Brevet FR2515805A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne un échangeur de chaleur du type comprenant plusieurs éléments creux munis extérieurement d'ailettes rayonnantes et ayant chacun un conduit interne dans lequel circule un premier fluide devant échanger de la chaleur avec un second fluide. La présente invention a pour but de fournir un échange geur de chaleur du type susindiqué, qui présente un faible encombrement et une grande efficacité du point de vue échange thermique. Elle a également pour but de fournir un échangeur de chaleur dont la fabrication est simple et peu coûteuse. Enfin, elle a pour but de fournir un échangeur de chaleur dont la puissance thermique peut être facilement modifiée par simple augmentation ou diminution du nombre des élé- ments creux qui le composent, sans nécessiter des modifications importantes des structures annexes. A cet effet, l'échangeur de chaleur selon la-présente invention est caractérisé en ce que chaque élément creux a une forme torique avec un conduit interne ininterrompu sur 3600 et avec au moins une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie pour le premier fluide, qui ont des positions diamétralement opposées sur le tore, en ce que les éléments creux sont assemblés coaxialement - de manière a définir un espace intérieur sensiblement cylindrique communiquant radialement avec l1extérieur par des fentes circulaires formées entre les éléments creux et partiellement obstruées par les ailettes, en ce que des moyens de raccordement sont prévus pour raccorder entre elles les ouvertures des éléments creux de manière a définir un circuit pour le premier fluide, en ce que des moyens sont prévus pour obturer au moins l'une des extrémités dudit espace intérieur cylindrique, et en ce que des moyens sont prévus pour permettre l'introduction du second fluide dans ledit espace intérieur. Le parcours suivi par le second fluide est très court. 11 pénètre axialement dans l'espace intérieur cylindrique de l'échangeur, puis passe radialement à travers les fentes circulaires entre les éléments creux et leurs ailettes et enfin débouche dans une enveloppe , par exemple cylindrique, qui entoure l'échan- geur et sert de collecteur de sortie pour le second fluide. L'importante surface d'échange offerte par chaque ailette permet un transfert calorifique important entre les deux fluides en un seul passage dans l'échangeur. La forme particulière de cet échangeur, avec un circuit d'échange très court, permet d'avoir un très faible encombrement tout en ayant un transfert calorifique très efficace. En outre, la forme torique des éléments creux permet de réduire au maximum les contraintes résiduelles de fabrication, ainsi que les contraintes thermiques auxquelles les éléments creux sont soumis en fonctionnement, d'où une grande fiabilité de l'échangeur du point de vue mécanique. Chaque élément torique creux peut venir directement de fonderie avec ses ailettes et ses ouvertures d'entrée et de sortie, et ne nécessite aucun usinage précis, d'ot une grande simplicité de construction et un faible coût. Toutefois, chaque élément torique creux et ses ailettes pourraient être aussi réalisés en mécano-soudure par brasage au four par exemple. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre d'une forme d'exécution de I'échangeur de chaleur donnée a titre d'exemple en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 montre schématiquement, en élévation, un échangeur de chaleur conforme à la présente invention comprenant quatre éléments toriques creux. La figure 2 est une vue en plan de l'un des quatre éléments toriques creux de l'echangeur de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe axiale des éléments creux de I'échangeur de la figure 1 dans le cas où ces élé- ments creux sont montés en série du point de vue de la circu lation du premier fluide, les ailettes des éléments creux n'ayant pas été représentées pour ne pas surcharger la figure. La figure 4 est une vue similaire à la figure 3 dans le cas où les éléments creux sont montés en parallèle du point de vue de la circulation du premier fluide. La figure 5 est une vue partielle montrant une première forme possible pour les ailettes des éléments creux, ainsi