Brevet FR2608264A1 — publié le 19880617

Echangeur coaxial monotubulaire. La présente invention se rapporte à un échangeur coaxial monotubulaire pour fluide chargé ou non. Elle s'applique en particulier, en technique vinicole, au chauffage ou au refroidissement des moûts et du vin par échange avec un liquide réfrigérant, par détente ou condensation directes. La figure 1 jointe représente schématiquement, en vue longitudinale avec coupe partielle, un échangeur coaxial monotubulaire de type connu. Il comporte un tube échangeur central 1 dans lequel passe le liquide à chauffer ou à refroidir, respectivement dans un sens ou dans l'autre selon le cas. Ce tube I est de diamètre suffisant pour laisser passer les éléments solides en suspension dans le fluide sans risquer de se boucher. Le fluide réfrigérant passe autour du tube échangeur 1, dans l'espace annulaire 2 ménagé entre un tube enveloppe 3, coaxial au tube 1 et de plus grand diamètre, et le tube échangeur 1. Afin de réduire l'encombrement de l'échangeur, I'ensemble des deux tubes 1,3 est enroulé selon une forme cylindrique, ou autre. I1 est alors nécessaire de prévoir, à intervalles réguliers, des pièces d'écartement 4 qui maintiennent à une valeur substantiellement constante espace annulaire 2. Sans ces pièces d'écartement, le caractère coaxial des deux tubes 1 et 3 pourrait être détruit par l'opération d'enroulement de l'échangeur, et ces deux tubes ne seraient plus centrés l'un par rapport à l'autre. Ces pièces d'écartement 4 sont habituellement constituées par des fils ou des bandes enroulées en hélice autour du tube 1, de dimensions transversales telles qu'ils occupent toute la largeur de l'espace 2, comme représenté au dessin. Il s'ensuit que le réfrigérant parcourt, comme représenté par les flèches sur le dessin, un trajet hélicoldal pour traverser chacune des zones qui comporte une pièce d'écartement 4, ce qui a pour inconvénient de créer une perte de charge trop importante. L'invention vise à pallier cet inconvénient, ainsi qu'à améliorer les caractéristiques mécaniques et d'échange thermique d'un échangeur coaxial monotubulaire. Ces résultats sont obtenus par le fait que le centrage des deux tubes coaxiaux, tube-échangeur et tube-enveloppe respectivement, est assuré par au moins une pièce d'écartement, comportant un seul morceau, de préférence substantiellement de même longueur que l'échangeur, ou plusieurs morceaux séparés axialement par des espaces. Cette pièce d'écartement a une allure générale d'hélice à base polygonale, constituée d'une succession de segments de droite filiformes, deux segments de droite successifs étant reliés par un pliage.Chacun de ces pliages vient prendre appui sur la face interne du tube enveloppe, tandis que la partie médiane de chaque segment de droite vient prendre appui, par un point de tangence, sur la face externe du tube échangeur. On obtient par exemple cette pièce d'écartement à partir d'un fil métallique déformable, rigide ou semi-rigide, que l'on met en forme, par exemple par roulage sur une barre à section polygonale, dans laquelle s'inscrit la section du tube-échangeur, de façon à obtenir une forme générale d'hélice à spires jointives, composée d'une succession de segments de droite reliés l'un à l'autre par un pliage. Cette hélice à base polygonale est ensuite glissée autour du tube échangeur tout en étant tendue axialement de façon à ce que les spires se disjoignent, pour donner par exemple un pas d'environ deux à trois fois le diamètre de ce tube échangeur.Les points-milieu des segments de droite viennent alors en tangence avec le tube échangeur, tandis que les pliages séparant ces segments de droite viennent en appui contre la paroi interne du tube-enveloppe, qui se trouve ainsi maintenu centré par rapport au tube-échangeur. De toutes façons, I'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels Figure 2 est une vue latérale partielle de la pièce d'écartement, avant sa mise en place Figure 3 est une vue en bout de cette pièce, toujours avant sa mise en place Figure 4 est une vue longitudinale partielle, avec coupe partielle, de cet échangeur avec sa pièce d'écartement ; Figure 5 est une vue en coupe selon V-V de la figure 4. Sur la figure 4, on reconnaît le tube échangeur 1, qui est parcouru par le liquide, tel que du vin, à refroidir ou à réchauffer. Dans le cas du refroidissement par exemple, l'échangeur est à contre-courant, et le vin circule dans le tube 1 de la droite vers la gauche sur le dessin. Ce tube échangeur 1 est par exemple en acier inoxydable. Comme pour l'échangeur de la figure 1, le tube 1 est entouré par un tube-enveloppe 3, coaxial et de plus grand diamètre, définissant avec la paroi externe du tube 1 un espace annulaire 2 dans lequel circule le fluide réfrigérant, de la gauche vers la droite comme indiqué par les flèches.Ce fluide réfrigérant est amené dans l'espace 2 par une tête d'entrée 5 dont la sortie est composée d'une fraction de tube 6 emmanchée étroitement sur le tube 3, et donc coaxiale à celui-ci, et dont l'entrée est constituée par un tube 7, d'axe orthogonal à celui du tube 6 et débouchant dans ce dernîer de manière excentrée, voire même substantiellement tangentielle, pour imprimer d'emblée un mouvement de rotation tourbillonnaire, ou vortex, au fluide réfrigérant. Comme on le voit sur l'ensemble des figures 4 et 5, le maintien de l'écartement entre les tubes 2 et 3 est assuré par une pièce unique de maintien 8, qui est constituée par une hélice continue à base pentagonale (figure 5), composée de segments de droite successifs 9,10,11..., reliés chacun l'un à l'autre par un pliage 12,13.... Chaque pliage 12,13, vient prendre appui sur la paroi interne du tube enveloppe 3, tandis que les points milieu 14,15,16..., de