Brevet FR2630534A1 — publié le 19891027

"Echangeur de chaleur pour deux fluides séparés dans l'espace et se trouvant à des températures différen- tes". La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour deux fluides séparés dans l'espace et qui sont à des températures différentes, échangeur composé de deux tubes-collecteurs disposés l'un près de l'autre et qui sont reliés l'un à l'autre par un grand nombre de tubes profilés en forme d'étriers. Selon DE-A 31 46 089, on connaît un échan- geur de chaleur du type ci-dessus dans lequel les deux tubes-collecteurs sont droits et parallèles. Le dispo- sitif traversé à contre-courant croisé permet un bon rendement de l'échange et une compensation sans ten- sion des dilatations thermiques. L'inconvénient du mode de réalisation représenté est que le courant de gaz qui s'écoule à l'extérieur doit traverser un canal d'écoulement sensiblement rectangulaire-et limite ain- si sur le plan constructif les possibilités de monta- ge. Partant de cette situation, la présente in- vention a pour but de créer un échangeur de chaleur du type ci-dessus permettant une disposition suivant une symétrie de rotation et un balayage d'attaque. A cet effet, l'invention concerne un échan- 263O534 geur de chaleur du type ci-dessus, caractérisé en ce que les tubescollecteurs sont de forme annulaire et sont disposés axialement l'un derrière l'autre par rapport à leur axe commun et les tubes profilés sont coudés de manière telle dans leur direction périphéri- que pour présenter entre eux un écartement régulier sur toute leur longueur. Ces caractéristiques permet- tent d'utiliser les avantages des modes de réalisation d'échangeurs connus fonctionnant à contre-courant croisé et les bonnes possibilités de dilatations ther- miques avec un balayage régulier et ainsi un rendement élevé en réalisant un canal d'écoulement annulaire. L'échangeur de chaleur peut ainsi s'appliquer à des ensembles présentant une symétrie de rotation comme par exemple les turbines à gaz de moteurs d'avions. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse, l'échangeur de chaleur est monté dans le dispositif de refroidissement amont de l'air dans le canal d'entrée d'une turbine à gaz d'avion. Dans les applications hypersoniques, il est prévu un refroidis- sement préalable de l'air pour arriver à un nombre de mach élevé en vol du fait des températures statiques importantes, application qui convient particulièrement à l'échangeur de chaleur selon l'invention. Il est ainsi particulièrement avantageux d'avoir une possibi- lité de dilatation thermique libre pour les tubes pro- filés, ce qui donne une bonne résistance aux chocs thermiques. Grâce à la forme coudée des tubes profilés, on obtient un canal d'écoulement régulier et ainsi un écoulement d'attaque axial avec un rendement impor- tant. En particulier, cela évite les écoulements se- condaires par exemple dans la direction radiale. Les dimensions de l'échangeur de chaleur peuvent être déterminées d'une façon quelconque notam- ment on peut réaliser un canal de dérivation constitué par le volume central cylindrique intérieur. La géomé- trie de l'échangeur de chaleur s'adapte à celle- des canaux d'écoulement ou aux dimensions extérieures des ---5 turbines à gaz. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les tubes profilés en forme d'étriers sont dirigés vers les tubes-collecteurs annulaires si- tués radialement à l'extérieur en étant reliés à ceux- ci sensiblement perpendiculairement par rapport à l'axe des tubescollecteurs. Cela permet de réaliser une jonction simple des tubes profilés aux tubes- collecteurs puisque les perçages à réaliser dans les tubes-collecteurs sont perpendiculaires à la surface. Selon uh autre mode de réalisation de l'in- vention, les tubes profilés en forme d'étriers s'éten- dent radialement vers les tubes-collecteurs annulaires situés à l'intérieur et sont reliés à ceux-ci suivant un angle aigu par rapport à l'axe du tube-collecteur. Cela permet une arrivée ou une sortie avantageuse des fluides guidés à travers les tubes-collecteurs en par- tant de l'extérieur. De plus, les tubes-collecteurs peuvent se réaliser avec une faible section d'écoule- ment. De manière préférentielle, les tubes- collecteurs sont munis d'organes d'écartement. De cet- te manière, on respecte la distance prédéterminée des tubes-collecteurs et on évite les oscillations indui- tes par l'écoulement ainsi que les charges par des chocs ou encore ces charges ne s'appliquent pas au point de jonction des tubes profilés. Selon un développement avantageux de l'in- vention, il est prévu un volume central axial suscep- tible d'être traversé librement et dont le diamètre correspond sensiblement à 0,7 fois le diamètre exté- rieur de l'échangeur de chaleur. De cette manière, le volume central présente sensiblement la