Brevet FR2518729A1 — publié le 19830624

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ayant sensiblement la forme d'un tube à l'intérieur duquel est disposé un moyen calorigene ou frigorigène, ledit collecteur-distributeur comportant au moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rapport aux deux branches dudit collecteur-distributeur. L'invention concerne également le positionnement de ces échangeurs à l'intérieur des convecteurs de chauffage, Des échangeurs de chaleur à ailettes sont connus depuis longtemps.Ils trouvent leur application dans tous les domaines où l'on recherche un échange de chaleur, par exemple mais non limitativement les convecteurs de chauffage domestique Les ailettes transversales sont supportees en au moins un point par le moyen calorigène qu'elles entourent. Les ailettes déterminent entre elles des zones d'échange avec un flux gazeux en se réchauffant. On peut utiliser comme moyen calorigene soit un tube dans lequel circule par exemple de. l'eau chaude réchauffée, soit une résistance chauffante ce de manière non limitative. Les dispositifs proposés jusqu a présent présentent de multiples inconvénients. Tout d'abord, de par leur structure même , ils conduisent dans les convecteurs a une répartition irrégulière des températures de sortie. En effet les ailettes débordent làtérale- ment par rapport au tube renfermant le moyen calorigène qui est disposé en position telle que le tube soit horizontal. I1 s'ensuit la formation d'un gradient de température indésirable en sortie de convecteur. D'autre part les échangeurs connus sont tous de conception complexe, ne permettant en outre leur positionnement que dans des convecteurs de dimensions relativement grandes, en particulier en largeur. La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un échangeur de chaleur du type décrit ci-dessus, permettant - un positionnement optimal dans un convecteur de faibles dimensions - une répartition uniforme des températures de sortie d'air du convecteur. - des températures des parois de l'habillage nettement inférieures à celles des sorties d'air et que l'on peut faire varier ; - une augmentation du rendement de l'appareil. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu avec un échangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ou frigories ayant sensiblement la-forme d'un tube, à l'in térieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène,. ledit collecteur-distributeur comportantau moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement-par rapport aux branches dudit tube, caractérisé en ce que les ailettes transversales sont de forme polygonale, les branches du collecteur-distributeur etant disposées à deux sommets opposés. de chacune des ailettes, lesd-ites ailettes ne débordant pas lateralement des branches du collecteur-distributeur vers l'extérieur de l'echangeur et se raccordant à celles-ci selon un-plan incline. On comprendra que cette structure apporte de multiples avantages. Tout d'abord les ailettes ne débordent pas latéralement des branches du collecteur-distributeur, ce qui permet un positionnement optimal de l'échangeur dans un convecteur. Ceci sera explicité- ultérieurement. D'autre part, puisque les ailettes ont une forme générale polygonale, elles se raccordent aux branches du collecteurdistributeur selon un plan incliné, ce qui réalise en fait une section tronquée de l'échangeur sur chacune de ses arêtes. De cette manière, et conformément à une seconde caractéristique de l'invention, l'echangeur peut être disposé in cliné dans le convecteur, par exemple d'un angle de 450 à 60 , ceci en fonction de l'inclinaison des arêtes des ailettes. C'est cette orientation de l'échangeur ee sa structure qui permettent de modifier la répartition des températures de sortie par rapport aux convecteurs connus, pour conduire à une répartition quasi uniforme et faire varier aussi les températures de surface des parois de l'habillage du convecteur. De manière avantageuse, l'échangeur sera réalisé en deux 1/2 coques moulées, les ailettes et les branches du collecteur-distributeur en forme de 1/2 tube hémicylindrique étant venues de moulage. -Dans ce cas les ailettes affecteront préférentiellement une structure trapézoïdale. Selon un mode avantageux de mise en oeuvre, les zones d'échanges de chacune des 1/2 coques correspondront seulement à une portion d'hémicylindre, de maniere telle que lors du montage le moyen calorigâne puisse être enserré de manière optimale pour l'échange thermique avec le collecteur-distributeur ainsi formé par la réunion des deux portions en forme de 1/2 tube hémicylindrique. Avantageusement il sera réalisé en aluminium, qui présente l'avantage de ne faire aucun bruit en fonctionnant, en particulier lors