Brevet FR2616215A1 — publié le 19881209

La présente invention concerne un échangeur- de chaleur circulaire, notamment pour des agents frigorifiques d'installations de climatisation, se composant d'un tube métallique plat pourvu à une extrémité d'une entrée pour un agent d'échange de chaleur et à l'autre extrémité d'une sortie qui est cintrée sous la forme de plusieurs spires circulaires placées l'une au-dessus de l'autre et entre lesquelles sont disposées des nervures d'échange de chaleur. Des échangeurs de chaleur circulaires sont connus (brevet CH 530 607 ). Ils présentent l'avantage de pouvoir être disposés avec économie de place autour d'un ventilateur radial. Un inconvénient rencontré avec ces types de construction connus, dans lesquels plusieurs chambres creuses de forme annulaire sont disposées parallè- lement entre elles et sont respectivement reliées l'une avec l'autre par des tubulures communes d'entrée et de sortie, consiste en ce que les frais de fabrication sont relativement élevés. On connait par conséquent également des échangeurs de chaleur circulaires du type défin-i-ci-dessus (numéro de catalogue 41-154 de la Société "Modine" de Mars 1982, page 2 ), dans lesquels un tube plat continu est cintré respectivement avec différentes spires approximativement sous forme d'un anneau, dont les bords intérieur et extérieur sont respectivement situés sur les surfaces cylindriques.Avec ce mode de construction, ce tube est cintré à l'intérieur des limites de ces surfaces cylindriques dans une position décalée axialement et il est enroulé en retour, dans une direction opposée, jusqu'au départ initial du tube, puis il est à nouveau cintré à l'intérieur des surfaces cylindriques et est ramené en sens inverse de manière à produire un corps d'échange de chaleur constitué de plusieurs spires, entre lesquelles sont disposées des nervures d'échange de chaleur. Un tel corps peut évidemment être fabriqué plus simplement que l'échangeur de chaleur circulaire précité mais un inconvénient consiste cependant en ce que l'espacement entre les différentes spires ne peut pas être choisi à volonté mais est fonction du choix du matériau pour le tube plat ainsi que dé ses dimensions géométriques.Le recourbement du tube plat dans les zones de transition entre une spire décalée axialement et une autre spire ainsi que le rayon de cintrage à choisir à cet effet sont déterminants pour l'espacement des différentes spires. Un autre inconvénient rencontré avec de tels modes de construction consiste en ce qu'il se produit, dans ces zones de recourbement des résistances à l'écoulement relativement grandes pour l'agent d'échange de chaleur introduit à une extrémité de ce tube plat et sortant à nouveau à l'autre extrémité.Un autre inconvénient consiste en ce que, dans chacune des zones de recourbement, on ne peut disposer, sur le côté dirigé vers les zones de renvoi qui sont mutuellement opposées dans la direction périphérique, aucune nervure d'échange de chaleur de sorte que l'intervalle radial créé obligatoirement par ce mode de construction ne peut pas être exploité pour l'échange de chaleur. La présente invention a pour but d'agencer un échangeur de chaleur circulaire du -type défini ci-dessus de telle sorte qu'il permette un meilleur échange de chaleur tout en simplifiant la fabrication. Ce problème est résolu en ce que, pour un échangeur de chaleur circulaire du type défini ci-dessus, le tube métallique est cintré exclusivement perpendiculairement à sa largeur et est enroulé en forme de spirale dans les différentes spires. Avec cet agencement, il ne subsiste aucun intervalle radial dans une zone périphérique du corps d'échange de chaleur réalisé én forme de cylindre. Les nervures d'échange de chaleur prévues entre les différentes spires peuvent par conséquent être disposées d'une manière continue. Du fait de l'enrculement successif en forme de spirale des diverses spires, il est également possible d'obtenir une fabrication simple.Un autre avantage consiste en ce que, en fonction de la pente de la spirale, les espacements entre les différentes spires sont déterminables de telle sorte qu'il n'existe aucune limitation en ce qui concerne la hauteur des nervures d'échange de chaleur à utiliser. Surtout cependant, grâce au profil uniforme