Brevet FR2538525A1 — publié le 19840629

La présente invention concerne un moyen permettant un transfert de chaleur important pour un échangeur de chaleur à tubes et ailettes plats.pour traiter des charges de chaleur de densité élevée, on modifie généralement un échangeur de chaleur en augmentant le nombre des ailettes du faisceau d'échange de chaleur dans le but d'accroître la surface du côté air; Cependant, cela se traduit également par une chute de pression élevée pour le courant d'air traversant le faisceau. D'autre part, des couches limites se forment sur la face des ailettes de l'échangeur de chaleur là où la vitesse et la température de l'air sont modifiées.Au bord avant des ailettes où l'air entre dans 'échangeur de chaleur, la couche limite est peu épaisse et le coefficient de transfert de chaleur important ; cependant, à la fin des ailettes, la couche limite devient plus epaisse et le coefficient de transfert de chaleur entre les ailettes et l'air diminue. Un procédé permettant de résoudre ce problème consiste à agencer un certain nombre de volets surélevés à des intervalles égaux sur les surfaces des ailettes de manière à utiliser plus efficacement les couches limites au sommet des ailettes. Avec les volets, les couches limites nlaug- mentent pas autant que dans le cas des ailettes plates ininterrompues et le courant traversant la surface avant des ailettes à volets n'a sensiblement aucun effet sur le courant traversant la surface arrière de ces ailettes. Un inconvénient en résultant est que les échangeurs de chaleur utilisant des ailettes cloisonnées en volets ont une perte de pression d'air élevée qui est due à des pertes élevées du courant d'entrée et aux gradients de vitesse ou cisaillement. Un autre procédé pour essayer de résoudre le problème des couches limites consiste à utiliser des ailettes ondulées. Les ailettes ondulées d'un échangeur de chaleur présentent toujours une croissance des couches limites ainsi qu'une séparation aux parties incurvées, ce qui donne tant une perte de courbure qu'une perte de séparation causées par la circulation en zigzag de l'air à travers le faisceau d'ailettes et de tubes. Plus récemment, on a appliqué le concept d'une ailette fendue décalée pour améliorer les performances des échangeurs de chaleur, comme cela est décrit dans le brevet des E.U.A. nO 3 916 989. Ce brevet décrit un échangeur de chaleur du type tube-ailette en croix, ayant une pluralité de tubes conducteurs de la chaleur ronds et une pluralité d'ailettes comportant plusieurs fentes rectangulaires qui sont disposées généralement transversalement au courant d'air traversant les ailettes et passant autour des tubes. Les fentes sont formes avec des parties surélevées d'ailette. qui constituent des volets pour intercepter les lignes de courant d'air dans une vaste gamme et éviter la formation de couches limites. Les fentes peuvent être disposées en rangées entre les tubes ou s'étendent radialement à partir des tubes et autour de ceux-ci. Cependant, il est impossible dans cet échangeur de chaleur d'éviter que le trajet du flux de chaleur à travers les ailettes ne soit interrompu. L'interruption du flux de chaleur se traduit par l'abaissement du coefficient de transfert de chaleur. Une configuration améliorée d'ailettes senduesest prévue dans la présente invention de manière à améliorer le trans fert de chaleur à l'intérieur d'un faisceau de tubes et d'ailettes pour un échangeur de chaleur compact. La présente invention prévoit un échangeur de chaleur perfectionné, comportant une ou plusieurs rangées de tubes aplatis qui sont placés suivant un certain angle par rapport au courant d'air normal ou qui sont parallèles à ce courant d'air, et des ailettes fendues, où la partie plate de l'ailette entre tubes contigus est fendue et décalée de manière à former une pluralité de segments rectangulaires situés à des intervalles réguliers. L'ailette plate d'origine sera ainsi munie d'une chaîne de segments,alternativement non fendus et fendus et décalés, de sorte que le courant d'air sera interrompu de manière répétée tant -par les segments fendus que par les segments non fendus. Cette interruption du courant permet de réduire la résistance thermique entre le fluide du côté tube et le fluide du côté ailette (air) pour donner un transfert élevé de chaleur. La présente invention prévoit également un échangeur de chaleur perfectionné muni d'ailettes fendues, où la direction de la fente est en ligne avec le trajet du flux de chaleur ear l'ailette fendue provoque une discontinuité du trajet du flux de chaleur à travers la fente. La présente invention prévoit d'autre part un échangeur de chaleur perfectionné, utilisant des ailettes fendues avec les segments formés par les fentes décalés par rapport à la surface d'ailettes etdimensionnés à la longueur maximum compte tenu de la contrainte de non affaiblissement de la résistance de la oellerette d'ailette entourant un tube. De plus, les bords avant et arrière de chaque ailette au-delà des extrémités des tubes sont dimensionnés