de la montée en température. La transmission de la cnaleur est également bien meilleure avec l'aluminium. Selon un mode de mise en oeuvre, les deux coques formant l'échangeur pourront être identiques, ce qui nécessitera l'utilisation d'un seul et même moule pour leur réalisation. Dans ce cas les aiglettes des deux coques sont parfaitement alignées. Selon une variante, on peut prévoir de décaler les ailettes d'une 1/2 coque par rapport à celles de l'autre 112 coque. De cette manière on augmente le nombre de bords d'attaque ce qui bien évidemment augmente le rendement de 11 échange. On peut évaluer ce gain à 90% en puissance environ. Dans ce cas et de manière à permettre l'écoulement du flux gazeux au travers des chicanes formées par les ailettes, celles-ci comporteront un évidement oblong à leur base. L'échangeur conforme à l'invention pourra être con çu de manière modulaire, en proposant des extensions (rallonges) qui peuvent être rapportées en extrémité de manière à obtenir des échangeurs de longueur variable. Enfin, le collecteur-distributeur pourra affecter un profil en U. Dans ce cas l'entrée et la sortie du moyen calorigène se font du même côté sur l'élément d'échangeur concerné. De manière à permettre une meilleure évacuation thermique au niveau de l'arrondi du U, on prévoiera une ailette supplémentaire reliée par des ponts de métal de grande épaisseur délimitant entre eux des ajourages. A ce niveau on pourra également, pour assurer un meilleur contact entre la zone d'échange et le moyen calorigène, prévoir de disposer entre les deux éléments une substance de contact. En option cette substance peut être pre- vue sur toute la longueur de la zone d'échange du collecteur-dis- tributeur. A défaut de substance de contact la zone d'échange peut être peinte intérieurement en noir ou autre couleur absorbant bien le rayonnement du moyen calorigène. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective des deux parties constitutives d'un échangeur à ailettes conforme à l'invention ; - la figure 2 illustre une résistance électrique autour de laquelle peut être disposé l'échangeur ; - la figure 3 illustre une épingle en cuivre pour circulation d'un fluide autour de Laquelle peut etre disposé l'é- changeur - la figure 4 r-eprésenta une vue enélévation d'un demi échangeur normal ; - la figure 4A est une coupe selon B-B dse la figure 4 ;; - la figure 5 illustre les positions relatives et les structures possibles en coupe des ailettes - la figure SA représente une des structures des ailettes lorsqu'elles sont décalées - la figure 6 est une vue en élévation d'un demi échangeur à ailettes décalées - la figure 6A est une coupe selon A-A de la figure 6; - la figure 6B est une coupe selon B-B de la figure 6 - la figure 6C est une coupe selon C-C de la figure 6 - la figure 7 représente un échangeur conforme à l'invention muni d'une extension ;; - les figures 8 et 9 illustrent en coupe le positionnement possible d'un ou plusieurs échangeurs conformes à l'invention dans un convecteur électrique - les figures 10 à 16 illustrent en coupe le positionnement possible d'un ou plusieurs échangeurs conformes à l'in vention dans un convecteur électrique à circulation d'eau chaude. On se réfèrera tout d'abord à la figure 1. L'échangeur conforme à l'invention se compose de deux coques (1) et (2). Ces deux coques sont assemblées entre elles par tout moyen adéquat, vissage, collage, boulonnage, rivetage ou colliers, ceci non limitativement. Chaque coque comporte essentiellement deux éléments à savoir - un demi collecteur-distributeur (3) en forme de demi-tube hémicylindrique en forme de U ou rectiligne comme (40) - des ailettes transversales (4). Comme on peut le voir à la-figure 1, les ailettes sont de section polygonale et ne débordent pas lateralement des branches du collecteur-distributeur qui constitue la zone d'échange. Dans la partie courbée (5) du U, les ailettes conservent exactement le même positionnement que au niveau des branches et restent parallèles entre elles. Les ailettes déterminent entre elles sur toute la largeur de l'échangeur des intervalles (6) au travers desquels circule de l'air venant au contact des surfaces d'echange. Les ailettes présentent dans leur zone de-jonction avec les demi-tubes (3) des arêtes tronquées (7,8). On a représenté à la figure 2 une résistance élec- trique (9) pouvant être utilisée comme moyen calorigène. De la même manière on a représenté à la figure 3 une épingle (10) en tube par exemple de cuivre pouvant être disposée dans les demi-tubes (3), épingle à l'intérieur de laquelle on établit une circulation d'un fluide calorigène (ou frigorigène), par exemple de l'eau chaude. L'échangeur tel que décrit à la figure 1 sera très avantageusement réalise en