Brevet FR2503343A1 — publié le 19821008

1. La présente invention concerne les échangeurs de chaleur comprenant des batteries de tubes. Dans de tels échangeurs, l'échange de chaleur a lieu entre un premier fluide circulant à l'intérieur des tubes de la batterie, dit "fluide interne" et un second fluide léchant les tubes extérieurement, dit "fluide externe". Dans les échangeurs atmosphériques, c'est-à-dire ceux dont le fluide externe est l'air atmosphérique, il peut exister en outre une alimentation externe des tubes distribuant un liquide dit "fluide d'arrosage", généra- lement de l'eau, tombant par gravité en ruisselant sur la surface extérieure des tubes: il s'agit alors de réfri- gérants dits "secs arrosés". Le fluide interne est soit un liquide, soit un gaz, soit un gaz en voie de condensation, ou un liquide en ébullition. Les tubes sont soit en matière plastique, soit métalliques; ils sont lisses ou pourvus de surfaces d'échange complémentaires, telles que des ailettes. Les batteries sont constituées d'un ensemble de lits de tubes superposés, chaque lit étant constitué d'un alignement de tubes dans un plan substantiellement perpendiculaire au flux du fluide externe. La longueur des tubes définit la longueur du lit et celle de la bat- terie. La largeur du lit définit la largeur de la batte- rie. La dimension de la batterie parallèlement au flux du fluide externe est son épaisseur. Dans chaque lit, les tubes sont généralement équidistants les uns des autres et, entre eux, les lits sont équidistants les uns des autres. Par contre, d'un lit à un lit contigu, les tubes sont généralement décalés de telle sorte que les tubes d'un lit se situent entre ceux du lit contigu, c'est-à-dire que, dans tout plan perpendiculaire à la longueur de la batterie, les tubes ont une disposition en quinconce. 2. Pour des raisons économiques, on cherche lors du dimensionnement des réfrigérants à avoir des dimen- sions de batterie aussi grandes que possible, qui sont généralement limitées par les conditions de manutention et de transport. Les longueurs sont généralement de 10 à 12 m et les largeurs généralement de 2 à 3 m. Quant aux épais- seurs, elles sont nettement plus faibles, de 0,50 à 1 m. Dans les échangeurs de chaleur connus, les ex- trémités de ces tubes sont raccordées à deux bottes de connexion destinées à amener le premier fluide à ces tubes et à l'évacuer. Toutefois, pour améliorer l'échange de chaleur entre le premier et le second fluide, les bottes de connexion servant à amener et à évacuer le premier fluide ne sont raccordées qu'à certaines extré- mités des tubes, les autres extrémités étant raccordées entre elles par des bottes de connexion de façon à per- mettre le passage du premier fluide successivement à l'intérieur d'au moins deux tubes, ou mieux de plusieurs, avant son évacuation. On fait ainsi généralement effec- tuer quatre passes au premier fluide à travers la batte- rie avant de l'évacuer. En pratique des bottes de connexion sont prévues à chaque extrémité de la batterie et ces bottes sont divisées en autant de chambres qu'il est nécessaire pour obtenir le nombre de passes souhaité. Or, ces bottes de connexion sont coûteuses, dif- ficiles à installer et ne permettent pas aisément la détection et la réparation des fuites. Le but de l'invention est de remédier aux in- convénients présentés par ces bottes de connexion. A cet effet, la présente invention a pour objet un échangeur de chaleur entre un premier fluide et au moins un second fluide, du type comprenant a) une batterie de tubes de Orande rncu-ur dis- posés suivant un ense:mble de lits de tubes superposés, chaque lit étant constitué d un ensemble de tubes 3. parallèles, le premier fluide circulant à l'intérieur des tubes et le second fluide circulant à l'extérieur des tubes perpendiculairement aux lits de tubes; b) des bottes de connexion raccordées aux extré- mités de certains de ces tubes et destinées à amener le premier fluide à ces tubes ou à l'évacuer; et c) des moyens pour raccorder entre elles les autres extrémités des tubes de façon à permettre le pas- sage du premier fluide successivement à l'intérieur d'au moins deux tubes, caractérisé en ce que les boites de connexion sont rac- cordées uniquement aux extrémités d'une rangée de tubes s'étendant dans le sens perpendiculaire aux lits ou aux extrémités d'un nombre limité de telles rangées de tubes successives et en ce que les moyens pour raccorder entre elles les autres extrémités des tubes sont constitués par par des éléments de liaison substantiellement horizontaux qui raccordent deux tubes successifs d'un même lit. L'art antérieur et l'invention seront décrits ci-après à l'aide des dessins annexés dans leur appli- cation aux réfrigérants atmosphériques secs arrosés, constitués de batteries horizontales de tubes refroidies par de l'air circulant verticalement à contre-courant d'un flux d'eau tombant en chute libre àtravers la bat- terie en ruisselant sur les tubes. Sur ces dessins: les Fig. la, lb, le, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3_, 4a, 4b et 4creprésentent des échangeurs de chaleur en dehors de l'invention; les Fig. 