Brevet FR2515802A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, comportant un faisceau, pouvant être sol- licité par de l'air, de tubes métalliques orientés parallèlement, et plus précisément un échangeur de chaleur du type connu par exemple d'après la demande de brevet allemand DE-OS 30 31 624 non publiée, et comportant un faisceau, pouvant être sollicité par de l'air, de tubes métalliques orientés parallèlement et disposés selon au moins une rangée,de préférence selon plusieurs rangées de même longueur placées parallèle- ment l'une à côté de l'autre, les tubes étant fermés hermétiquement et étant agences à la façon de tubes de chaleur, et en outre une tête métallique d'échan- geur, s'étendant perpendiculairement au faisceau tubu- laire et pouvant être parcourue par un agent calo- porteur, laquelle tête est isolée de façon étanche, en ce qui concerne l'écoulement, par rapport aux cavités de tubes de chaleur du faisceau tubulaire, tout en étant cependant placée en liaison de trans- mission de chaleur avec ces cavités. L'échangeur de chaleur représenté dans ce document antérieur sert sélectivement au refroidisse- ment ou au chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile Aux deux extrémités du faisceau tubulaire, il est prévu respectivement des têtes d'échangeur différentes, dont l'une peut être sollicitée par de l'eau chaude pour le chauffage et l'autre par un agent frigorifique pour le refroidissement La distribution de la chaleur ou du froid d'entrée au courant d'air est assurée par le faisceau tubulaire dont les tubes sont agencés sous la forme de ce qu'on appelle des tubes de chaleur Des agencements semblables d'un échangeur de chaleur pouvant être utilisé sélective- ment aussi bien pour un refroidissement que pour un chauffage sont décrits dans la demande de brevet -2- allemand publiée sous le N O 27 56 119 et dans la demande de brevet allemand publiée sous le N O 28 00 265. L'invention a pour but de fournir un agence- ment de l'échangeur de chaleur qui puisse être fabriqué rationnellement et qui permette d'obtenir une bonne transmission de chaleur entre l'agent de transport de chaleur et les tubes de chaleur. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que la tête d'échangeur est constituée d'au moins un corps stratifié à liaisons localisées par rangée de tubes, ce corps étant orienté parallèlement à la rangée de tubes associée, ayant une forme plate et étant formé de trois couches séparées par gonflage pour constituer deux canaux ou réseaux de canaux indépendants, un des canaux d'un corps stratifié canal de tubes de chaleur - étant relié aux cavités de tubes de chaleur de la rangée de tube, tandis que l'autre canal canal d'agent caloporteur peut être sollicité par l'agent calopor- teur Du fait de l'utilisation de corps stratifiés à liaisons localisées à trois couches comportant deux canaux ou réseaux de canaux séparés, il est possible de former d'une manière rationnelle et peu coûteuse de nombreux canaux séparés l'un de l'autre et entre lesquels, cependant, il existe une liaison intime de transmission de la chaleur D'autre part, du fait d'un compactage dense de nombreux corps stratifiés à liaisons loca Jisées mutuellement adjacents dans un petit volume, il est possible d'obtenir un échange de chaleur intime entre les différents volumesd'écou- lement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: -3- Les Figures 1 et 2 sont respectivement une vue en élévation, faite dans la direction d'écoulement de l'air (Figure 1), et une vue dans une direction perpendiculaire (Figure 2) d'un premier exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'in- vention, comportant des tubes circulaires à l'intérieur du faisceau tubulaire; Les Figures 3 et 4 sont des vues semblables d'un autre exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, comportant deux corps stratifiés à liaisons localisées par rangée de tubes, et Les Figures 5 et 6 sont respectivement une vue latérale dans une direction perpendiculaire à l'écoulement d'air (Figure 5) et une vue en plan de dessus (Figure 6) d'un autre exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dans lequel également les tubes sollicités par l'air sont formés par les corps stratifiés à liaisons localisées. Les deux échangeurs de chaleur 1, 1 ' repré- sentés sur les Figures 1 à 4 se composent essentielle- ment d'une tête d'échangeur 2, 2 ' ainsi que d'un faisceau tubulaire sortant de