Brevet FR2532043A1 — publié le 19840224

La presente invention concerne un échangeur tubulaire extrudé, notamment utilisable pour les condenseurs de pompes à chaleur, et présentant un canal central de passage pour un liquide à réchauffer, par exemple constitué par de l'eau de chauffage, et plusieurs canaux périphériques' de passage pour un fluide caloporteur à changement de phase appele à céder de la chaleur à l'eau à réchauffer, par désurchauffe' et condensation. On a déjà proposé, pour certaines applications spécifiques, de réaliser des tubes échangeurs peu onéreux à double paroi, extrudés ou filés d'un seul bloc en métal ou en matière plastique, ces échangeurs étant dotés d'un canal central et de canaux périphériques pour permettre un échange calorifique entre un fluide parcourant le canal central et un autre fluide parcourant les canaux périphériques. Toutefois ces échangeurs sont décevants lorsqu'on les transpose à des condenseurs de pompes à chaleur air-eau ou eau-eau ; leur aptitude à l'échange reste limitée du fait qu'ils sont peu appropriés à 11 échange thermique entre l'eau circulant dans le canal central et le fluide frigorigène circulant dans les canaux périphériques sous forme gazeuse puis sous forme liquide. En particulier, si l'échange calorifique est parfois satisfaisant dans la partie dite de désurchauffe du condenseur (ot le fluide est encore en phase gazeuse), il reste souvent insuffisant dans la partie dite de condensation. De plus, le prix de revient des échangeurs tubulaires extrudés connus est élevé Leur prix elevé et l'insuffisance de leurs performances dans la partie condensation obèrent l'augmentation dont on souhaiterait faire bénéficier le coefficient de performance des -pompes à chaleur. La présente invention a notamment pour but d'améliorer les performances d'échange thermique d'un condenseur tubulaire de pompe à chaleur air-eau ou eaueau tout en diminuant le prix de revient de ce condenseur. Selon l'invention, dans un condenseur tubulaire du type précité, les canaux périphériques servant au passage du fluide frigorigène à condenser présentent des nervures et des gorges venues d'extrusion en même temps que la paroi intérieure et la paroi extérieure du tube. Il en résulte que, dans la partie de désurchauffe du condenseur, les nervures et les gorges, auxquelles on confère de préférence une forme d'ondes, augmentent la surface d'échange deS canaux périphériques. En outre, et surtout, les ondulations favorisent les échanges thermiques dans la partie de condensation de l'échangeur tout en facilitant le filage du tube. En effet, l'échangeur est généralement dispose avec une légère inclinaison par rapport à l'horizontale, et il se trouve alors, pour chaque canal périphérique, au moins une gorge (délimitée par deux nervures) située en partie basse du canal. La présence de cette gorge va favoriser l'apparition des gouttes de condensat, ainsi que la collecte de ces gouttes, par gravité. Par capillarité, le condensat collecté va ensuite s'étendre en un film le long des parois des nervures délimitant la gorge en question. Le fluide con densé, diffusé de cette manière, peut alors céder sa chaleur latente de façon nettement améliorée par rapport à un condenseur dont les canaux.sont à paroi lisse. L'apparition et les effets thermiques du phénomène de condensation peuvent être encore améliorés de manière surprenante si, les canaux periphêriques étant dotés sur tout leur pourtour des nervures et des gorges précédemnnt mentionnées, le condenseur tubulaire est vrillé : de fait, à la mise en tourbillonnement du fluide frigorigène provoquée-par le tors adage des nervures et des gorges des canaux périphériques s'ajoute, de manière déterminante pour l'amélioration de l'échange thermiquer une plus grande régularité du mouillage des parois et des s o m m e t s des nervures dans la partie de condensation du tube.De plus, pour un pas de vrillage donné, les canaux périphériques subissent un torsadage plus accentué que le canal central, ce qui accentue l'effet de mouillage des parois et des sommets des nervures qui sont le lieu de la majeure partie de l'échange thermique dans la partie de condensation du tube. D'une manière particulièrement avantageuse pour l'échange, tant en