Brevet FR2623893A1 — publié le 19890602

L'invention concerne d'une manière générale les tubes échangeurs de chaleur, et plus particulièrement des tubes comportant des ailettes intérieures. Des systèmes de réfrigération, tels que des climatiseurs et des pompes à chaleur, comprennent habituel- lement un compresseur, un premier échangeur de chaleur fonctionnant en évaporateur, un dispositif détendeur et un second échangeur de chaleur fonctionnant en condenseur, tous ces éléments étant montés en série de façon à faire circuler un fluide réfrigérant dans un circuit fermé. Les deux échangeurs de chaleur comprennent chacun au moins un tube échangeur de chaleur destiné à transmettre de la chaleur au fluide réfrigérant, ou à en recevoir de ce dernier. La vitesse de la transmission de la chaleur est accrue par la présence d'ailettes à l'intérieur des tubes échangeurs de chaleur. Dans la conception de tubes à ailettes intérieures, il faut prendre en considération de nombreux facteurs liés entre eux, tels que la hauteur des ailettes, leur espacement, l'angle d'hélice, le flux thermique, le débit d'écoulement et diverses propriétés du fluide transporté dans le tube. Le fait de faire varier chacun de ces facteurs donne une combinaison infinie de facteurs, ce qui rend difficile et coûteuse une étude extensive de toutes les possibilités. En conséquence, certaines conclusions apparemment contradictoires ont été tirées de différents essais effectués en laboratoire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 044 797 suggère d'utiliser une hauteur de 0,02 à 0,2 mm et un angle d'hélice de 4 à 15 pour les ailettes intérieures, tandis que le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 118 944 conclut que les angles d'hélice les plus efficaces sont supérieurs à 20 . Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 545 428 suggère une hauteur de 0,1 à 0,6 mm et un angle d'hélice de 7" à 35 pour les ailettes. Il convient cependant de noter qu'aucun des trois brevets cités ne recommande un angle d'hélice inférieur & 4 . D'après les seuls brevets ci-dessus, il est difficile, sinon impossible, de déterminer la hauteur et l'angle d'hélice optimaux pour les ailettes. Par conse- quent, en mettant au point la présente invention, on a procédé a des essais en laboratoire pour déterminer la meilleure conception pour les ailettes intérieures. Les résultats inattendus des essais ont montré que des ailettes intérieures droites, c'est-à-dire ayant un angle d'hélice nul, offrent une surface intérieure de transmission de chaleur étonnamment efficace. Les résultats ont été si surprenants que des essais supplémentaires, plus étendus, ont été menés pour vérifier la validité des essais précédents. Les essais plus étendus ont confirmé les résultats surprenants. Etant donné qu'un tube échangeur de chaleur ayant des ailettes hélicoidales intérieures est plus difficile et plus coûteux à fabriquer qu'un tube à ailettes droites, un objet de l'invention est de proposer un tube échangeur de chaleur ayant des ailettes intérieures sensiblement droites, qui offre un coefficient de transmis- sion de chaleur supérieur à celui d'un tube similaire muni d'ailettes hélicoidales. Un autre objet de l'invention est de proposer un tube échangeur de chaleur à ailettes intérieures sensiblement droites, ayant une hauteur optimale d'ailet- tes. Un autre objet de l'invention est de proposer un tube à ailettes intérieures sensiblement droites, qui sont espacées circonférentiellement à des intervalles optimaux afin d'éviter la présence d'ailettes excessivement fines et fragiles et d'éviter la présence d'un espace excessif entre les ailettes. Un autre objet de l'invention est de proposer un tube échangeur de chaleur efficace pour le transport de fluides réfrigérants de qualité variable. Un autre objet de l'invention est de proposer un débit d'écoulement du fluide réfrigérant qui tire pleinement avantage des ailettes intérieures sensiblement droites. Enfin, un autre objet de l'invention est de proposer un tube échangeur de chaleur à ailettes inté- rieures qui présente une transmission efficace de la chaleur en transportant un fluide réfrigérant à hydrocar- bure fluoré. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur comportant un tube échangeur de chaleur à ailettes intérieures. Les ailettes s'étendent sensiblement en ligne droite le long du tube et sont réparties circonférentielle- ment sur la surface intérieure du tube, à intervalles de 0,25 à 1,02 mm. La hauteur des ailettes est de 0,25. à 0,51 mm. La très faible dimension et la configuration des ailettes accroissent la transmission de chaleur lors du transport d'un fluide réfrigérant de qualité variable, à un débit d'écoulement inférieur à 182 kg/heure. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective, avec demi-coupe axiale, d'une forme préférée de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective, avec demi-coupe axiale, d'un tube échangeur de chaleur ayant un angle d'hélice supérieur à zéro; - la figure 3 est un graphique montrant comment un multiplicateur de transmission de chaleur varie en fonction de la hauteur et de l'angle d'hélice des ailet- tes; - la figure 4 est un graphique montrant comment un multiplicateur de transmission de chaleur varie en fonction de l'angle d'hélice pour une hauteur donnée des ailettes; - la figure 5 est un graphique montrant comment un multiplicateur de transmission de chaleur varie en fonction de la hauteur des ailettes pour un angle d'hélice donné des ailettes; et - la figure 6 est un graphique montrant comment un multiplicateur de transmission de chaleur varie en fonction du débit massique d'écoulement dans une forme préférée de réalisation de l'invention. Un tube échangeur de chaleur 10, montré sur la figure 1, constitue une forme de réalisation de l'inven- tion. Le tube 10 comporte des ailettes intérieures 12, globalement droites, s'étendant longitudinalement, c'est-à- dire dont l'angle d'hélice e est de 0 par rapport à un axe longitudinal 14 du tube. Les ailettes 12 ont une hauteur "h" de 0,394 mm et sont réparties circonférentiellement le long de la surface intérieure du tube 10 à intervalles 16 de 0,43 mm. L'intervalle 16 est défini comme étant la distance entre un point central d'une ailette et le point central d'une ailette adjacente. Dans des conditions d'essais équivalentes, un tube 10 s'avère être supérieur à divers autres tubes à ailettes intérieures ayant des ailettes dont les hauteurs et les angles d'hélice sont divers, tels que le tube 18 montré sur la figure 2. Les divers autres tubes qui ont été essayés et comparés au tube 10 conviennent d'une façon générale à des systèmes de réfrigération. Ceci signifie que les tubes ont un diamètre extérieur nominal d'environ 2,54 cm ou moins et que la surface intérieure des tubes présente une concentration élevée (intervalle de 0,25 à 1,02 mm) d'ailettes relativement petites (hauteur des ailettes inférieure à 0,89 mm) pour accroître la transmis- sion de chaleur tout en minimisant la résistance à l'écoulement ou la chute de pression dans le tube. Une minimisation de chute de pression est particulièrement importante lors du transport d'un fluide réfrigérant, car la température et la qualité vapeur/liquide (rapport de la masse de vapeur à la masse de liquide) d'un fluide réfrigérant change notablement avec la pression ce qui, par suite, affecte la vitesse de transmission de la chaleur à travers le tube. Les ailettes sont réparties étroitement le long de la circonférence intérieure du tube, à interval- les 16 de 0,33 à 0,84 mm, pour maximiser la surface spécifique des ailettes tout en évitant l'utilisation d'ailettes excessivement minces et fragiles. Chaque tube essayé avait un diamètre extérieur nominal de 9,5 mm et a été essayé par transport d'un fluide réfrigérant à l'intérieur du tube. Le fluide réfrigérant particulier qui a été utilisé dans les essais était du "FREON", qui est une marque commerciale pour un hydrocar- bure fluoré. Plus particulièrement, le fluide réfrigérant était du "FREON R-22", qui est une marque commerciale pour du difluoromonochlorométhane. La température de la surface extérieure du tube était réglée pour établir un flux thermique constant de 15 775 W/m2. Les températures d'entrée et de sortie du fluide réfrigérant étaient modifiées de façon réglable pour essayer la conduction, par chaque tube, de fluides réfrigérants de qualités vapeur/liquide différentes. On a fait varier la qualité de cinq valeurs incrémentielles allant de 0,15 à 0,85, et les résultats montrés sur les figures 3 à 6 sont basés sur une qualité moyenne de 0,6, les tubes fonctionnant en évapora- teur. Les figures 3, 4 et 5 sont basées sur un débit d'écoulement massique du fluide réfrigérant de 90,8 kg/h. Les essais ont donné le coefficient de transmission thermique (W/m2. C) de divers tubes ayant des ailettes intérieures. Les coefficients ont été comparés à ceux de tubes lisses, sans ailettes intérieures. A titre de comparaison, un facteur d'amélioration, sans dimension, appelé ci-dessous multiplicateur de transmission de chaleur, ou simplement multiplicateur, a