Brevet FR2611034A1 — publié le 19880819

Conduit d'échanaeur à paroi deformable, et échangeur réalisé avec de tels conduits La présente invention concerne les conduits d'échangeur de chaleur du type constitué par deux parois fixées longitudinalement l'une à l'autre de façon étanche à leurs deux extrémités transversales, le conduit étant destiné à etre parcouru par un premier fluide sous pression avec lequel doivent se produire des échanges thermiques avec un second fluide dans lequel baigne le conduit. Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive, dans le domaine des radiateurs de refroidissement d'huile de transformateur électrique de grande puissance. On connait déjà des conduits d'échangeur du type ci-dessus défini utilisés dans des radiateurs ou échangeurs de refroidissement d'huile de transformateur électrique. Les radiateurs sont formés de panneaux verticaux de grande hauteur, pouvant atteindre 3,5 m de haut, et constituant des conduits verticaux dans lesquels l'huile & refroidir circule de haut en bas, soit à l'aide d'une pompe de circulation, soit par convection naturelle. Les conduits ont une section sensiblement rectangulaire. Ils sont en acier ordinaire Z2-CN 12-IO (Normes AFNOR) pour résister à une pression intérieure de 1 à 3 bars. Cette solution a des inconvénients. Elle nécessite des conduits de grande hauteur si l'on veut pouvoir évacuer des puissances thermiques importantes. I1 faut alors prévoir une structure conséquente pour soutenir le radiateur dont le coût et l'encombrement deviennent élevés. L'invention vise à fournir un conduit d'échangeur de chaleur répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'évacuer une puissance thermique supérieure à celle évacuée par les radiateurs de refroidissement & huile sous pression connus tout en diminuant le volume d'huile à faire circuler dans l'ensemble de l'échangeur dans des proportions non négligeables. Le coût d'un tel refroidissement s'en trouve donc réduit également.. Dans ce but, l'invention propose notamment un conduit d'échangeur de chaleur du type ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'au moins une de ses deux parois est mince, déformable sous la pression du premier fluide et présente deux faces extrêmes et une partie centrale assurant la jonction entre les deux faces extrêmes dont l'allure moyenne vue de l'extérieur du conduit est concave. Gracie à cette disposition, la surface d'échange avec le second fluide est augmentée et le volume interne du conduit, et donc du premier fluide à utiliser est minimisé. La paroi, qui est souple et déformable, peut résister efficacement à la pression interne du premier fluide sans nécessiter une trop grande épaisseur. Dans des modes de réalisation avantageux de l'invention on a recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - l'une au moins des parois déformables a une partie centrale présentant des ondulations longitudinales. - les deux parois opposées du conduit sont minces, déformables et symétriques par rapport à un même plan longitudinal de jonction. - au moins une des extrémités transversales d'une des parois est prolongée après la jonction avec l'autre paroi d'une saillie s'étendant vers l'extérieur du conduit sur laquelle est fixée au moins une ailette de refroidissement rigide coopérant thermiquement avec le susdit second fluide et présentant au moins une surface s'appliquant en permanence sur une de faces extrêmes du conduit par l'intermédiaire d'un liant thermoconducteur de préférence isolant électrique. Dans certains milieux (atmosphère marine par exemple) le matériau utilisé pour les conduits étant de préférence de l'acier, par exemple inoxydable, et celui utilisé pour les ailettes étant un matériau différent choisi pour son fort coefficient de conductivité thermique tel que l'aluminium, il existe un risque de corrosion électrolytique contre lequel on se garantit grâce à ce liant qui doit alors effectivement être également isolant électrique. - au moins l'une des deux extrémités transversales d'une des parois est prolongée, après la jonction avec l'autre paroi, ' d'une saillie s'étendant vers l'extérieur du conduit sur laquelle est fixée au moins une ailette