en spirale du tube plat continu, il ne se produit en aucun endroit des résistances à l'écoulement qui s'écartent des résistances à l'écoulement dans l'ensemble du profil du tube. On évite ainsi des zones d'étranglement, à la différence des réalisations connues. L'écoulement continu qu'il est ainsi possible d'obtenir avec d'assez grandes quantités de l'agent d'échange de chaleur permet d'intensifier le refroidissement de l'air s'écoulant radialement au travers des nervures d'échange de chaleur, ce qui permet d'augmenter également la capacité d'échange de chaleur.Enfin, le nouveau corps d'échange de chaleur à structure en spirale présente également l'avantage que l'agent s'écoulant dans ce corps est soumis, à cause de la circulation uniforme, à des forces centrifuges orientées dans une direction périphérique et qui rendent mieux approprié le nouvel échangeur de chaleur pour son application à des condenseurs d'installations de climatisation. Grâce à l'effet d'inertie, il est notamment possible d'obtenir la séparation désirée entre des phases liquides et gazeuses, ce qui permet une meilleure transmission de la chaleur. Selon d'autres particularités de l'invention, on obtient la possibilité simple d'agencer les nervures d'échange de chaleur proprement dites également sous la forme d'une bande et de les enrouler à la forme sinusoïdale de l'échangeur de chaleur circulaire par exemple en même temps que le tube plat qui a une forme cylindrique. On obtient une autre forme de réalisation avantageuse en enroulant plusieurs, notamment deux tubes métalliques, parallèlement entre eux et dans la même surface périphérique de cylindre, et en outre en faisant en sorte que les nervures d'échange de chaleur ayant la forme d'une bande ondulée constituent avec les deux tubes métalliques une bande préfabriquée à laquelle est associée une ouverture commune d'entrée et de sortie. Selon d'autres particularités de l'échangeur de chaleur circulaire conforme à l'invention - les différentes spires sont situées à l'intérieur d'une surface périphérique cylindrique et sont orientées sen siblement perpendiculairement à l'axe du cylindre ; les parties de spirale inclinées vers le haut par rapport à l'axe de cylindre sont prévues seulement dans une zone partielle de la périphérie de chaque spire - les parties montantes de la spirale sont situées l'une à côté de l'autre et les nervures d'échange de chaleur sont disposées sous forme d'arcs non fermés entre les différentes spires. On obtient ainsi l'avantage que l'échangeur de chaleur de forme cylindrique circulaire comporte du côté frontal des surfaces de base planes qui sont orientées perpendiculairement à l'axe du cylindre. Selon encore d'autres particularités de l'échangeur de chaleur circulaire conforme à l'invention : - deux tubes métalliques sont enroulés l'un à côté de l'autre et selon un mode de construction à double enroulement en étant situés sur des surfaces périphé riques cylindriques différentes - entre les spires des deux tubes métalliques est enroulée une bande ondulée qui a une largeur correspondant au moins au double de la largeur d'un des tubes métalli ques. I1 est ainsi possible de doubler le débit de l'agent d'échange de chaleur sans augmentation de la hauteur ,de construction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la Figure 1 représente un échangeur de chaleur circulaire agencé conformément à l'invention et comportant une bande métallique enroulee, la Figure 2 représente un échangeur de chaleur circulaire conforme à la Figure 1 mais formé d'une bande métallique se composant de deux bandes parallèles, la Figure 3 représente un échangeur de chaleur circulaire dans lequel la transition entre une spire d'enroulement et la suivante est réalisée seulement dans une zone partielle de la périphérie, et la Figure 4 représente un échangeur de chaleur circulaire semblable à la Figure 3 mais dans lequel cependant il est prévu dans l'enroulement une bande nervurée ondulée continue, et la Figure 5 montre un agencement à double enroulement d'un échangeur de chaleur circulaire semblable à la Figure 1. Sur la Figure 1 est représenté un tube plat 1, par exemple en aluminium,qui a une largeur b et une hauteur h. Ce tube plat 1 est pourvu à une de ses extrémités d'une entrée 2 et