Brevet FR2551193A1 — publié le 19850301

- La présente invention concerne un tube échangeur de chaleur composé d'un tube central muni sur toute sa longueur d'une garniture en fil métallique, de préférence hélicoïdale. Des tubes de ce genre sont connus par exemple comme tubes de chauffage décrits dans le prospectus de la demanderesse intitulé "Spirotherm The heating element for low water temperature" Un tube cylindrique sert d'élément porteur de serpentins en fil de cuivre brasés sur le pourtour 10 du tube central avec lequel ils forment ainsi un ensemble; vus dans la direction axiale longitudinale du tube, c'està-dire vus en bout, ces serpentins forment une section circulaire La surface active, c'est-à-dire celle qui cède de la chaleur à l'environnement, est un multiple de celle 15 des radiateurs classiques Le débit d'eau qui circule par les tubes centraux n'est que très faible, d'o une réponse plus rapide du système de chauffage Même en présence de petites différences entre la température de l'unité de chauffage et celle de l'air environnant, l'air qui se trouve 20 entre les serpentins en fil de cuivre se trouve mis en mouvement L'air chauffé s'élève et est remplacé par de l'air arrivant à sa suite et qui, à son tour, se trouve chauffé par les serpentins en fil métallique Il s'ensuit une circulation d'air et, étant donné que le volume d'air chauffé 25 est toujours grand, de bons résultats de chauffage sont déjà obtenus lorsque la température des courants d'air ainsi produits n'est que très peu supérieure à celle de la température ambiante désirée En service hivernal, une température de l'eau égale à 50 C suffit pour assurer le chauffage, 30 ce qui du même coup signifie que le système de chauffage peut fonctionner en liaison avec des panneaux solaires ou des pompes de chaleur Des essais ont confirmé les bons résultats mentionnés ci-dessus. On peut, avec plusieurs tubes ainsi garnis de fils mé35 talliques, construire des faisceaux échangeurs de chaleur ayant d'excellentes propriétés, cela en disposant en rangées 2 - soit rectilignes, soit décalées, les tubes avec les serpentins en fil de cuivre à pourtour circulaire Dans le premier cas les axes longitudinaux des tubes sont toujours situés à l'aplomb les uns des autres, tandis que 5 dans le deuxième cas ceux de deux rangées superposées sont décalés d'un demi diamètre, de sorte que chaque axe se trouve exactement dans l'espace entre deux tubes de la rangée suivante Cette disposition décalée résulte en un gain d'encombrenent d'environ 13,5 % Un encombrement en10 core plus réduit ne peut 9 tre réalisé avec ces tubes échangeurs de chaleur connus. De plus, les tubes dont la garniture en fil métallique a une section circulaire ne se touchent, lorsqu'ils sont mis en faisceau, que ponctuellement ou le long d'une 15 ligne aux points de tangence, d'o l'impossibilité de se soutenir mutuellement En service, cela est souvent la cause de phénomènes sonores désagréables dus à de l'air ou autres fluides gazeux traversant le faisceau échangeur de chaleur entre les tubes qui le composent En outre, à partir d'une longueur déterminée et à vitesse d'écoulement limitée du fluide à chauffer ou à refroidir, les tubes de chauffage commencent à vibrer à mesure que la fréquence du phénomène sonore augmente Ces vibrations font que les tubes se déforment à leurs points de contact, 25 de sorte qu'il se forme entre eux des intervalles qui permettent aux vibrations de prendre plus d'amplitude, ce qui produit une déformation à froid et à la longue une rupture de tube Pour écarter ce risque les tubes de chauffage mis en faisceau sont soutenus à des distances 30 relativement courtes par des cloisons transversales, ce qui complique la construction et la rend plus coûteuse. Le problème auquel l'invention apporte une solution était d'éviter les inconvénients énumérés ci-dessus et, avec des moyens aussi réduits que possible, de réduire encore l'encombrement d'un faisceau échangeur de chaleur. La