Brevet FR2636415A1 — publié le 19900316

La présente invention a pour objet des échangeurs de chaleur et plus particulièrement, elle concerne des échangeurs de chaleur dans lesquels un fluide réfrigérant s'écoule dans les tubes et s'évapore ou se condense pour recevoir de la chaleur ou donner de la chaleur à un fluide refroidisseur en contact avec l'extérieur des tubes. La présente invention a plus particulièrement trait à des tubes de transfert de chaleur qui présentent un garnissage interne par nervures soit avec, soit sans, un garnissage extérieur 13 par ailettes, et elle concerne également un procédé perfectionné pour la fabrication de tels tubes. Dans la partie évaporatrice de certains systèmes de réfrigération ou de conditionnement d'air, un fluide refroidisseur, comme de l'eau, passe dans une chambre contenant un certain nombre de tubes dans lesquels est amené un liquide réfrigérant. Le fluide refroidisseur est en contact avec l'extérieur des tubes et chauffe le liquide réfrigérant dans les tubes pour l'évaporer. Le changement d'état du fluide réfrigérant de l'état liquide à l'état 2 vapeur abaisse la température du liquide refroidisseur. La configuration interne des tubes est importante pour déterminer ces caractéristiques d'ensemble de transfert de chaleur et ainsi déterminer l'efficacité du système. Avec des tubes d'évaporateur qui présentent un renforcement par nervures internes, l'évaporation se produit sur une couche mince de liquide en contact avec la surface interne c'est-à- dire avec les côtés et les pointes des ailettes et les rainures entre les ailettes successives. Un garnissage interne en forme de nervure hélicoïdale entraîne le mouvement tourbillonnaire du fluide réfrigérant circulant dans le tube. Ceci induit de la turbulence qui casse l'écoulement laminaire et ainsi empêche une couche de vapeur formant barrière isolante de se constituer sur les surfaces intérieures du tube. Des tubes qui présentent un garnissage interne et/ou externe sont décrits par exemple dans le brevet américain 4 425 696 cédé en commun. Ce brevet concerne des arrangements de tube d'évaporateur. D'autres tubes à ailettes pour le transfert de chaleur sont décrits dans les brevets américains 4 059 147 et 4 438 807. Dans la machine à nervurer les tubes, employée pour la fabrication de ces tubes, un mandrin cylindrique rainuré introduit dans le tube produit les nervures internes tandis qu'un outil en forme de jeu de disques supporté par un arbre à outil produit des spires d'ailettes sur l'extérieur du tube. L'application à force du jeu de disques sur le tube de métal à l'encontre du mandrin, oblige le métal du tube, à refluer vers le haut entre les disques pour former les ailettes et vers le bas dans les rainures du mandrin pour former les nervures. Les ailettes extérieures peuvent être calibrées ou lissées en utilisant un disque de lissage. De façon caractéristique un tube d'échangeur de chaleur de 1,6 cm présente une épaisseur de paroi brute de départ de 0,097 cm. La hauteur de nervure est de façon caractéristique de 0,051 à 0,076 cm et on compte environ trente nervures-internes à un angle d'hélice de 30 degrés. On désirait diminuer la quantité de matériau requis pour les tubes de transfert de chaleur mais sans sacrifice sur leur rendement. En d'autres mots, on désirait utiliser des ébauches à paroi mince qui correspondent habituellement à des tubes à paroi de 0,097 cm de sorte que moins de cuivre peut être nécessaire ou même une qualité de cuivre plus élevée peut être employée sans augmentation de prix. Cependant le procédé classique à jeu de mandrin et de disques pour le garnissage du tube tend à affaiblir les tubes si les parois sont beaucoup plus fines que 0,097 cm. On estime maintenant que cela se produit car les nervures sont trop hautes et les tubes sont trop usinés. Ainsi la tendance à la fissuration et à la rupture devient élevée de façon inacceptable. Des techniques courantes pour le garnissage de tubes comprennent le nervurage et/ou la réalisation d'ailettes sur la totalité du tube d'une extrémité à