Brevet FR2549946A1 — publié le 19850201

Echangeur thermique à ailettes prévu en particulier pour déshumi.- dificateur d'air. L'invention concerne le domaine des échangeurs statiques de chaleur, à courants croisés, dans lesquels le fluide secondaire est de l'air. L'invention concerne tout particulIèrement les échangeurs de chaleur destinés à être montés dans des déshumidificateurs d'air; leur conception doit donc être étudiée de telle manière que le fluide primaire réfrigérant transmette à l'air une quantité de chaleur latente suffisante pour provoquer la condensation dtune partie de la vapeur d'eau qu'il contient. De façon connue, dans les échangeurs statiques, les deux fluides échangeant de la chaleur sont séparés par une paroi conductrice solide; lorsque les fluides primaire et secondaire ont des sens d'écoulement perpendiculaires, l'échangeur est dit à courants croisés. On conrsSt déjà les échangeurs statiques de chaleur à courants croisés réalisés sous forme de serpentin hélicoldal, dans l'interstice hélicoïdal duquel on force l'air à traiter. De tels échangeurs présentent l'inconvénient d'être encombrants. De plus, ils ne permettent pas aisément, pour une fabrication à la chaine de ces éléments, de réaliser une gamme serrée d'échangeurs de capacité différente. La solution indus tri~lia la plus r~nvable consiste en effet t entpi:#r pusa rs serpentins pour obtenir une capacité d'échangeur plus élevée, entraenant: incréments de capacité forts, et encombrement. Enfin, les échangeurs hélicoidaux se caractérisent par un écoulement moins favorable de l'eau de condensation le long du serpentin, et par des pertes de charge du fluide primaire réfrigérant importantes dues# au rayon de courbure, en outre variable, du conduit. On connaît également les échangeurs de chaleur formés d'éléments tubulaires horizontaux, reliés les uns aux autres de manière à former un conduit continu de crculation du fluide réfrigérant, ces éléments tubulaires étant enfilés dans une succession d'ailettes verticales, généralement ondulées, définissant les couloirs de circulation d'air étroits et parallèles, interceptant chacun une portion de chaque élément tubu laire horizontal. Dans de tels échangeurs, le serpentin tubulaire constitue généralement l'évaporateur d'un circuit relié à un groupe frigorifique; le serpentin estocharge de refroidir les ailettes de convection, ces dernières provoquant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air, et servant de plaques de ruissellement de l'eau de condensation. Lorsque ces ailettes, disposées parallèlement au flux de circulation de l'air traité, s'étendent d'une seule pièce sur toute la profondeur de l'échangeur, elles présentent l'inconvénient que l'eau de condensation extraite sur toute leur surface a tendance à s'accumuler en bout de chaque ailette par l'effet d'entraînement du mouvement de la masse d'air, et à y être alors à nouveau vaporisée. En outre, les échangeurs connus sont réalisés indifféremment dans toutes sortes de matériaux, pourvu qu'ils soient conducteurs. Il en résulte presque systématiquement une corrosion électrolytique provoquée par l'interaction du ruissellement de l'eau de condensation. Le principe général de fonctionnement de ces échangeurs classiques connus consiste à faire baisser la température de la masse d'air jusqu'au point de rosée (chaleur sensible) ce qui demande une puissance de réfrigération du groupe frigorifique importante. L'objectif de l'invention est de laminer la masse d'air traitée entre les éléments tubulaires, selon un trajet qui assure son déplacement lent et sans excessives turbulences,au contact de la plus grande surface de l'échangeur possible. Cette conception, dont un mode de réalisation est décrit ci-après, permet de travailler en chaleur latente, et donc d'utiliser un groupe frigorifique de puissance inférieure. Ainsi, l'échangeur thermique, en parti culier pour déshumiditicateur d'air, selon l'invention, du type statique à courants croisés, est constitué d'un serpentin tubulaire, définissant le circuit d'un fluide primaire réfrigérant, le dit serpentin traversant des ailettes, espacées, et parallèles à la direction