Brevet FR2541761A1 — publié le 19840831

1-. La présente invention concerne le domaine de la construction des machines thermiques, en particulier des pompes de chaleur, et a pour objet un échangeur de chaleur à tuyaux Les échangeurs de chaleur existant actuellement, du type condenseur ou évaporateur, sont généralement consti- tués par un serpentin disposé dans une chambre d'échange de chaleur, dans laquelle le serpentin transmet l'énergie calorifique ou frigorifique qu'il transporte au fluide en changement d'état, qui l'environne. Toutefois, dans ces échangeurs connus les pertes de charge dans les circuits primaire et secondaire sont sen- sibles et ces échangeurs nécessitent un dimensionnement- important pour permettre un bon rendement calorifique, ce dimensionnement se répercutant entièrement en hausse sur le prix de revient de tels échangeurs. Il a été proposé d'obvier à ces inconvénients par la réalisation d'un échangeur de chaleur constitué par un enroulement en spirale d'une happe de tuyaux jointifs dispo- sée dans une chambre annulaire délimitée par un tube inté- rieur formant le noyau de l'enroulement, et par un tube extérieur enveloppant l'enroulement. Cependant, un tel échangeur ne permet pas des débits et des pertes de charges uniformes dans les tuyaux le constituant du fait de la différence de longueur existant nécessairement entre les tuyaux intérieurs et les tuyaux extérieurs, de sorte que son rendement thermique est égale- ment affecté. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a, en effet, pour objet un échangeur de chaleur à tuyaux, essentiellement constitué par des tuyaux disposés dans une chambre annulaire formée par un noyau et par une enveloppe extérieure, caractérisé en ce que les tuyaux de la chambre annulaire présentent tous des longueurs égales et sont enroulés en forme de boudins concentriques jointifs, de pas différents à sens d'enroulement identiques ou inverses alternés, autour du noyau, ces boudins étant constitués chacun d'un ou de plusieurs tuyaux enroulés sur 2 2541761 une même génératrice, le nombre de tuyaux augmentant avec le diamètre d'enroulement du boudin. L'invention sera mieux comprise grâce à la descrip- tion ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence au dessin schématique annexé, dans lequel la figure lest une vue partiellement arrachée, et partielle- ment en coupe d'un échangeur conforme à l'invention, et la figure 2 est une vue en plan de l'échangeur de la figure 1. Conformément à l'invention, et comme le montrent, à titre d'exemple, les figures 1 et 2 du dessin annexé, l'échangeur de chaleur, qui est essentiellement constitué par des tuyaux 1 disposés dans une chambre annulaire 2 formée par un noyau 3 et par une enveloppe extérieure 4, est caractérisé en ce que les tuyaux 1 présentent tous des longueurs identiques et sont enroulés autour du noyau 3 en forme de boudins concentriques jointifs, qui présentent des pas différents, et qui sont à sens d'enroulement identiques ou inverses alternés Ces boudins sont constitués chacun d'un ou de plusieurs tuyaux 1 enroulés sur une même généra- trice, et le nombre des tuyaux 1 est fonction du diamètre d'enroulement du boudin, et augmente avec ledit diamètre. Les spires des boudins ainsi enroulés sont jointi- ves,-ou pratiquement jointives, de manière à ne laisser - subsister qu'un espace minimum pour le passage du fluide en changement d'état à réchauffer ou à refroidir, tout en offrant une surface d'échange maximale. Les tuyaux 1 sont avantageusement en grand nombre et présentent un diamètre et une longueur relativement fai- bles, permettant, même à de faibles débits, des vitesses d'écoulement relativement rapides ayant pour effet un écoulement turbulent, et donc un bon échange de chaleur. Le passage du liquide dans des tuyaux 1 de faible diamètre permet une augmentation de la surface d'échange pour un débit donné, de sorte que le rendement thermique de l'échan- geur est amélioré par rapport à un échangeur comportant un petit nombre de grands tuyaux En outre, le fait de prévoir des tuyaux 1 relativement courts permet de compenser 3 25 41761 l'augmentation des pertes de charges occasionnée par l'écou- lement turbulent dû à leur faible diamètre. La prévision de tuyaux 1 présentant tous une longueur identique permet, en outre, une uniformisation des débits et des pertes de charge dans lesdits tuyaux. Le mode de réalisation conforme à l'invention assure donc un changement de température du liquide identi- que pour tous les tuyaux, qui est très important du point de vue thermodynamique. Du fait de la disposition concentrique et jointive dés boudins de tuyaux 1 et de l'enroulement jointif de ces derniers sur chaque boudin, l'espace