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c représentent des échangeurs de chaleur selon la présente invention; les indices a, b et c désignant respectivement les vues en élévation, les vues en plan et les vues de côté. La Fig. 1 représente un échangeur de chaleur de l'art antérieur. La vue en élévation le représente dans son épais- seur, et celle en plan, dans sa largeur. 4, Cet échangeur comprend une batterie de tubes 1, rectilignes disposés suivant des lits horizontaux superposés, chaque lit étant constitué d'un ensemble de tubes parallèles. Ces tubes sont réunis de distance en distance par des dispositifs d'entretoisement 2 et sont raccordés de façon étanche à leurs deux extrémités à une première botte de connexion 3 et à une seconde botte de connexion 4. La botte de connexion 3 est divisée en trois compar- timents 3a, 3b, 3c par des cloisons horizontales 5 et 6. Le compartiment 3a comporte un organe 7 de raccordement à une conduite d'admission du fluide interne à refroidir et le compartiment 3e comporte un organe 8 de raccorde- ment à une conduite d'évacuation du fluide interne re- froidi. La botte de connexion 4 est divisée par une cloison horizontale 9 en deux compartiments 4a et 4b. L'air atmosphérique de réfrigération est intro- duit sous la batterie et est aspiré ou refoulé vers le haut suivant la flèche A. De l'eau est pulvérisée au-dessus de la batterie et ruisselle sur les tubes suivant la flèche E. Le fluide à refroidir qui entre dans le compartiment 3a suivant la flèche I effectue successivement quatre passes, à savoir entre les ccupartints 3a et 4a, 4a et 3b, 3b et 4b et 4b et 3c et sort du Onpartimnt 3c suivant la flèche J. Dans le cas fréquent o le fuide interne est de l'eau liquide, la vitesse de l'eau dans un tube est: Q Np (I) S Nb.Nl.Nt o Q est le débit d'eau du réfrigérant Np est le nombre de passes Nb est le nombre de batteries Nl est le nombre de lits de tubes par batterie Nt est le nombre de tubes par lit S est la surface de la lumière d'un tube Les valeurs acceptables pour v sont comprises entre d'étroites limites, le maximum étant déterminé 5. par les pertes de charge hydrauliques et l'érosion et le minimum par la qualité de l'échange thermique et le coOt (fonction de la quantité totale de tubes = Nb.Nl.Nt et de leur dimension S). v doit, par exemple, être compris entre 0,5 et 2,0 m/s. Ni est déterminé par les exigences de l'échange thermique, ainsi que par les pertes de charge aérauliques qui y sont proportionnelles. Lorsque la batterie est constituée de tubes en matière plastique, ceux-ci sont de faible section (dia- mètre de l'ordre de grandeur de 10 à 20 mm) et le nombre de lits est relativement élevé (16 à 50 par exemple). On a représenté sur la Fig. 2 un échangeur de chaleur dans lequel on a remplacé les bottes de connexion de l'échangeur représenté sur la Fig. 1 qui couvrent la section (largeur x épaisseur) complète de la batterie, par deux boites de connexion, l'une 10 d'amenée du fluide interne dans les tubes 1 supérieurs correspondant à la première passe et l'autre 11 d'évacuation du fluide in- terne de la dernière passe, avec des coudes 12 assurant la liaison des tubes entre les différentes passes, de la première à la dernière. Cette disposition n'est pas non plus satisfai- sante parce que les bottes de connexion sont encore re- lativement grandes, alimentant plusieurs lits, et donc coûteuses, que les coudes ont des dimensions très variées et sont donc coûteux à la fabrication et au montage, que l'encombrement des raccordements hydrauliques est grand et que les coudes se chevauchent rendant pratiquement impossible l'accès aux coudes intérieurs. Pour remédier à ces inconvénients, on pourrait concevoir un échangeur de chaleur, comme représenté sur la Fig. 3, dans lequel les bottes de connexion 13 et 14 respectivement d'amenée du fluide interne et d'évacuation du fluide interne ne sont reliées qu'à