que la disposition relative des ailettes de deux éléments creux adjacents. La figure 6 montre une deuxième forme possible pour les ailettes, ainsi que leur disposition relative. La figure 7 est une vue en perspective d'une partie d'un élément creux, montrant la disposition relative de ses ailettes supérieures et inférieures dans le cas où les ailettes ont la forme représentée sur la figure 5. L'échangeur de chaleur 1 peut comporter par exemple quatre éléments creux, à savoir deux éléments extrêmes 2a et 2d et deux éléments intermédiaires 2b et 2c comme montré sur les figures 1, 3 et 4. Comme montré sur les figures 2, 3 et 4, chaque élément 2 a une forme torique avec un conduit inter n 3 ininterrompu sur 3600. Chaque élément creux 2 comporte une première paire de bossages circulaires 4 et 5 disposés respectivement de part et d'autre du tore et définissant deux ouvertures circulaires alignées, d'axe parallèle a l'axe du tore, qui communiquent entre elles et avec le conduit interne 3, et une deuxième paire de bossages circulaires 6 et 7 semblables à ceux de la première paire et situes dans une position diamétralement opposée du tore par rapport à la première paire. Comme cela est plus particulièrement visible dans les figures 3 et 4, les éléments toriques 2 sont disposés coaxialement de telle façon que leurs bossages et les ouvertures définies par ces bossages soient alignées deux à deux. Comme montré, les éléments 2 peuvent être maintenus assemblés par des tirants 8 passant dans les trous alignés 9 d'oreillettes 10 prévues à la périphérie des éléments 2 par exemple dans des positions correspondant à celle des bossages 4 et 5 et à celle des bossages 6 et 7 comme montré dans les figures 2, 3 et 4. Les bossages adjacents des éléments 2 sont raccordés deux par deux par des bagues lisses 11 ou 12, appelées "nipples", quisoni engagées à force dans les ouvertures circulaires alignées des bossages adjacents des éléments 2. Comme montré dans la figure 3, chaque bague 11 met en communication les conduits internes 3 de deux éléments adjacents 2, tandis que les bagues 12 sont pourvues en leur milieu d'un voile 13 empechant la communication entre les conduits internes 3 de deux éléments adjacents 2, les bagues 11 et 12 étant disposées de manière à relier les éléments 2 en série du point de vue de la circulation du fluide parcourant leurs conduits internes 3. Deux bouchons 14 obturent respectivement l'ouverture circulaire du bossage 6 de l'élément supérieur 2a et l'ouverture circulaire du bossage 7 de l'élément inférieur 2d.Un tuyau 15 (figure 1) est raccordé au bossage 4 de l'élé- ment supérieur 2a et un autre tuyau 16 (montré en trait mixte dans la figure 1, le tuyau 17 étant alors omis et remplacé par l'un des deux bouchons 14 de la figure 3) est raccordé au bossage 5 de l'élément inférieur 2d. Ainsi, le fluide, par exemple de l'eau, est par exemple admis à travers le tuyau 15 dans l'élément supérieur 2a, puis parcourt successivement les conduits internes 3 des éléments 2a, 2b, 2c et 2d comme cela est indiqué par les flèches noires dans la figure 3, et il sort de l'élément inférieur 2d à travers son bossage 5 et le tuyau 16. Dans la figure 4, il n'y pas de bague 12, mais uniquement des bagues 11 sans voile intérieur, et les deux bouchons 14 obturent respectivement l'ouverture circulaire du bossage 6 de l'élément supérieur 2a et l'ouverture circulaire du bossage 5 de l'élément inférieur 2d. Dans ce cas, les conduits internes 3 des éléments 2a à 2d sont connectés en parallèle et le fluide, par exemple de l'eau, qui est admis à travers le tuyau 15 (figure 1) raccordé au bossage 4 de l'élément supérieur 2a, parcourt simultanément tous les conduits internes 3 comme indi qué par les flèches noires dans la figure 4 et sort à travers le bossage 7 de l'élément inférieur 2d auquel est raccordé le tuyau 17 (figure 1). Comme montré dans les figures 3 et 4, les bossages 4, 5, 6 et 7 des éléments a à 2d ont des hauteurs telles que, après assemblage desdits éléments, des fentes sensiblement circulaires 18 soient formées entre lesdits éléments sauf à l'endroit desdits bossages. Comme montré dans les figures 1, 2 5, 6 et 7, chaque elément 2 comporte des ailettes radiales 19 ou 20 ou 19 et 