de manière à avoir une largeur sensiblement égale à la largeur dtun nombre de segments formes ne dépassant pas un. D'autres objets de la présente invention sont de prévoir une construàtion offrant le maximum de simplicité, d'efficacité, d'économie et de facilité de montage, ainsi que d'autres objets, avantages et possibilités qui apparaitront à la description suivante. La suite de la description se rapport aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une vue en élévation d'un faisceau d'ailettes et de tubes d'échangeur de chaleur selon la présente invention la figure 2 est une vue en plan de dessus du faisceau d'ailettes et de tubes, représentant les segments décalés dans une ailette fendue la figure 3 est une vue partielle en perspective d'une ailette fendue et d'un tube représentant les segments décalés ; la figure 4 est une vue partielle en coupe prise le long de la ligne 4-4 de la figure 2 la figure 5 est une vue schématique en plan de dessus d'un échangeur de chaleur modulaire avec des ailettes fendues la figure 6 est une vue partielle en plan de dessus d'un faisceau d'ailettes et de tubes ayant des ailettes inclinées la figure 7 est une vue en coupe prise le long de la ligne 7-7 de la figure 6 ; ; la figure 8 est une vue partielle en plan de dessus d'un faisceau d'échangeur de chaleur à tubes et ailettes, ayant deux rangées de tubes décalés ; la figure 9 est une vue partielle en coupe prise le long de la ligne 9-9 de la figure 8. En liaison plus particulièrement avec la description des dessins où i'on a représenté des modes de réalisation de la présente invention àtitre d'exemples, les figures 1 à 4 décrivent un faisceau de tubes et d'ailettes 10 pour un échangeur de chaleur compact à flux descendant où des réservoirs supérieur et inférieur et des plaques de tubes (non représentées) sont fixés aux extrémités du faisceau nour permettre la circulation de fluide. Le faisceau est constitué d'une pluralité de tubes aplatis 11 disposés dans une rangée, comme on peut le voir en figure 2, et d'une pluralité d'ailettes métalliques plates 12 constituées d'un matériau, tel que le cuivre, l'acier ou l'aluminium.Chaque ailette comporte des ouvertures allongées 13 ayant des collerettes embouties 14 qui reçoivent les tubes 11 en étant en contact étroit avec eux, les collerettes étant soudées aux tubes de manière à présenter une faible résistance au transfert de chaleur d'un tube à une ailette. Chaque ailette comporte une pluralité de fentes 15, des segments rectangulaires 16 formés entre paires de fentes parallèles étant espacés de la surface de l'ailette par des sections de pontage 17 aux extrémités. La largeur L de chaque segment est égale à la distance T entre segments 16 dans une rangée entre tubes contigus. L'ailette plate sera ainsi équipée d'une chaîne de segments 16 s'étendant entre tubes contigus, l'ailette étant alternativement non fendue et fendue avec décalage. Ainsi, comme on peut le voir en figure 4, lé courantd'airtraversantle faisceau 10 sera interrompu de manière répétée à la fois par les segments décalés 16 et les segments non fendus 18.Cette interruption répétée du courant réduit la résistance thermique entre l'écoulement du liquide du côté tubes et le fluide du côté ailettes, par exemple de l'air, ce qui produit un transfert élevé de chaleur. Les fentes 15 de l'ailette 12 s'étendent-sur leur longueur maximum entre les tubes 11, n'etant limitées que par la contrainte selon laquelle la fente ne doit pas affaiblir la résistance de la collerette 14, de sorte que le courant d'air se fait à travers la totalité de la fente et sensiblement sur la longueur séparant des tubes contigus. De plus, les bords avant et arrière 19 et 21, respectivement, de 1 'ailette au-delà des extrémités 22 du tube aplati ont une lar geur M est égale à la largeur de segment L. De plus, aucune fente 15 n'est formée dans l'ailette au-delà des bords de tube 22 dans la zone de matériau d'ailette inactive , mais les fentes avant et arrière sont sensiblement de niveau avec les extrémités 22 des tubes. Cette limitation est importante car, si les bords avant et arrière de l'ailette sont profonds, et qu'un nombre de fentes supérieur à un est pratiqué au-delà de l'avant et de l'arrière des bords des tubes, le courant d'air a tendance à contourner la partie fendue et à suivre le trajet de moindre résistance du flux par conséquent, on n'utilise pas l'avantage que présentent les ailettes fendues.En outre, le flux de chaleur ne sera pas grandement gêné par suite des fentes dans la zone d'ailette inactive des bords avant et arrière. La fabrication des ailettes fendues pourrait sembler difficile à cause de la tendance probable qu'auront les ailettes à se coller lors de l'estampage des fentes et de la formation des segments décalés. I1 est suggéré que pour remédier à ce problème on procède à la fabrication des fentes en suivant les étapes suivantes : 1) maintien de la partie plate de l'ailette, 2) formation des fentes et des segments décalés avec une matrice de découpe et de décalage, et 