l'autre. Quand le tube est inséré dans une feuille tubulaire il est fixé de façon caractéristique en épanouissant ou en usinant les parois du tube métallique vers l'extérieur dans le collier circulaire de l'ouverture de la tôle du tube. Après que la paroi de métal a été ainsi usinée, c'est-à-dire en créant le garnissage interne, on constate une tendance à l'écaillement ou au craquèlement quand l'extrémité du tube est usinée une seconde fois. Il en résulte qu'il se produit souvent une tendance accrue à fuir et un taux de fuite plus élevé, si les tubes ont un garnissage interne ou externe sur la totalité de leur longueur. En conséquence, un but de la présente invention est de fournir un tube de transfert de chaleur présentant des caractéristiques d'efficacité et de rendement supérieures lorsqu'employé comme tube d'évaporateur. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé efficace pour la fabrication de tubes de transfert de chaleur à grand rendement pour l'usage comme tube d'évaporateur dans un système de réfrigération ou de conditionnement d'air. Un but plus spécifique est de produire un tube à haut rendement avec un garnissage interne qui peut être formé à partir d'un tube à paroi aussi fine que possible mais sans détriment pour son intégrité. Un autre but de l'invention est de produire un tube qui présente un garnissage optimum interne de sorte que le liquide réfrigérant est évaporé sur la surface interne aussi efficacement que possible. Selon un aspect de la présente invention un tube de transfert de chaleur est produit avec une série de nervures intérieures s'étendant hélico dalement et avec ou sans ailettes extérieures s'étendant hélicoïdalement. Selon cette invention les nervures intérieures sont disposées à un pas suffisamment petit et avec un angle d'hélice adéquat de sorte qu'il existe un espacement entre nervures successives de l'ordre d'environ 2 à 5 fois l'épaisseur moyenne de la couche de liquide réfrigérant en contact avec la surface interne du tube. Ici le pas signifie l'intervalle ou l'espacement des nervures dans la direction perpendiculaire à leur longueur. De façon caractéristique l'épaisseur de la couche réfrigérante est inférieure à 0,01 fois un diamètre et le pas de la garniture interne est de l'ordre d'environ 0,15 à 0,23 cm. La hauteur de nervure est de préférence de l'ordre 0,025 à 0,033 cm avec un angle au sommet d'environ 35 à 60 degrés. Pour chaque 2,54 cm de diamètre intérieur de tube, on compte environ de 100 à 150 nervures. C'est-à-dire que pour un tube à diamètre intérieur de 1,44 cm on compte d'environ 60 à 90 nervures. Les nervures peuvent avoir un angle d'hélice faible par exemple de 18 degrés mais ceci peut être généralement dans la gamme allant de zéro à trente degrés. Selon cette réalisation un tube ébauche de départ de 1,6 cm de diamètre et d'une épaisseur de paroi allant de 0,064 à 0,076 cm peut être employé sans détriment pour l'intégrité. Ceci signifie que le tube peut être fabriqué à un coût de matériau plus bas que préalablement et même on peut utiliser un métal de meilleure qualité sans augmentation du prix des matériaux. Pour créer un tube garni intérieurement on met en place une pièce à usiner tubulaire à paroi lisse sur un mandrin cylindrique présentant un nombre adéquat de rainures disposées pour créer les nervures internes présentant le pas, les dimensions et l'angle d'hélice indiqués ci-dessus, par exemple pour un tube de 1,6 cm le mandrin présentera de 60 à 90 rainures ou cannelures présentant un angle d'hélice de 18 degrés ce qui donne un pas de 0,15 à 0,23 cm. On fait rouler un jeu de disques sur la surface extérieure de la pièce à usiner tubulaire au droit du mandrin de sorte que le métal de la pièce à usiner est repoussé dans les rainures du mandrin. Ceci constitue les nervures intérieures de hauteur et d'espacement appropriés pour produire le garnissage optimal. L'espace entre deux nervures successives au fond des rainures ne saurait bien entendu être en général plus proche que la hauteur préférée d'ailette de sorte que les intervalles ne pourraient