à l'autre extrémité d'une sortie 3 et il peut être parcouru dans le sens des flèches 9 par un agent d'échange de chaleur. Le tube métallique 1 est enroulé en forme de spirale, à la façon d'un ressort spiral, avec un profil cylindrique et il forme différentes spires 4, 5, 6, 7, qui sont disposées sensiblement parallèlement entre elles et qui ont une inclinaison déterminée par rapport à l'axe, non représenté, du corps cylindrique. Cette inclinaison a été choisie à une valeur constante dans l'exemple de réalisation. Les espacements entre les différentes spires 4, 5, 6, 7 sont par conséquent également identiques. Dans les volumes intercalaires existant entre les différentes spires 4, 5, 6, 7, il est prévu une bande ondulée'8, qui peut être également réalisée continue et être enroulée sous la forme d'une spirale en même temps que la bande métallique 1 jusqu'à la forme finale. Cela peut être réalisé par exemple à l'intérieur d'un moule cylindrique dans lequel la bande métallique l a été enroulée avec flexion perpendiculairement à sa largeur b, la bande ondulée 8 étant enroulée simultanément ou bien étant incorporée dans une seconde opération dans la spirale préfabriquée de la bande métallique 1.Le corps ainsi créé peut ensuite être soit soudé dans le tambour cylindrique, soit également soudé après enlèvement pour former l'échangeur de chaleur circulaire désiré. L'échangeur de chaleur circulaire peut entourer un ventilateur radial, non représenté, à l'aide duquel de l'air est propulsé uniformément radialement vers l'extérieur dans le sens des flèches 10, cet air balayant les nervures ondulées 8 et prpduisant ainsi une évacuation de la chaleur contenue dans l'agent d'échange de chaleur, qui s'écoule dans le sens des flèches 9 à l'intérieur du tube métallique 1. Cette forme de réalisation s'est avérée particulièrement avantageuse pour une application à des condenseurs d'installations de climatisation.L'agent frigorifique canalisé alors dans le tube métallique 1, et qui pénètre par l'entrée 2 encore sous une forme gazeuse ou bien sous la forme d'un mélange de constituants gazeux et liquides, est séparé en ses phases sousl'action de la force centrifuge se produisant lors de la traversée du corps cylindrique par.l'écoulement. La transmission de chaleur peut être ainsi améliorée. Le nouveau corps d'échange de chaleur, qui peut être utilisé, à cause de la traversée d'écoulement dans le même sens, également pour exercer des forces d'inertie sur l'agent d'échange de chaleur, convient par conséquent particulièrement bien pour des condenseurs. La Figure 2 représente une variante de réalisation dans laquelle il est prévu comme bande de sortie une bande constituée de deux bandes métalliques 1' et 1" entre lesquelles est disposée la bande ondulée 8'. Egalement cette bande est enroulée de la même manière à la forme cylindrique et il est prévu entre la première spire 4' et la seconde spire 5' une autre bande ondulée 8" de telle sorte que la bande supérieure l' de la seconde spire ne s'applique pas contre la bande inférieure 1" de la première spire. Cette bande ondulée additionnelle 8" peut être enroulée en même temps que les bandes précitées.Cette bande ondulée 8", qui peut être agencée de la même manière que la bande ondulée 8', contribue à augmenter les surfaces d'échange de chaleur Sur la Figure 3 est représentée une variante de réalisation dans laquelle les différentes spires 4", 5", 6", 7" sont orientées perpendiculairement à l'axe 15 de l'échangeur de chaleur cylindrique circulaire. La montée en forme de spirale d'une spire 4" à la spire adjacente 5" est réalisée seulement dans une partie périphérique, auquel cas ici la pente doit être choisie plus grande que dans le cas d'une spirale ayant une pente uniforme sur toute sa périphérie. Les parties pentues 16, 16a de spires adjacentes sont placées l'une à côté de l'autre. Les inserts de bande ondulée 8" peuventpariconséquent être constitués seulement de différents tronçons de bande ondulée qui sont interposés à la façon d'arcs de cercle entre les spires adjacentes 4 5". La Figure 4 montre une possibilité d'incorporer également à l'enroulement une bande ondulée continue 8"' dans le cas d'un échangeur de chaleur circulaire comportant des spires planes 4", 5", et orientées