3) libération de la matrice de découpage pour la dégager des fentes alors que la partie plate de l'ailette reste sous pression. Lorsque les tubes et les ailettes sont assemblés, les tubes sont insérés dans les ouvertures alignées 13 de l'empilage d'ailettes defini par les collerettes 14, puis soudés. La figure 5 représente un échangeur de chaleur modulaire 25 auquel s'applique le concept des ailettes fendues. Pour venir à l'appui des mérites présentés par les ailettes fendues, on a procédé à des essais d'une ailette fendue à trois segments avec une inclinaison du tube de 150. Les résultats de ces essais montrent que l'ailette fendue présente une amélioration de 408 du coefficient de transfert de chaleur par rapport à une ailette plate correspondante pour une vitesse faciale normale de 158 m/min. Les performances des ailettes fendues seront, en principe, encore améliorées avec l'accroissement du nombre de fentes. Les figures 6 et 7 concernent un échangeur de chaleur 27 comportant une seule rangée de tubes et des ailettes fendues, dans lequel les fentes 32 sont multiples et les tubes plats 28 sont inclinés. Les fentes 32 sont parallèles au bord avant 31 de chaque ailette 29 et les segments décalés 33 sont généralement orientés dans la même configuration angulaire que les tubes inclinés. Comme dans les modes de réalisation précédents, le trajet du flux de chaleur dans l'ailette 29 n'est pas perturbe par les fentes, alors que le flux traverse les fentes à 900 en n importe quel endroit de l'échangeur de chaleur, ce qui permet d'utiliser plus efficacement l'avantage présenté par une ailette fendue. Les figures 8 et 9 représentent un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur 35 comportant deux rangées de tubes 36 et 37, avec les tubes 36 d'une rangée décalés par rapport aux tubes 37 de 1 autre rangée, comme on peut le voir en figure 8. Une multiplicité d'ailettes 38 a des ouvertures recevant les tubes et des rangées de fentes 39 et 41 entre les tubes contigus de chaque rangée. Les fentes forment des segments 4a et 43 décalées par rapport à la surface 44 de l'ailette ; les segments 42 entre tubes 36 étant décalés par rapport aux segments 43 entre tubes 37. il va de soi que l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples, et que l'homme de leart peut y apporter des modifications sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (10)-à tubes et ailettes plates, comprenant une pluralité de tubes aplatis (11) dans au moins une rangée s'étendant latéralement, et une pluralité d'ailettes (12) plates, parallèles, étroitement espacées, comportant des ouvertures (13) qui reçoivent les tubes de manière étanche, les axes transversaux des tubes aplatis étant sensiblement-parallèles de sorte que le courant d'air traversant les ailettes est sensiblement parallèle à la longueur des tubes aplatis, chaque ailette ayant une pluralité de fentes sensiblement parallèles (15) qui sont perpendiculaire aux axes transversaux des tubes et définissant une pluralité de segments (16) décalés par rapport à la surface (18) de 11 ailette située entre tubes contigus, la largeur du segment étant égale à la largeur (T) de la partie alternante d'ailette située entre segments décalés. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (11) sont soudés dans les ouvertures dB3) des ailettes (12) de manière à favoriser la réduction de la résistance présentée au transfert de chaleur entre les ailettes. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes (15) se terminent en un endroit étroitement contigu aux tubes (11) et ne sont pas situées au-delà des extrémités (22) des tubes d'une rangée. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords avant (19) et arrière-(21) des ailettes (12) s'étendent au-delà des extrémités (22) des tubes suivant une distance(T) quia'est pas supérieure à la largeur (L) des segments (16) décalés d'ailette 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes- (15) et les segments décalés d'ailette (16) provoquent une chute de pression relativement faible pour le courant d'air les traversant. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rangée de tubes aplatis (28) est inclinée par rapport aux axes longitudinaux des ailettes (29). 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs sections de l'échangeur de chaleur, ayant chacune une rangée de tubes aplatis-et une pluralité d'ailettes, sont disposées en relation angulaire les unes par rapport aux autres pour former un module (25). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux rangées de tubes aplatis (36, 37) sont reçues dans des ouvertures complémentaires pratiquées dans la pluralite d'ailettes (38),et une pluralité de fentes (39, 41) définissant des segments décalés d'ailette (42, 43) sont placés entre tubes contigus dans chaque rangée. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les tubes (36, 37) des deux rangées sont décalés latéralement les uns par rapport aux autres, et les segments décalés (42,43) dans chaque rangée de tubes sont décalés les uns par rapport aux autres.