être remplis de liquide. D'autre part les nervures devraient être aussi proches que possible, compte tenu de la limite ci-dessus, pour augmenter au maximum la surface offerte à l'intérieur du tube. La technique ci- dessus peut être mise en oeuvre sur des longueurs de tube discontinues en commençant par le garnissage intérieur à une petite distance d'une extrémité et en l'arrêtant à une petite distance de l'autre extrémité. Ceci laisse une partie non usinée au voisinage de chaque extrémité de tube pour faciliter la mise en place des tubes dans les parois pour tubes à chaque extrémité des tubes. Les buts ci-dessus et bien d'autres ainsi que des caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris en se référant à la description qui suit d'un mode de réalisation préféré que l'on suivra en se rapportant à la planche d'accompagnement. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un tube d'évaporateur au cours du procédé de fabrication, d'un mandrin rainuré et d'un arbre outil avec un jeu d'outils pour faire rouler un tube sur le mandrin rainuré et pour former le tube de transfert de chaleur nervuré à l'intérieur selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente une partie de l'échangeur de chaleur présentant deux plaques à tubes et un tube de transfert de chaleur conforme à l'invention qui y est monté. La figure 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'une partie de la paroi d'un tube de transfert de chaleur avec garnissage par nervures selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 4 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la paroi d'un tube de transfert de chaleur selon un autre mode de réalisation de l'invention. Un mode de réalisation de la présente invention, tel que décrit cidessous, a été spécialement conçu pour l'usage dans un évaporateur d'un système de réfrigération ou de conditionnement d'air du type dans lequel un liquide refroidisseur, qui peut être de l'eau, passe sur l'extérieur des tubes de transfert de chaleur et dans lequel un fluide réfrigérant est évaporé de sa forme liquide en sa forme vapeur par contact avec les surfaces intérieures des tubes. De façon caractéristique, il existe une série de tels tubes de transfert de chaleur montés parallèlement et reliés de sorte qu'un certain nombre de tubes forment un circuit de circulation du fluide et que plusieurs circuits parallèles de ce type constituent un faisceau tubulaire. D'habitude tous les tubes des différents circuits de circulation de fluide sont contenus dans une seule enceinte qui contient également une saumure ou un autre liquide refroidisseur. On fait circuler un fluide réfrigérant dans le circuit de circulation du fluide, sous forme liquide. Les caractéristiques de transfert de chaleur de l'évaporateur sont largement définies par les caractéristiques de transfert de chaleur de chaque tube pris individuellement. En se référant maintenant au dessin et tout d'abord à la figure 1, on voit qu'y est représentée, en élévation, une machine à nervurer les tubes, et cette machine comprend un arbre porte-outil 10 avec un jeu d'outils 12 constitués par une série de disques 14. Au droit du jeu d'outils 12 est disposé un mandrin 16 monté sur un arbre de mandrin 18. Le mandrin présente un nombre de rainures hélicoïdales 20 qui y sont pratiquées et qui correspondent aux dessins des nervures que l'on doit former dans le tube. Dans cet exemple le mandrin 16 présente soixante-douze rainures 20, par opposition aux trente rainures que l'on trouve sur le mandrin utilisé dans la fabrication classique de tube garni. Ces soixante-douze rainures hélicoïdales 20 ont un angle d'hélice d'environ 18 degrés, une profondeur de 0,025 cm et un pas ou espacement de 0,15 à 0,23 cm. Une pièce à usiner tubulaire 22 est, dans ce mode de réalisation, une ébauche tubulaire en cuivre de 1,44 cm de diamètre intérieur et d'une épaisseur de paroi de l'ordre de 0,076 cm. La pièce à usiner 22 est supportée par le mandrin 16 en dessous du jeu d'outils 12 et les disques 14 sur l'arbre 10 sont amenés en contact avec la pièce à