Brevet FR2560369A1 — publié le 19850830

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLUSIEURS TUBES PARALLELES MUNIS D'AILETTES La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur comportant plusieurs tubes qui, en particulier de section ronde, à axes parallèles et parcourus intérieurement par un fluide, sont dotés extérieurement d'ailettes transversales distantes d'un mdme intervalle axial et présentant, en guide d'éléments directeurs d'un fluide parvenant perpendiculairement de l'extérieur dans les tubes, des moulures ou empreintes qui sont repoussées à l'écart de leurs plans dans la même direction, ont une section sensiblement semi-circulaire et sont prévues à côté des tubes et à distance de ces derniers par rapport au sens de I'écoulement du fluide extérieur, ces empreintes étant réalisées sous la forme de canaux de guidage deviant à force le fluide extérieur par leurs faces internes, et s'étendant à chaque fois parallèlement à la face externe de la paroi des tubes. Le brevet DE-C-496 733 décrit un échangeur de chaleur dans lequel des empreintes placées à côté des tubes et ne comportant pas d'orifices d'entrée et de sortie (donc ne constituant pas des canaux de guidage) dévient le fluide vers la région des tubes pour obtenir un meilleur transfert de chaleur. Dans ce cas, l'agencement des empreintes par rapport aux tubes est choisi de façon que ces empreintes réduisent la section de passage du fluide entre les ailettes dans les zones distantes davantage encore desdits tubes, si bien que, à cause de l'étranglement établi dans ces zones, le fluide s'écoulant entre les ailettes est dévié desdites zones d'étranglement vers les zones proches des tubes. Les empreintes connues constituent ainsi des obstacles,parce qu'elles doivent délibérément provoquer un étranglement entre les tubes. Cependant, cet étranglement a pour effet que chaque déviation du fluide extérieur est obérée par des pertes de pression considérables, c'est-àdire des pertes d'énergie. Une autre conséquence réside dans le fait qu'iL est donne naissance, derrière les zones d'étranglement, à de nouveaux espaces morts inutilisés pour la circulation, ainsi qu'à des zones dans lesquelles des tourbillons peuvent se produire. I1 en résulte obligatoirement un moins bon transfert de chaleur de l'un à l'autre des fluides. Le brevet DE-C-2 809 143 décrit un échangeur thermique du type précité, dans lequel les empreintes ne sont pas réalisées de façon à provoquer des zones d'étranglement comme dans le brevet susmentionné DE-C-496-733, mais présentent en revanche la forme de canaux de guidage causant non pas un étranglement du fluide en circulation, mais seulement une déviation de ce fluide de manière à répartir celui-ci le plus optimalement possible au voisinage des tubes. Cet échangeur de chaleur s'est imposé dans la pratique.La particularité de cet échangeur connu selon ledit brevet DE-C-2 809 143 consiste en ce que quatre empreintes formant des canaux de guidage sont associées à chaque tube sur chaque ailette transversale, les axes longitudinaux des canaux de guidage se trouvant sensiblement sur une circonférence de rayon donné entourant l'axe longitudinal de chaque tube. Le fluide qui pénètre dans les orifices d'entrée desdits canaux de guidage du cté situé en amont traverse de part en part les empreintes antérieures par rapport à la direction de l'écoulement, il sort par leurs orifices de sortie, puis le fluide évacué par un orifice de sortie parvient pour l'essentiel dans l'orifice d'entrée du canal de guidage situé en aval. En d'autres termes, deux empreintes successives de longueur considérable sont disposées sur chacun des côtés respectifs d'un tube et la masse du fluide pénétrant dans la première empreinte est pour l'essentiel identique à la masse qui sort par l'empreinte placée en aval de l'empreinte précitée. L'invention a pour objet de perfectionner un échangeur de chaleur du type susmentionné, de manière à obtenir, sans pratiquement aucune formation de tourbillons, un effet de refroidissement amélioré par rapport à celui de ltéchan- geur connu. Conformément à l'invention, dans un échangeur de chaleur du type évoqué, cet objet est atteint par le fait que ledit échangeur comporte plusieurs moulures ou empreintes distantes d'intervalles radiaux différents par rapport à un tube associé ; et par le fait que, en observant dans le sens de l'écoulement, les orifices d'entrée élaborés à la face frontale d'au moins quelques-unes desdites empreintes coïncident avec les orifices de sortie d'empreintes adjacentes. Par conséquent, dans l'échangeur thermique conformément à l'invention, on a prévu plusieurs empreintes (c'est-a-dire canaux de guidage) mutuellement décalées dans le sens de l'écoulement. Cet agencement décalé des empreintes permet d'obtenir une répartition et