celles-ci, sollicité par de l'air et comportant des tubes parallèles 6 qui sont répartis en plusieurs rangées 7, 7 ' disposées ' parallèlement l'une à côté de l'autre, à peu près de même longueur, et orientées perpendiculairement au courant d'air 5 Les tubes du faisceau tubulaire sont reliés par groupes et forment des cavités de tubes de chaleur, qui sont séparées, en ce qui concerne l'écou- lement, et isolées de façon étanche par rapport aux volumes de la-tête d'échangeur qui peuvent être solli- cités par un agent caloporteur A l'intérieur de la tête d'échangeur, il existe une bonne liaison de trans- mission de chaleur entre les canaux d'écoulement de l'agent caloporteur, les canaux de transmission de -4- chaleur 9, d'une part, et les parties des cavités de tubes de chaleur du faisceau tubulaire qui sont situés dans la tête d'échangeur de chaleur, les canaux 8 formés par les tubes de chaleur, d'autre part Les tubes de chaleur répartissent, dans le cas de faibles baisses de températures, la chaleur absorbée dans toute la section du courant d'air 5. On peut également prévoir sur le faisceau tubulaire deux têtes d'échangeur dont l'une est avan- tageusement placée en haut et peut être sollicitée, lors du refroidissement du courant d'air, par un agent frigorifique à vaporiser, tandis que la tête inférieure d'échangeur est utilisée pour le chauffage et est parcourue alors par de l'eau chaude Les cavités de tubes de chaleur du faisceau tubulaire ou des rangées de tubes pénètrent aussi bien dans la tête supérieure que dans la tête inférieure d'échangeur Lors du chauffage, l'agent se trouvant dans les cavités de tubes de chaleur est vapo- risé en bas, il monte dans les tubes 6, il cède sa chaleur au travers de la paroi des tubes au courant d'air et il se condense sur la face intérieure des tubes; le condensat revient vers la zone chauffée sous l'influence de la gravité et/ou par action capillaire d'une structure appropriée de la face intérieure des tubes, de sorte que le circuit se ferme Lors du refroi- dissement du courant d'air, l'alimentation en eau chaude est évidemment coupée et, au contraire, l'agent frigo- rifique à vaporiser est canalisé dans la tête supérieure d'échangeur Dans ce mode de fonctionnement, l'agent se trouvant dans les cavités de tubes de chaleur est vaporisé dans les tubes 6 du faisceau qui sont solli- cités par le courant d'air, de sorte que de la chaleur est cédée par l'air L'agent vaporisé monte à l'inté- rieur des tubes et se condense dans les parties des cavités de tubes de chaleur qui sont situées dans la -5- tête supérieure d'échangeur, la chaleur cédée étant transmise à l'agent frigorifique et provoquant son évaporation Le condensat formé s'écoule vers le bas sous l'action de la gravité et/ou par action capillaire à l'intérieur des tubes jusque dans la partie des cavités de tubes de chaleur qui est sollicitée par le courant d'air 5, ce qui provoque également une ferme- ture du circuit Dans chaque cas, la partie-condensation des cavités de tubes de chaleur est disposée, dans le sens de la force de gravité, au-dessus de la partie- évaporation, de sorte que cela favorise un reflux du condensat sous l'influence de la gravité Cela a égale- ment un effet favorable sur l'efficacité de transmission de chaleur Pour améliorer la transmission de chaleur entre le courant d'air et les tubes 6, on fixe sur ceux-ci par frettage des tôles perforées qui sont balayées par l'air Le frettage est avantageusement produit par une expansion des tubes après enfilage des tôles. Dans les échangeurs de chaleur des Figures 1 à 4, les têtes d'échangeurs sont formées par plusieurs corps stratifiés à liaisons localisées, comportant trois couches qui ont été séparées par gonflage, lesquels corps sont disposés perpendiculairement à la direction de l'écoulement d'air 5 Dans l'exemple des Figures 1 et 2, il est prévu un corps stratifié 10 pour chaque rangée de tubes alors que, par contre, dans l'exemple de réalisation des Figures 3 et 4, il est prévu deux corps stratifiés 10 ' par rangée de tubes Du fait de la structure à trois couches du corps stratifié de forme plate, il est possible de former dans celui-ci deux canaux séparés ou réseaux de canaux séparés, dont l'un constitue le canal de tube de chaleur 8 et l'autre le canal d'agent caloporteur 9 de la tête d'échangeur. Le canal de tube de chaleur est agencé sous la forme -6- d'un réseau de canaux approximativement en forme