usiner tubulaire suivant un petit angle par rapport à l'axe longitudinal de la pièce à usiner. Cette petite obliquité provoque un entraînement longitudinal de la pièce à usiner 22 lorsque l'on fait tourner l'arbre 10. Les disques 14 déplacent le matériau cuivre de la paroi du tube l'obligeant à fluer vers le bas dans les rainures 20 pour former le garnissage nervuré 24, et à fluer vers le haut entre les disques 14. Une paire de rouleaux 26 disposés derrière les disques 14 lissent toute spire externe pour produire une surface extérieure lisse 28. Les caractéristiques de transfert de chaleur optimales et l'utilisation d'une pièce à usiner 22 tubulaire à paroi mince sans risque pour l'intégrité du tube sont obtenues avec un garnissage interne nervuré présentant un nombre de nervures hélicoïdales avec un pas, une hauteur et un angle d'hélice conformes à l'invention. Comme représenté à la figure 2 un tube de transfert de chaleur 30 adéquat pour échangeur de chaleur présente une première et une seconde extrémités 32 et 34 non usinées qui sont introduites dans les plaques à tubes respectives 36 et 38. Ce tube 30 est représentatif des tubes d'un faisceau tubulaire et bien d'autres tubes similaires peuvent être ainsi disposés dans les plaques à tubes 36 et 38. La partie principale 40 de ce tube 30 présente le garnissage intérieur tel que décrit ci-dessus mais les extrémités 32 et 34 sont laissées vierges sans garnissage intérieur. Le diamètre extérieur des extrémités qui est le même que celui de la pièce à usiner originelle 22, est légèrement plus grand que le diamètre extérieur de la partie principale garnie 40. Du fait que la technique met ici en oeuvre le mandrin 20 et le jeu de disques 14 et 26, il est possible de commencer et de terminer le rainurage à quelque distance des extrémités de sorte qu'on laisse les extrémités 32 et 34 non usinées. Les extrémités 32, 34 peuvent être élargies vers l'extérieur c'est-à-dire évasées dans les colliers circulaires prévus dans la plaque à tubes sans affaiblissement. Au contraire l'évasement d'un tube préalablement usiné pourrait conduire à l'écaillage et la fissuration si le tube avait été garni de bout en bout. Les extrémités non garnies 32 et 34 rendent aussi le tube plus facile à enlever des parois 36 et 38 si un remplacement devient nécessaire. Une partie d'un tube garni 42 conforme à l'invention, tel que vu le long de son axe, est représenté sur la figure 3. Ici le tube 42 présente un diamètre extérieur nominal de 1,6 cm et soixante "attaques", c'est-à-dire soixante nervures 44 régulièrement espacées autour de sa circonférence intérieure. Les nervures 44 présentent un angle au sommet 46 de 60 degrés et une hauteur 48 (ou une profondeur correspondante des rainures du mandrin) de 0,033 cm. Un fond des rainures comprises entre les nervures rejoint les côtés des nervures 44 selon un coin anguleux, formant ici un angle de 120 degrés. Ces coins anguleux maintiennent le liquide réfrigérant pour une meilleure évaporation. Comme représenté en tirets, une couche de liquide réfrigérant limite 51 de profondeur d de l'ordre de 0,015 cm est formée. Le pas des nervures 42 correspond à soixante nervures par circonférence et l'espace entre nervures, à l'endroit du fond , est d'approximativement de 0,022 à 0,025 cm c'est-à-dire légèrement supérieur à environ 1,5 fois l'épaisseur de la couche de liquide d. Le rapport entre la hauteur d'ailette et le diamètre intérieur doit être de l'ordre de 0,015 à 0,030. Un autre mode de réalisation du tube de transfert de chaleur 52 selon l'invention est représenté sur la figure 4 et présente également un diamètre extérieur nominal de 1,6 cm. Ici le tube 52 présente soixantedouze "attaques" ou soixante-douze nervures 54 avec un angle au sommet 56 de 45 degrés et une hauteur de nervure 58 d'environ 0,025 cm. L'épaisseur de la couche de fluide réfrigérant d est de l'ordre de 0,015 cm comme ci-dessus indiqué. La distance entre nervures 54 à l'endroit du fond 60 des rainures est d'environ 0,028 cm. Dans chacun de ces modes de réalisation il se produit une