solution à laquelle l'invention est arrivée consiste selon l'invention en une garniture en fil métallique qui présente au moins deux faces plates diamétralement opposées, cette garniture ayant, dans une forme d'exécution particulièrement avantageuse de l'invention, une section dont la forme, vue en bout, c'est-à-dire dans la direction axiale du tube, est celle d'un hexagone rég Ulier. On peut également prévoir, dans le cadre de l'invention, une double garniture en fil métallique, composée d'une garniture intérieure ronde et d'une garniture 10 extérieure dont la section est hexagonale Une forme d'exécution préférée conforme à l'invention prévoit qu'une pluralité de ces tubes de chauffage sont réunis pour constituer un faisceau échangeur de chaleur en forme de nid d'abeilles L'invention s'écarte ainsi de 15 la forme de section circulaire habituelle jusqu'à présent et crée, du fait des faces planes, des surfaces d'appui mutuel qui font qu'il devient inutile de prévoir des moyens complémentaires de rigidification et de soutien. Par rapport à la disposition décalée de sections tubulaires circulaires, un gain d'encombrement supplémentaire de plus de 20 % est obtenu notamment avec une disposition en nid d'abeilles des tubes de chauffage à section hexagonale La surface de paroi intérieure par25 courue par l'eau peut être augmentée dans la proportion de ce pourcentage, sans que cela implique une augmentation du volume total, donc de l'encombrment du faisceau. Un autre avantage est assuré sur le plan du bilan thermique parce que l'éohange de chaleur peut s'effec30 tuer par l'intermédiaire des faces plates de la garniture en fil métallique en contact les unes avec les autres par de grandes surfaces Cela conduit à une répartition plus régulière de la température et à une sollicitation plus régulière de chaque tube dans le faisceau Par ailleurs, les garnitures en fil métallique ont une possibilité de déplacement limitée dans la direction axiale des tubes, ce qui assure une com- -4 pensation sans problbme, lors du chauffage et du refroidissement, des variations de longueur dues à la dilatation et à la rétraction En outre, les zones plates facilitent la construction d'un bloc de fils métalliques 5 unitaire qui, contrairement à un bloc de lamelles ou ailettes, offre le grand avantage de pouvoir être parcouru en tous sens et de manière turbulente par le fluide à chauffer ou à refroidir. L'invention propose en outre de donner au tube échan10 reur de chaleur la forme d'un tube plat ayant une garniture en fil métallique profilée Dans cette disposition tous les serpentins ou boucles de fil métallique reçoivent le courant d'air parallèlement et entièrement dans le courant transversal La résistance à l'écoulement est 15 réduite au minimum du fait de la section plate du tube. Dans des formes d'exécution de l'invention il est prévu que le tube de chauffage comporte un tube central, circulaire ou profilé, recourbé en spirale à la façon d'un ressort de montre ou en hélicoïde à la façon d'un 20 ressort à boudin Notamment dans le cas de tubes de chauffage recourbés en épingle à cheveux, l'avantage obtenu est qu'il n'y a plus à prévoir de caisson collecteur de liquide (eau) du côté de la sortie du faisceau opposé au c 8 té de l'entrée d'eau, ce qui réduit d'autant le coût 25 de l'installation. Les faces plates des tubes de chauffage profilés permettent, suivant une autre caractéristique de l'invention, de munir d'un adhésif pour métaux conducteur de la chaleur les parties du faisceau échangeur dé chaleur qui sont 30 au contact les unes des autres Mais ces mêmes parties peuvent aussi bien être mises en contact mutuel sec, c'està-dire sans couche intermédiaire, après quoi l'assemblage est maintenu par un frettage, lequel peut être constitué de par des bandes/cerclage -Les faces planes des serpentins 35 en fil métallique ont une grande résistance à la compression, de sorte que ces bandes de cerclage assurent une solide rigidification Les