perpendiculairement à l'axe de cylindre 15. On n'obtient pas ainsi des zones partielles isolées de l'écoulement traversant. La Figure 5 représente finalement une forme de réalisation dans laquelle, à la différence de la Figure 2, deux tubes métalliques 20, 2Q' ne sont pas enroulés l'un en dessous de l'autre mais l'un à côté de l'autre, auquel cas les deux tubes métalliques 20, 20' sont associés seulement à une bande ondulée nervurée commune 80, qui est pourvue d'une largeur correspondante. La bande ondulée nervurée 80 a une largeur B qui est un peu supérieure au double de la largeur b d'un des deux tubes métalliques plats 20, 20', qui sont tous deux identiques avant l'enroulement. Le tube métallique extérieur 20' est cintré dans une autre surface périphérique cylindrique que le tube métallique 20. On obtient ainsi une disposition à double enroulement dans laquelle il est prévu deux tubulures d'entrée 2 et deux tubulures de sortie 3, dont seulement une est cependant visible, à cause de la représentation en coupe du tube métallique extérieur 20'. Naturellement il serait également possible d'associer les deux tubes - comme sur la Figure 2 - chacun à une tubulure commune d'entrée et à une tubulure commune de sortie. En fonction du volume de montage, on peut également envisager des formes de construction à trois enroulements ou plus. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur circulaire, notamment pour des agents frigorifiques d'installations de climatisation, se composant d'un tube métallique plat pourvu à une extrémité d'une entrée pour un agent d'échange de chaleur et à l'autre extrémité d'une sortie qui est cintrée sous la forme de plusieurs spires circulaires placées l'une au-dessus de l'autre et entre lesquelles sont disposées des nervures d'échange de chaleur, caractérisé en ce que le tube métallique (1) est cintré exclusivement perpendiculairement à sa largeur (b) et est enroulé en fore de spirale dans les différentes spires (4, 5, 6, 7 ). 2. Echangeur de chaleur circulaire selon la'reven- dication 1, caractérisé en ce que le tube métallique (1) forme une spirale de pas constant. 3. Echangeur de chaleur circulaire selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les nervures d'échange de chaleur sont disposées sous la forme d'une bande ondulée (8) dans les volumes intercalaires entre les spires (4, 5, 6, 7) du tube métallique (1). 4. Echangeur de chaleur circulaire selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que plusieurs, notamment deux tubes métalliques (1', 1") sont enroulés parallèlement entre eux et dans la même' surface périphérique de cylindre ( Figure 2 ). 5. Echangeur de chaleur circulaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que les nervures d'échange de chaleur se présentant sous la forme de la bande ondulée (8') constituent avec les deux tubes-métalliques (1', 1") une bande préfabriquée, à laquelle est associée une ouverture commune d'entrée et de sortie (2', 3')!. 6. Echangeur de chaleur circulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes spires (4", 5", 6") sont situées à l'intérieur d'une surface périphérique cylindrique et sont orientées sensiblement perpendiculairement à l'axe du cylindre et en ce que les parties de spirale (14) inclinées vers le haut par' rapport à l'axe de cylindre sont prévues seulement dans une zone partielle de la périphérie de chaque spire. 7. Echangeur de chaleur circulaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que les parties montantes de la spirale sont situées l'une à côté de l'autre et en ce que les nervures d'échange de chaleur (8') sont disposées sous forme d'arcs non fermés entre les différentes spires (4", 5", 6"). 8. Echangeur de chaleur circulaire selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux tubes métalliques (20, 20') sont enroulés l'un à côté de l'autre et selon un mode de construction à double enroulement en étant situés sur des surfaces périphériques cylindriques différentes. 9. Echangeur de chaleur circulaire selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'entre les spires (30, 40, 50, 60 ) des deux tubes métalliques (51, 51') est enroulée une bande ondulée (80) qui a une largeur (B) correspondant aù moins au double de la largeur (b) d'un des tubes métalliques (20, 20').