Brevet FR2563619A1 — publié le 19851031

La présente invention concerne un nouveau procédé pour le refroidissement d'air comprimé au moyen d'air atmosphérique pouvant se trouver dans des conditions pour lesquelles un givrage peut se produire. Des conditions de givrage se rencontrent fréquemment en aéronefs lorsque la température atmosphérique est basse et que l'atmosphère est humide. Dans certaines applications, on est conduit à utiliser l'air atmosphérique pour le refroidissement d'autres fluides, notamment d'air de climatisation préalablement comprimé et se trouvant, par conséquent, à une température élevée. Pour permettre ce refroidissement, on utilise le plus souvent des échangeurs à plaques dans lesquels l'air chaud suit un trajet à 900 par rapport à l'air froid en passant dans des cannaux parallèles qui comportent souvent des dissipateurs secondaires. Certains échangeurs de ce type sont munis sur leur face frontale de résistances de chauffage qui sont mises sous tension lorsqu'un givrage prend naissance. Il a été proposé également de prévoir deux éléments échangeurs à plaques séparés l'un de l'autre par un canal large de sorte qu'en cas de givrage des éléments échangeurs l'air froid est dérivé par le canal large. La technique antérieure a également fait connaître une disposition dans laquelle des conduits sont prévus sur la face frontale du circuit air froid, ces conduits étant parcourus par de l'air chaud, de sorte que les tubes de l'échangeur proprement dit sont, de cette façon, maintenus à une température supérieure à celle pour laquelle le givrage peut être produit. Les réalisations exposées ci-dessus conduisent soit à des échangeurs encombrants, soit à des échangeurs qui consomment occasionnellement une énergie pouvant être importante. L'invention résout le problème exposé tout en éliminant les inconvénients provenant des réalisations connues. Conformément à l'invention, le procédé pour le refroidissement d'un gaz chaud, notamment de l'air comprimé par un gaz froid, notamment de l'air atmosphérique dans lequel on fait circuler l'air chaud à l'inté- rieur d'un faisceau de tubes à l'extérieur desquels on fait circuler l'air froid, les tubes s'étendant suivant des rangées frontales successives sensiblement perpen diculaires à la direction de déplacement de l'air froid, est caractérisé en ce qu on prévoit le pas XL séparant les tubes des différentes rangées frontales plus petit quelle pas XT séparant les tubes des rangées successives. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé comporte dans une enveloppe des tubes de circulation d'un fluide à refroidir, ces tubes étant séparés dans le sens de l'écoulement du fluide de refroidissement par une mesure supérieure à la mesure pour laquelle un pont de glace peut s'établir entre deux tubes consécutifs lorsque l'air froid de circulation se trouve dans des conditions atmosphériques de givrage. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig. 1 est une vue en plan en partie en coupe d'un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation conforme à l'invention. La fig. 2 est une élévation schématique explicative vue selon une ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe, à plus grande échelle, d'un détail de réalisation d'un tube. L'échangeur selon la fig. 1 comporte des collecteurs 1 et 2 dans lesquels sont fixées, notamment par dudgeonnage, les extrémités de tubes 3. Les collecteurs 1 et 2 sont reliés entre eux par des plaques 4 pour constituer un boîtier dans lequel s'étendent les tubes 3. L'intérieur des tubes 3 est destiné à être parcouru par un gaz chaud, par exemple de l'air chaud comprimé conduit par des embases 5, 6 disposées de part et d'autre des collecteurs 1 et 2 et par exemple fixés sur ceux-ci par des boulons 7 traversant des brides 8. De façon analogue, des boîtes à air froid 9 et 10 sont fixées sur les côtés libres des collecteurs 1 et 2 pour permettre la circulation de l'air froid, par exemple l'air atmosphérique dans le sens de la flèche f1. Les tubes 3 sont, de préférence, des tubes en alliage léger présentant une section circulaire comme illustré par la fig. 2, ou des tubes dits à picots comme illustré par la fig. 3, c'est-à-dire des tubes de section circulaire présentant, de place en place, des bossettes concaves 11 destinées à perturber l'air chaud qui s'écoule à l'intérieur des tubes pour améliorer l'échange thermique avec 1air Froid circulant à l'exté- rieur des tubes. Des échangeurs du genre décrit ci-dessus sont utilisés dans différentes applications, notamment pour le refroidissement de l'air chaud de suralimentation de moteurs ou pour le refroidissement de l'air de clima tisation de véhicules aériens. Selon une caractéristique importante de l'inven tion, si on exprime par d le diamètre des tubes 3, on dispose les tubes en rangées parallèles A, B, ... X, Y s'étendant suivant des plans perpendiculaires au sens d'écoulement de l'air froid figuré par la flèche 1 et suivant des rangées parallèles I, Il ... N s'étendant dans des plans parallèles au sens d'écoulement de l'air froid figuré par la flèche f Si on exprime par d le diamètre des tubes, le pas XL entre les tubes des rangées I, II est compris entre 1,15 et 2 d et de préférence entre 1,25 et 1,50 d, le