de refroidissement rigide coopérant thermiquement avec le susdit second fluide et présentant au moins une surface apte à entrer en contact avec une des faces extrêmes dudit conduit, de sorte que ladite face extrême vienne s'appliquer contre ladite surface de l'ailette sous la pression du premier fluide. Cette disposition permet une bonne transmission de la chaleur par conduction entre ailette et paroi du conduit. - les faces extremes des parois déformables et les surfaces des ailettes aptes à entrer en contact avec ces faces sont planes. - les deux faces extrêmes d'une même paroi sont associées à une même ailette présentant un profil sensiblement trapézoidal et formant un canal avec la paroi dudit conduit. L'invention propose également un échangeur de chaleur comportant au moins un faisceau de conduits parallèles tels que décrits ci-dessus, situés dans un meme plan longitudinal et reliés entre eux par des raccordements aptes à constituer les saillies s'étendant vers l'extérieur du conduit sur lesquelles des ailettes de refroidissement sont susceptibles de venir se fixer. Dans des modes de réalisation préférés de l'échangeur comportant des conduits selon l'invention, on a recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - les conduits sont constitués par l'assemblage de deux panneaux symétriques l'un contre l'autre, lesdits panneaux étant en acier mince présentant alternativement et de façon répétitive des surfaces planes et des surfaces ondulées, et étant soudés entre eux au niveau desdites surfaces planes pour former lesdits conduits au niveau des surfaces ondulées. Cette disposition est aisée à mettre en oeuvre et permet des gains de temps et de coût importants lors de la fabrication de l'échangeur. - les ailettes de refroidissement sont constituées par des tubes cylindriques fixés entre les conduits verticaux et propres à recevoir l'appui d'une des faces extrêmes de chacun des deux conduits adjacents, sous la pression du premier fluide. La forme cylindrique des ailettes les rend aptes à résister efficacement à la pression du fluide à refroidir, via les parois des conduits adjacents. - les ailettes des conduits sont verticales et fractionnées en plusieurs étages. - des déflecteurs obliques sont fixés sur le faisceau et agencés pour évacuer le second fluide venu du haut d'un étage inférieur vers l'extérieur du faisceau, et diriger le second fluide venant du milieu ambiant vers le bas d' un étage supérieur d'ailettes verticales de refroidissement - les ailettes formant canal ou en tube sont parcourues par un troisième fluide et baignent extérieurement dans ledit second fluide. - l'échangeur comporte plusieurs faisceaux de conduits verticaux parallèles placés les uns à coté des autres, en contact ou non par l'intermédiaire d'ailettes de refroidissement. Enfin, et de façon plus spécifique encore, l'invention propose un échangeur de refroidissement d'huile de transformateur électrique de forte puissance comprenant au moins un faisceau de conduits parallèles parcourus par l'huile sous pression refroidie par l'air baignant lesdits conduits, et constitué par deux panneaux symétriques fixés longitudinalement l'un contre l'autre, caractérisé en ce que lesdits panneaux sont en acier mince, présentant alternativement et de façon répétitive des surfaces planes et des surfaces ondulées déformables sous la pression de l'huile et étant soudés entre eux au niveau desdites surfaces planes pour former les parois desdits conduits au niveau desdites surfaces ondulées, et en ce que pour chacun des conduits, chacune desdites parois présente deux faces extrêmes et une partie centrale assurant la jonction entre les deux faces extrêmes d'allure moyenne concave vue de l'extérieur du conduit. L'acier utilisé est avantageusement de l'acier inoxydable d'épaisseur de l'ordre de 5/70sèmes de mm, l'écrouissage permettant d'atteindre des valeurs inférieures, par exemple 3 à 4/10sèmes de mm, tout en conservant une bonne résistance mécanique. Dans un mode préféré de réalisation, l'échangeur comporte de plus des ailettes de refroidissement rigides fixées sur les parties intermédiaires de raccordement et aptes à entrer en contact avec les