désurchauffe qu'en condensation, lorsqu'on utilise notamment pour fluide frigorigène un fluide R22 (nDnochlorodifluorométhane > , le rapport de la hauteur des nervures à leur largeur prise a mi-hauteur peut être compris entre environ 1,2:1 et 2:1, tandis que le rayon de courbure au sommet des nervures est compris entre 0,5 et 0,3 mm. Le profil extérieur du tube condenseur peut avantageusement être constitué par l'enveloppe des lignes équipotentielles du flux thermique susceptible d'être cédé par le fluide à changement de phase circulant dans les canaux périphériques. De la sorte, on bénéficie d'un échange thermique optimal tout en économisant un volume non négligeable du matériau du condenseur tubulaire. Lorsque les canaux périphériques sont-entière- ment entourés de nervures et de gorges venues d'extrusion, les cloisons séparant ces canaux peuvent être de préférence évasées à leur tête, c'est-à-dire vers la surface extérieure du tube, et à leur pied, c'est-à-dire vers le canal central, afin d'améliorer la conduite du flux thermique vers le canal central. En outre, il est avantageux de prévoir sur la paroi intérieure du canal central, au droit de chacun des canaux périphériques, une surépaisseur de renforcement de cette paroi. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-dessous, relative à un mode de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés qui font partie intégrante de cette description. La figure 1 représente la coupe transversale d'un condenseur tubulaire extrudé selon l'invention. La figure 2 représente la coupe transversale d'une variante du condenseur selon l'invention. La figure 3 montre à plus grande échelle un quadrant de la coupe de la figure 1. Le condenseur tubulaire 10 pour pompe à chaleur air-eau ou eau-eau représenté sur les figures 1 et 2 est par exemple constitué d'un alliage léger extrudé et il présente une paroi intérieure 10 a et une paroi extérieure 10 b, ainsi qu'un canal central 11 de passage pour de l'eau à réchauffer et huit (par exemple) canaux ou alvéoles périphériques 12 de passage pour un fluide caloporteur à changement de phase provenant du compresseur de la pompe à chaleur. Les canaux périphériques sont munis de nervures 13 et de gorges 14 intermédiaires entre les nervures Le canal central présente des nervures 15 destinées à mettre en rotation la veine de fluide circulant dans le canal central 10, pour accroître, par le tourbillonnement ainsi engendré, le transfert thermique entre le canal 10 et la paroi qui l'entoure. Les éléments 13, 14, 15 sont venus de la même opération de filage qui a permis de réaliser le tube a double paroi. Les nervures 13 et les gorges 14 sont ménagées sur tout le pourtour des canaux 12, aussi bien dans la partie de désurchauffe du tube que dans sa partie de condensation ; de préférence le rapport de la hauteur des nervures a leur largeur à mi-hauteur est compris entre 1,2:1 et 2:1, tandis que le rayon de courbure au sommet des nervures est compris entre 0,5 et 0,3 mm notamment lorsqu'on utilise pour fluide frigorigène un fluide R22 Les nervures ont une forme ondulée sensiblement sinusoldale a flancs raides. Le fond des gorges est arrondi pour faciliter le filage. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 3, les cloisons 16 séparant les canaux périphériques 12 adjacents montrent (à la différence de la variante de la figure 2, où les cloisons ont une épaisseur sensiblement constante) une tête 16 a et un pied 16 b évasés de manière à permettre une évacuation satisfaisante du flux thermique dégagé des canaux 12 vers le canal central 11. On constate sur la figure 3 que la surface exterieure 17 du condenseur 10 épouse la forme de l'enve- loppe des équipotentielles de flux thermique F1 ; il en résulte une économie en volume de métal léger égale à l'espace 18 situé entre la surface 17 et la surface cylindrique 19 que l'on aurait laissé subsister en tant que section extérieure circulaire pour le tube. La forme de la section des canaux périphériques 12 est ovoide (le petit axe étant orienté radialement), ceci permettant de rendre plus faible l'encombrement dia métral du tube, et la hauteur des nervures est plus élevée près de la surface extérieure 17 du tube et près du canal central 11 que vers lès