pas étant compté, comme le montre la fig.2, entre les axes géométriques des tubes. Par ailleurs, le pas XT entre les tubes de deux rangées consécutives A, B, etc... est compris entre 1,5 d et 3 d et de préférence entre 1,8 et 2,2 d. Les mesures ci-dessus permettent d'utiliser l'échangeur dans des conditions atmosphériques très diverses et notamment dans des conditions pouvant entraîner le givrage des tubes. En effet, si du givre tend à se déposer sur la première rangée A s'étendant perpendiculairement à la direction f1 figurant le sens d'écoulement de l'air froid, il se produit alors un moins bon échange thermique entre l'air chaud circulant à l'intérieur des tubes de cette rangée et l'air froid circulant selon la flèche fl.I1 résulte de cela que le givre en contact avec la paroi du tube fond, la pellicule liquide faisant alors que le givre est poussé vers l'arrière du tube du fait de l'écoulement de l'air froid suivant la flèche f mais la partie arrière du tube qui est ronde constitue une zone perturbée aérodynamiquement, ce qui empêche le givre d'adhérer à la paroi et compte tenu que le pas d est plus grand que le pas XL, on élimine le risque de création d'un pont de glace entre les tubes constituant la première rangée frontale A et les tubes de la ou des rangées suivantes B... Lorsque l'échangeur est utilisé dans des conditions à très grand risque de givrage, il est avantageux de prévoir au moins une rangée de tubes A1 (fig. 1) qui débouchent dans une chambre 12 d'amenée d'air chaud. Les tubes A1 présentent des perforations 13, de sorte qu'il devient possible d'injecter dans la veine d'air froid une certaine quantité d'air chaud ou d'un autre gaz, cette injection étant commandée en fonction de différents paramètres, par exemple si l'air chaud n'est pas refroidi en dessous d'un seuil déterminé ou bien s'il se produit dans le circuit d'air froid une perte de charge supérieure à un seuil également déterminé. Il est possible également d'effectuer l'injection d'air chaud à des intervalles réguliers dans le temps. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation, représenté et décrit en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, les tubes d'injection d'air chaud ou d'un autre fluide peuvent etre remplacés par des organes équivalents par exemple des buses portées soit par les collecteurs, soit par les botes à air froid et il est possible également de prévoir un ou plusieurs conduits menant directement aux boîtes à air froid. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le refroidissement d'un gaz chaud, notamment de l'air comprimé par un gaz froid, notamment de l'air atmosphérique, dans lequel on fait circuler l'air chaud à l'intérieur d'un faisceau de tubes à l'extérieur desquels on fait circuler l'air froid, les tubes s'étendant suivant des rangées frontales successives sensiblement perpendiculaires à la direction de déplacement de l'air froid, caractérisé en ce qu'on prévoit le pas X séparant les tubes des L différentes rangées frontales plus petit que le pas XT séparant les tubes des rangées successives. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit le pas séparant les tubes de chacune des rangées I, II ... N pour qu'il soit compris entre 1,15 et 2 d de préférence 1,25 d et 1,50 d, d étant le diamètre de chaque tube et le pas étant pris entre les axes géométriques de deux tubes consécutifs. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on choisit le pas des tubes des rangées successives A, B ... X, Y pour qu'il soit compris entre 1,5 et 3 d de préférence entre 1,8 et 2,2 d, d étant le diamètre de chaque tube et le pas étant la distance séparant l'axe géométrique de deux tubes consé- cutifs. 4 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tubes sont des tubes ronds. 5 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes sont des tubes à picots. 6 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes sont fixés entre deux collecteurs (1, -2) formant une enveloppe avec des plaques (4) fixées sur deux des côtés desdits collecteurs qui sont munis, d'une part, d'embases (5, 6) pour l'amenée d'air chaud à l'intérieur des tubes et de boîtes à air froid (9, 10) respectivement fixées aux collecteurs (1, 2). 7 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte, supplémentairement, des moyens pour injecter au moins de façon périodique un fluide chaud vers la première rangée frontale (A) de tubes. 8 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'injection sont constitués par au moins un tube (A1) comportant des perforations (13) de soufflage, le tube (A1) débouchant dans une chambre d'amenée de fluide chaud (12). 9 - Echangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une au moins des revendications précédentes, comportant dans une enveloppe des tubes de circulation d'un fluide à refroidir, ces tubes étant séparés dans le sens de l'écoulement du fluide de refroidissement par une mesure supérieure à la mesure pour laquelle un pont de glace peut s'établir entre deux tubes consécutifs lorsque l'air froid de circulation se trouve dans des conditions atmosphériques de givrage. 10 - L'application du procédé et de l'échangeur de l'une des revendications 1 à 9 au refroidissement d'air de climatisation pour aéronefs.