une déviation multiples du fluide passant en regard du tube. Ce fluide est par conséquent délivré aux tubes avec un meilleur brassage, ce qui permet d'atteindre un transfert de chaleur accru. Selon une autre forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, deux groupes d'empreintes peuvent être associés à chaque tube ; les empreintes de l'un de ces groupes peuvent être approximativement disposées,par leurs axes longitudinaux,sur un cercle de rayon donné entourant l'axe du tube ; les empreintes de l'autre groupe peuvent se trouver par leurs axes longitudinaux sur deux cercles entourant l'axe du tube et présentant des rayons respectivement supérieur et inférieur à celui du cercle précité ; et une paire respective d'empreintes de l'autre groupe peut être intercalée, par rapport à la direction circonférentielle, entre deux empreintes du premier groupe.Une autre forme de réalisation de l'invention particulièrement favorable et pouvant faire l'objet d'une revendication particulière de protection est caractérisée par le fait qu'au moins un nombre partiel d'empreintes, et de préférence toutes les empreintes, peuvent être de configuration tronconique avec décroissance de section dans le sens de l'écoulement. Grâce à cette conformation tronconique des empreintes réalisées en tant que canaux de guidage, le fluide affluant d'un coté des ailettes est refoulé, par la réduction de section des canaux de guidage individuels, à la face postérieure de l'ailette transversale considérée de l'échangeur thermique. On engendre de la sorte dans le système d'échange thermique des écoulements transversaux qui, par expérience, exercent des influences positives sur le transfert de chaleur. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en plan,observée dans la direction des axes des tubes, d'une partie d'un échangeur thermique à tubes munis d'ailettes selon l'art antérieur ; la figure 2 est une vue schématique en plan, dans la direction des axes des tubes, d'une partie d'un échangeur de chaleur à tubes munis d'ailettes conformément à l'invention ; et la figure 3 est une vue fragmentaire en perspective avec arrachement partiel d'une partie d'un échangeur de chaleur à tubes munis d'ailettes, correspondant au détail repéré parîlîsur la figure 2. Les parties d'échangeurs thermiques à tubes munis d'ailettes, illustrées sur la figure 1 et sur les figures 2 et 3, respectivement, comportent à chaque fois cinq tubes 1 agencés en deux rangées successives. Les axes de ces tubes 1 juxtaposés et décalés sont parallèles. Les espacements entre les tubes individuels 1 sont égaux à chaque endroit. Les tubes 1 ont des sections interne et externe circulaires. Des ailettes carrées 2, enfilées sur les tubes 1 dans des plans perpendiculaires aux axes longitudinaux desdits tubes, sont distantes mutuellement d'un même espacement. Ces ailettes 2 sont fixées aux tubes 1, de préférence par brasage, en étant de toutes parts en bon contact thermoconducteur avec la face externe de la paroi de chaque tube. De plus, les ailettes 2 sont maintenues distantes les unes des autres de manière connue par des organes d'espacement (non représentés). Les tubes 1 sont parcourus par un fluide extérieur dans la direction de flèches S perpendiculairement aux axes desdits tubes, cependant qu'un fluide intérieur en relation d'échange thermique avec ledit fluide extérieur se trouve dans l'espace interne des tubes. Le fluide extérieur peut consister, par exemple, en un agent gazeux de refroidissement. Dans l'agencement selon la figure 1, les ailettes 2 de l'échangeur à tubes à ailettes sont intégralement planes. Comme le met en évidence cette figure 1, il est formé derrière les tubes 1 des espaces morts ou inutili sués, à cause desquels une grande région circonférenLielle desdits tubes 1 échappe au transfert de chaleur. Conformément aux figures 2 et 3,des moulures ou empreintes 3a, 3b et 3c formant des canaux de guidage du fluide extérieur sont élaborées par repoussage dans les ailettes 2. Comme le montre la partie supérieure de droite de la figure 2, les empreintes 3a, 3b, et 3c entourant un tube respectif 1 se trouvent par leurs axes médians longitudinaux sur des cercles concentriques à l'axe du tube-l considéré. Dans cette forme de réalisation, trois cercles de rayons différents sont spécifiquement délimités, c'està-dire un cercle moyen de rayon R1, un grand cercle de rayon R1 + ARa, ainsi qu'un petit cercle de rayon R1 - 'Ri. On peut constater que les empreintes 3a sont disposées par leurs axes longitudinaux sur le cercle de rayon R1 et forment ainsi un premier groupe d'empreintes. Les empreintes 3b et 3c se trouvent respectivement sur le grand cercle de rayon R1 + ARa et sur le petit cercle de rayon R1 - Art. Ces empreintes 3b et 3c constituent un second groupe d'empreintes. Comme il ressort en