Brevet FR2526146A1 — publié le 19831104

La présente invention a trait à un échangeur de chaleur comportant un élément d'échange disposé à l'intérieur d'un caisson et préférablement destine d'une part à un milieu gazeux, tel par exemple que l'air, d'autre part à un milieu liquide tel que l'eau. Dans les appareils de ce genre, comportant un tel élément monté à l'intérieur d'un caisson et assurant par exemple l'apport de chaleur, le milieu à échauffer traverse le caisson en entourant l'élément Il est connu de constituer ce dernier sous la forme d'un faisceau de tubes rigides faits en matière synthétique, disposés à un certain écartement les uns des autres et qui remplissent la section du caisson, le milieu à échauffer passant dans ce dernier en venant ainsi au contact des tubes, le tout comme indiqué dans la demande de brevet allemand publiée sous le n O 2 617 353 Dans ce document les deux extrémités des tubes du faisceau tubulaire se raccordent à des collecteurs de liaison qui constituent deux parois en vis-à-vis du caisson traversé par le milieu et dans lesquels les extrémités des tubes individuels sont reçues moyennant interposition de moyens d'étanchéité Ces collecteurs se raccordent à leur tour à l'arrivée et au départ du milieu qui traverse l'échangeur. Les tubes individuels précités sont auto-porteurs, de sorte qu'ils se trouvent ainsi maintenus à l'écartement voulu les uns des autres à l'intérieur du caisson On connaît encore par le brevet allemand 2 012 883 un échangeur tubulaire dans lequel le faisceau qui remplit la section du de caisson et qui assure l'apportrchaleur, est constitué par une nappe faite de tubes rigides enroulés en hélice, reliés les uns aux autres par des fils métalliques et maintenus à un écartement approprié, cette nappe étant pourvue d'éléments déflecteurs destinés au guidage du milieu à échauffer. Ces échangeurs tubulaires connus sont du type dit à courants croisés, dans lequel le milieu à échauffer se déplace perpendiculairement aux tubes en circulant autour de ceux-ci Au point de vue de leur efficacité ils se situent entre ceux à équi-courant et ceux à contre- courant, dans lesquels les milieux intéressés se déplacent respectivement dans le même sens et en sens inverse l'un de l'autre, étant rappelé que c'est l'échangeur à contre-courant qui est le plus efficace. Les échangeurs tubulaires connus comportent des inconvénients en ce qui concerne leur fabrication et leur montage, ainsi d'ailleurs que leurs possibilités d'utilisation La réalisation d'un élément d'échange fait de tubes et son incorporation à l'intérieur du caisson s'avèrent coûteuses et posent des problèmes particuliers concernant surtout le raccordement qu'il faut réaliser entre les deux extrémités des tubes et les collecteurs dans la paroi du caisson peur permettre au milieu intéressé de circuler dans l'élément La liaison sans fuites entre les tubes et le collecteur exige beaucoup de soin et nécessite un temps considérable Les échangeurs tubulaires connus constituent avec leur caisson et l'élément qui s'y trouve incorpore un ensemble non susceptible d'être modifié et qu'il faut insérer sur la canalisation du milieu à échauffer La construction d'un tel ensemble est obligatoirement soumise à des conditions précises concernant son fonctionnement et les diverses* grandeurs en cause, de sorte que lorsque ces conditions varient on doit pouvoir disposer d'échangeurs également établis de façon différente Il convient d'ajouter que le rendement de ces échangeurs tubulaires connus ne correspond pas aux exigences actuelles concernant les économies d'énergie. L'invention vise à éliminer dans une large mesure les inconvénients et les problèmes qui s'attachent ainsi aux échangeurs de chaleur du type tubulaire et à permettre d'établir un tel appareil dont le coût de fabrication soit favorable, qui puisse s'adapter aux moindres frais aux diverses conditions et exigences de fonctionnement, dans lequel le raccordement de l'élément d'échange à la canalisation du milieu qui doit le traverser ne pose pas de difficulté particulière, et qui enfin comporte un rendement amélioré. A cet effet, conformément à l'invention, dans un