libre 5 entre les tuyaux 1 dans la chambre annulaire 2 est réduit à un mini- mum, qui est suffisant pour absorber les débits massiques relativement faibles du fluide en changement d'état dans l'évaporateur ou le condenseur, ces débits étant beaucoup plus faibles que ceux du liquide circulant dans les tuyaux 1 et avec lesquels s'effectue l'échange de chaleur. En outre, dans le cas d'utilisation de l'échangeur selon l'invention sous forme d'un évaporateur, dont la position privilégiée est la position verticale, le liquide en ébullition est dans la partie inférieure et les vapeurs sont évacuées dans la partie supérieure Dans les circuits frigorifiques, le fluide soumis au changement d'état entrai- ne généralement une partie de l'huile de lubrification du compresseur, qui doit donc être ramenée en permanence à ce dernier Cependant, dans les évaporateurs connus, le mélange huile fluide frigorifique est soumis à une distil- lation à la suite de laquelle l'huile non volatile a tendan- ce à rester et à s'accumuler dans la partie inférieure de l'évaporateur. L'invention permet d'éviter cette accumulation grâce à la réduction du volume disponible de la chambre annulaire 2, qui a pour effet d'entraîner un cheminement vertical forcé de l'huile sous forme de gouttelettes ou de brouillard entraînés par les vapeurs, qui évoluent à des vitesses relativement élevées. Selon une autré caractéristique de l'invention, les tuyaux 1 présentent, avantageusement, un diamètre 4 2541761 inférieur à six fois leur épaisseur de paroi, et sont cons- titués pour ne présenter ni angle mort ni changement de diamètre, sur le parcours en contact avec le fluide en changement d'état, et leurs extrémités débouchent, par l'intermédiaire de coudes courts 7 d'un rayon intérieur environ égal à 1,25 diamètre, à l'extérieur de la chambre annulaire 2 dans le tube 6 d'écoulement du fluide, suivant une direction parallèle à ce tube et à la direction d'écou- lement du liquide à l'entrée et à la sortie de l'échangeur. Un tel mode de réalisation permet d'éviter, en cas de gel accidentel du liquide dans les tuyaux 1, une destruc- tion de ces derniers, les tuyaux 1 résistant à la pression et le cordon de liquide gelé se dilatant axialement. L'échangeur conforme à l'invention est plus parti- culièrement destiné à être utilisé dans des machines frigorifiques sous forme d'évaporateur ou de condenseur, dans lequel l'échange de chaleur s'effectue entre un liquide circulant dans les tuyaux 1 et un fluide en changement d'état traversant l'espace annulaire 3. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent'possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substi- tution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. 2541761 R E V E N D I C A T I O N S - 1 Echangeur de chaleur à tuyaux, essentiellement constitué par des tuyaux ( 1) disposés dans une chambre annulaire -( 2) formée par un noyau ( 3) et par une enveloppe extérieure ( 4), caractérisé en ce que les tuyaux ( 1) de la chambre annulaire ( 2) présentent tous des longueurs égales et sont enroulés en forme de boudins concentriques jointifs, de pas différents à sens d'enroulement identiques ou inver- ses alternés, autour du noyau ( 3), ces boudins étant consti- tués chacun d'un ou de plusieurs tuyaux ( 1) enroulés sur une même génératrice, le nombre de tuyaux ( 1) augmentant avec le diamètre d'enroulement du boudin. 2 Echangeur, suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les spires des-boudins sont jointives, ou pratiquement jointives, de manière à ne laisser subsister qu'un espace minimum pour le passage du fluide en changement d'état à réchauffer ou à refroidir, tout en offrant une surface d'échange maximale. 3 Echangeur, suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les tuyaux ( 1) sont avantageusement en grand nombre et présentent un diamètre et une longueur relativement faibles, permettant, même à de faibles débits, des vitesses d'écoulement relativement rapides ayant pour effet un écoule- ment turbulent, et donc un bon échange de chaleur. 4 Echangeur, suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que les tuyaux ( 1) présen- tent, avantageusement, un diamètre inférieur à six fois leur épaisseur de paroi, et sont constitués pour ne présenter ni angle mort ni changement de diamètre, sur le parcours en contact avec le fluide en changement d'état, et leurs extré- mités débouchent, par l'intermédiaire de coudes courts ( 7) d'un rayon intérieur environ égal à 1,25 diamètre, à l'exté- rieur de la chambre annulaire ( 2) dans le tube ( 6) d'écoule- ment du fluide, suivant une direction parallèle à ce tube et à la direction d'écoulement du liquide à l'entrée et à la sortie de l'échangeur -