20 qui obturent partiellement les fentes 18 susmentionnées. Les ailettes de chaque élément 2 peuvent être coplanaires avec les ailettes des éléments 2 adjacents ou elles peuvent être imbriquées entre les-ailettes des élE- ments 2 adjacents. De préférence, chaque élément 2 comporte un voile annulaire intérieur 21 et un voile annulaire extérieur 22 qui sont situés dans le plan de l'équateur du tore de chaque élément 2.Les voiles annulaires 21 et 22 servent de renfort pour les ailettes et, en même temps, ils augmentent la surface d'échange de chaleur. Chacun des deux éléments intermédiaires 2b et 2c comportent une première série d'ailettes 19 qui sont situées d'un côté des voiles intérieur et extérieur 21 et 22 et qui sont régulièrement repartes circon férentiellement autour de l'axe du tore, et une deuxième série d'ailettes 20 qui sont situées de l'autre coté des voiles intérieur et extérieur 21 et 22 et qui sont régulièrement réparties circonférentiellement autour de l'axe du tore avec le même pas d'espacement que les ailettes 19 de la première série.Par contre, comme cela est visible dans la figure 1, l'élément supérieur 2a comporte uniquement des ailettes 20 du côt! qui fait face à l'élément adjacent 2biset l'élément inférieur 2d comporte uniquement des ailettes 19 du côté qui fait face à l'élément adjacent 2c. Comme cela est montré dans les figures 1, 2, 5 et 7, les ailettes 19 de la première série sont décalées angulairement d'un demi-pas par rapport aux ailettes 20 de la seconde série, de telle façon que les ailettes 19 des éléments 2b, 2c eut 2d puissent s'imbriquer entre les ailettes 20 respectivement des éléments 2a, 2b et 2c.Dans la figure 2, pour plus de simplicité, on a seulement représenté un petit nombre d'ailettes 19 mais, dans la pratique, on peut prévoir un plus grand nombre ailettes Toutefois, dans ce dernier cas, les espaces entre les bords radialement-intérieurs des ailettes 19 (ou 20) peuvent devenir trop faible pour permettre une imbrication complète des ailettes 20 avec les ailettes 19 et vice versa. Dans ces conditions, les ailettes 19 et 20 peuvent avoir une forme telle que celle montrée dans les figures 5 et 7. Plus précisément, chaque ailette 19 (ou 20) comporte une partie 19a (ou 20a) radialement interne par rapport au tore et une partie 19b (ou 20b) radialement externe par rapport au tore.Les parties 19a et 20a ont des dimensions, mesurées dans le sens axial du tore, plus faibles que la moitié de la distance entre les voiles 21. Par contre, les parties 19b et 20b des ailettes 19 et 20 ont des dimensions, mesurées dans le sens axial du tore, qui sont plus grandes que celles des parties 19a et 20a et qui augmentent progressivement vers l'extérieur, de telle façon que les parties 19b et 20b s'imbriquent les unes entre les autres. A titre de variante, les ailettes 19 et 20 peuvent avoir la forme représentée dans la figure 6. Dans cette figure, les ailettes 19 et 20 ont des dimensions, mesurées dans le sens axial du tore, qui sont plus petites que la moitié de la distance entre les voiles 21, et chaque ailette 19 d'un élément est coplanaire avec l'ailette 20 du même élément et avec l'ailette 20 de l'élément adjacent. Comme montré dans les figures 2, 5, 6 et 7, afin d'augmenter les pertes de charge du fluide, par exemple des gaz chauds, qui passent radialement entre les ailettes 19 et 20, et en conséquence de favoriser les echanges de chaleur, chaque ailette 19, 20 peut comporter sur au moins une de ses faces, une protubérance 23 de forme allongée qui fait saillie vers l'ailette adjacente et qui s'étend dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du tore le long du bord externe de l'ailette. Comme montre en trait mixte dans la figure 2, les ailettes 19 et 20 peuvent comporter, sur leur autre face, une autre protubérance 24 similaire à la protubérance 23. Dans ce dernier cas, les protubérances 23 et 24 sont de préférence disposées en quinconce de manière à former un labyrinthe pour le passage du fluide. Comme montré dans les figures 3 et 4, l'espace intérieure sensiblement cylindrique défini par les éléments 2a a 2d est obturé à ses deux extrémités respectivement par des flasques 25 et 26 qui sont fixés par tous moyens appropriés, par