tubes échangeurs de chaleur, par exemple les tubes de chauffage, collés ou frettés pour former un bloc compact d'échange thermique, n'ont plus besoin de chassis porteur particulier pour être installés et soutenus. Pour que les efforts de flexion soient supportés et que des déeormations soient évitées, on peut également prévoir d'une part un cadre qui entoure un faisceau échangeur de chaleur, d'autre part des tôles intercalaires entre des portions de surface qui se font face Dans 10 cette disposition, des pinces placées sur un cadre en forme d'U exercent une action renforçante. Lors de la fabrication d'un tube central, cylindrique ou plat, muni d'une garniture en fil métallique hexagonale ou présentant des faces plates diamétralement opposées 15 ce qui est effectué au moyen d'un procédé de pliage pas a pas les serpentins en fil métallique ne sont pas engagés les uns dans les autres, mais libres Le pas de ces serpentins est choisi en fonction du rayon de courbure de telle façon que la brasure au pied du serpentin, 20 c'est-à-dire la liaison entre le serpentin et le tube, ne cède pas du fait du refoulement dd à la flexion, c'està-dire du côté concave Du côté extérieur, c'est-à-dire du côté convexe, le mime problème existe à cause des efforts de traction, car là il n'y a pas refoulement, mais -25 allongement, de sorte qu'également pour cela la limite du pas dépend de la possibilité de supporter des efforts en fonction du rayon. Des exemples d'exécution de l'invention sont décrits en détail ci-après, en se référant au dessin annexé; sur 30 ce dernier la figure représente en coupe un tube de chauffage connu muni d'une garniture en fil métallique inscrite dans un cercle, la figure 2 représente le tube selon la fig 1 logé 35 ici dans un tube de gainage cylindrique, la figure 3 représente le tube selon la fig 2 muni d'une garniture extérieure cylindrique en fil métallique -6 avec fil de tête, la figure 4 est une vue en coupe d'un tube de chauffage muni, conformément à l'invention, d'une garniture extérieure hexagonale en fil métallique, la figure 5 illustre une variante du tube de chauffage selon la fig 4, la figure 6 est une vue en élévation latérale du tube selon la fig 5, la figure 7 montre un faisceau en nid d'abeilles 10 composé de plusieurs tubes de chauffage hexagonaux, la figure 8 illustre une autre forme d'exécution de l'invention, constituée par un tube de section aplatie et d'une garniture en fil métallique profilée, la figure 9 est une vue en élévation latérale de 15 la forme d'exécution selon la fig 8, la figure 10 est une vue en coupe d'un tube de chauffage comportant des faces planes supérieure et inférieure et recourbé en épingle à cheveux, la figure 11 est une vue en élévation latérale du 20 tube selon la fig 10, la figure 12 est une vue en élévation latérale d' un tube plat recourbé en épingle à cheveux, et la figure 13 est une vue en coupe, selon la ligne XII-XII tracée sur la fig 12, d'un tube échangeur de 25 chaleur aplati, recourbé selon cette fig 12. Aux fig 1 à 3 sont représentés des tubes échangeurs de chaleur désignés chacun dans leur ensemble par le repère 1, ici des tubes de chauffage à garniture circulaire en fil métallique, à différentes phases de la fabrication. 30 Dans la phase de fabrication représentée à la fig 1, cette garniture se compose de fils individuels 2 fixés par brasure au pourtour extérieur du tube central cylindrique 3 et qui, sous forme de serpentins hélicoïdaux, peuvent eux-m 9 mes être posés hélicoïdalement autour du tube Lorsqu'il sera question de fil métallique dans la suite de cette description, il faut entendre par là notamment aussi des serpentins hélicoïdaux de fil Le cuivre _ 7 _ a la préférence pour constituer ces fils, à cause de sa bonne conductibilité thermique. Dans la phase de fabrication illustrée à la fig 2 un tube de gainage 4 enveloppe le tube 3 garni de fils métalliques Selon la fig 3, encore d'autres fils métalliaues dont les extrémités extérieures