faces extrêmes d'au moins une paroi desdits conduits de sorte que lesdites faces extrêmes viennent s'appliquer respectivement contre les ailettes sous la pression de l'huile et par l'intermédiaire d'un liant thermoconducteur de préférence isolant électrique. Le liant thermoconducteur peut être du type pate silicone ou autre pate thermofluide propre à améliorer les échanges thermiques. Les ailettes sont par exemple en alliage à base d'aluminium à fort coefficient de conductivité thermique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est une vue en coupe transversale d'un conduit selon l'invention, - les Figures 2, 3, 4 sont des vues en coupe transversale de variantes d'un conduit selon l'invention, - la Figure 5a montre le conduit en coupe transversale de la Figure 4, muni d'une ailette de refroidissement, au repos (sans fluide sous pression à l'intérieur), - la Figure 5b montre le même conduit muni de son ailette et parcouru par un fluide sous pression, ou un conduit selon l'invention, sur lequel l'ailette est appliquée en permanence par l'intermédiaire d'un liant. - la Figure 5c montre une coupe d'un conduit selon l'invention en pression muni d'une ailette de refroidissement formant canal, - la Figure 6 est une vue schématique en perspective d'un tronçon d'échangeur à triple flux selon l'invention, muni d'ailettes tubulaires, - les Figures 7, 8, 9, 10, et 11 donnent en coupes transversales, différentes dispositions d'ailettes pour un faisceau de tubes selon l'invention, - la Figure 12 est un échangeur selon l'invention, en coupe transversale, comprenant plusieurs faisceaux et différents types de disposition d'ailettes - es Figures 13a et 13b sont des vues de face et de profil d'un échangeur selon l'invention, comportant un faisceau de tubes munis d'ailettes séparées en plusieurs étages. - les Figures 14a et 14b sont des vues de face et de profil de l'échangeur de la Figure 13, comportant de plus des déflecteurs entre chaque étage. Le conduit 1 d'échangeur de chaleur est constitué par deux parois 2 et 3 opposées situées de part et d'autre d'un plan longitudinal 4 de jonction. Elles sont fixées longitudinalement l'une à l'autre à leurs deux extrémités transversales respectives 5 et 6 par exemple par soudure, 5a, 6a ou encore brasage ou collage. La soudure peut être effectuée à la molette sur les bords des parois. Ce conduit ainsi constitué est parcouru par un premier fluide sous pression avec lequel doit se produire des échanges thermiques avec un second fluide baignant ledit conduit. La paroi 2 est mince et déformable sous la pression du fluide contenu par le conduit. Elle est par exemple en acier inoxydable d'épaisseur de 2 à 5/10 de mm.Par paroi mince il faut entendre une paroi d'épaisseur telle que l'on puisse emboutir ladite paroi et la plisser avec des plis ayant une profondeur pouvant atteindre 2 mm, chaque pli ayant alors un rayon interne également de l'ordre de 2mm. Elle comporte deux faces extrêmes 7 et 8 et une partie centrale 9 assurant la jonction entre les deux faces extremes 7 et 8. Cette partie centrale 9 a une allure moyenne concave, comme représentée sur les- Figures 1 et suivantes par le trait mixte numéroté 10. Dans la Figure 1 la paroi opposée 3 est une paroi horizontale qui peut être, ou ne pas être, dans le meme matériau que la paroi 2. Sur la Figure 2 la partie centrale 9 d'allure moyenne concave présente des ondulations longitudinales 11. Ces ondulations peuvent etre symétriques par rapport à un plan 12 perpendiculaire au plan longitudinal de jonction 4 comme représenté sur les Figures 2 et suivantes. Les ondulations longitudinales appelées encore plis ou stries peuvent être avantageusement d'un rayon voisin de 2 mm.Dans ce cas, par rapport à un conduit de radiateur connu en acier ordinaire, de même dimensions extérieures, l'augmentation de surface due au stries est de l'ordre de 258. La puissance que l'on peut évacuer est augmentée de l'ordre de 238 pour un écart de température de 50. entre le premier fluide à l'intérieur du conduit qui est classiquement de l'huile et le deuxième fluide à l'extérieur du conduit qui est l'air ambiant. Sur la Figure 3 on a représenté les deux parois opposées 