exemple par des vis aux voiles annulaires intérieures 21 des éléments 2a et 2b.Le flasque inférieur 26 comporte en son milieu une ouverture 27 qui peut être par exemple raccordee à une source de fluide,par exemple une source de gaz chauds, ou dans laquelle peut être monté un brûleur soufflé s'étendant axialement dans l'espace intérieur cylindrique défini par les éléments 2a à 2d Les gaz chauds ainsi injectés dans ledit espace interieur ou les gaz de combustion passent radialement dans les fentes 18 entre les ailettes 19 et 20 comme indiqué par les flèches blanches dans les figures 3 et 4, en cédant leur chaleur au fluide, par exemple de l'eau, qui circule à l'intérieur des éléments 2a a 2d. Les gaz chauds s'echap- pant radialement vers l'extérieur des éléments 2a a 2d sont ensuite collectés par une enveloppe 28 (figure 1), qui entoure les éléments 2a à 2d,et ils sont évacués par une cheminée . D'une manière générale, l'échangeur de chaleur qui a été décrit ci-dessus peut être utilisé comme moyen de transfert calorifique entre deux fluides quelconques, liquide-liquide, liquide-gaz ou gaz-gaz. En particulier, l'échangeur de chaleur peut être utilisé comme corps de chauffe d'une chaudiere e-qui- pée d'un brûleur soufflé. Du fait de son faible encombrement, il permet de réaliser aussi bien des chaudières au sol que des chaudières murales. En outre, on notera que la puissance de la chaudière peut être facilement modifiée par augmentation ou diminution du nombre des éléments toriques 2. L'échangeur peut être aussi utilisé comme récupérateur de chaleur à partir de gaz chauds de provenances diverses. I1 va de soi que la présente invention n'est nullement limitée à la forme d'exécution et aux applications qui ont été décrites ci-dessus, et que de nombreuses variantes peuvent facilement être apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de la présente invention C'est ainsi notamment que les bagues 11 et 12 peuvent être remplacées par des joints d'étanchéité respectivement en foxme -de rondelle et en forme de disque plein. Chaque élément torique 2 peut avoir des bossages 4 et 6 dont les extrémités présentent un profil mâle ou femelle, et des bossages 5 et 7 dont les extrémités pré- sentent un profil complementaire femelle ou mâle, de manière à permettre un emboitement des bossages des éléments 2 adjacents.Suivant une autre variante, les tirants 8 peuvent etre supprimés et, dans ce cas, les bagues lisses 11 et 12 peuvent être remplacées par des bagues filetées extérieurement et munies de deux pas de vis inversés susceptibles d'etre vissés dans des trous taraudés prévus aux extrémités des ouvertures des bossages 4, 5, 6 et 7. Les flasques d'extrémité 25 et 26 peuvent faire partie intégrante respectivement des éléments toriques d'extrémité 2a et -2d et être par exemple constitués par les voiles intérieurs 21 qui, dans ce cas1 s'étendent radialement jusqu'au centre des éléments 2a et 2d sous réserve de l'ouverture 27 pour l'élément 2d.Dans ce cas, les voiles intérieurs des éléments -2a et -2d peuvent être des voiles secs ou des voiles mouillés, c'est-à-dire des voiles munis de canaux intérieurs communicant avec les conduits intérieurs 3 des éléments 2a et 2d. Par ailleurs, afin de n'avoir à fabriquer qu'un seul modèle d'élément torique, les deux éléments d'extrémité 2a et 2d peuvent être rigoureusement identiques aux éléments intermédiaires 2b et 2c, c'est-à-dire qu'ils peuvent comporter des ailettes 19 et 20 des deux côtés comme les éléments 2b et 2c. Dans ce dernier cas, les flasques d'extrémité 25 et 26 peuvent être posés sur les ailettes extérieures des éléments 2a et 2d et être réalisés sous la forme de couvercles avec les bords recourbés qui recouvrent au moins une partie des bords radialement extérieurs des ailettes extérieures des éléments 2a et -2d. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur comprenant plusieurs éléments creux(2)munis extérieurement d'ailettes rayonnantes (19, 20) et ayant chacun un conduit interne (3) dans lequel circule un premier fluide devant échanger de la chaleur avec un second fluide, caractérisé en ce que chaque élément creux (2) a une forme torique avec un conduit interne (3) ininterrompu sur 3600 et avec au moins une ouverture d'entree et une ouverture de sortie pour le premier fluide, qui ont des positions diametra- lement opposées sur le tore, en ce que les éléments creux (2) sont assemblés coaxialement de manière à définir un espace intérieur sensiblement cylindrique qui communique radialement avec l'extérieur par des fentes circulaires (18) formées entre les éléments creux (2) et partiellement obstrué-es par les ailettes (19, 20), en ce que des moyens de raccordement (11, 12) sont prévus pour raccorder entre elles les ouvertures des éléments creux de manière à définir un circuit pour le premier fluide, en ce que des moyens ( 25,26) sont prevus pour obturer au moins l'une des extrémités dudit espace intérieur cylindrique, et en ce que des moyens (27) sont prévus pour permettre l'introduction du second fluide dans ledit espace: intérieur. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ouvertures d'entrée et de sortie de chaque élément creux (2) sont définies par une première paire de bossages circulaires (4) et (5) qui sont disposés respectivement de part et d'autre du tore et qui définissent deux ouvertures circulaires alignées, d'axe parallèle à l'axe du tore, qui communiquent avec le conduit interne (3) de l'élé- ment creux (2), et par une deuxième paire de bossages circulaires (6) et (i) semblables à ceux de la première paire et situés dans une position diamétralement opposée du tore par rapport à la première paire, et en ce que les éléments creux- (2) sont assemblés de telle façon que leurs bossages soient alignés deux à deux. 3.- Echangeur de chaleur selon la xevendication 2, caractérisé en ce que les moyens de raccordement (11, 12) sont constitués par des bagues insérées dans les ouvertures circulaires des bossages adjacents alignés deux à deux des éléments creux (2). 4.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (19,20) d'un élément creux (2) sont coplanaires- avec les ailettes (19, 20) des éléments creux adjacents (2). 5.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (19, 20) d'un élément creux (2) sont imbriquées entre les ailettes (19, 20) des éléments creux adjacents (2). 6.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque élément creux (2) comporte un voile annulaire intérieur (21) et un voile annulaire extérieur (22) qui sont situés dans le plan de l'équateur du tore, et en ce que lesdites ailettes comprennent une première série d'ailettes radiales (19) qui sont situées d'un côté des voiles intérieur et extérieur (21 et 22) et qui sont régulièrement réparties circonférentiellement autour de l'axe du tore, et une deuxième série d'ailettes radiales (20) qui sont situées de l'autre côté des voiles intérieur et extérieur (21 et 22) et qui sont régulièrement réparties circonférentiellement autour de l'axe du tore avec le même pas d'espacement que les ailettes (19) de la première série. 7.- Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque ailette (19) de la première série est coplanaire avec une des ailettes (20) de la seconde série. 8.- Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ailettes (19) de la première série sont décalées angulairement d'un demi pas par rapport aux ailettes (20) de la seconde série. 9.- Echangeur de chaleur selon -l'ensemble des revendications 5 et 8, caractérisé en ce que chaque ailette (19 ou-20) comporte une partie (19a ou 2-0 a) radialement interne par rapport au tore et une partie (19b ou 20b) radialement externe par rapport au tore, ladite partie radialement externe (l9b ou 20b) ayant une dimension, mesuree dans le sens axial du tore, plus grande que celle de la partie radialement interne (19a ou 20a) et s'engageant entre les parties radialement externes (19b ou 20b) de deux ailettes adjacentes (20 ou 19) d'un élé- ment creux adjacent (2). 10.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque ailette (19 ou 20) comporte sur au moins une de ses faces, une protubérance (23) de forme allongée qui fait saillie vers l'ailette adjacent te (20 ou 19) et qui s'étend dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du tore. 11.- Echangeur de chaleur selon la revendication 10, carac térisé en ce que la protubérance (23) s'étend le long du bord radialement externe de l'ailette (19 ou 20).