aluminium, les ailettes et les demi-tubes auxquels elles se raccordent étant venus de moulage. Dans l'exemple illustré à la figure 1 les deux coques (1) et (2) sont identiques et peuvent donc être obtenues à partir d'un seul et même moule. Avec le demi-échangeur (11) représenté à la figure on peut réaliser un montage sensiblement différent au niveau du positionnement relatif des ailettes d'une coque par rapport aux ailettes de l'autre coque. La plupart des ailettes auront dans ce cas le profi] normal (12) représenté à la coupe 6C. Par contre l'ailette (13) représentée en coupe 6A aura une structure légèrement modifiée de manière à permettre la fixation des deux coques.0n y prévoira aussi deux trous d'assemblage (14,15). Toujours dans ces cas certaines ailettes centrales (16), représentées par la coupe 6X, devront également permettre le positionnement de trous d'assemblage (17,18) qui se trouvent dans l'axe et aux extrémités de l'ailette entre le corps de celle-ci et le collecteur-distributeur. Pour l'échangeur normal c'est-à-dire non décalé tel que représenté par les figures 1 et 4 des trous d'assemblage (46) sont disposés entre deux ailettes dans une épaisseur de métal faisant corps avec les deux ailettes et la partie intérieure du collecteur-distributeur. On.a représenté sur la figure 5 un certain nombre de variantes possibles au niveau de la structure et du positionnement relatif des ailettes. Dans le cas le plus simple, les demi-ailettes de chaque coque seront disposées symétriquement et en vis à vis l'une de l'autre, ce qui est illustré par l'assemblage (19). Selon une variante, les demi-ailettes seront disposées en quinconce, avec un décalage latéral selon un pas donné, par exemple un demi-pas. Ceci est illustré clairement à la figure 5. Les ailettes pourront avoir toute section possible. Des ailettes classiques (20) pourront également se présenter sous la forme d'ailettes raccourcies (21). D'autre part on pourra également utiliser des ailettes effilées, telles-que celles référencées (22). Les ailettes raccourcies (21), représentées à la figure 54,autori- sent un meilleur passage du flux d'air au travers de l'échangeur notamment par leur évidement oblong. Les avantages de cette structure des échangeurs conformes à l'invention apparaitront clairement dans les exemples ciaprès illustrant leur utilisation, préférentielle mais non limitative, dans des convecteurs de chaleur à usage domestique. Aux Aux figures 8 et 9, on a représenté le positionnement possible de un ou plusieurs échangeurs dans le cas d'un convecteur électrique. Pour des raisons de normes de sécurité les tubes (3) doivent être disposés à une distance minimale des parois (23,24) des convecteurs, et à une distance minimale également l'un de l'autre, ce qui est représenté en figure 9, à la partie centrale (25). Le positionnement de la figure 8 montre l'intérêt de la structure conforme à l'invention, dans laquelle les ailettes sont tronquées et ne débordent pas par rapport à la zone d'échange. On peut ainsi positionner l'échangeur avec une certaine i-nclinaison et on réalise en meme temps un gain de place appréciableen largeur tout en augmentant les performances au niveau du rendement et de la répartition des températures. Suivant l'angle dtinclina-ison choisi pour positionne l'échangeur dans son habillage,les ailettes seront disposées de mani re telle que les côtés du trapèze (50) soient bien parallèles aux pa rois de l'habillage (23 et 24),afin-que les ailettes ne débordent pa de la zone d'échange délimitée par le collecteur-distributeur. Eventuellement on peut admettre que les pointes (51) Fiv.11 des ailettes soient à l'intérieur de la zone d'échange, mais en principe jamais à 1' extérieur. Le positionnement de la figure 8 peut être repris pour un convecteur à eau chaude, à l-a seule différence que dans ce cas il n'est pas nécessaire de laisser subsister un intervalle entr les tubes de circulation (3) et les parois (23) et (24). La disposition de la figure 9 représente deux échangeurs électriques conformes à l'invention disposés en alignement. L zone (25) sera la plus étroite possible compatible avec le bon fonctionnement, de manière à limiter la circulation d'air entre les deu tubes (26,27), celle-Çi devant préférentiellement s'opérer entre les deux branches d'un meme échangeur. Aux figures 10 à 16, on a représenté des disposition d'échangeurs pour convecteur à eau chaude. Aux figures 10et 12, les échangeurs sont disposés 1' sous l'autre et parallèlement entre eux - avec une simple batterie de deux échangeurs à la figure 10, les tubes (28,29) étant parallèles et leurs branches étan dans un même plan vertical ; - avec une double batterie de deux échangeurs à la figure 12,ceux-ci s'imbriquant de manière telle