échangeur de chaleur du genre en question l'élément d'échange est constitué par au moins un corps en forme de nappe fait de tubes souples en matière plastique qui se croisent à la façon des barreaux d'une grille, ce corps étant à profil rectangulaire et réalisant une paroi orientée transversa- Lement par rapport au sens d'écoulement de l'autre milieu dans le caisson - La caractéristique essentielle de l'invention réside dans l'utilisa- tion d'un élément d'échange de chaleur constitué par un corps en forme de nappe, lequel est à son tour établi à partir de tubes souples en matière plastique qui se croisent à la façon des barreaux d'une grille, ce corps présentant un profil extérieur rectangulaire sur les deux petits côtés duquel les extrémités des tubes précités sont assemblées par injection dans une pièce de raccordement tubulaire, qui peut être insérée de façon simple dans la canalisation du milieu qui traverse l'échangeur de chaleur, de sorte qu'on peut ainsi obtenir avec une simplicité optimale une liaison sans fuite de l'élément d'échange précité L'échangeur suivant l'invention s'adapte sans difficulté aux diverses situations opératoires du fait qu'on peut l'engager dans le caisson sous la forme d'une paroi transversale, si bien qu'il est possible de tenir compte des diverses exigences et conditions imposées par le fonctionnement en disposant-les uns derrière les autres plusieurs de tels corps en forme de nappe La souplesse d'un tel corps permet son incorporation dans le caisson et assure la compensation des dilatations et contractions provenant des variations de température sans qu'il puisse en résulter des tensions dangereuses à l'intérieur de l'élément lui-même Le corps ainsi réalisé par les tubes qui se croisent comporte un rendement plus élevé que le faisceau tubulaire des éléments d'échange connu, car lorsqu'il traverse la grille réalisée par les tubes croisés, le milieu à échauffer est soumis à un plus fort tourbillonnement, lequel aboutit à un meilleur transfert de la chaleur et par conséquent à une élévation du rendement Lorsqu'on utilise plusieurs corps en forme de nappe disposés les uns derrière les autres, il est avantageux de les prévoir plus longs et de les replier plusieurs fois autour d'axes perpendiculaires à leur longueur pour obtenir des corps à couches multiples Comme un tel corps est fait de tubes souples en matière plastique, cette conformation en couches multiples est possible sans difficultés On obtient ainsi l'avantage supplémentaire que, grace à ce repliage multiple le rendement se rapproche de celui des échangeurs à contre-courant, c'est-à-dire s'élève Un autre avantage non négligeable consiste en ce que dans le cas par exemple des installations de ventilation et de climatisation comportant des canalisations rectangulaires pour la circulation de l'air, celles-ci peuvent être directement utilisées comme caisson pour l'élément d'échange suivant l'invention, ce qui abaisse les frais dans une mesure considérable par rapport aux échangeurs connus, car il suffit ainsi d'établir un élément d'échange de forme rectangulaire qu'on peut introduire directement dans le caisson formant canalisation d'air, ledit élément agissant à la façon d'une source de chaleur pour échauffer cet air, tandis que l'élément qui se trouve sur la canalisation d'évacuation de l'air vicié joue de son côté le rôle d'absorbeur de chaleur pour refroidir l'air chaud rejeté à l'extérieur. Le corps ou nappe en forme de grille peut s'obtenir par divers procédés, par exemple par entrelacement de tubes souples en matière plastique jusqu'à réaliser une forme rectangulaire dans laquelle ceux-ci sont croisés Ce corps peut être également établi à partir d'une nappe faite de tubes orientés parallèlement les uns aux autres dans le sens de la longueur en étant maintenus à un écartement approprié, et qu'on replie autour d'un ou de plusieurs axes orientés à 45 par rapport à la longueur précitée; en pareil cas on engage avantageusement l'un dans l'autre deux nappes ainsi repliées, symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan, en obtenant de façon positive un corps à deux couches vers les extrémités resserrées duquel les tubes sont raccordés suivant l'invention à un collecteur approprié Une nappe faite de tubes orientés longitudinalement peut également être enroulée en hélice sous la forme d'un corps tubulaire qu'on aplatit ensuite pour aboutir à l'élément désiré. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fig 1 représente schématiuement un échangeur de chaleur suivant l'invention. Fig 2 illustre une première variante de l'échangeur suivant fig 1. Fig 3 représente une autre variante de cet échangeur. Fig 4 montre de façon schématique un élément d'échange suivant l'invention disposé dans une tour Je refroidissement. Fig 5 expose la réalisation d'un corps en forme de nappe suivant l'invention. Fig 6 illustre une variante de fig 5. Fig 7 est une coupe longitudinale du collecteur de raccorde- ment. Fig 8 en est une coupe transversale. Fig 9 en est une vue en plan. Fig 1 montre sous forme schématisée une partie d'une canalisation A à section rectangulaire, telle par exemple que celles utilisées dans les installations de climatisation et de ventilation A l'intérieur de cette canalisation A est inséré l'élément d'échange de chaleur B qui, ainsi qu'on l'exposera plus loin, est constitué par un corps en forme de nappe, fait de tubes croisés à la façon des barreaux d'une grille, ce corps étant replié sur lui-même suivant quatre couches et étant incurvé de façon à remplir la section de la canalisation A précitée Le corps en question est fait de deux couches doubles à partir de tubes souples en matière plastique se croisant ccrre sus-indiqué et dont le diamètre se situe dans un ordre de grandeur de 2 mm Dans l'élément B de l'eau circule dans le sens des petites flèches par l'intermédiaire de collecteurs 2 O 2 6 1 4 6 de raccordement qu'on décrira plus loin, tandis que l'air destiné à subir l'échange de chaleur est refoulé dans la canalisation A suivant la direction indiquée par les grandes flèches correspondantes Dans une installation de climatisation, durant les périodes de l'année les plus froides, l'air d'entrée ou air frais aspiré dans la canalisation A est échauffé à la température d'ambiance convenable par l'élément d'échange B, lui-même maintenu à une température déterminée D'autre part la chaleur de l'air de sortie ou air vicié qui s'est échauffé du fait de son séjour dans le local considéré est extraite de celui-ci par un autre élément d'échange disposé dans la canalisation correspondante de manière à agir comme absorbeur de chaleur, l'énergie calorifique ainsi récupérée étant ré-utilisée pour réchauffer l'air d'entrée Comme les variations de température qui interviennent à cet égard dans l'élément B sont relativement faibles, les dilatations des tubes constitutifs de celui-ci sont absorbées élastiquement et compensées du fait de leur forme incurvée. La forme d'exécution de fig 2 correspond à celle de fig 1 à ceci près que l'élément d'échange B est prévu rectiligne et est disposé obliquement dans la canalisation A. Fig 3 illustre une autre variante dans laquelle le fonctionnement s'effectue à des températures élevées En pareil cas l'élément d'échange B doit être maintenu en raison des fortes dilatations et contractions que pareil fonctionnement entraîne, cela afin d'éviter qu'il n'ait à subir des déformations permanentes (par exemple flambage) De ce fait cet élément B repose horizontalement sur un support non représenté, à l'intérieur d'un caisson C susceptible d'être inséré slir la canalisation A. L'élément B peut à cet égard être reçu dans un cadre souple qui le renforce. Fig 4 montre l'application de l'élément d'échange de chaleur B dans ce qu'on appelle une tour de refroidissement D L'élément B dont la forme correspond par exemple à celle représentée en fig 2, est traversé de bas en haut par de l'air froid refoulé par un ventilateur et il est simultanément arrosé à partir du haut par de l'eau envoyée par une pompe dans une canalisation F, cela afin d'augmenter le refroidissement du milieu qui circule dans cet élément, sous l'effet de l'absorption de chaleur résultant de la pulvérisation. Fig 5 représente une disposition simple permettant la réalisation du corps 8 suivant l'invention à partir de tubes