réduction d'environ 14% sur le matériau du fait d'une réduction de l'épaisseur de la paroi du tube. Les tubes 45, 52 peuvent être constitués à partir de la pièce brute 22 avec une épaisseur de paroi de 0,084 cm. Par comparaison, quand on utilise un mandrin classique (c'est-à-dire présentant de 15 à il "attaques") les pièces à usiner qui sont employées de façon caractéristique, présentent une épaisseur de paroi de 0,096 cm. Si les parois des tubes classiques sont plus minces qu'environ 0,096 cm, le taux de fuites ou de défaillances devient inacceptablement élevé. L'utilisation d'une ébauche de départ à paroi plus mince selon l'invention permet également d'utiliser une qualité plus haute de matériau dans les mêmes conditions et un coût plus bas par unité linéaire courante comme préalablement. Les angles au sommet aigus 46, 56 des nervures augmentent la surface efficace de l'intérieur du tube ce qui donne un rendement encore plus grand. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus les rainures présentent un angle d'hélice de 18 degrés choisi pour la facilité de la fabrication. Cependant l'angle d'hélice pourrait aller de vingt à vingt-cinq degrés ou même jusqu'à trente degrés, et il pourrait descendre pour aller jusqu'à un peu plus de zéro. Au lieu d'une surface extérieure lisse 28 le tube de transfert de chaleur peut être pourvu d'un garnissage à ailettes externe dont le pas et la hauteur peuvent être déterminés selon la nature du fluide en contact avec la surface extérieure. Dans le mode de réalisation de la -figure 4 les extrémités supérieures des nervures 54 sont représentées à l'état quelque peu irrégulier. C'est simplement pour illustrer que les extrémités dessinées de façon idéale et régulière ne sont pas critiques pour les tubes évaporateurs et que des variations géométriques ou des manques de précision dans les extrémités ne semblent pas avoir d'effet néfaste sur l'efficacité du tube. Néanmoins, dans l'environnement d'un condenseur, il y aurait un avantage à maintenir des extrémités aiguës. REVENDICATIONS 1.- Tube de transfert de chaleur (30,42,52) pour transférer de la chaleur vers ou depuis un liquide se trouvant à l'extérieur du tube pour condenser ou évaporer un liquide réfrigérant présent à l'intérieur du tube, le tube présentant un diamètre extérieur et étant garni d'une série de nervures intérieures (24,44,54) sur sa surface intérieure pour augmenter la surface efficace sur la surface intérieure du tube qui est exposée au liquide réfrigérant, les nervures successives (24,44,54) présentant un fond (50,60) définissant un espace entre elles, ledit liquide réfrigérant formant une couche liquide d'une épaisseur caractéristique recouvrant la surface intérieure dudit tube, caractérisé en ce que lesdites nervures intérieures (24,44,54) sont disposées à un pas suffisamment petit pour que l'espacement des fonds (50,60) séparant deux nervures successives (44,54) soit de l'ordre d'environ 0,015 à 0,030 fois le diamètre intérieur. 2.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pas desdites nervures (44,54) est de l'ordre d'environ 0,15 à 0,23 cm. 3.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la hauteur des nervures (44,54) est sensiblement de 0,015 à 0,030 fois le diamètre intérieur. 4.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les nervures intérieures (44,54) s'étendent hélicoïdalement sur la surface intérieure du tube. 5.- Tube de transfert selon la revendication 1 caractérisé en ce que les nervures présentent un angle d'hélice fini de 25 degrés ou moins. 6.- Tube de transfert de chaleur pour transférer de la chaleur vers ou depuis un liquide se trouvant à l'extérieur du tube, pour condenser ou évaporer un fluide réfrigérant présent à l'intérieur du tube, ce tube étant garni d'une série de nervures intérieures sur sa surface intérieure pour augmenter l'aire effective de la surface intérieure du tube qui est exposée au fluide réfrigérant, caractérisé en ce que pour chaque valeur de 2,54 cm du diamètre intérieur du tube on compte environ 100 à 150 nervures. 7.