été déterminé par division du coefficient de transmission thermique du tube à ailettes par le coefficient d'un tube lisse comparable. Les résultats des essais sont regroupés sur la figure 3. Huit tubes à ailettes intérieures différents sont représentés par des points "A-H" qui ont été tracés en fonction de la hauteur d'ailette h et de l'angle d'hélice e. Comme indiqué au point B, chaque point A-H est accom- pagné de son multiplicateur 20 de transmission de chaleur tel que déterminé par des essais réels. Au-dessous de chaque multiplicateur 20, entre parenthèses, est indiqué un multiplicateur calculé "Z" basé sur une équation 22, établie empiriquement, ayant une corrélation de 96% avec les multiplicateurs mesurés 20. L'équation 22 définit le multiplicateur Z en fonction de la hauteur h et de l'angle e des ailettes, h étant exprimé en unités de 0,025 mm et e étant exprimé en degrés par rapport à l'axe longitudinal du tube. Les zones 24 et 26 de la figure 3 représentent des combinaisons d'une hauteur h et d'un angle d'hélice e des ailettes qui donnent un multiplicateur supérieur à 2 sur la base de l'équation 22. En d'autres termes, on pourrait prévoir une vitesse double de transmission de chaleur d'un tube lisse si celui-ci était modifié de façon à comporter des ailettes intérieures ayant une combinaison de hauteur h et d'angle d'hélice e comprise dans les zones 24 ou 26. Il est intéressant de noter que les brevets N 4 545 428 et N 4 118 944 précités ont souligné l'importance de zones 28 et 30, respectivement, qui coincident globalement avec la zone 26; cependant, l'importance de la zone relativement étroite 24 n'avait pas été remarquée. La zone 24 identifie un jeu particulier de tubes qui représentent la forme préférée de réalisation de l'invention. La figure 4 montre comment une variation de l'angle d'hélice e affecte la transmission de chaleur pour une hauteur d'ailettes donnée d'environ 0,20 mm. Les tubes représentés par les points C, D, G et H ont une hauteur d'ailettes de' respectivement 0,203, 0,190, 0,216 et 0,203 mm. Une courbe 32 de forme en V représente le multiplicateur Z en fonction de l'angle d'hélice e sur' la base de l'équation 22 pour une hauteur constante des ailettes de 0,203 mm. La courbe 32 montre comment le multiplicateur croît lorsque l'angle d'hélice augmente ou diminue à partir d'un point bas 34 de 12 . L'effet de la hauteur des ailettes pour un angle d'hélice donné est illustré sur la figure 5. La courbe 36 représente le multiplicateur Z en fonction de la hauteur des ailettes sur la base de l'équation 22, avec un angle d'hélice constant de 6 . Des tubes à ailettes intérieures représentés par les points B, C, D et E ont un angle d'hélice de 7 , 7 , 5 et 6 , respectivement. Le point 38 représente un tube lisse comparable sans ailettes intérieures. La figure 5 montre que pour un angle d'hélice de 6 , on obtient une transmission optimale de la chaleur à une hauteur d'ailettes d'au moins 0,178 mm. Cependant, il est meilleur de limiter la hauteur à moins,de 0,762 mm pour faciliter la réalisation des ailettes. Ceci limite d'une façon générale la hauteur des ailettes à une valeur ne dépassant pas une épaisseur nominale 40 (figure 2) de tube aisément disponible ayant une épaisseur de paroi nominale, avant ailettes, comprise entre 0,305 et 0,838 mm. De plus, lorsqu'on utilise un tube d'un diamètre extérieur de 9,53 mm, ayant une épaisseur nominale de paroi de-0, 686 mm, une ailette intérieure ayant une hauteur de 0,508 mm, par exemple, ne fait saillie que de 7% sur le diamètre intérieur du tube pour résister au minimum à l'écoulement. Les essais ont également montré que le multiplicateur Z de transmission de chaleur est le plus élevé aux débits d'écoulement inférieurs. Ceci est illustré par la courbe 42, montrée sur la figure 6, qui est basée sur des points de données réels 44 et 46 et des points 48 établis empiriquement. La courbe 42 montre clairement qu'un débit d'écoulement massique inférieur à 181,6 kg/h est le débit d'écoulement optimal pour un tube 10 qui représente une forme de réalisation de l'invention. La ligne 43 représente un tube lisse qui, par définition, possède un multiplicateur égal à un. Une comparaison de la courbe 42 à la ligne 43 montre que le tube 10 est supérieur à un tube lisse comparable à des débits d'écoulement inférieurs à 295,1 kg/h. Pour un tube 10 ayant un diamètre extérieur nominal de 9,53 mm et un diamètre intérieur de 8,153 mm, une valeur de 295,1 kg/h donne un débit d'écoulement massique par aire de section transversale (flux massique) de 