deux lits de tubes 1 et dans lequel les raccordements entre les diverses 6. passes sont réalisés par des coudes 15 identiques. Avec cette configuration on diminue l'épaisseur des boites de con- nexion, mais l'on accroît le nombre de passes. Comme la perte de charge hydraulique dans les tubes A. hh est proportionnelle à la longueur de tubes par- courue par l'eau, c'est-àdire au produit 'L (longueur de la batterie) x Np (nombre de passes) et approximati- vement au carré de la vitesse v, on a: 2 Q 2 A\ hh proportionnel à v2.L.Np = () .Np-3L S.Nb.Nt.Nl Le terme au carré est plus ou moins fixé par le débit de fluide interne et par la charge thermique et est indépendant de l'agencement hydraulique des batteries. La perte de charge hydraulique est donc, en première approximation, pour des batteries semblables, proportion- nelle au cube du nombre de passes. Les configurations du type de celles représentées sur la fig. 3 à nombre très élevé de passes ne sont donc pas satisfaisantes. On pourrait alors penser à ajouter, comme re- présenté sur la Fig. 4, des boites de connexion intermé- diaires 16 et 17 semblables aux boîtes 13 et 14 de la batterie de la Fig. 3 pour revenir au nombre de passes initial, soit quatre dans l'exemple représenté à la Fig. 1. Mais, cette configuration n'est pas non plus satis- faisante parce que les bottes de connexion étant relati- vement longues (leur longueur est égale à la largeur de la batterie), distribuant donc le fluide interne à un nombre relativement grand de tubes, doivent être relati- vement épaisses. En conséquence, la présence de boites contiguës telles que les boîtes 16 et 17 ne permet pas, si l'on veut un débit satisfaisant du fluide interne, de maintenir entre deux lits contigus alimentés l'un par une boite et l'autre paruneautre boîte, l'écartement nor- mal entre les lits en raison de l'épaisseur de-ces-boîtes, ce qui est néfaste aux points de vue thermique, aéraulique et technologique. De plus, le mouvement relatif des fluides, 7. qui consiste dans la situation en série dans le flux d'air de plusieurs sous-batteries fonctionnant selon un système mixte courants croisés/contre-courant, n'est pas favorable du point de vue thermique. On a représenté sur la Fig. 5 un échangeur de chaleur selon l'invention qui diffère fondamentalement des échangeurs de chaleur connus à batteries de tubes ou de ceux que l'on pouvait concevoir à partir des échangeurs de chaleur connus. Cet échangeur comprend de manière classique une batterie de tubes 1 rectilignes disposés en quinconce suivant des lits horizontaux superposés. Le fluide externe est introduit sous la batterie et circule vers le haut suivant la flèche A. De l'eau est pulvérisée au-dessus de la batterie et ruisselle sur les tubes suivant la flèche E. La batterie comprèend à l'une de ses extrémités une série de bottes de connexion l8à etl8b respectivement d'amenée du fluide interne et d'évacuation de ce fluide interne. Ainsi, le fluide interne entre dans une boite de connexion 18a suivant la flèche I et sort d'une botte de connexion 18b suivant la flèche J. Ces bottes sont étroites et s'étendent dans le sens vertical sur toute l'épaisseur de la batterie. Elles sont raccordées seu- lement à deux rangées successives verticales de tubes 1 disposés en quinconce. Entre les bottes 18a et 18b deux rangées verti- cales successives de tubes sont raccordées aux deux ran- gées verticales suivantes par les tubes coudés horizon- taux 19, le raccordement se faisant ainsi entre les tubes d'un même lit. A l'autre extrémité de la batterie, deux ran- gées verticales successives de tubes sont également rac- cordées aux deux rangées verticales suivantes par des tubes coudés horizontaux 19. Ainsi, les bottes de connexion 18a et 18b ser- vent uniquement à amener et à évacuer le fluide interne, 8. le raccordement des tubes d'une passe à l'autre étant réalisé uniquement par les tubes coudés horizontaux 19. L'alignement des passes successives, avec l'agencement selon la présente invention,est horizontal, contrairement à ce qui existe pour les agencements décrits précédemment. Le fluide interne entrant dans la batterie par une boite de connexion 18a effectue ainsi quatre passes avant de ressortir par la boîte de connexion 18b. Avec cet agencement, il est possible de disposer dans le sens de la largeur de la batterie une succession d'échangeurs élémentaires (par échangeur élémentaire on désigne la partie qui va d'une boite 18a d'amenée du fluide interne à la boite 18b correspondante d'évacuation du fluide). Par