même section d'écoulement que celle de l'échangeur de chaleur et on peut ainsi en utilisant des volets auxiliaires diriger alternativemont la veine de gaz d'entrée sur l'échangeur de chaleur ou sur le volume central servant de dérivation. Une autre solution du problème de l'inven- tion est caractérisée en ce que les tubes-collecteurs sont en forme d'anneaux comprenant un tube-collecteur intérieur et un tube-collecteur extérieur concentri- ques l'un à l'autre par rapport à l'axe commun de la surface annulaire, et les tubes profilés sont reliés de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe des collecteurs sur le tube-collecteur intérieur et s'étendent avec une certaine courbure dans la direc- tion périphérique par rapport à l'axe annulaire jusque vers le tubecollecteur extérieur, les tubes profilés étant régulièrement espacés sur toute leur longueur. Cette solution permet de réaliser un échangeur de cha- leur parcouru axialement et ayant une faible longueur. Selon un développement avantageux de l'in- vention, l'échangeur de chaleur est monté dans le ca- nal d'entrée d'un turbo-réacteur. Cela permet un pré- refroidissement de l'air alimentant le moteur, ce qui est perceptible par un meilleur rendement dans le cas de vols à des nombres de mach élevés. De manière préférentielle, on a des volets de guidage qui dirigent alternativement le courant d'air d'entrée à travers l'échangeur de chaleur ou à travers le volume central. Cela permet de fournir di- rectement le courant d'air à la turbine à gaz au nom- bre de mach faible en évitant les pertes de charge créées par l'échangeur de chaleur. Au nombre de mach élevé, on commute l'échangeur de chaleur en inversant les volets de guidage et on réduit ainsi les tempéra- tures statiques élevées qui pourraient en résulter. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure i est une coupe axiale d'un échangeur de chaleur. - la figure 2 est une coupe transversale schématique de l'échangeur de chaleur. - la figure 3 est une coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'un échangeur. - la figure 4 est une vue en coupe transversale sché- matique de l'échangeur de la figure 3. - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation de l'invention. - la figure 6 est une coupe axiale du canal d'écoule- ment d'un turbo-réacteur. - la figure 7 est une coupe axiale d'un turbo- réacteur. - la figure 8 est une coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'un turbo-réacteur. Selon la figure 1, l'échangeur de chaleur comporte deux tubes-collecteurs annulaires 2, 3 axiaux, qui sont disposés l'un derrière l'autre par rapport à leur axe commun. A leur périphérie, les deux tubes-collecteurs 2, 3 comportent un ensemble de tubes 4 profilés en forme d'étriers reliant les deux collec- teurs 2, 3 de manière à les faire communiquer. Selon la figure 2, pour le collecteur 2, les tubes profilés 4 sont coudés dans la direction périphérique et les intervalles 9 entre les tubes profilés voisins 4 sont égaux sur toute leur longueur. Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté à la figure 3, les tubes-collecteurs 2, 3 sont munis à leur périphérie intérieure de tubes pro- filés 4 en forme d'étriers. Les tubes profilés 4 sont également coudés dans la direction périphérique comme cela apparaît à la figure 4 pour arriver à un écarte- ment 9 constant. Les tubes profilés 4 sont munis dans ce cas d'éléments d'écartement 10 qui assurent le res- pect des distances 9. Ces éléments d'écartement 10 peuvent être des bagues périphériques, concentriques aux tubes-collecteurs 2, 3 ou encore des bagues entou- rant séparément les tubes profilés ou correspondre à d'autres modes de réalisation connus. La solution selon.l'invention représentée à la figure 5 comporte deux tubes-collecteurs 2, 3 con- centriques qui sont reliés de manière à communiquer, par des tubes profilés 4 situés dans l'intervalle. Les tubes profilés 4 sont coudés dans la direction péri- phérique et la liaison avec le tube-collecteur inté- rieur 3 est de préférence sensiblement perpendiculaire à l'axe du tube-collecteur. Dans ce mode de réalisa- tion, la distance 9 entre les différents tubes- collecteurs 2, 3 est constante sur toute leur exten- sion radiale. On peut également prévoir dans ce cas des organes d'écartement 10. La figure 6 montre l'application d'un échan- geur de chaleur selon l'invention à un canal d'entrée d'un turbo-réacteur 6. L'échangeur de chaleur 1 est conçu de manière que son volume central 8 présente sensiblement la même section d'écoulement que le volu- me formé par les tubes profilés 4. Par inversion des volets de guidage 7, on peut faire passer alternative- ment le courant d'air d'entrée 12 dans le volume 11 ou dans le volume central 8. Au nombre de mach, faible, on traverse le volume central 8 de manière à protéger avantageusement