2 et 3 conformes à l'invention, mais présentant une section transversale différente. La Figure 4 donne un conduit d'échangeur de chaleur selon l'invention dont les deux parois opposées sont minces, déformables et symétriques par rapport au plan longitudinal de jonction 4. Dans un mode particulièrement avantageux de l'invention, au moins l'une des deux extrémités transversales 5 et 6 d'une des parois est prolongée, après la jonction avec l'autre paroi d'une saillie 13 s'étendant vers l'extérieur du tube sur laquelle vient se fixer au moins une ailette 14 de refroidissement rigide. Cette ailette présente une surface 15 apte à entrer en contact avec une des faces extrêmes 8 du conduit, de sorte que ladite face extrême 8 vienne s'appliquer contre ladite surface 15 de l'ailette 14 sous la pression du fluide contenu å l'intérieur du conduit. Sur la Figure 5a on a représenté un conduit muni de son ailette au repos, c'est-à-dire sans qu'il ne soit soumis à la pression intérieure d'un fluide. Dans ce premier cas, la face extrême 8 est séparée de l'ailette 14 par un espace 16. Sur la Figure 5b, le conduit est rempli d'un fluide sous pression qui vient alors appliquer la face extrême 8 sur la partie 15 de l'ailette 14, assurant ainsi un contact pratiquement parfait, qui permet un excellent transfert par conduction entre la paroi du conduit et l'ailette de refroidissement. Dans un deuxième cas ou mode de réalisation particulièrement avantageux, l'ailette 14 s'applique en permanence sur une des faces extérieures (8) du conduit par l'intermédiaire d'un liant thermoconducteur (non représenté), également isolant électrique. Ceci permet d'éviter la corrosion électrolytique entre les matériaux qui sont en général .différents entre l'ailette et le conduit. La Figure. 5c montre la coupe transversale d'un conduit selon l'invention comportant une ailette 17 présentant un profil sensiblement trapézoldal et formant un canal 18 avec la paroi 2 du conduit avec laquelle elle coopère par l'intermédiaire de ces deux faces extrêmes 7 et 8. Lorsque les faces 7 et 8 sont amenées à coopérer avec une ailette de refroidissement, elles sont avantageusement planes. La Figure 6 montre schématiquement une portion d'échangeur de chaleur constituée de conduits 1 selon l'invention. Il est formé par l'assemblage de deux panneaux symétriques l'un contre l'autre, lesdits panneaux étant en acier mince présentant alternativement et de façon répétitive des surfaces planes 21 et des surfaces ondulées 22. Les deux panneaux sont soudés l'un à l'autre au niveau des surfaces planes, par exemple par points sur les lignes intérieures entre conduits et à la molette sur les bords extrêmes des panneaux et forment les conduits au niveau des surfaces ondulées. Les ailettes de refroidissement 20 sont constituées par des tubes cylindriques fixés entre les conduits et sont propres à recevoir l'appui des faces extremes 23 et 24 de chacun des deux conduits adjacents, sous la pression du fluide circulant à l'intérieur des conduits. L'échangeur tel que représenté sur la Figure 6 peut avantageusement etre à triple flux. Le premier fluide, circulant par exemple dans le sens indiqué sur la Figure 6 par la flèche 25, passe à l'intérieur des conduits. Un deuxième fluide circule à l'intérieur des ailettes de refroidissement tubulaires, par exemple à contre courant avec le premier fluide, suivant la direction 26. Enfin, un troisième fluide circulant à contre courant avec le premier fluide 25 et à co-courant avec le second fluide 26 et dont le sens est indiqué par la flèche 27, baigne l'ensemble de l'échangeur. Les Figures 7, 8, 9, 10 et 11 montrent en coupe transversale, différentes configurations d'échangeurs comportant des conduits 1 selon l'invention parcourus par un fluide sous pression et des ailettes de refroidissement 14, 17 associées à ces conduits. Les Figures 9 et 10 donnent des dispositions particulièrement avantageuses à mettre en oeuvre. Il va de soi que d'autres dispositions sont également envisageables. La Figure 12 monture, en coupe transversale un échangeur de chaleur comportant plusieurs faisceaux de conduits verticaux parallèles placés les uns à côté des autres. Deux