Brevet FR2510901A1 — publié le 19830211

Evaporateur tubulaire à rÊrtition équilibrée et procédé de fabrication d'un tel évaporateur La présente invention a pour objet un évaporateur tubulaire à répartition équilibrée entre les tubes qui le constituent. Elle trouve une application particulièrement importante dans les appareils thermiques qui utilisent un fluide condensable, tel qu'un de ceux connus sous la dénomination "fréon", pour effectuer les transferts de chaleur. Ces appareils possèdent en général un seul circuit ou un petit nombre de circuits d'évaporation en parallèle. La raison en est que le montage en parallèle de plusieurs tubes fait natte des problèmes de répartition des débits du fluide en phase liquide entre les tubes, dûs notamment aux différences de température entre les tubes. Or, une répartition irrégulière conduit h des fonctionnements défectueux. Il apparaît en particulier des phénomènes pulsatoires ou des différences de niveau de liquide entre les tubes qui provoquent à leur tour une surchauffe de la vapeur dans les tubes où le niveau de liquide est faible, ce qui diminue les échanges thermiques par l'intermédiaire de la paroi des tubes.Etant donné que l'utilisation de plusieurs tubes en parallèle réduit, pour une même longueur totale de tubes de mEme diamètre, les pertes de charge, donc permet d'augmenter le débit et d'améliorer le rendement, l'invention vise notamment à permettre un équilibrage satisfaisant des débits dans un tel montage en parallèle, et ce sans utiliser des organes coûteux supplémentaires, tels que des ddtendeurs, dans chaque tube. Dans ce but, l'invention propose notamment un évaporateur tubulaire à répartition équilibre comprenant plusieurs tubes placés en parallèle sur un circuit parcouru par un fluide vaporisable en phases liquide et vapeur, caractérisé en ce que tous les tubes comportent, à l'entrée, un étranglement calibré constitué par une déformation de la paroi du tube réduisant sa section de passage. La partie déformée du tube s'inscrit avantageusement toute entière dans la section droite courante du même tube. Ainsi, on peut aisément fixer les tubes par leur partie de section courante à un collecteur d'admission dans lequel la partie terminale déformée fait saillie. L'invention propose également un procédé de fabrication permettant de réaliser de façon économique un tel évaporateur, caractérisé notamment en ce que la paroi des tubes est réalisée par pinçage de ltextrc.mité des tubes dans les mors d'un mandrin jusqu'S application de la paroi du tube contre un calibre cylindrique qui détermine la section étranglée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention et d'applications à divers appareils thermiques. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - la Figure 1 est un schéma de principe montrant une forme possible d'étranglement du tube, en coupe suivant une plan perpendiculaire à l'axe du tube ; - la Figure 2 est une vue en coupe de la partie terminale du tube, suivant le plan SI-II de la Figure 1 - la Figure 3 est un schéma de principe montrant plusieurs tubes disposés en parallèle entre un collecteur d'admission et un collecteur de réception ;; - la Figure 4 est un schéma de principe d'un chauffeeau solaire à fluide condensable utilisant un évaporateur suivant l'invention - la Figure 5 montre une fraction d'un évaporateur d'échange utilisable sur le circuit d'une pompe à chaleur - la Figure 6 est un schéma de principe d'un caloduc de récupération de calories utilisant un évaporateur suivant l'invention. Le tube 10 dont la partie terminale d'entrée est montrée en Figures 1 et 2, est destiné à erre incorporé un évaporateur dans lequel il est en parallèle avec de nombreux autres tubes identiques. En partie courante 11, le tube présente une section droite constante et circulaire. Dans sa partie terminale, il présente une section étranglée de surface s, due à un pincement du tube, suivant quatre plis dans le cas illustré en Figure 1, ce nombre n'étant pas limitatif. Ce plissement du tube peut entre réalisé en serrant, à l'aide de mer 12, son extrémité terminale sur un calibre 13, constitué par une aiguille à section droite circulaire qui pourra être soit cylin#rique, soit légèrement conique pour en faciliter le dégagement. L'utilisation d'un tel calibre permet d'assurer une très bonne reproductibilité de la section s, donc une identité des caractéristiques entre tous les tubes. Les plis 14 sont à parois sensiblement jointives, de sorte que l'espace compris entre eux ne participe pratiquement pas à ltécou- lement.En règle générale, on utilisera un mandrin de serrage à trois ou quatre mors, mais ce nombre peut être augmenté, notamment dans le cas de tubes de forte section. Le serrage est avantageusement effectué de façon que la totalité de la partie étranglée du tube s'inscrive dans l'encombrement de la partie courante 11. On facilite ainsi notablement l'assemblage des tubes. Lorsque, comme illustré en Figure 3, plusieurs tubes 10 do-ivent être montés en parallèle entre un collecteur d'admission ou de répartition 15 et un collecteur de sortie 16, la partie terminale pincée de chaque tube peut être introduite dans un trou circulaire du collecteur d'admission 15 jusqu'à ce que ce soit la partie courante du tube qui se trouve dans le trou. La fixation tanche peut alors être effectuée aisément par tout procédé classique, tel que soudage, brasage ou cludgeon- nage. La fixation des tubes au collecteur de sortie 16 peut s'effectuer par le même procédé. Il faut remarquer au passage que les tubes peuvent être de n'importe quel type habituellement