564,7 kg/h.cm2. On a également essayé le tube 10 dans un mode en condensation. Les essais étaient similaires à ceux effectués dans le mode en évaporation, sauf que le fluide réfrigérant transporté dans le tube était refroidi au lieu d'être chauffé. Les essais ont montré que le multiplicateur du tube 10 ne diminuait que de 2,12 dans le mode en évaporation à 2,02 dans le mode en condensation. La faible diminution de 4,7% indique que le tube 10 convient à une fonction à la fois en évaporateur et en condenseur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'échangeur de chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte un tube échangeur de chaleur (10) transpor- tant un fluide à un flux massique inférieur à 562,5 kg/h.cm2, ledit tube comportant plusieurs ailettes intérieures (12) s'étendant longitudinalement, disposées le long d'une surface intérieure de ce tube en formant un angle d'hélice e inférieur à 12 avec un axe longitudinal (14) du tube, les ailettes étant espacées circonférentiel- lement sur la surface intérieure, à intervalles (16) de 0,25 à 1,02 mm, et ayant une hauteur h de 0,23 à 0,76 mm. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'hélice est inférieur à 4. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux massique établit un débit d'écoulement massique inférieur à 181,6 kg/h. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un fluide réfrigé- rant de qualité vapeur/liquide variable. 5. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte un tube échangeur de chaleur (10) transpor- tant un fluide réfrigérant à un flux massique inférieur à 562,5 kg/h.cm2, ledit tube comportant plusieurs ailettes intérieures (12) s'étendant longitudinalement, disposées le long de la surface intérieure du tube sous un angle d'hélice e inférieur à 4" avec l'axe longitudinal (14) du tube, les ailettes étant espacées circonférentiellement sur ladite surface intérieure, à intervalles (16) de 0,254 à 1,016 mm. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 et 5, caractérisé en ce que les ailettes s'étendant longitudinalement sont des ailettes sensiblement rectilignes, de sorte que ledit angle d'hélice est sensiblement de 0'. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que les ailettes sont espacées circonférentiellement sur la surface intérieure à intervalles de 0,330 à 0,838 mm. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que la hauteur des ailettes est inférieure à 0,762 mm. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la hauteur des ailettes est supérieure à 0,127 mm. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la hauteur des ailettes est supérieure à 0,178 mm. 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 10, caractérisé en ce que la hauteur des ailettes est de 0,254 à 0,508 mm. - 12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est un hydrocarbure fluoré. 13. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que le fluide réfrigérant possède une qualité vapeur/liquide qui varie pendant le transport du fluide dans le tube et en ce que le flux établit un débit d'écoulement massique inférieur à 181,6 kg/h. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la qualité vapeur/liquide change entre deux valeurs, à l'intérieur du tube, une valeur étant supérieure à 0,6 et l'autre valeur étant inférieure à 0,6. 15. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte un tube échangeur de chaleur (10) transpor- tant, à un débit d'écoulement massique inférieur à 181,6 kg/h, un réfrigérant constitué d'un hydrocarbure fluoré dont la qualité vapeur/liquide change entre deux valeurs à l'intérieur du tube, une valeur étant supérieure à 0,6 et l'autre valeur étant inférieure à 0,6, ledit tube comportant plusieurs ailettes intérieures (12) s'étendant longitudinalement, disposées le long d'une surface intérieure de ce tube en formant un angle d'hélice e sensiblement égal à zéro degré avec un axe longitudinal (14) du tube, les ailettes étant espacées circonférentiellement sur ladite surface intérieure, à intervalles (16) de 0,330 à 0,838 mm, et ayant une hauteur h de 0,254 à 0,508 mm. 16. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1, 5 et 15, caractérisé en ce qu'il se comporte en évaporateur et est raccordé à un système de réfrigération ayant un second échangeur de chaleur tel que défini par l'une quelconque des revendications 1, 5 et 15 et fonctionnant en condenseur. 17. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 et 15, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est du difluoromonochlorométhane.