sont réunies et donc rigidifiées par un fil 5 dit "de tête" sont fixés par brasure au pourtour extérieur du tube 4 En variante, les fils 2 pourraient traverser la paroi du B O tube de gainage 4 et être brasés à celle-ci aux endroits oi ils la traversent. La structure selon la fig 3 peut être considérée comme constituant la conception de base d'une double garniture en fil métallique selon l'invention telle que re15 présentée à la fig 4. Le tube de chauffage 1 de section hexagonale illustré à la fig 4 présente une garniture intérieure ronde 6 en fil métallique formée, tout comme sur la fig 2, par des fils métalliques brasés entre le tube de gainage 4 et le tube central 3 A l'extérieur se trouve une garniture à section hexagonale 7 en fil métallique rigidifiée sur le pourtour par des fils de tête 8, les pans de l'hexagone étrat désignés chacun par le repère 13 Là encore, les fils métalliques entre les tubes central 3 et de gainage 4 et ceux à l'extérieur de ce dernier peuvent être d'un seul tenant et être brasés à la paroi du tube de gainage 4 qu' ils traversent. Il est également possible d'enfiler autour des extrémités des fils métalliques 2 une enveloppe tubulaire dont la section correspond au profil désiré qui, dans l'exemple selon la fig 4, devrait être en tube hexagonal ayant la longueur du tube central. La fig 5 montre un tube de chauffage 2 dans lequel la garniture en fil métallique 7 profilée en hexagone a -5 été brasée directement sur le tube central cylindrique 3, donc sans interposition d' m tube de gainage Dans cet exemple, un enroulement hélicoïdal 9 (fig 6) se compose _ 8 de s Dires 12 qui ne se touchent pas (spires ouvertes), de sorte que l'on peut aisément cintrer le tube central. Bien entendu, il serait possible de prévoir des spires s'imbriquant (spires fermées), de façon aue les faces planes 13 des spires 12 forment une surface continue uniforme, comme cela est le cas lorsqu'une gaine tubulaire profilée entoure la garniture en fil métallique Plusieurs tubes de chauffage 1 à section hexagonale forment, comme le montre la fig 7, un échangeur de chaleur 14 qui, pour un moindre 10 encombrement, peut revêtir la forme d'un nid d'abeilles dans lequel les faces planes 13 de chacun des tubes de chauffage 1 offrent des surfaces d'appui et de contact. Dans la forme d'exécution selon les fig 8 et 9 le tube de chauffage 1 est constitué par un tube central de section plate 15 qui sert d'élément porteur de fils métalliques 2 brasés sur lui et qui forment une garniture profilée 16 Cette dernière est constituée par des spires trapézoïdales 17 formant deux grandes zones plates supérieure et inférieure 13 Un tel tube central plat 15 est 20 particulièrement facile à cintrer, par exemple un bloc à quatre rangées selon la fig 12 obtenu en repliant trois fois en épingle à cheveux le tube central plat 15 Ce dernier peut d'ailleurs être replié davantage, jusqu'à ce que les zones plates 13 situées d'un même c 8 té du tube arrivent à se toucher Dans cette position on peut coller les unes aux autres les dites zones plates; en variante, l'ensemble du bloc peut être ceinturé par des frettes Les efforts de flexion symbolisés sur le dessin par des flèches 26 et s'exerçant sur les parois du tube central plat 15 du 30 bloc de chauffage 18 peuvent être transmis, selon la fig. 13, par l'intermédiaire de la garniture en fil métallique qui forme des paquets de brosses métalliques 27, à des trôles intercalaires 28 installées entre les dites zones plates La dilatation latérale est alors arrêtée par un 35 cadre en forme d'U qui entoure le bloc de chauffage 18, cadre que protègent contre un gauchissement éventuel des pinces 30 disposées à distance les unes des autres des de'a:: c 8 tés (u bloc Four cela, ces pinces en forme de bandes 30 sont repliées à une extrémité pour former un crochet qui enserre un rebord du cadre en U 29 A leur autre extrémité ces pinces 30 sont fixées au cadre 29 par des vis et maintiennent la position