souples en matière plastique En fig 5 a l'on aperçoit deux nappes 1, 1 ' constituées par des tubes 2, V' disposés parallèlement les uns aux autres dans le sens de la longueur et à un certain écartement mutuel A leurs deux extrémités resserrées les nappes ou faisceaux tubulaires plats 1, 1 ' sont équipés de raccords 6, 7, respectivement 6 ', 7 ' pour l'entrée et la sortie du milieu intéressé Ces deux nappes sont repliées autour des axes 3, 3 ' orientés à peu près à 45 par rapport aux tubes 2, 2 ', le tout comme le montre fig 5 b Après ce repliage chacune des nappes en question comprend deux branches 4, 5, respectivement 4 ', 5 ' partant de la même base commune représentée par les axes 3, 3 ' Ces branches 4, 5 ou 4 ', 5 ' se recouvrent sous la forme d'un triangle rectangle à l'intérieur duquel les tubes 2, 2 ' se croisent en deux couches à la façon des barreaux d'une grille Ainsi que le montre fig 5 b, les deux nappes 1, 1 ' ainsi repliées sont engagées llune dans l'autre dans le sens indiqué par les flèches, ce qui permet d'obtenir i'ensemble ou corps 8 représenté en fig 5 c Ce corps est de forme rectangulaire et il renferme deux couches de tubes croisés 2, 2 ' Il comporte chacune de ses extrémités resserrées deux raccords 6, 7, respectivement 6 ', 7 ', propres à permettre de l'insérer dans les canalisations d'entrée et de sortie du milieu considéré. Fig 6 correspond à une autre variante utilisable avec des nappes de plus grande longueur, susceptibles d'etra repliées plusieurs fois sur elles-mêmes, comme Indiqué en fig 1 et 2. On aperçoit en fig 6 a deux nappes ou faisceaux tubulaires plats , 10 ' qui correspondent à ceux 1, 1 ' pr Acités à ceci près qu'ils sont de plus grande longueur Ces nappes 10, 10 ' sont repliées à 45 par rapport aux tubes qui les constituent, autour des axes respectifs 9, 11 et 9 ', 11 ', le tout comme on peut le voir en fig 6 b Les branches 4, 5 et 4 ', 5 ' déterminées par ces repliages ménagent entre elles un espace 12 qui correspond à la largeur de la nappe considérée 10 ou 10 ' Les deux nappes sont alors engagées l'une dans l'autre à la façon indiquée par les flèches en fig 6 b, de sorte qu'on aboutit à un corps ou faisceau complexe 13, à profil rectangulaire comportant deux couches de tubes qui se croisent, comme le montre fig 6 c Là encore l'ensemble ainsi obtenu comporte à chacune de ses extrémités resserrées deux raccords 6, 7, respectivement 6 ', 7 '. Pour réaliser un corps propre à constituer élément d'échange de chaleur on peut encore partir d'une nappe unique telle que 1 (fig 5) ou (fig 6), de toute longueur désirée, et l'enrouler en hélice sur elle-même sous forme tubulaire creuse, puis l'aplatir jusqu'à obtenir un corps à deux couches qu'il est finalement possible de replier pour parvenir à un ensemble à couches multiples suivant fig 1 et 2 Un tel ensemble peut s'utiliser directement comme élément d'échange de chaleur, un raccord étant alors prévu à chacune de ses extrémités resserrées pour le milieu qui doit y circuler. Fig 7 à 9 montrent le collecteur 24 de l'échangeur propre à recevoir les raccords 6, 7 des éléments Ce collecteur comporte une nervure 25 orientée axialement vers l'extérieur et qui entoure de façon étanche la rangée des extrémités libres 2 des tubes Il est moulé par injection avec sa nervure 25 Pendant cette opération les extrémités alignées 2 des tubes sont maintenues fermées à l'intérieur d'un moule divisé comportant un noyau Lors de l'injection elles sont noyées de façon étanche dans la nervure 25 de manière à ne faire plus qu'une seule pièce avec le collecteur 24 Quand celui-ci est retiré du moule correspon- dant, non représenté, l'on enlève la partie de ce dernier qui empêchait l'obturation desdites extrémités par la matière injectée de sorte que celles-ci se trouvent reliées avec l'espace intérieur du collecteur 24 par l'intermédiaire des ouvertures 26 réalisées dans la paroi de celui-ci lors de l'injection Cela rend inutile le collage ou soudage de ces extrémités 2 avec le collecteur 24. Dans un exemple de réalisation il est prévu pour chaque collecteur tel que 24, vingt tubes 2 d'un diamètre de 2,4 mm avec une épaisseur de paroi de 0,4 mm. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T IO N S 1 Echangeur de chaleur comportant un élément disposé à l'intérieur d'un caisson et préférablement destiné d'une part à un milieu gazeux tel que l'air, d'autre part à un milieu liquide tel que l'eau, du genre dans lequel l'un des milieux s'écoule à travers un tel élément fait d'une multiplicité de tubes en matière plastique pourvus à leurs deux extrémités de dispositifs de raccordement pour l'entrée et la sortie de ce milieu, tandis que l'autre milieu est guidé transversalement aux tubes à l'intérieur du caisson qui renferme l'élément, caractérisé en ce que l'élément d'échange (B) est constitué par au moins un corps ( 8-13) en forme de nappe fait de tubes souples en matière plastique qui se croisent à la façon des barreaux d'une grille, ce corps étant à profil rectangulaire et réalisant une paroi orientée transversalement par rapport au sens d'écoulement de l'autre milieu dans le caisson (A). 2 Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes en matière plastique 2 comportent un diamètre d'environ 2 mm. 3 Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément (B) est constitué par deux corps en forme de nappe ( 8, 13) disposés parallèlement l'un derrière l'autre. 4 Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps en forme de nappe ( 8, 13) de l'élément (B) comporte une longueur telle qu'il peut être replié une ou plusieurs fois autour d'un ou de plusieurs axes perpendiculaires à sa longueur. 5 Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans des installations de ventilation, de climatisa- tion ou analogues, équipées de canalisations (A) à section rectangulaire, cette canalisation (A) constitue le caisson de l'échangeur, tandis que l'élément d'échange (B) est réalisé sous la forme d'un corps disposé à l'intérieur de celle-ci. 6 Echangeur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément d'échange (B) est reçu dans un cadre souple destiné à le renforcer. 7 Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le corps en forme de nappe ( 8-13) qui constitue l'élément d'échange (B) est réalisé par entrelacement des tubes ( 2) à la façon des barreaux d'une grille. 8 Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément d'échange (B) est constitué par deux nappes ( 1, 1 '; 10, 10 ') de tubes orientés longitudinalement, parallèles les uns aux autres et convenablement espacés, ces nappes étant repliées sur elles-mêmes autour d'au moins un axe ( 3, 3 ') orienté à un angle d'environ 450 par rapport aux tubes, en ce que les deux nappes ( 1, 1 ' , 10 ') disposées symétriquement l'une de l'autre par rapport à un plan sont réunies pour constituer un corps à double épaisseur ( 8-13) de forme rectangulaire, et en ce que les tubes ( 2, 2 ') sont agencés à leurs deux extrémités libres de façon telle que celles-ci ( 6, 6 '; 7, 7 ') destinées à être reçues par le collecteur de raccordement ( 24), se trouvent disposées les unes à c 8 té des autres suivant une rangée dans le plan de ce corps ( 8, 13). 9 Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément (B) est constitué par une nappe de tubes orientés parallèlement les uns aux autres dans le sens de leur longueur et convenablement espacés les uns des autres, cette nappe étant enroulée en hélice puis amenée par aplatissement à la forme désirée pour le corps de l'élément. 10.Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les collecteurs de raccordement ( 24), moulés par injection, comprennent des parties tubulaires susceptibles d'être introduites de façon étanche dans la canalisation d'amenée ou de sortie du milieu qui alimente l'élément d'échange (B), ces collecteurs comportant une nervure ( 25) orientée axialement, dépassant vers l'extérieur et propre à recevoir la rangée des extrémités libres des tubes ( 2). 11 Echangeur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les extrémités libres des tubes, maintenues fermées pendant le processus d'injection, sont incorporées de façon étanche dans la nervure ( 25) par l'opération d'injection elle-même et débouchent dans la partie tubulaire du collecteur par des perforations ( 26) prévues dans ladite nervure ( 25).