cloisons 16. Comme indiqué plus haut, le condenseur 10 est avantageusement vrillé. Ce vrillage (non représenté) est exécuté de manière classique, pendant ou après l'extrusion. Ce vrillage accroît les performances de l'échangeur, dans une mesure d'autant plus grande que le pas du vrillage.est court, c 'est-à-dire que le nombre de tours par mètre de tube est plus élevé. Il y a donc intérêt à augmenter ce nombre autant que possible. Mais on se heurte alors aux problèmes d'écrasement ou d'effondrement du tube. La première zone à s'effondrer est la zone 21, au droit de chaque canal périphérique, où la paroi intérieure 10 a est la plus mince, qui est donc soumise à la contrainte maximale. Il y a alors intérêt, pour retarder cet effondrement et augmenter le vrillage, à prévoir à cet endroit une surépaisseur de renforcement qui évite que l'épaisseur de-la cloison ne descende en-dessous d'une valeur minimale e. Ces surepaisseurs ont de surcroît l'avantage d'entraîner en rotation la veine de liquide circulant dans le canal central et constituent alors les nervures 15 précitées. Il va de soi que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention apporter des modifications au mode de réalisation décrit. En particulier le nombre des alvéoles peut bien entendu etre différent de huit. Le matériau du tube est constitué par tout matériau apte au filage ou à l'extrusion : cuivre, aluminium, GU leurs alliages, matières plastiques a charge et/ou renforcement minéral et/ou métallique. Les dimensions des nervures dont il a été fait état avec un fluide frigorigène R22 peuvent bien entendu être modifiées par.l'homme de l'art pour l'usage d'autres fluides frigorigènes en tenant compte de leurs tensions superficielles respectives. REVENDICATIONS 1. Condenseur tubulaire extrudé comportant une paroi intérieure (10 a) délimitant un canal central (11) de passage pour un fluide à réchauffer, une paroi extérieure (10 b) et, entre les deux parois, plusieurs canaux périphériques (12) de passage pour un fluide caloporteur à changement de phase, appelé a céder sa chaleur à l'eau du canal central par désurchauffe et condensation, caractérisé par le fait que les canaux périphériques de fluide à condenser présentent, aussi bien dans la partie de désurchauffe que dans la partie de condensation du tube, des nervures (13) et des gorges (14) venues d'extrusion en même temps que la paroi intérieure et la paroi extérieure du tube. 2. Condenseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les nervures (13) et les gorges (14) sont prévues sur tout le pourtour des canaux périphériques (12). 3. Condenseur selon la revendication 2, carac térisé par le fait que le tube est vrillé autour de son axe central. 4. Condenseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les nervures ont une forme ondulée et que le rapport de la hauteur des nervures à leur largeur à mi-hauteur est compris entre environ 1:1 et 2rl , tandis que le rayon de courbure au sommet des nervures est compris entre environ 0,5 et 0,3 mm. 5. Condenseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le profil extérieur du tube (10) est constitué par l'enveloppe des lignes équipotentielles (F1) du flux thermique susceptible d'être cédé par le fluide à changement de phase des canaux péri- phériques (12). 6. Condenseur selon l'une des revendications i a 5, caractérisé par le fait que les cloisons (16) séparant les canaux (12) adjacents sont évasées à leur tête (16 a) et à leur pied (16 b). 7. Condenseur-selon l'une des revendications 1 à 6j caractérisé par le fait que les canaux périphériques (12) ont une forme ovoide. 8. Condenseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la hauteur des nervures (13) est plus élevée près de la surface extérieure (17) du tube et près du canal central (11) que vers les cloisons (16). 9. Condenseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la paroi intérieure (10 a) du canal central est munie d'une surépaisseur de renforcement (21) au droit de chacun des canaux péri phériques. 10. Condenseur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la paroi intérieure (10 a) du canal central est munie de nervures hélicoîdales (15, 21) d'entraînement en rotation da fluide circulant dans ce canal central.