ces segments 9,10,11..., viennent s'appuyer contre la paroi externe du tube échangeur 1, auquel ces segments sont alors tangents. Un moyen commode pour obtenir l'hélice d'écartement 8 est schématisé sur les figures 2 à 4. A partir d'un fil métallique déformable, rigide ou semi-rigide, on met tout d'abord en forme ce fil par roulage sur une barre à section carrée (non représentée), dont le côté a est légèrement supérieur au diamètre intérieur D du tube-enveloppe 3, pour obtenir une première hélice 17 à base carrée et à spires jointives. Cette hélice 17 est ensuite introduite autour du tube 1 et tendue axialement de façon à ce que les spires se disjoignent, pour donner un pas de deux à trois fois le diamètre du tube échangeur 1. On obtient ainsi l'hélice 8, à base pentagonale, de surface de base inférieure à celle de l'hélice 17 et qui vient s'inscrire étroitement, par les points de contact 12,13..., dans le tube 3, tandis qu'elle s'appuie fermement sur la paroi externe du tube 1 par les points de tangence 14,15,16.... Pour fixer l'hélice 8, on pratique avantageusement par endroits, par exemple tous les deux ou trois mètres, un point de fixation par brasure ou autre aux endroits de tangence 14,15,16.... Une partie du fluide réfrigérant peut alors passer tout droit dans les espaces laissés libres 18,19,..., comme indiqué par les flèches sur la figure 1, ce qui limite la perte de charge à une valeur acceptable. Grâce à l'hélice polygonale 8, les deux tubes 1 et 3 sont centrés l'un par rapport à l'autre de manière souple, de telle sorte que les déformations de section du tube-enveloppe 3 lors de son roulage n'entraînent pas de marquage du tube intérieur 1, ce qui provoquerait des plis dans celui-ci : L'espace annulaire 2 n'est en effet à aucun endroit totalement occupé par le fil métallique et celui-ci, n'agissant que par appui en certains points, peut aisément se déformer. La forme générale hélicoîdale du fil métallique agit comme un turbulateur qui entraîne le liquide réfrigérant en rotation, ce qui a pour effet d'augmenter sa vitesse, donc le coefficient d'échange thermique, ainsi que de mieux le répartir sur la périphérie du tube échangeur 1, ce qui est particulièrement important dans le cas d'un fluide réfrigérant diphasique, tel qu'un réfrigérant chlorofluoré utilisé en détente ou condensation directes. Le mélange de circulation axiale et de circulation hélicoldale facilite le passage à l'écoulement turbulent, seul capable de donner de bons coefficients d'échange. A cet effet il est avantageux d'imprimer d'emblée un mouvement de rotation au fluide réfrigérant incident grâce à l'alimentation tangentielle décrite ci-dessus. D'une manière générale en utilisation en évaporateur, on constate que la partie gazeuse circule axiale ment tandis que seule la partie liquide subit un effet hélicoldal. Le caractère continu de l'hélice 8 est intéressant non seulement du point de vue de la continuité du soutien mécanique, mais aussi parce qu'il présente l'avantage de permettre éventuellement la remontée de liquide vers le haut du tube-échangeur, ce qui n'était pas possible antérieurement. L'invention n'est bien entendu pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Par exemple, l'hélice 8 pourrait, tout en gardant sa forme, être discontinue comme c'était le cas antérieurement, c'est-à-dire être constituée de plusieurs morceaux séparés axialement par des espaces. Dans le même ordre d'idées, L'hélice 8, qui a préférentiellement la même longueur que l'échangeur, c'est-à-dire que le tube I ou le tube 3, pourrait être légèrement plus courte. REVENDICATIONS 1. Echangeur coaxial monotubulaire comportant un tube-échangeur central (1) parcouru par le fluide à réchauffer ou à refroidir, et un tube-enveloppe (3) entourant coaxialement ce tube-échangeur (1) de façon à délimiter, entre ces deux tubes (1,3), un espace annulaire (2) dans lequel circule un fluide réfrigérant, caractérisé en ce que le centrage de ces deux tubes (1,3) est assuré par au moins une pièce d'écartement (8) ayant une allure générale d'hélice à base polygonale, constituée d'une succession de segments de droite (9,10,11,...), deux segments de droite successifs (9,10) étant reliés par un pliage (12), chacun de ces pliages (12,13,...) venant prendre appui sur la face interne du tube-enveloppe (3), tandis que la partie médiane de chaque segment de droite (9,10,11...) vient prendre appui, par un point de tangence (14,15,16,...), sur la face externe du tube-échangeur (1). 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas de l'hélice (8) est de l'ordre de deux à trois fois le diamètre du tube échangeur (1). 3. Echangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'hélice (8) est continue et à substantiellement la même longueur que l'échangeur. 4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette hélice (8) est légèrement plus courte que l'échangeur. 5. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est équipé d'une entrée (7) de fluide réfrigérant qui est suffisamment tangentielle pour lui imprimer d'emblée un mouvement de rotation tourbillonnaire. 6. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élice 8 est fixée par endroits au tube-échangeur (I) en des points de tangence (14,15,16,...). 7. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce d'écartement (8) est obtenue et mise en place en partant d'un fil métallique déformable, rigide ou semi-rigide, qui est mise en forme de façon à obtenir une première forme générale (17) d'hélice à spires jointives, à section polygonale dans laquelle s'inscrit la section du tube-enveloppe (3), et en introduisant ensuite cette première hélice (17) autour du tube échangeur (1) tout en la tendant axialement de façon à ce que les spires se disjoignent.