un réseau de tuyau- teries verticales d'amenée et de départ de fluide non solidifiable (fluide A) à la température de fonctionnement de la source froide de l'installation Là encore, plusieurs nappes ou capteurs peuvent être disposés en série parallèle. Un échangeur à deux faisceaux de tubes, du genre montré en figure 1, peut être utilisé pour constituer l'échangeur évaporateur d'une installation à circuit thermo- dynamique du genre décrit et revendiqué par la demande de brevet n' 80 13831 déjà mentionnée l Jn tel échangeur évaporateur est particulièrement intéressant dans le cas d'une installation du genre montré en figure 3 de la demande antérieure précitée, installation constituant une fabrique de glace quand l'apport d'énergie solaire à l'échangeur constituant la source froide devient insuffisant. La figure 5 montre le schéma d'un échangeur- évaporateur utilisable dans une telle installation, à géo- métrie plane Les tubes 10 sont reliés en série-parallèle pour constituer le circuit de fluide B thermodynamique vaporisable (fluide fluoré tel que celui désigné par la marque "FREON" en général) dans l'échangeur Les tubes lia sont montés entre deux collecteurs 15 et 16 pour cons- tituer un circuit de circulation d'eau additionnée d'un 7 - antigel tel que le-glycol (fluide A) Ce circuit se refer- mera par l'intermédiaire de la source froide qui peut être un capteur solaire ou un capteur atmosphérique L'échangeur est complété par un circuit d'amenée d'eau chaude de fusion de glace (fluide D) Dans le cas d'un montage du type illustré en figures 6 à 8, ce fluide D pénètre par une tubulure 33 dans un tube mort raidisseur inférieur 31 (figure 6 b), chemine à contre-courant dans les tubes 10 et ressort par une tubulure 18 (figures 5 et 6 a). Enfin, l'échangeur est associé à une rampe de ruissel- lement 19 placée au-dessus, alimentée par la tubulure 17, par une pompe de relevage non représentée et permettant de déverser sur les tubes de l'eau qui s'y transforme en glace en fournissant de la chaleur sous forme de chaleur latente de solidification lorsque la température de la source froide atmosphérique est particulièrement basse. Tel que représenté sur la figure 5, le collecteur 16 constitue une boîte à eau cloisonnée en 20 tandis que le collecteur 15 reboucle tous les tubes aller 10 sur tous les tubes retour 10 Les tubes lia du circuit de fluide frigorigène sont identiques aux tubes 10 et, à titre d'exemple, on a représenté un tube 10 pour un tube lia Les "épingles" de circulation du fluide frigorigène (fluide B) peuvent ne pas comporter tous les tubes successifs Dans le cas général de m épingles comportant chacune N tubes lia, on devra avoir '(m + 1)n tubes lia et (m + 1) N + 1 tubes La mise en série des branches d'une même épingle destinée au fluide frigorigène est assurée par coudage à 1800 des tubes, le coude étant placé obliquement par rapport au plan général du faisceau pour permettre le passage des tubes 10 rejoignant leur boite à eau L'ensem- ble du faisceau peut être lié et raidi par des réglettes en tôle pliée, soudées par points sur les tubes Le cir- cuit de circulation d'eau de décollage de la glace peut utiliser des tubes morts ou des tubes raidisseurs. Au lieu d'une disposition plane, on peut utiliser des dispositions cylindriques ou même en U des tubes Les figures 9-11 montrent une disposition cylindrique, parti- culièrement intéressante pour constituer des modules ayant 8 -1 une puissance unitaire inférieure à 6 k Wl' (maisons indi- viduelles) L'échangeur est alors constitué par un appareil de forme cylindrique constitué de deux hélices imbriquées jointives constituées l'une par un tube 10, l'autre par un tube lia Ces hélices sont accolées suivant une face du tube carré ou rectangulaire et l'ensemble des tubes est lié thermiquement par galvanisation à chaud traitée spécia- lement Un circuit de ruissellement et un circuit de décollage de glace similaires à ceux de la figure S sont prévus Les ailettes internes et externes sont conçues et réalisés de façon que la glace tombe verticalement lors des cycles de déglaçage. Des profils de liaison externes 40 et internes 41 assurent la cohésion de la structure. A titre d'exemple, on peut constituer un appareil du genre montré en figure 9 pour une puissance unitaire de 4 k W ayant un diamètre de 70 cm et une hauteur d'environ cm. On décrira maintenant de façon détaillée une cons- titution d'échangeur dont le schéma est celui de la figure et qui est destiné à une installation de fourniture d'eau chaude Cet échangeur évaporateur est montré en figures 6 à 8 o les organes déjà montrés en figure 5 sont désignés par le même numéro de référence. L'échangeur représenté, ayant une puissance ther- mique de 6 k W, présente un circuit de fluide frigogène (B) et un circuit d'eau additionnée d'antigel (A) constitués en tubes à section carrée de 16 mm de côté galvanisés à chaud La rigidité mécanique de l'échangeur est assurée par des raidisseurs 25 et des profilés de liaison 26 fixés les uns aux autres par des points de soudure tels que 27 Cer- tains des tubes de liaison