correcte du tube central plat 15 replié pour former le bloc de chauffage 18 Grâce aux t 8 les interposées 28 la pression de service se trouve, d'une couche tubulaire à la suivante, transmise jusqu'aux parois extérieures du cadre 29 qui entoure l'ensemble de ce bloc. Une forme en épingle à cheveux créant des zones plates de contact 13 et produisant ainsi un bloc fermé tel que le bloc 22 illustré à la fig 11 peut être avantageusement réalisé en coudant un tube de chauffage 1, comme représen15 té aux fig 10 et 11 Ce tube de chauffage se compose d'un tube central cylindrique 3 autour duquel est fixée une garniture en fil métallique 19 qui a une forme générale cylindrique aplatie au-dessus et au-dessous pour former les faces plates 13 Des blocs de chauffage tels ú que le bloc 18 ou 22, repliés en épingle à cheveux, réduisent le coût de l'installation, car l'arrivée d'eau 23 et le retour d'eau 24 sont disposés du même côté du bloc 18 ou 22 Dans cette disposition, il n'est pas nécessaire de prévoir de caisson collecteur d'eau de l'autre c 8 té du 25 bloc. REVENDICATIONS 1 Tube échangeur de chaleur ( 1) composé d'un tube central ( 3; 15) muni sur toute sa longueur d'une garniture en fil métallique de préférence hélicoïdale, ce tube échangeur de chaleur étant remarquable en ce que sa garniture en fil métallique ( 7; 16; 19) forme au moins deux faces plates ( 13) diamétralement opposées l'une à l'autre. 2 Tube échangeur de chaleur selon la revendication 1, 10 remarquable en ce que les faces plates ( 13) sont parallèles entre elles et planes. 3 Tube échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, remarquable en ce que la garniture en fil métallique a, vue dans la direction axiale du tube, une section 15 dont la forme est celle d'un hexagone régulier. 4 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que sa garniture en fil métallique est double, étant composée d' une garniture intérieure ronde ( 6) et d'une garniture ex20 térieure à profil hexagonal ( 7) (fig 4). Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce qu'il comporte une garniture en fil métallique dont les spires à leur tour se composent d'un enroulement hélicoïdal ou25 vert ( 9) en fil métallique, à section de preférence trapézoïdale (fig 6; 9). 6 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, remarquable en ce que la spi'rale ( 9) de fil métallique comporte des spires ( 12) enga30 gées les unes dans les autres. 7- Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que, ayant une forme hexagonale, il forme avec plusieurs autres un faisceau échangeur de chaleur ( 14) à structure en nid 35 d'abeilles (fig 7). 8 Tube échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 5 ou 6, remarquable en ce qu'il présente une section aplatie ( 15) à garniture profilée ( 16) en fil métallique (fig 8). 9 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce qu'il est cintré en forme de spirale. Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, remarquable en ce qu'il a une forme hélicoïdale. 11 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque 10 des revendications 1 à 6 ou 8, remarquable en ce qu'il a une forme en épingle à cheveux. 12 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que ses faces au contact les unes des autres ( 13) sont munies d' 15 un adhésif métallique conducteur de la chaleur. 13 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, remarquable en ce que ses faces planes ( 13) sont mises en contact mutuel sans couche intermédiaire, après quoi l'ensemble tubulaire est fretté. 14 Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque 20 dos revendications précédentes, remarquable en ce qu'il forme un faisceau échangeur de chaleur ( 14; 18; 22) entouré par un cadre ( 29), une t 8 le intercalaire ( 28) étant disposée entre deux zones plates ( 13) qui se font fasce. 15 Tube échangeur de chaleur selon la revendication 14, remarquable en ce que le cadre ( 29) a une forme en U et comporte des pinces ( 30).