Brevet FR2552216A1 — publié le 19850322

Perfectionnements apportés aux tubes échangeurs de chaleur et aux échangeurs réalisés avec de tels tubes L'invention est relative aux tubes échangeurs de chaleur et aux échangeurs réalisés avec de tels tubes On connait des tubes échangeurs de chaleur constitués par deux cylindres concentriques, les fluides entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques circulant respectivement. dans l'espace central et l'espace annulaire Cependant, les échanges thermiques que l'on peut espérer avec une telle disposition sont limités à la transmission de chaleur par conduction à travers le cylindre intérieur. Selon l'invention, le tube échangeur de chaleur est caractérisé par le fait qu'il est constitué par au moins trois cylindres concentriques et par le fait que les espaces annulaires dans lesquels circulent respectivement les fluides entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques comportent une pluralité de nervures radiales reliant entre eux les susdits cylindres, ce grace à quoi les échanges de chaleur par conduction à travers la paroi du ou des cylindres interne médiaires sont augmentes des échanges de chaleur par conduction à travers les nervures. Les échangeurs de chaleur réalisés avec de tels tubes présentent des avantages de simplicité par rap- port aux échangeurs classiques à faisceau tubulaire n el--et, dans ces échangeurs classiques, les tubes sont relativement fragiles et leur très grand nombre complique les problèmes d'assemblage sur les flasques d'extrémité. Par exemple, un tube échangeur à trois cylindres concent@iques conforme à l'invention et comportant N nervures radiales (N nervures radiales dans l'espace annulaire interne, et N nervures radiales dans l'espace annulaire externe) remplacera N tubes d'un échangeur classique à faisceau tubulaire Avantageusement, la forme des nervures radiales est telle que leur épaisseur est maximum au voisinage de la paroi du ou des cylindres intermédiaires à travers lesquels s'osèrent les échanges thermiques, et va en diminuant, vers les cylindres adjacents. Au point de vue constitutif, et dans le cas d'un tube échangeur à trois cylindres concentriques, l'espace annulaire interne s'étend, à ses deux extrémités, au-del de l'espace annulaire externe, pour délimiter deux espaces d'extrémité par lesquels s'opèrent respectivement l'entrée et la sortie du fluide traversant ledit espace annulaire externe. Ces espaces d'extrémité sont également délimités par des flasques d'extrémité au nombre de quatre. Dans un échangeur réalisé avec de tels tubes, une disposition concentrique de ces tubes est avantageuse au point de vue encombrement. L'invention consiste, mises à part ces dispositions, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complement de description qui suit, ainsi que des dessins cl-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de lutin vention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. i, de ces dessins, montre, en coupe transversale, un tube échangeur établi conformément à l'inven- tion. La fig. 2 est une coupe selon Il-Il fig. 1. La fig. 3 est une coupe longitudinale d'un tube échangeur conforme à l'inventIon monté dans un échangeur La fig. 4 est une coupa transversale partielle d'un tube échangeur établi conformément à une disposition avantageuse de l'invention. La fig. 5 est une coupe montrant schématiquement un échangeur établi avec des tubes échangeurs conformes à l'invention. La fig. 6 est une coupe selon VI-VI fig. 5. Sur les fig. 1 et 2, on a montré un tube échangeur conforme à l'invention. Ce tube échangeur est constitué par trois cylindres concentriques la, lb, 1 , les fluides entre lesquels c doivent s'opérer les échanges thermiques circulant respectivement dans les deux espaces annulaires interne 2a et externe 2b. Ces deux espaces annulaires interne 2 et externe a 2b comportent des nervures radiales 3 reliant entre eux les cylindres, c'est-à-dire que les nervures radiales 3 de l'espace annulaire interne 2 relient le cylindre a intérieur la au cylindre intermédiaire lb, et que les nervures radiales 3 de l'espace annulaire externe 2b relient le cylindre intermédiaire lb au cylindre extérieur lc. Les échanges de chaleur, par conduction à travers la paroi du cylindre intermédiaire lb, se trouvent donc augmentés par les échanges de chaleur par conduction à travers les nervures 3. Comme montré sur la fig. 4, la forme des nervures 3 est telle que leur épaisseur est maximum au voisinage de la paroi du cylindre intermédiaire lb (à travers lequel s'opèrent les échanges thermiques) et va en diminuant vers le cylindre intérieur las pour les nervures 3 de l'espace annulaire interne 