Brevet FR2622686A1 — publié le 19890505

i 2622686 TUBE POUR ECHANGEUR DE CHALEUR L'invention se rapporte a un tube pour echangeur de chaleur muni d'ailettes transversales planes espacees unlformement entre elles dans la direction longitudinale et qui comportent des turbulateurs pliés à environ 90 à partir des plans d'ailettes, en agencement réparti. Pour améliorer les conditions d'échange.therml- que au niveau des ailettes transversales. On a prévu des turbulateurs faisant saillie à angle droit avec les sur- faces des ailettes transversales et émergeant par rapport au niveau de l'écoulement du fluide. Ces turbulateurs presentent une section transversale rectangulaire. Ils ont été découpes à partir du matériau des ailettes transversales, puis repliés. Ils s'étendent parallèlement à la direction d'écoulement du fluide. A l'aide de ce type de turbulateurs, on a pu ameliorer de façon sensible des conditions d'échange thermique par rapport aux ailettes transversales depourvues de saillie. L'inconvénient, toutefois, reside en ce que pour un transfert thermique améliore on se trouve confronté a une perte de pression dispropor- tionnee. En partant du tube pour échangeur de chaleur mu- ni d'ailettes transversales planes espacées uniformément entre elles dans la direction longitudinale, et qui comportent des turbulateurs pliés à environ 90 à partir des plans d'ailettes, en agencement réparti, l'invention vise à empêcher un accroissement disproportionné des pertes de charge tout en assurant des conditions de transfert thermique améliorées. Le but de l'invention est atteint en ce que les turbulateurs sont de configuration sensiblement trian- gulaire et s'étendent selon un angle par rapport au plan longitudinal tubulaire passant par l'axe du tube ainsi que parallèlement & la direction d'écoulement du fluide. Gràce a ce type de conception et a l'agencement particulier des turbulateurs, le fluide, vu dans sa dl- rectlon d'écoulement en amont des turbulateurs, est mis en mouvement de torsion et ce, de telle manière qu'il se produit un tourbillon longitudinal à cet endroit. Grâce a ce tourbillon longitudinal, la couche limite proche de l'ailette, couche qui représente sensiblement la résis- tance thermique, peut désormais être dans une certaine mesure mise en mouvement avec une dépense d'énergie relativement faible. Ainsi, par la forte rotation produite de l'écoulement transversalement à la direction d'écoulement du fluide, les couches de fluide chaudes ou froides proches des ailettes sont remplacées de façon continue par les couches de fluide froides ou chaudes eloignées des ailettes. Les tourbillons longitudinaux à coefficient de friction extrêmement faibles affectent en amont des turbulateurs des zones ayant des conditions de transfert thermique locales sensiblement améliorées de sorte que globalement le coefficient de transfert ther- mique se trouve nettement augmenté sans être accompagné d'une élévation de la perte de pression. Les turbulateurs conformes à l'invention dé- ploient leurs effets avantageux pour toutes les sections transversales de tube d'échangeur de chaleur. En d'autres termes, ils peuvent être mis en oeuvre pour des tubes à ailettes aussi bien ronds qu'elliptiques ou triangulaires. Avec le perfectionnement selon lequel les turbulateurs présentent des lignes de bavure de hauteur croissante dans la direction d'écoulement du fluide, on obtient un tourbillon longitudinal particulièrement intensif derrière chaque turbulateur, turbulateur qui s'étend largement dans l'écoulement du fluide. Un perfectionnement supplémentaire de l'idée de base selon l'invention réside en ce que les turbulateurs sont agencés de façon décalée entre eux aussi bien dans la direction de l'écoulement du fluide que tra- nsversalement à celle-ci. Ce décalage est réalisé de telle manière que les tourbillons longitudinaux n'exercent pas d'incidence défavorable entre eux. Le perfectionnement selon lequel les lignes de bavure présentent une hauteur croissante dans la direction de la surface du tube contribue à améliorer le transfert thermique entre le fluide s'écoulant dans le tube et le fluide sortant du tube à ailettes. A cet égard, des essais internes ont démontré que le transfert thermique peut être accru davantage en- core en ayant un angle entre les turbulateurs et le plan longitudinal du tube