que les tubes supérieurs(30,31) de deux échangeurs soient dans un même plan vertical ll dian que les tubes inférieurs (32,33) des deux autres échangeurs. Aux figures 11 et 13, les échangeurs sont disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal - avec u-ne simple batterie de deux échangeurs à la figure lji ; avec une double batterie de deux échangeurs à la figure 13. Cette disposition n'est rendue possible que du fait de -la structure tronquée des ailettes. On notera ici encore que le tube inférieur (34) et le tube supérieur (35) des échangeurs d'une même-batterie sont alignés dans un plan vertical médian avec le tube superieur (36) et le tube inférieur (37) des échangeurs de la seconde batterie. Enfin on a représente : - à la figure i4 une disposition en losànge de quatre échangeurs conformes à l'invention, chacun étant incliné conformément à l'une des caractéristiques de l'invention ; - à la figure 15 une disposition en étoile de quatre échangeurs conformes à l'invention - à la figure 16 une disposition en V de quatre échangeurs conformes à l'invention. On~réalise donc bien dans tous les cas de figure la re partition homogène des températures de sortie en haut des convecteurs. On se réfèrera maintenant bà la figure 7. En extrémité libre (38) d'un échangeur conforme à l'invention, c'est-à-dire à l'extrémité opposée à la partie courbée du-U, on peut rapporter une extension (39) formant rallonge et comportant essentieliement deux demi-tubes rectilignes (40), ouverts à chacune de leurs extrémités latérales, et des ailettes transversales (4i) de même struc titre et obéissant aux mêmes règles de construction: que les ailettes décrites dans les paragraphes précédents. Les résistances électriques à y incorporer ou les tubes en epingle seront modifiés en conséquence Ces rallonges sont composes de deux 1/2 coques identiques. On peut ainsi de manière modulaire réaliser de-s échangeurs à la dimension exacte désirée à partir d'un élément d'extrémité intégrant la partie courbe du U du collecteur-distributeur et d'extensions permettant de rallonger les branches du collecteur-distributeur en U. Pour réaliser au mieux cet assemblage, des extrémités mêles (47) de I'élément de la Fig. 7 viennent s'encastrer dans des troncs de cônes (48) récepteurs représentés sur les Fig. 4 et 6. D'une façon avantageuse les-4 demi-trous (49) de la Fig. 7 enserreront au montage deux tiges cylindriques équipées à chaque extrémité entre la première et la deuxième ailette d-e part et d'autr-e des points d'assemblage, par exemple de rondelles d'arrêt qui serviront à maintenir cet assemblage dans le sens longitudinal pour bien le serrer éventuellement. Les extrémités femelles des extensions sont aussi pourvues de troncs de cônes (48) afin de recevoir de la même façon des extensions et former ainsi des échangeurs de longueur variable. Dans la réalisation de la figure 15, la récupératia des calories d'une part sur toute la zone d'échange et leur évacuation d'autre part plus particulièrement dans la partie arrondie du tube en U sont optimales. Ainsi, comme on peut le voir à la figure 4A, les deux éléments dont la jonction constitue la zone d1 échange correspondent seulement à une portion d'hémicylindre (écart X-X). Ainsi au montage on peut produire un serrage plus ou moins important du moyen calorigène et donc améliorer le contact et l'échange. D'autre part l'évacuation est améliorée à l'arrondi du tube en U par une ailette supplémentaire (42), reliée au corps de l'échangeur par des ponts de matière (43,44) de grande épaisseur déterminant entre eux un ou plusieurs ajourages (45). Enfin, la première et la dernière demi-ailette de chaque coque d'échangeur ou d'extension comportent des trous (52) représentés sur les figures 1 et 7 utiles pour suspendre ou fixer l'échangeur dans la position désirée. L'on peut aussi avoir recours à d'autres moyens, notamment par colliers, pièces de forme, etc... enserrant soit des ailettes ou les branches du collecteur-distributeur ou les ponts de métal faisant corps avec la dernière ailette REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ayant sensiblement la forme d'un tube à l'interieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène, ledit collecteur-distributeur comportant au moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rapport aux deux branches dudit collecteur-distributeur caractérisé en ce que les ailettes transversales (4) sont de forme polygonale, les branches du collecteur-dstributeur (3) étant disposées à deux sommets opposés de chacune des ailettes, lesdites ailettes (4) ne débordant pas latéralement des branches du collecteurdistributeur vers l'extérieur de l'échangeur et sé raccordant à celles-ci selon un plan incliné. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, ca-. caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de deux dem-i-coques (1,2). 3. Echangeur de chaleur selon l'une q-uelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce qu'il est en aluminium. 4. Echangeur de chaleur selon l'unie quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (4) et les branches du collecteur-distributeur (3) sont vernes de moulage. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les demi-epques (1) et (2) sont identiques. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ailettes (4) de la coque (1) sont décalées latéralement par rapport aux ailettes de la coque (2). 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux demi-tubes dont la réunion constitue les branches du collecteur-distributeur ont un profil correspondant à une portion d'hémicylindre. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, ca ractérisé en ce que les ailettes (21) sont raccourcies et comportent à leur base un évidement oblong. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le collecteur-distributeur est de forme générale en U. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, ca ractérisé en ce que au niveau de l'arrondi du U on dispose une ai lette supplémentaire (42), reliée au corps de l'échangeur par des ponts de matière (43,44) de grande épaisseur déterminant~entre eux un ou plusieurs ajourage (45). 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est disposé incliné dans un convecteur. 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérise en ce qu'il peut être complété pour l'amener à la longueur désirée par des extensions (39) rapportées à l'extrémité (38) opposée à la partie courbée du U, lesdites extensions se composant de deux demi-coques identiques comportant des demi-tubes rectilignes (40) ouverts à chacune de leurs extrémités latérales et des ailettes transversales (41), ne débordant pas latéralement par rapport au tube vers l'extérieur de l'échangeur et se raccordant à celui-ci selon un plan incliné. 13. Ecnangeur de chaleur selon la- revendication- 12, caractérisé en ce que un élément comporte une extrémité mâle (47) s'encastrant dans des troncs de cônes récepteurs (48) de l'élément auquel il est raccordé. 14. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque,des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que certaines ailettes comportent des trous (52) pour suspendre ou fixer -l'échangeur. 15. Application d'un échangeur de chaleur à ailettes selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 à la réalisation d'un convecteur pour chauffage domestique, caractérisée en ce que l'échangeur à ailettes est disposé incliné dans le convecteur. 16. Application selon la revendication 15 dans laquelle on dispose dans les tubes de l'échangeur un moyen calorigène consistant en une résistance électrique, caractérisée en ce que le convecteur comporte deux échangeurs inclinés et disposés dans l'alignement l'un de l'autre, déterminant un intervalle (25) entre le tube supérieur (26) et l'un des échangeurs et le tube inférieur (27) du second échangeur. 17. Application selon la revendication 15, dans laquelle circule dans les tubes en U de l'echangeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte deux échangeurs disposes l'un au dessus de l'autreet paral lèles entre eux. 18. Application selon la revendication 15 dans laquelle circule dans les tubes en U de l'échangeur ùn fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte une double batterie de deux- échan-geurs, ceux-ci s'imbriquant de ma nière telle que les tubes supérieurs (30,31) de deux échangeurs soient dans un même plan vertical médian que les tubes inférieurs (32,33) des deux autres échangeurs. 19. Application selon la revendication 15 dans laquelle circule dans les tubes en U de ltéchangeur un fluide calorigène tel que de -l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte deux échangeurs disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal. 20. Application selon la revendication 15 dans laquelle circule dans les tubes en U de ltéchangeur un fluide calorigène tel que de 11 eau chaude, carctérisée en ce que le convecteur comporte une double batterie de deux échangeurs disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal, le tube inférieur (34) et le tube supérieur (35) des échangeurs d'une même batterie étant alignés dans un plan vertical médian avec le tube supérieur (36) et le tube inférieur (37) des échangéurs de la seconde batterie. 21. Application selon la revendication 15 dans laquelle circule dans les tubes en-U de le-changeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude caractérisée en ce que le convecteur comporte quatre échangeurs disposés en losange, en étoile, ou en V.