d'é- chelle dont les tronçons de canaux correspondant aux barreaux de l'échelle sont orientés parallèlement aux tubes 6 Le canal d'agent caloporteur est par contre agencé sans dérivation et il est disposé en forme de méandres sur toute l'étendue du corps stratifié, les tronçons verticaux du canal d'agent caloporteur étant placés en coïncidence avec les tronçons correspondants aux barreaux d'échelle du canal de tube de chaleur, de sorte que les deux types de canaux sont disposés en coïncidence sur la plus grande partie possible de leur étendue Le canal de tube de chaleur d'un-corps stra- tifié comporte plusieurs canaux de dérivation 11 orien- tés en direction du bord et dont chacun est relié de façon étanche à un tube de la rangée correspondante, par exemple par une soudure Le tube est légèrement aplati dans la zone de transition correspondante alors que, par contre, le canal de dérivation est légèrement expansé par rapport aux autres sections de canal. Les cavités de tubes de chaleur des différents corps stratifiés ne comportent aucune liaison transver- sale entre elles dans les exemples de réalisation des Figures 1 à 4 Dans les corps stratifiés qui sont orien- tés perpendiculairement à la direction d'écoulement de l'air, les cavités des tubes de chaleur peuvent dans ce cas être réglées individuellement, sur la base d'un remplissage déterminé, à des points de fonctionnement déterminés, de sorte que même pour les rangées de tubes qui sont situées plus en arrière dans le courant d'air, on peut encore obtenir, malgré la diminution de la différence de température entre l'air et les tubes, une transmission de chaleur optimale. Du fait qu'il est prévu deux corps stratifiés ' pour chaque rangée de tubes 7 ', il est possible de disposer par unité de volume de construction de la tête -7- d'échangeur, de plus grandes surfaces d'échange de chaleur entre les canaux d'agent de transmission de chaleur et les canaux de tubes de chaleur, de sorte que, dans le cas d'une longueur et d'une largeur pré- déterminées de la tête d'échangeur, celle-ci peut être réalisée sous une forme plus plate La prévision de deux corps stratifiés par rangée de tubes offre en outre l'avantage que ces corps peuvent être stratifiés en bloc à l'intérieur de la tête d'échangeur, ce qui suppose naturellement que l'épaisseur totale d'un corps stratifié corresponde au moins à peu près au rayon des tubes et qu'en outre les tubes de corps stratifiés adjacents doivent être disposés en chicane les uns par rapport aux autres Pour pouvoir placer les tubes associés à une paire de corps stratifiés selon une rangée rectiligne de tubes 7 ', les tubes associés à l'un des corps stratifiés sont disposés excentriquement par rapport à celui-ci et les deux corps stratifiés associés à une rangée de tubes, ainsi que les tubes associés, sont alors disposés comme des images spéculaires mutuelles. Dans l'exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur représenté sur les Figures 5 et 6, les tubes 6 ' d'une rangée du faisceau tubulaire sont également constitués par un corps stratifié à liaisons localisées qui a été mis en forme par gonflage et qui est intégré au corps stratifié associé à la rangée dans la tête d'échangeur 3 ou 3 ' pour former une unité monobloc d'une plaque d'échangeur de chaleur 12 Avec cet agencement des rangées de tubes, les tubes ont une section droite en forme de poisson, de sorte qu'il est plus avantageux d'orienter le courant d'air parallèle- ment aux rangées de tubes Pour permettre une traversée par l'air perpendiculairement aux plaques d'échangeur, il est prévu entre les tubes 6 ' des fentes longitudi- -8 nales 13 orientées parallèlement auxdits tubes et qui sont subdivisées par des entretoises de stabilisation 14, en plusieurs passages plus courts qui sont disposés l'un derrière l'autre Pour favoriser l'échange de cha- leur entre l'air et la partie de la plaque d'échangeur qui est sollicitée par celui-ci, il est prévu dans la zone comprise entre les différents tubes plusieurs languettes 15 faisant saillie du plan de la plaque et agencées à la façon d'ailettes de transmission de chaleur, qui sont formées par poinçonnage et pliage à partir du matériau de la plaque. Comme le montre la vue de dessus de la Figure 6, les différents corps stratifiés de l'échan- geur de chaleur peuvent être formés à partir d'une platine continue par pliage de celle-ci à plat sur elle-même en zig-zag Cela offre la