est de 10 à 30', de préférence - d'environ 15'. Un mode de réalisation préféré des turbulateurs consiste à dimensionner la longueur des turbulateurs par rapport à sa hauteur maximale de façon à obtenir sensiblement les rapports de 3:2 jusqu'à 3:1, de façon préférée de 3:1,75. Les découpages correspondants sont égalementd déterminés de cette manière dans les ailettes transversales. Cette forme de découpage est considérée comme étant un compromis optimal entre les exigences suivantes partiellement contraires: a) coefficients de transfert thermique local élevés, b) préjudice minimal porté au flux thermique à l'inté- rieur d'une ailette transversale, c) faibles pertes de pression, d) fabrication simple, e) galvanisation par trempé sans problème. Avec le perfectionnement selon lequel la hauteur maximale correspond sensiblement à la distance entre ailettes, la pénétration des turbulateurs est rendue possible dans la couche limite de l'ailette transversale voisine. En plus du décollement de la couche limite, on obtient l'avantage supplémentaire assurant, avec une galvanisation par trempé normalement effectuée, une fixation solide des turbulateurs sur l'ailette transversale contigue. En outre, les propriétés ther- miques de la surface d'échange au niveau des turbula- teurs se trouvent améliorées grâce au degré d'efficacité désormais plus favorable des ailettes (demie hauteur). Ceci signifie que la chaleur en provenance des faces du turbulateur peut s'écouler dans la direction des deux ailettes voisines ou dans la direction contraire. Une configuration en contre-dépouille des turbulateurs, à savoir selon laquelle les arêtes frontales des turbulateurs inscrivent un angle l'avantage que les turbulateurs peuvent coopérer direc- tement à l'écartement ou entretoisement de deux ailettes transversales avoisinantes. Pour cela, il suffit de contre-dépouiller uniquement une partie des turbulateurs par rapport à leurs arêtes frontales. La configuration et l'agencement des turbula- teurs rapportés au plan longitudinal du tube symétrique- ment des deux côtés facilitent leur fabrication. Les turbulateurs ne peuvent être pliés que d'un côté ou des deux côtés par rapport à une ailette trans- versale. En pliant alternativement d'un côté à l'autre les turbulateurs par paire des deux côtés d'une ailette transversale, on obtient des écarts de pression favora- bles qui produisent des effets d'aspiration et de souf- flage influant positivement sur la formation des couches limites, c'est-àdire qu'ils réduisent l'épaisseur de celles-ci. Pour les tubes d'échangeur de chaleur suscepti- bles d'être attaqués par le flux à partir de deux direc- tions diamétralement opposées entre elles, les turbulateurs peuvent être disposés de façon spéculai- rement symétrique par rapport au plan longitudinal vertical pour créer des conditions de transfert therm- que optimales sur le côté respectivement attaqué par le flux, notamment dans les tubes pour échangeur de chaleur ronds ou ovales. Les turbulateurs peuvent alors être conçus sous forme de triangles équilatéraux ou de trian- gles scalènes. On va maintenant décrire l'invention plus en dé- tail en référence aux exemples de réalisation représen- tés dans le dessin, dans lequel: - la figure 1 est une section longitudinale en perspective d'un tube pour échangeur de chaleur cunéiforme ou triangulaire muni d'ailettes; - la figure 2 est une vue frontale du tube pour échangeur de chaleur de la figure 1; - la figure 3 est une représentation agrandie en perspective d'une zone de surface d'une ailette transversale munie d'un turbulateur; et - la figure 4 représente la zone entre trois ailettes transversales contiguës munies de turbulateurs selon un autre mode de réalisation. Sur les figures 1 et 2, la référence numérique 1 désigne un tube pour échangeur de chaleur cunéiforme ou triangulaire, lequel est sollicité à l'intérieur par un fluide à l'état de vapeur et à l'extérieur selon les flèches FSR par un fluide gazeux plus froid. Le tube pour échangeur de chaleur 1 est équipé de plusieurs ailettes transversales planes 2 agencées en juxtaposition selon l'espacement A. Les ailettes trans- versales 2 sont de configuration rectangulaire. La fixation des ailettes transversales 2 sur le tube pour échangeur de chaleur 1 s'effectue au moyen de la galvanisation par trempé. Pour