générale du flux du fluide secondaire, et est caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins un bloc modulaire indépendant, constitué d'une superposition de plusieurs éléments tubulaires horizontaux dans un même plan vertical, ces éléments tubulaires traversant un empilage d'ailettes verticales paral vièles et espacées, propre à chaque bloc modulaire, les dits éléments tubulaires étant reliés sur un même bloc, ou d'un bloc à l'autre, par des raccords étanches pour réaliser le circuit continu du fluide primaire. Selon une caractéristique de l'invention, les blocs modulaires sont juxtaposés parallèlement sans contact, deux blocs modulaires contigüs étant décalés en hauteur de manière à placer les éléments tubulaires en quinconce. Cette disposition force la masse d'air traitée,à travers ltechan- geur, selon un trajet en chicanes, créant ainsi un contact optimal entre la masse d'air et les éléments tubulaires de l'échangeur, favorable à la condensation de la vapeur d'eau. De manière préférentielle, les éléments tubulaires d'un même bloc modulaire sont espacés régulièrement d'une même distance (e) au plus égale au diamètre#des dits élé- ments tubulaires. Ces éléments tubulaires sont reliés entre eux à leurs extrémités sur un même bloc ou d'un bloc à l'autre, par des coudes étanches, de manière à former au moins un conduit de circulation du fluide réfrigérant. Selon l'invention, les métaux utilisés sont choisis de manière à présenter des couples d'électro-valence faibles ou neutres ( par exemple, cuivre/cuivre, cuivre/laiton, aluminium/aluminium, inox/inox de mêmes caractéristiques). Les blocs modulaires sont préférentielle- ment réalisés selon un procédé de fabrication particulier, utilisant une matrice, striée d'une part de rainures parallèles permettant de recevoir les ailettes, et d'autre part de gout tières pa#-allèles, perpendiculaires aux rainures, guidant les éléments tubulaires à travers les ailettes. Selon unecaractéristique de l'invention, les éléments tubulaires sont solidarisés avec les ailettes par un procédé de dudgeonnage.D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'un mode préférentiel de réalisation, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente la matrice de montage des blocs modulaires - la figure 2 représente le procédé de solidarisation des éléments tubulaires avec les ailettes - la figure 3 représente le mode d'assemblage des blocs modulaires l'un derrière l'autre - la figure 4 représente une vue partielle latérale de l'échangeur monté - la figure 5 représente une vue générale en perspective de l'échangeur monté. Les blocs modulaires 20 selon l'invention, sont constitués d'éléments tubulaires 22 enfilés dans une succession d'ailettes 21 percées d'orifices 23 d'un diamètre légèrement supérieur à celui des éléments tubulaires 22 qui y sont introduits. Selon n r,zode préférentiel de réalisa-- tion des blocs 20, on utilise une matrice 10 dans laquelle on a pratiqué des rainures il parallèles et régulièrement espacées destinées à recevoir les ailettes 21 enfilées par la tranche. Les ailettes peuvent être alignées l'une derrière l'autre, pour la longueur du bloc modulaire voulu, dans toutes les rainures 11 successives de la matrice de montage 10; mais ces mêmes ailettes 21 peuvent également être insérées toutes les deux, trois .... N rainures, de manière à présenter un pas supérieur. Les ailettes 21 sont enfoncées dans les rainures 11 sur tout ou partie de leur largeur (1) Les gout tières parallèles 12 pratiquées dans la matrice de montage 10 permettent de guider ensuite les éléments tubulaires 22 dans les orifices 23 alignés des ailettes 21. Selon un mode préférentiel de réalisation, deux orifices adjacents 23 d'une même ailette 21, et donc deux gouttières adjacentes 12 de la matrice 10, sont espacés d'une distance(e) égale, ou éventuellement inférieure, au diamètre des éléments tubulaires 22. L'ajustement des éléments tubulaires 22 dans les orifices 23 des ailettes 21 ne présente qu'un léger jeu, de manière à permettre un sertissage par dudgeonnage comme illustré en figure 2. Le procédé de dudgeonnage consiste à introduire à l'intérieur de