de l'échangeur avec le reste de l'installation peuvent être filetés de façon à permettre de suspendre l'appareil. Les tubes 10 et lia sont solidarisés des profilés 26 par des points de soudure Comme le montrent notamment les figures 6 a, 6 b et 8, les coudes Z 2 reliant les branches aller et retour des épingles parcourues par le fluide frigo- rigène sont décalés angulairement du plan des tubes Dans 9 -_ le mode de réalisation illustré, le circuit de fluide frigorigène comporte m = 3 épingles de N = 4 tubes, ce qui conduit à plusieurs décalages angulaires différents des coudes (figure 5 c) Tous les quatre tubes d'extrémité de la troisième épingle débouchent dans un même collecteur 28 d'om part la conduite 29 de sortie du fluide. L'échangeur évaporateur, étant destiné à une instal- lation du genre "fabrication de glace" décrite dans la demande FR 80 13381, est complété par une gouttière 32 de ruissellement de l'eau puisée dans la réserve d'eau, entrant dans la conduite d'amenée 17, et par un diffuseur Ce dernier répartit de façon sensiblement uniforme l'eau sur les parois de l'échangeur en vue de la formation de glace Enfin, des tubes morts 31 sont prévus soit pour constituer le circuit d'eau de décollage de la glace, soit pour constituer des zones de l'échangeur sur lesquelles il n'y a pas formation de glace. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toutes variantes res- tant dans le cadre des équivalences. - Revendications 1 Echangeur de chaleur délimité par deux surfaces parallèles, comportant une nappe ou faisceau de tubes métalliques parallèles reliés de façon à constituer un circuit pour un premier fluide et imbriqués au moins avec une nappe d'organes métalliques allongés en contact thermique avec les tubes ( 10) et avec un second fluide, caractérisé en ce que les tubes ( 10) sont de section rectangulaire, avantageusement carrée, et en contact avec les organes allongés adjacents ( 11 a, 11 b) par toute la surface des faces en regard desdits organes, ledit échan- geur étant prévu pour des transferts de chaleur avec au moins un fluide supplémentaire (fluide C ou D) circulant autour de l'échangeur ou dans une nappe de tubes supplé- mentaire. 2 Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes sont disposés horizontalement. 3 Echangeur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits tubes ( 10) et lesdits organes allongés ( 11 a, 11 b) sont en acier protégé contre les corrosions d'origine externe et reliés thermiquement par galvanisation à chaud. 4 Echangeur suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que lesdites surfaces parallèles sont sensiblement verticales lors de l'utili- sation et sont planes. Echangeur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces parallèles de l'échangeur sont sensiblement verticales et au moins partiellement cylindriques, de façon à réaliser une disposition en U ou en cylindre, les tubes et organes allongés étant enroulés en hélice. 6 Echangeur suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des tubes supplémentaires permettant à l'échangeur de véhicu- ler un nombre de fluides supérieur à 1. 7 Echangeur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les organes allongés sont consti- tués par des ailettes en profilés ou tôles pliées (l 1 b). à 2505474 il -. 8 Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes et/ou les organes allonges sont cons- titués en un matériau bon conducteur de la chaleur apte à la réalisation de profilés par filage ou pliage de tôle. S 9 Echangeur de chaleur délimité par deux surfaces parallèles destinées à être placées en position sensiblement verticale lors de l'utilisation, comportant une nappe ou faisceau de tubes métalliques parallèles reliés de façon à constituer un circuit pour un premier fluide et imbriqués avec une nappe d'organes métalliques allongés (lia) consti- tués par des seconds tubes en contact thermique avec les premiers tubes et destinés à être parcourus par un second fluide, caractérisé en ce que les tubes ( 10, 11 a)-sont de section rectangulaire, avantageusement carrée, et en ce que des moyens sont prévus pour former, sur les surfaces verticales, de la glace dont la chaleur latente est fournie à un circuit thermodynamique pour lequel le circuit de premier fluide constitue évaporateur. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, à surfaces verticales, caractéri- sé en ce qu'il comporte à sa partie supérieure un canal destiné à alimenter en eau de ruissellement les surfaces verticales de l'échangeur pendant les périodes o l'on doit former de la glace sur les surfaces. 11 Echangeur suivant la revendication 10, intégré à une installation de chauffage à pompe de chaleur dont il constitue l'évaporateur parcouru par un fluide thermodyna- mique constituant le premier fluide, caractérisé en ce que les organes allongés, constitués par de seconds tubes, sont placés dans un circuit parcouru par un fluide caloporteur incongelable en provenance d'échangeurs solaires ou d'une capacité contenant un fluide chaud destiné à décoller la glace des surfaces de l'échangeur.