outre des fi-gures 2 et 3, une paire considérée d'empreintes 3b et 3c du grand cercle (cercle externe) et du petit cercle (cercle interne), respectivement, est intercalée entre deux empreintes 3a du premier groupe (cercle moyen) distantes l'une de l'autre dans la direction périphérique. La figure 3 illustre par ailleurs des empreintes supplémentaires 3d disséminées qui couvrent les zones de transition. Comme indiqué sur la figure 2, le fluide pénétrant dans la partie de l'échangeur thermique dans la direction des fleches S s'écoule en longeant les lignes en pointillés pour parvenir en partie dans les empreintes 3a, 3b et 3c à travers les canaux de guidage, et pour passer partiellement en regard desdites empreintes 3a, 3b et 3c ; lorsque le fluide s'écoule d'un bout à l'autre de la partie de l'échangeur de chaleur, ce fluide est soumis à une répartition et à un brassage, si bien que les surfaces externes des tubes 1 viennent toujours au contact d'un fluide re nouvelé et que, par conséquent, il se produit un transfert optimal de chaleur entre le fluide situé à I'extérieur des tubes 1 et le fluide renfermé par ces tubes 1. Comme on le voit dans la partie inférieure de droite de la figure 2, il est prévu, par exemple à la transition entre une empreinte 3a et une empreinte 3c, une zone de coïncidence 4 qui indique qu'une partie du fluide sortant de l'empreinte 3a pénètre dans l'empreinte 3c associée en aval. Les mêmes conditions s'appliquent également à la transition entre une empreinte 3a et une empreinte 3b ou bien entre les empreintes 3b, 3c et une empreinte 3a, respectivement. Comme il ressort de la figure 3, les empreintes 3a, 3b et 3c servant de canaux de guidage sont de configuration tronconique avec décroissance de section dans la direction S de l'écoulement , c'est-à-dire qu'un orifice respectif d'entrée 5a d'une empreinte 3a, 3b ou 3c possède une section plus grande que celle d'un orifice de sortie 5b de ladite empreinte 3a, 3b ou 3c. Lorsque le fluide en écoulement pénètre dans l'orifice d'entrée 5a, il est refoule vers la face postérieure de l'ailette 2 lorsqu'il parcourt l'empreinte 3a, 3b ou 3c. Cela donne naissance, dans la partie de l'échangeur thermique, à un écoulement transversal qui améliore davantage encore le transfert de chaleur entre le fluide extérieur et le fluide logé dans les tubes 1. La diminution de section des empreintes 3a, 3b et 3c selon la figure 3 peut être linéaire, ou bien encore non linéaire. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportees à l'échangeur thermique décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comportant plusieurs tubes qui, en particulier de section ronde, à axes parallèles et parcourus intérieurement par un fluide, sont dotés extérieurement d'ailettes transversales distantes d'un même intervalle axial et présentant, en guise d'éléments directeurs d'un fluide parvenant perpendiculairement de l'extendeur autour des tubes des moulures ou empreintes qui sont repoussées à l'écart de leurs plans dans la même direction, ont une section sensiblement semi-circulaire et sont prévues à côté des tubes et à distance de ces derniers par rapport au sens de l'écoulement du fluide extérieur, ces empreintes étant réalisées sous la forme de canaux de guidage déviant à force le fluide extérieur par leurs faces internes, et s'étendant à chaque fois parallèlement à la face externe de la paroi des tubes, échangeur caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs moulures ou empreintes (3a, 3b, 3c) distantes d'intervalles radiaux différents par rapport à un tube associé (1) ; et par le fait que, en observant dans le sens de l'écoulement, les orifices d'entrée (5a) élaborés à la face frontale d'au moins quelques-unes desdites empreintes (3a, 3b, 3c) coincident avec les orifices de sortie (5b) d'empreintes adjacentes (3a, 3b, 3c). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que deux groupes d'empreintes (3a, 3b, 3c) sont associés à chaque tube (1) ; par le fait que les empreintes (3a) de l'un de ces groupes sont approximativement disposées, par leurs axes longitudinaux, sur un cercle de rayon R1 entourant l'axe du tube ; par le fait que les empreintes (3b, 3c) de l'autre groupe se trouvent par leurs axes longitudinaux sur deux cercles entourant l'axe dudit tube et présentant les valeurs radiales respectives R1 + AR a et R1 - AR-. ; et par le fait qu'une paire respective d'empreintes (3b, 3c) dudit autre groupe est intercalée, par rapport à la direction circonférentielle, entre deux empreintes (3a) dudit premier groupe. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'au moins un nombre partiel d'empreintes (3a, 3b, 3c), et de préférence toutes lesdites empreintes (3a, 3b, 3c), présentent une configuration tronconique avec décroissance de section dans le sens de l'écoulement.