l'élément tubulaire 22 une olive 31 d'un diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur de l'élément tubulaire 22, l'olive étant montée sur un axe 32 mu en rotation. L'introduction de l'olive 31 rotative sur toute la longueur de l'élément tubulaire 22 permet d'en augmenter le diamètre extérieur, et par suite d'en assurer le sertissage dans chacune des ailettes 21 qu'il traverse, selon un ajus tement serré. Ce procédé de sertissage par dudgeonnage des éléments tubulaires 22 peut être également réalisé grâce aux passages successifs de plusieurs olives 31 de diamètres cro ssants. Les blocs modulaires 20 ainsi formés par assemblage sur matrice 10, puis dudgeonnaqe, sont juxtaposés ensuite parallèlement, et de manière à ménager entre eux un interstice a). Cet interstice empêche le passage de l'eau de condensation recueillie sur chaque ailette vers les ailettes adjacentes. Il en résulte que l'eau de condensation ne va pas s'accumuler,sous l'effet du mouvement de la masse d'air traitée, sur les ailettes du dernier bloc modulaire de l'échangeur traversé par cette masse d'air. Selon un mode préférentiel d'assemblage, les blocs modulaires successifs 20 sont placés de manière à disposer les éléments tubulaires 22 en quinconce; dans le cas préférentiel où l'espacement(e) entre deux éléments tubulaires 22 est égal au diamètre des éléments tubulaires, cette disposition interdit à tout filet d'air la traversée de l'échangeur selon un trajet rectiligne. Les blocs modulaires 20 juxtaposés sont ensuite positionnés rigidement l'un par rapport# à l'autre au moyen de deux flasques latéraux 44 et 45 percés d'orifices de section sensiblement égale à celle des éléments tubulaires, et enfilés chacun d'un des deux côtés latéraux de l'échangeur, sur les extrémités émergentes des éléments tubulaires 22. Selon un mode préférentiel de réalisation, les flasques 44 et 45 sont rendus solidaires des blocs modulaires 20 au moyen de points de soudure effectués entre les flasques et les extrémités des éléments tubulaires 22. D'une manière préférentielle, les éléments tubulaires et les ailettes sont en cuivre, et les flasques en laiton; mais ces différents éléments peuvent être réalisés dans tous matériaux présentant une bonne conductibilité thermique (aluminium....). Les éléments tubulaires 22 sont reliés en-re eux à leurs trémitCs, su~- un intme hI 20 ou d'un bloc à l'autre, au moyen de coudes étanches 41 de manière à former au moins un conduit de circulation du fluide primaire réfrigérant. Selon un mode préférentiel de réalisation, l'échangeur étant formé d'au moins deux blocs modulaires 20, les éléments tubulaires 22 sont reliés entre eux de manière à définir plusieurs conduits montés en parallèle, chacun étant composé de tous les éléments tubulaires 22, et de leurs coudes 41 de liaison, situés entre deux plans horizontaux fictifs. Selon un autre mode de réalisation, les conduits montés en parallèles sont formés chacun de l'ensemble des éléments tubulaires d'un mêlne bloc. La figure 4 présente un tel circuit pratiqué dans l'échangeur de la figure 5, entre les plans A et B. Le fluide primaire est admis en 42,et par un jeu de coudes situés alternativement de part et d'autre de l'échangeur, traverse chacun des éléments tubulaires situés dans cette portion de l'échangeur, pour sortir en 46 en direction du collecteur 43. L'échangeur selon la figure 5 présente ainsi 4 tels circuits superposés montés en parallèles. De manière préférentielle, les coudes 41 sont brasés de manière étanche sur les éléments tubulaires 22. La Figure 4 ne présente qu'un exemple de disposition des coudes étanches, à laquelle ne saurait se limiter l'invention. L'échangeur thermique peut être recouvert d'un revêtement anti-corrosion, de préférence par étamage électrolytique, ou bien par rylsanisation ou application d'une résine époxy. L'échangeur thermique selon l'invention ne se limite bien entendu pas au mode de réalisation préférentielle décrit ci-dessus, et peut notamment romorendre un nombre différent de blocs modulaires, une disposition différente des circuits de circulation du fluide primaire réfrigérant, etc. D'autre part, l'échangeur peut