l'échangeur de chaleur contre les en- dommagements par exemple par des corps étrangers aspi- rés comme par exemple des oiseaux. De plus, cela ré- duit les pertes d'écoulement à travers l'échangeur de chaleur. Au nombre de mach plus élevé, on met les vo- lets de guidage 7 dans la position représentée, si bien que le courant d'air 12 passe dans le volume 11 et ainsi dans la zone active de l'échangeur de cha- leur. Dans le cas du turbo-propulseur 13a repré- senté schématiquement à la figure 7, on a des pales 15 à la périphérie d'un rotor 14. Les pales 15 sont en- tourées par une enveloppe 16 cylindrique. Une partie du courant d'air fourni par les pales 15 arrive dans le canal d'entrée annulaire 17 d'une turbine à gaz 18. Cette turbine se compose principalement et dans cet ordre, d'un compresseur 19, d'une chambre de combus- tion 20 et d'une turbine 21. Derrière le compresseur 19, une partie de l'air comprimé est dérivée dans la conduite tubulaire 22 pour être fournie au collecteur 2 de l'échangeur de chaleur 1. Les tubes profilés 4 en forme d'étriers prévus à la périphérie du tube- collecteur 2 sont traversés par l'air comprimé allant vers le tubecollecteur 3 en étant refroidi par un écoulement à contre-courant croisé à travers le canal de dérivation annulaire 24 du turbo-réacteur à pales 13b. La conduite tubulaire 23 dirige l'air refroidi à l'intérieur du rotor et des pales de l'étage haute pression de la turbine 25 pour en assurer le refroi- dissement. En variante au refroidissement par le cou- rant d'air de dérivation, on peut également refroidir l'air comprimé par de l'eau. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 8, il s'agit d'un stato-réacteur d'une turbo- soufflante 26 qui se compose principalement d'une pointe de pénétration 27, d'une entrée 31, d'une tur- bine à gaz 26 avec un canal de dérivation 29 et d'une buse de poussée 30. L'échangeur de chaleur 1 qui n'est indiqué que de manière schématique n'est monté que dans le canal d'entrée de la turbine à gaz 28 et le canal de dérivation 29 n'est pas influencé. 263O534 g REVENDICATIONS 1') Echangeur de chaleur pour deux fluides séparés dans l'espace et qui sont à des températures différentes, échangeur composé de deux tubes- collecteurs disposés l'un près de l'autre et qui sont reliés l'un à l'autre par un grand nombre de tubes profilés en forme d'étriers, échangeur caractérisé en ce que les tubes-collecteurs (2, 3) sont de forme an- nulaire et sont disposés axialement l'un derrière l'autre par rapport à leur axe commun et les tubes profilés (4) sont coudés de manière telle dans leur direction périphérique pour présenter entre eux un écartement régulier sur toute leur longueur. 2 ) Echangeur de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les tubes profilés (4) en forme d'étriers s'étendent radialement vers l'exté- rieur des tubes-collecteurs annulaires (2, 3) en étant reliés à ceux-ci sensiblement perpendiculairement à l'axe des tubes-collecteurs. 3') Echangeur de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les tubes profilés (4) en forme d'étriers s'étendent radialement à l'inté- rieur par rapport aux tubes-collecteurs annulaires (2, 3) et sont reliés à ceux-ci suivant un angle aigu par rapport à l'axe des tubes-collecteurs. 4") Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tubes profilés (4) sont munis d'organes d'écarte- ment (10). 5') Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé par un volume central (8), traversé librement dans la direc- tion axiale et dont le diamètre correspond sensible- ment à 0,7 fois le diamètre extérieur de l'échangeur de chaleur. 6') Echangeur de chaleur pour deux fluides séparés dans l'espace et à des températures différen- tes, échangeur comportant deux tubes-collecteurs pré- vus l'un à côté de l'autre et qui sont reliés l'un à l'autre par un grand nombre de tubes profilés, échan- geur caractérisé en ce que les tubescollecteurs (2, 3) sont en forme d'anneaux comprenant un tube- collecteur intérieur (3) et un tube-collecteur exté- rieur (2) concentriques l'un à l'autre par rapport à l'axe commun de la surface annulaire, et les tubes profilés (4) sont reliés de manière sensiblement per- pendiculaire à l'axe des collecteurs sur le. tube- collecteur intérieur (3) et s'étendent avec une cer- taine courbure dans la direction périphérique par rap- port à l'axe annulaire jusque vers le tube-collecteur extérieur (2), les tubes profilés (4) étant régulière- ment espacés sur toute leur longueur. 7') Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu' il est monté dans le canal d'entrée (5) d'un turbo- réacteur (6). 8') Echangeur de chaleur selon la revendica- tion 7, caractérisé par des volets de guidage (7) qui dirigent alternativement la veine d'air d'entrée à travers l'échangeur de chaleur (1) ou à travers le vo- lume central (8).