types d'ailettes de refroidissement ont été utilisés pour augmenter les surfaces d'échange de cet échangeur : des ailettes tubulaires 20 et des ailettes de forme générale trapézoidale 17. Les Figures 13a et 13b représentent un échangeur comportant un faisceau de conduits 1 selon l'invention. Les conduits 1 se rejoignent aux extrémités haute 30a et basse 30b de l'échangeur. Le fluide à refroidir sous pression est introduit dans l'échangeur en partie basse par une tuyauterie 31a et ressort de l'échangeur en partie haute par une tuyauterie 31b. Les conduits sont munis d'ailettes de refroidissement 6 disposées sur plusieurs étages 32, ce qui permet un apport d'air frais sur les côtés et favorise le refroidissement du fluide sous pression qui traverse les conduits verticaux. Les Figures 14a et 14b montrent le même échangeur qui comporte de plus des déflecteurs 33 dispos , entre chaque étage 32, de façon oblique. Ils sont fixés sur le faisceau et agencés pour évacuer le second fluide venu du haut 34 de l'étage inférieur et diriger le second fluide vers le bas 35 de l'étage supérieur d'ailettes 6 verticales de refroidissement. Comme il va de soi et comme il en résulte d'ailleurs de ce qui précède l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation ou aux applications spécifiquement décrites. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Notamment - le cas où les ailettes de refroidissement disposées d'un côté des conduits parallèles d'un meme faisceau, sont solidaires les unes des autres et formées à partir d'un meme panneau plié de façon à constituer lesdites ailettes, - le cas où les ailettes de forme sensiblement trapézoidale présentent une petite base qui est elle-même gondolée ou plissée de façon à augmenter encore la surface d'échange entre les ailettes et le second fluide. REVENDICATIONS 1. Conduit d'échangeur de chaleur constitué par deux parois (2, 3) fixées longitudinalement l'une à l'autre de façon étanche à leurs deux extrémités transversales (5, 6) destiné à être parcouru par un premier fluide sous pression avec lequel doivent se produire des échanges thermiques avec un second fluide baignant le conduit, caractérisé en ce que au moins une des deux parois est mince, déformable sous la pression du premier fluide et présente deux faces extrêmes (7, 8) et une partie centrale (9) assurant la jonction entre les deux faces extrêmes et dont l'allure moyenne, vue de l'extérieur du conduit, est concave. 2. Conduit d'échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette partie centrale (9) présente des ondulations longitudinales (11). 3. Conduit d'échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux parois (2, 3) du conduit (1) sont symétriques par rapport à un même plan longitudinal de jonction (4). 4. Conduit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une des extrémités transversales d'une des parois est prolongée après la jonction avec l'autre paroi d'une saillie (13) s'étendant vers l'extérieur du conduit (1) sur laquelle est fixée au moins une ailette de refroidissement (14) rigide coopérant thermiquement avec le susdit second fluide et présentant au moins une surface (15) s'appliquant en permanence sur une des faces extrêmes (8) du conduit par l'intermédiaire d'un liant thermoconducteur de préférence isolant électrique. 5. Conduit d'échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins l'une des deux extrémités transversales d'une deb parois est prolongée après la jonction avec l'autre paroi d'une saillie (13) s'étendant vers l'extérieur du conduit (1) sur laquelle est fixée au moins une ailette de refroidissement (14) rigide coopérant thermiquement avec le susdit second fluide et présentant au moins une surface (15) apte à entrer en contact avec une des faces extrêmes (8) dudit conduit de sorte que ladite face extrême (8) viens s'appliquer contre ladite surface (15) de l'ailette sous la pression du premier fluide. 6. Conduit d'échangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les faces extrêmes (7, 8) des parois déformables et les surfaces (15) des ailettes (14) aptes à entrer en contact avec ces faces sont planes. 