être utilisé pour des fluides secondaires autres que l'air, ou pour des fonctions autres que la déshumidification. REVENDICATIONS 10) Echangeur thermique, en particulier pour deshumidificateur d'air, du type statique à courants croisés, constitué d'un serpentin tubulaire définissant le circuit d'un fluide primaire réfrigérant, ledit serpentin traversant des ailettes, espacées, et parallèles à la direction générale du flux du fluide secondaire, caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins un bloc modulaire indépendant (20), constitué d'une superposition de plusieurs éléments tubulaires (22) horizontaux dans un même plan vertical, ces éléments (22) traversant un empilage d'ailettes (21) verticales, parallèles et es pacées, propre à chaque bloc modulaire (20), les dits éléments tubulaires (22) étant en outre reliés sur un même bloc ou d'un bloc à l'autre par des raccords étanches pour réaliser le circuit continu du fluide primaire. 20) Echangeur thermique selon la revendication l, caractérisé en ce que les éléments tubulaires (22) d'un même bloc modulaire (20) sont espacés régulièrement d'une même distance (e), au plus égale au diametre des dits éléments tubulaires (22). 3 ) Echangeur thermique selon-l'une quelconque des revendications 1 à 2#, caractérisé en ce que les blocs modulaires sont juxtaposés parallèlement, sans contact l'un avec l'autre deux blocs modulaires (20) cortigfis tant décalés de manière à placer les éléments tubulaires (22) en quinconce. 40) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les blocs modulaires (20) juxtaposés sont de même longueur et sont positionnes rigidement l'un- par rapport à l'autre au moyen de deux flasques (44, 45) latéraux percés d'orifices de section sensiblement égale à. celle des éléments tubulaires (22), et enfilés chacun d'un des deux côtes latéraux de l'échangeur, sur les extrémités émergentes des éléments tubu laires (22). 50) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérise en ce que les éléments tubulaires (22) sont reliés entre eux à leurs extremités, sur un même bloc (20) et d'un bloc à l'autre, par-des coudes étanches (41), de manière à former au moins un conduit de circulation du fluide primaire réfrigérant. 60) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins deux blocs modulaires (20), et que les éléments tubulaires (22) sont reliés entre eux de manière à définir plusieurs conduits montés en parallèle, chacun de ces conduits étant composé de tous les éléments tubulaires (22) situés entre deux plans horizontaux fictifs. 70) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments tubulaires (22), les ailettes (21), et les flasques (44 et 45) sont réalisés dans des métaux conducteurs à couples d'électro-valence faibles, notamment en cuivre et laiton. 80) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications de 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est recouvert d'un revêtement anti-corrosion, notamment par étamage, rylsanisation, application d'une résine époxy ou analogue. 9 ocedé de fabricati#n d un échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, pour former un bloc modulaire (20), on enfile les ailettes (21) par la tranche, sur tout ou partie de leur largeur (1), dans des rainures (il) parallèles ménageesdans une matrice (10) de montage, et en ce qu'on insère ensuite les éléments tubulaires (22) dans les orifices alignés (23) des ailettes (21) successives en les guidant au moyen de gouttières (12) parallèles pratiquées dans la matrice (10) de montage, perpendiculairement aux rainures (il). 1001 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on assure la solidarisation des éléments tubulaires (22) avec leurs ailettes (21) respectives par une déformation radiale des tubes obtenue par dudgeonnage. 11 ) Matrice (10) de montage utilisée pour le procédé de fabrication selon les revendications 9 et 10 caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un socle (10) dans lequel on a ménagé des rainures parallèles (11) régulièrement espacées d'une part, et d'autre part des gouttières parallèles (12) régulièrement espacées, perpendiculairement aux dites rainures (11).