2a, et vers le cylindre extérieur lc, pour les nervures 3 de l'espace annulaire externe 2b. Grâce à cette disposition, un gain de masse peut être obtenu, à efficacité d'échange thermique égale. Comme montré sur la i-ig. 2, l'espace annulaire interne 2 s'étend, à ses deux extrémités, au-delà a de l'espace annulaire externe 2b, pour-délimiter deux espaces d'extrémité 4 et 5 par lesquels s'opèrent respectivement l'entrée et la sortie du fluide traversant ledit espace annulaire externe 2b Ces espaces d'extrémité 4 et 5 sont également délimités par des flasques d'extrémité 6, 7 et 8,9 lors du montage des tubes échangeurs dans un échangeur (fig. 3 et 5) La disposition des tubes échangeurs dans l'échangeur est avantageusement une disposition concentrique suivant une ou plusieurs circonférences (fig. 6). Dans ce dernier cas, les flasques 6, 7 et 8,9 délimitent des espaces 4 et 5 à section évolutive pour assurer une alimentation uniforme de tous les tubes échangeurs. Les tubes échangeurs conformes à l'Invention peuvent être réalisés en des matériaux conducteurs de la chaleur puisque les échanges thermiques font appel à la conduction. En particulier, si la température est inférieure à 3000C, on peut réaliser les tubes échangeurs en alliage de magnésium, d'aluminium, ou de cuivre. Si la température est inférieure à 8000C, on peut réaliser les tubes échangeurs en alliage de fer. Si la température est inférieure à 1.5000C, on peut réaliser les tubes échangeurs en carbure ou ennitrure de silicium ; il est à noter, du fait de sa faible masse volumique (environ 3), que le carbure de silicium est particulièrement avantageux d'autant plus qu'il présente un très bon coefficient de conductivité thermique. Les échangeurs constitués avec des tubes échangeurs conformes à l'invention rencontrent une application particulièrement avantageuse dans la récupération des calories à haute température, et ce grâce à la possibilité de réaliser les tubes échangeurs en carbure de silicium ou en nitrure de silicium. Constructivement, ces deux matériaux permettent de réaliser des épaisseurs très faibles (de l'ordre de 0,2mm) pour les nervures et les parois cylindriques, ce qui conduit à la réalisation d'échangeurs légers. De tels échangeurs peuvent donc être montés dans des installations à turbines à gaz, en particulier aéronautiques, pour réchauffer l'air issu du compresseur avant son admission dans les chambres de combustion. REVENDICATIONS 1.- Tube échangeur de chaleur, caractérisé par le fait qu'il est constitué par au moins trois cylindres concentriques (1at lb, 1 ) et par le fait que les c espaces annulaires (2a, 2b) dans lesquels circulent respectivement les fluides entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques comportent une pluralité de nervures radiales (3) reliant entre eux les susdits cylindres (la, lb, 1c), ce grâce à quoi les échanges de chaleur par conduction à travers la paroi du ou des cylindres intermédiaires (lb) sont augmentés des échanges de chaleur par conduction à travers les nervures (3). 2.- Tube échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la forme des nervures radiales (3) est telle que leur épaisseur est maximum au voisinage de la paroi du ou des cylindres intermédiaires (lb) à travers lesquels s'operent les échanges thermiques, et va en diminuant vers les cylindres adjacents (la' lc). 3.- Tube échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, comportant trois cylindres concentriques (la, lb, lc), caractérisé par le fait que l'espace annulaire interne (2 ) s'étend, à ses deux extrémités, au-delà a de l'espace annulaire externe (2b), pour délimiter deux espaces d'extrémité (4 et 5) par lesquels s'opèrent respectivement l'entrée et la sortie du fluide traversant ledit espace annulaire externe 4.- Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 destiné à fonctionner à une température inférieure à 3000 C, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en alliage de magnésium, d'aluminium ou de cuivre. 5.- Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 destiné à fonctionner à une tempé- rature inférieure à 8000C, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en alliage de fer. 6.- Tube échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 destiné à fonctionner à une température inférieure à 1.5000C, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en carbure ou en nitrure de silicium. 7.- Echangeur de chaleur, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de tubes échangeurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8.- Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les tubes échangeurs sont disposés suivant une ou plusieurs circonférences.