augmenter les conditions de transfert thermique les turbulateurs 3 sont repliés à partir des ailettes transversales 2 (figures 1 à 3). Les turbulateurs 3 présentent une section transversale sensiblement en forme de triangle scalène et sont formés par découpage à la matrice et repliage à environ 90 par rapport au plan des ailettes. Ils s'étendent selon un angle a de 15' par rapport au plan longitudinal de tube RLE s'étendant par l'axe de tube RA ainsi que parallèlement à la direction d'écoulement de fluide FSR. En outre, ils présentent dans la direction d'écoulement de fluide FSR ainsi que dans la direction de la surface de tube 11 des arêtes ou lignes de bavure 4 de hauteur croissante. La longueur L des turbulateurs 3 est dimension- nee par rapport à leur hauteur maximale H de façon à obtenir un rapport de 3:1,75. La hauteur maximale H correspond sensiblement à la distance entre ailettes A. Comme le fait notamment ressortir la figure 2, les turbulateurs 3 sont agencés de façon décalée entre eux, aussi bien dans la direction d'écoulement du fluide FSR que transversalement à celle-ci. La figure 2 montre également l'agencement symétrique des turbulateurs 3 des deux côtes par rapport au plan longitudinal du tube RLE. Les turbulateurs 3 provoquent la formation de tourbillons longitudinaux 5 ayant un faible coefficient de friction, tourbillons permettant d'assurer dans les zones situées en amont des turbulateurs 3, un transfert thermique local élevé. Grâce à leur mouvement en torsion accentué, ils décollent les couches limites au niveau des ailettes transversales 2 et les mettent en mouve- ment, les couches de fluide chaudes ou froides proches des ailettes étant ainsi continuellement remplacées par les couches de fluide froides ou chaudes éloignées des ailettes. La référence numérique 6 désigne les zones de couches limites amincies formées par les arêtes de dé- part 12 des zones découpées 10. La figure 4 représente un mode de réalisation dans lequel les arêtes frontales 7 des turbulateurs 3' inscrivent un angle p découpée 10 grâce aux contre-dépouilles. REVENDICATIONS 1. Tube pour échangeur de chaleur muni d'ailet- tes transversales planes espacées uniformément entre elles dans la direction longitudinale et qui comportent des turbulateurs pliés à environ 90 à partir des plans d'ailettes en agencement réparti, caractérisé en ce que les turbulateurs (3,3') sont de configuration sensiblement triangulaire et s étendent dans l'angle (al par rapport au plan longitudinal tubulaire (RLE) passant par l'axe du tube (RA) ainsi que parallèlement à la direction d'écoulement du fluide (FSR). 2. Tube pour échangeur de chaleur selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que les turbulateurs (3,3') comportent des lignes de bavure (4) de hauteur croissante dans la direction d'écoulement du fluide (FSR). 3. Tube pour échangeur de chaleur selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les turbula- teurs (3,3') sont agencés de façon décalée entre eux aussi bien dans la direction d'écoulement du fluide (FSR) que transversalement à celle-ci. 4. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les li- gnes de bavure (4) sont de hauteur croissante dans la direction de la surface du tube (11). 5. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle (a) entre les turbulateurs (3,3') et le plan longitudi- nal de tube (RLE) est de 10 à 30', de préférence d'envi- ron 15'. 6. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la lon- gueur (L) des turbulateurs (3,3') par rapport à sa hau- teur maximale (H) est dimensionnée approximativement pour obtenir un rapport de 3:2 jusqu'à 3:1, de préférence de 3:1,75. 7. Tube pour échangeur de chaleur selon la re- vendication 6, caractérisé en ce que la hauteur maximale (H) correspond sensiblement à la distance entre ailettes (A). 8. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les arê- tes frontales (7) des turbulateurs (3') inscrivent un angle (P) transversales (2). 9. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que par rapport au plan longitudinal du tube (RLE) les tur- bulateurs (3,3') sont agencés symétriquement des deux côtés. 10. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tur- bulateurs (3,3') sont pliés par paire alternativement d'un côté à l'autre par rapport aux deux côtés d'une ai- lette transversale (2).