rapport à la configuration de la Fig. 4, il y a un plus grand nombre de boîtes, plus courtes et en conséquence plus étroites. Les bottes contiguës (18b, l8a) ne se gênent plus mutuellement lorsqu'on veut res- pecter sur toute l'épaisseur et la largeur de la batte- rie un pas longitudinal et un pas transversal uniques entre les tubes. Par contre, par rapport à la disposition connue de la Fig. 1, la vitesse du fluide interne est conservée et la perte de charge hydraulique n'est pas substantiel- lement modifiée, celle des tubes proprement dits est identique, comme le montre la formule I, puisque l'agen- cement selon l'invention n'a modifié ni Nb, ni Nt, ni Nl, ni Np,et celle des raccordements hydrauliques est plut8t diminuée parce que les coudes et les bottes de connexion étroites et allongées assurent une circulation plus régulière du fluide. Au lieu que l'alimentation de la batterie se fasse sur l'ensemble des tubes des premiers lits, comme connu, l'alimentation selon l'invention se fait sur le premier ou les premiers tubes (de préférence les deux premiers) de l'ensemble des lits. L'agencement selon l'invention présente en outre les avantages suivants 9. - le Droblème de la tenue à la pression des boites de connexion est beaucouo moins comolexe: - la détection et la rémaration des fuites du fluide interne aux raccordements des tubes sont beaucouo olus aisés! - les problèmes de dilatation sont praticue- ment inexistants: alors aue la dilatation est Particuliè- rement appréciable en ce qui concerne l'effet différen- tiel dû aux différences de température entre les tubes de passes différentes, dans la présente invention les tubes pouvent se dilater librement par suite de l'absence des grandes plaques tubulaires. On a représenté sur la Fiq. 6 une variante de l'échangeur représenté sur la Fiq. 5. Au lieu d'être raccordées d'un même côté de la batterie comme sur la Fiq. 5, les boites de connexion 18a destinées à amener le fluide interne sont raccordées à l'un des côtés, tandis que les boites de connexion 18b destinées à évacuer le fluide interne sont raccor- dées à l'autre côté. Comme pour la batterie représentée sur la Fia.5 le raccordement des tubes d'une oasse à l'autre est réa- lisé Dar des tubes coudés horizontaux 19. Avec un tel agencement. le nombre de Passes est imoair. tandis au'il est mair lorsaue toutes les boites sont d'un même côté de la batterie. Dans le cas reorésenté sur la Fia. 6, le nombre de oasses est de trois. En variantes. les tubes coudés reliant deux tubes successifs d'un même lit oeuvent être remplacés var de petites boîtes de connexion reliant horizontale- ment deux tubes successifs d'un même lit. 10. RFEVENDICATIOIES 1. Echangeur de chaleur entre un premier fluide et au moins un second fluide, du type comprenant a) une batterie de tubes (1) de grande lon- gueur disposés suivant un ensemble de lits de tubes su- perposés, chaque lit étant constitué d'un ensemble de tubes parallèles, le premier fluide circulant à l'inté- rieur des tubes et le second fluide circulant à l'extérieur des tubes perpendiculairement aux lits de tubes, b) des bottes de connexion (18a,18b) raccor- dées aux extrémités de certains de ces tubes et desti- nées à amener le premier fluide à ces tubes ou à l'éva- cuer, et c) des moyens pour raccorder entre elles les autres extrémités des tubes de façon à permettre le passage du premier fluide successivement à l'intérieur d'au moins deux tubes, caractérisé en ce que les bottes de connexion (18a,18b) sont raccordées uniquement aux extrémités d'une rangée de tubes s'étendant dans le sens perpendiculaire aux lits ou aux extrémités d'un nombre limité de telles rangées de tubes successives et en ce que les moyens pour raccor- der entre elles les autres extrémités des tubes sont cons- titués par des éléments do liaison substantiellement ho- rizontaux qui raccordent deux tubes successifs d'un même lit. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de liaison sont cons- titués par des tubes coudés (19). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de liaison sont cons- titués par de petites boites à eau. 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que les boîtes de con- nexion (18a,18b) sont disposées d'un même côté de la batterie. 11. 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que les bottes de con- nexion (18a) destinées à amener le premier fluide sont disposées d'un même côté et les boîtes de connexion (18b) destinées à évacuer le premier fluide sont disposées de l'autre côté de la batterie.