possibilité d'uti- liser pour la fabrication de corps stratifiés des pla- tines de plus grandes dimensions plus rationnelles à fabriquer et à manipuler. L'exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur 1 ' représenté sur les Figures 5 et 6 comporte deux têtes d'échangeur identiques 3 et 3 ' La particu- larité de cet échangeur de chaleur consiste, entre autres, dans la division des têtes d'échangeur; en effet, elles sont divisées perpendiculairement à l'orientation des rangées de tubes ou bien perpendicu- lairement à la direction d'écoulement de l'air en deux sections séparées l'une de l'autre et pourvues indivi- duellement de tubulures d'admission ou de décharge débouchant à l'extérieur Les canaux de tubes de cha- leur 9 des différents corps stratifiés placés l'un à côté de l'autre sont reliés entre eux, en ce qui con- cerne l'écoulement, du côté-entrée et du-côté-sortie respectivement par l'intermédiaire d'un tube de liaison 4 dans lequel débouche une tubulure d'admission ou -9- duquel part une tubulure de décharge, respectivement. Du fait de la division des têtes d'échangeur en deux sections placées l'une derrière l'autre, celles-ci peuvent être fermées individuellement, de sorte qu'on peut isoler une seule des sections et qu'en correspondance la partie associée de la tête d'échangeur peut être sollicitée séparément Un tel agencement de l'é- changeur de chaleur ou des têtes d'échangeur est avan- tageux pour le séchage d'air humide Dans ce cas, les trois tubes 6 ' des rangées qui sont placés en premier dans le courant d'air sont refroidis du fait que du réfrigérant se trouvant à une température inférieure au point de rosée de l'air est introduit dans la tête supérieure 3, auquel cas la section arrière de la tête d'échangeur est fermée et en correspondance les trois tubes arrière des rangées ne sont pas refroidis Simul- tanément, cependant, la tête inférieure 3 ' est parcou- rue par de l'eau chaude, sa section avant étant fermée, et seulement les tubes arrière des rangées sont chauf- fés Avec un tel mode opératoire, on peut enlever l'hu- midité contenue dans l'air passant dans l'échangeur de chaleur, cette humidité se condensant sur les tubes avant 3; ensuite, l'air refroidi est réchauffé jusqu'à la température normale sur les tubes arrière, de sorte que l'air séché prend ou conserve la température am- biante normale. - REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comportant un fais- ceau, pouvant être sollicité par de 1 ' a Lr, de tubes métalliques orientés parallèlement et disposés selon au moins une rangée, de préférence selon plusieurs rangées de même longueur placées parallèlement l'une à côté de l'autre, les tubes étant fermés hermétiquement et étant agencés à la façon de tubes de chaleur, et en outre une tête métallique d'échangeur, s'étendant perpendiculairement au faisceau tubulaire et pouvant être parcourue par un agent caloporteur, laquelle tête isolée de façon étanche, en ce qui concerne l'écoule- ment, par rapport aux cavités de tubes de chaleur du faisceau tubulaire, tout en étant cependant placée en liaison de transmission de chaleur avec ces cavités, caractérisé en ce que la tête d'échangeur ( 2,2 ',3,3 ') est constituée d'au moins un corps stratifié ( 10,10 ') par rangée de tubes ( 7,7 '), ce corps étant orienté parallèlement à la rangée de tubes associée ( 7,7 '), ayant une forme plate et étant formé de trois couches séparées par gonflage pour constituer deux canaux ou réseaux de canaux indépendants, un des canaux d'un corps stratifié ( 10,10 ') canal de tubes de chaleur ( 8) étant relié aux cavités de tubes de chaleur de la rangée de tubes ( 7,7 '), tandis que l'autre canal canal d'agent caloporteur ( 9) peut être sollicité par l'agent caloporteur. 2. Echangeur de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le canal de tubes de chaleur ( 8) est agencé sous la forme d'un réseau de canaux approximativement en forme d'échelle, dont les tronçons de canal correspondant aux barreaux de l'é- chelle sont orientés parallèlement aux tubes ( 6) de la rangée ( 7,7 '). 2 5 1 5 8 0 2 il - 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le canal de tubes de chaleur ( 8) comporte plusieurs canaux de dérivation ( 11), dirigés vers le bord du corps strati- fié ( 10,10 ') et dont chacun est relié de façon étanche à un tube ( 6) de la rangée correspondante ( 7,7 '). 