7. Conduit d'échangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux faces extrêmes (7, 8) d'une meme paroi (2) sont associées à une même ailette (17) présentant un profil sensiblement trapézoidal et formant un canal (18) avec la paroi dudit conduit. 8. Echangeur de chaleur comprenant au moins un faisceau de conduits parallèles constitués selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 , caractérisé en ce que lesdits conduits sont situés dans un même plan longitudinal, et reliés entre eux par des raccordements. 9. Echangeur de chaleur comprenant au moins un faisceau de conduits parallèles constitués selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que lesdits conduits sont situés dans un meme plan longitudinal et reliés entre eux par des raccordements aptes à constituer les saillies s'étendant vers l'extérieur du conduit et sur lesquelles les ailettes de refroidissement (14) sont fixées. 10. Echangeur de chaleur comprenant au moins un faisceau de conduits constitués selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits conduits sont situés dans un meme plan longitudinal et rattachés entre eux par des raccordements qui forment les saillies s'étendant vers l'extérieur du conduit sur lesquelles sont fixées les ailettes de refroidissement, et en ce que lesdites ailettes de refroidissement sont constituées par des tubes cylindriques (20), propres à recevoir l'appui d'une des faces extremes (23, 24) de chacun des deux conduits (1) adjacents, sous la pression du premier fluide. 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les conduits (1) sont constitués par l'assemblage de deux panneaux symétriques l'un contre l'autre, lesdits panneaux étant en acier mince présentant alternativement et de façon répétitive des surfaces planes (21) et des surfaces ondulées (22), et étant soudés entre eux au niveau desdites surfaces planes formant les parties intermédiaires de raccordement pour former lesdits conduits au niveau des surfaces ondulées. 12. Echangeur de chaleur à triple flux selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que les ailettes formant canal (17) ou en tube (20) sont parcourues par un troisième fluide et baignent extérieurement dans ledit second fluide. 13. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que les ailettes (6) des conduits sont verticales et fractionnées en plusieurs étages. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que les étages sont séparés par des déflecteurs obliques (33) fixés sur le faisceau et agencés pour évacuer le second fluide venant du haut de l'étage d'ailettes supérieur vers l'extérieur du faisceau, et diriger vers l'intérieur du faisceau le second fluide pour l'amener vers le bas de l'étage d'ailettes inférieur. 15. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs faisceaux de conduits verticaux parallèles placés les uns à coté des autres. 16. Echangeur de refroidissement d'huile de transformateur comprenant au moins un faisceau de conduits parallèles parcourus par 9'huile sous pression refroidie par l'air baignant lesdits conduits1 et constitué par deux panneaux symétriques fixés longitudinalement l'un contre l'autre, caractérisé en ce que lesdits panneaux sont en acier mince, présentant alternativement et de. façon répétitive des surfaces planes (21) et des surfaces ondulées (22) déformables sous la pression de l'huile et étant soudés entre eux au niveau desdites surfaces planes pour former les parois desdits conduits au niveau desdites surfaces ondulées, et en ce que pour chacun des conduits, chacune desdites parois présente deux faces extrêmes et une partie centrale assurant la jonction entre les deux faces extrêmes d'allure moyenne concave1 vue de l'extérieur du conduit. 17. Echangeur de refroidissement d'huile de transformateur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte des ailettes de refroidissement rigides fixées sur les parties intermédiaires de raccordement et aptes à entrer en contact avec les faces extrêmes d'au moins une paroi desdits conduits de sorte que lesdites faces extrêmes viennent s'appliquer respectivement contre les ailettes sous la pression de l'huile et par l'intermédiaire d'un liant thermoconducteur de préférence isolant électrique.