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il présente un diamètre extérieur de 1,6 cm et de soixante à quatre-vingt-dix nervures (44,54). 8.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il présente un diamètre extérieur de 1,27 cm et de soixante à soixante-quinze nervures (44,54). 9.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 6 caractérisé en ce que les nervures ont une hauteur de l'ordre d'environ 0,025 cm. 10.- Tube de transfert de chaleur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le tube (30) est un tube rectiligne de longueur finie, définie par une première et une seconde extrémités (32,34) et comprenant de plus des parties sans nervures et non usinées à proximité desdites première extrémité (32) et seconde extrémité (34) de façon à faciliter la fixation du tube dans une plaque à tubes (36,38). 11.- Procédé de fabrication d'un tube de transfert de chaleur à nervures internes (24) à partir d'une pièce métallique à usiner tubulaire (22), à paroi lisse, consistant à mettre en position la pièce à usiner tubulaire (22) sur un mandrin (16) de forme générale cylindrique présentant une série de rainures hélicoïdales (20) formées à sa surface et à faire rouler un jeu de disques (14) sur la surface extérieure de la pièce à usiner tubulaire (22), au droit du mandrin (16), de façon que le métal de la pièce à usiner flue dans les rainures (20) du mandrin (16) pour former lesdites nervures intérieures (24) à un pas déterminé, lesdites nervures ayant une hauteur prédéterminée, caractérisé en ce qu'on forme les nervures de sorte que leur pas soit de l'ordre de 0,15 à 0,23 cm. 12.- Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que la hauteur des nervures (24) est de l'ordre d'environ 0,015 à 0,030 fois le diamètre intérieur du tube. 13.- Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que la formation des nervures (24) comprend la réalisation d'un angle d'hélice des nervures (24) plus grand que zéro et pouvant aller jusqu'à trente degrés. 14.- Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que l'angle d'hélice des nervures (24) est sensiblement de l'ordre de dix-huit degrés. 15.- Procédé selon la revendication 11 dans lequel le tube est un tube rectiligne de longueur finie, définie par une première extrémité (32) et une seconde extrémité (34), caractérisé en ce que la formation des nervures (24) comprend le fait que l'on laisse une partie sans nervures et non usinée à proximité de chacune des première et seconde extrémités (32,34). 16.- Procédé pour produire un tube de transfert de chaleur à nervures internes (24) à partir d'une pièce à usiner métallique tubulaire (22) à paroi lisse, consistant à mettre en position la pièce à usiner tubulaire (22) sur un mandrin (16) de forme générale cylindrique qui présente une série de rainures hélicoïdales (20) formées à sa surface, à faire rouler un jeu de disques (14) sur la surface extérieure de la pièce à usiner tubulaire (22) au droit du mandrin (16) de façon que le métal de la pièce à usiner (22) flue dans les rainures (20) du mandrin (16) pour former lesdites nervures internes (24) à un espacement régulier, caractérisé en ce qu'on forme les rainures (24) de telle sorte que pour chaque valeur de 2,54 cm du diamètre extérieur du tube il y ait environ de 100 à 150 nervures. 17.- Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que la formation des nervures (24) comprend l'attribution aux nervures d'un angle au sommet d'environ quarante-cinq à soixante degrés. 18.- Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que la formation des nervures comprend l'attribution d'un angle d'hélice des nervures (24) supérieur à zéro et pouvant aller jusqu'à trente degrés environ. 19.- Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que le tube (30) est un tube rectiligne de longueur finie, définie par une première extrémité (32) et une seconde extrémité (34), caractérisé en ce que la formation des nervures (24) comprend le fait qu'on laisse une partie sans nervures et non usinée à proximité de chacune desdites première et seconde extrémités (32,34).