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le canal d'agent de transport de chaleur ( 9) est disposé sans dérivation en forme de méandres sur toute l'éten- due du corps partiellement stratifié ( 10,10 '). 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le canal d'agent de transport de chaleur ( 9) et le canal de tubes de chaleur ( 8) sont disposés en coïncidence sur une partie aussi grande que possible de leur étendue. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu pour chaque rangée de tubes ( 7 ') et pour chaque tête d'échangeur ( 2 ') deux corps stratifiés ( 10 '), auquel cas alternativement un tube ( 6) aboutit à l'un des corps stratifiés ( 10 ') tandis que le tube immédia- tement adjacent ( 6) aboutit à l'autre corps stratifié ( 10 '), les tubes associés à l'un des corps stratifiés ( 10 ') étant notamment orientés alternativement comme des images spéculaires mutuelles et excentriquement par rapport au corps stratifié correspondant (Figures 3 et 4). 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur totale d'un corps stratifié ( 10 ') est au moins égale approximativement au rayon des tubes et en ce que les corps stratifiés ( 10 ') d'une tête d'échangeur ( 2 ') sont stratifiés en bloc, les tubes ( 6), qui sont associés à des corps stratifiés adjacents ( 10 ') étant disposés en chicane l'un par rapport à l'autre. 15802 12 - 8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les rangées de tubes ( 7,7 ') et les corps stratifiés ( 10,10 ') sont disposés perpendiculairement au courant d'air ( 5). 9 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les tubes ( 6) d'une rangée sont agencés également sous forme de corps stratifiés à liaisons localisées mis en forme par gonflage, qui sont intégrés au corps stratifié, associé à la rangée, dans la tête d'échangeur ( 3,3 ') pour former une unité monobloc correspondant à une plaque d'échangeur ( 12). 10. Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 9, caractérisé en ce que les plaques d'échangeur ( 12) comportent entre les tubes des fentes longitudina- le S ( 13) orientées parallèlement auxdits tubes et per- mettant un passage de l'air dans une direction perpen- diculaire à la plaque d'échangeur ( 12). 11. Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 10, caractérisé en ce que les fentes longitudi- nales sont subdivisées par des entretoises de stabili- sation en plusieurs passages plus courts disposés l'un derrière l'autre. 12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les plaques d'échangeur ( 12) comportent, dans la zone située entre les différents tubes ( 6 '), plusieurs languettes ( 15) agencées à la façon d'ailettes de de transmission de chaleur et formées par poinçonnage du matériau des plaques de façon à faire saillie du plan desdites plaques. 13. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les plaques d'échangeur ( 12) sont orientées parallèlement au courant d'air ( 5). 13 - 14. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les corps partiellement stratifiés de l'échangeur de chaleur ( 1 "') ou de la tête d'échangeur ( 3,3 ') sont constitués par un corps stratifié unitaire de dimensions appropriées plus importantes, qui a été soumis à un pliage à plat sur lui-même en zig-zag. 15. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il est prévu aux deux extrémités du faisceau tubulaire res- pectivement une tête d'échangeur ( 3,3 '), l'une des têtes ( 3) pouvant être sollicitée par un agent calo- porteur conditionné à une température supérieure à la température ambiante, tandis que l'ai-re tête ( 3) peut être sollicitée par un agent caloporteur conditionné à une température plus froide que la température de point de rosée de l'air, et en ce que les canaux d'agent caloporteur ( 9) des corps stratifiés sont divisés, dans la zone des deux têtes d'échangeur ( 3,3 '), en deux sec- tions ( 16,17) indépendantes l'une de l'autre, qui sont pourvues respectivement de tubulures d'entrée et de sortie débouchant vers l'extérieur, présentent de pré- férence la même grandeur et sont placées l'une derrière l'autre en considérant la direction de l'écoulement de l'air, ou en ce que les différents canaux d'agent caloporteur sont réunis sous forme de deux sections agencées de manière qu'une partie des rangées de tubes du faisceau puisse être sollicitée isolément à partie d'une des têtes d'échangeur ( 3) et que simulta- nément l'autre partie des rangées de tubes puisse être sollicitée à partir de l'autre tête d'échangeur ( 3 ').