utilisé dans un echangour de chaleur. il peut notamment s'agir de tubes à ailettes planes ou de tubes incorporés dans un faisceau tissé, du genre décrit et revendiqué dans la demande de brevet français 77 24925 et son certificat d'addition. - L'évaporateur montré en figure 3 peut être incorporté dans divers appareils ttsermiques. Il peut notamment cistre monté dans un cbauffe -eau solaire à circulation d'un fluide conclensable tel qu'un "fréon1,. Le chauffe- eau montré à titre d'exemple en Figure 4 comporte un panneau solaire orienté pour recevoir le rayonnement du soleil et dont l'élément actif est formé par un évaporateur du genre montré en figure 3. Les étranglements font ici office de détendeurs et permettent d'uniformiser le niveau de liquide dans les tubes du panneau solaire.On évite ainsi que certains tubes soient en partie occupés par de la vapeur surchauffée dont le coefficient d'échange thermique avec la paroi du tube est faible, ce qui augmente les pertes thermiques vers l'extérieur et diminue le rendement. pnratecir solaire est placé en série avec un serpentin 18 placé dans un ballon d'eau chaude 19 muni d'une tubulure d'amenée d'eau froide 20 et d'une tubulure de sortie d'eau chaude 21. es voyants 22 peuvent être placés sur le circuit de fluide condensable pour permettre de vérifier le remplissage. Le fonctionnement de cet appareil est classique : le Fréon en phase liquide provenant du serpentin arrive au collecteur d'admission 15 (flèche en trait plein sur la Figure 43. il se vaporise dans les tubes 10 et s'échappe vers le serpentin en phase vapeur (flèche en tirets). Il se condense de nouveau dans le serpentin. L'évaporateur montré en Figure 3 peut également être utilisé sur le circuit d'une pompe à chaleur. Dans ce cas, l'alimentation en fluide en phase liquide s'effectue par le collecteur supérieur, comme montré sur la Figure 5 où les organes correspondant à ceux de la Figure 3 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice a. Cette fois, les étranglements jouent le role de gicleurs de répartition, à travers lesquels le fluide en phase liquide est projeté sur les parois des tubes 10a où il 'écoule par gravité. A condition que la totalité du fluide soit vaporisée, le débit de phase vapeur fourni par chacun des tubes est le même, étant donné que les étranglements garantissent que le même débit liquide pénètre clans chacun des tubes 10a. Sur la Figure 5, l'échangeur comporte deux nappes de tubes 10a disposées en quinquonce. L'invention ne se limite d'ailleurs pas au cas o l'évaporateur comporte une seule nappe de tubes (Fig. 7) o#i deux (Fig. 5) . Elle s'étend à toutes dispositions, suivant une géométrie par n#ppes planes ou cocwhes. L'évaporateur de la Figure 5 peut aussi bien être prévu pour être soumis à une ventilation forcée des tubes que pour fonctionner en ventilation naturelle, par exemple par exposition à l'air atmosphérique. Un évaporateur suivant l'invention peut également être incorporé dans un caloduc, destiné par exemple à rEcu- parer de la chaleur sur l'air d'extraction d'un bâtiment ou sur des fluides de rejet. La disposition peut alors être celle illustrée schématiquement en Figure 6 et comporter un évaporateur 23 et un condenseur 24 placés en boucle fermée par des conduites de jonction 25 et 26. L'évaporateur 23 présente alors la constitution montrée en Figure 3, les étranglements fonctionnant en dêtendeurs. Un tel caloduc est notamment utilisable pour prélever des calories sur l'air chaud d'une gaine d'air usé évacue vers l'extérieur d'un bâtiment et les transférer à une gaine d'air froid de renouvellement qui balaie le condenseur 24, comme indiqué par la flèche 27. 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 a toute variante restant dans le cadre des équivalences. Revendications 1. Evaporateur tubulaire à répartition cquilibrée, comprenant plusieurs tubes (10) placés en parallèle sur un circuit parcouru par un fluide vaporisable en phases liquide et vapeur, caractérisé en ce que tous les tubes (10) comportent, à l'entrée, un étranglement calibré constitué par une déformation de la paroi du tube réduisant sa section de passage. 2. Evaporateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie déformée du tube s'inscrit toute entière dans la section droite courante (11) du tube. 3. Evaporateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes sont fixés par leur partie de section courante à un collecteur d'admission (15) dans lequel la partie terminale déformée du tube fait saillie. 4. Evaporateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est placé en circuit avec un condenseur (18, 24) pour constituer un appareil de transfert thermique. 5. Evaporateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est incorporé à un chauffe-eau solaire ou à un caloduc, les étranglements constituant détendeurs. 6. Evaporateur suivant la revendication 4, caracte- risé en ce que les tubes sont reliés à leur partie haute à un collecteur d'admission (15a) et sont incorporés à un évaporateur d'échange thermique avec un fluide extérieur, les étranglements calibrés constituant gicleurs d'admission de fluide vaporisable en phase liquide dans les tubes. 7. Procédé de fabrication d'un évaporateur tubulaire à répartition équilibrée, caractérisé en ce que lton déforme la paroi de chacun d'une pluralité de tubes entre un mandrin et un calibre pour constituer un étranglement calibré et en ce que l'on assemble lesdits tubes entre un collecteur d'admission (15) et un collecteur de sortie (16), la partie terminale déformée des tubes faisant saillie dans le collecteur d'admission.