Brevet FR2641066A1 — publié le 19900629

La présente invention concerne des tubes condenseurs de fluide gazeux dont la surface extérieure est munie de rainures ou ailettes longitudinales ainsi que l'amélioration des performances des condenseurs par l'utilisation de tels tubes. Ces condenseurs trouvent application dans toute industrie nécessitant la condensation de vapeur et en particulier dans les pompes à chaleur, les centrales thermiques, les stations de dessalement de l'eau de mer. On connaît dans l'état de la technique des tubes condenseurs de fluide gazeux ou des parois échangeuses de chaleur décrites dans DE-B-1.198.391 dont la surface extérieure est munie respectivement d'ailettes ou d'ondulations longitudinales. De tels tubes ou parois ont l'avantage de présenter des portions de surface sur le sommet des ondulations ou des ailettes qui ne sont pas recouvertes d'une couche épaisse de condensat; ce dernier ayant tendance à s'accumuler dans les gorges sous l'influence de la tension superficielle, la partie supérieure des ondulations ou des ailettes est libérée et demeure par conséquent en contact direct avec le fluide gazeux pour un. meilleur échange thermique. Les tubes ci-dessus ont déjà été mis en oeuvre dans des condenseurs; ainsi par exemple le brevet GB-1-256-278 comporte des tubes de ce type montés en faisceau entre deux collecteras et disposés verticalement pour l'évacuation des gouttes de condensat par gravité; cette configuration présente des limitations de performances dans la mesure ou les rainures sont rapidement saturées dans la partie inférieure des tubes et ne remplissent plus de ce fait leur fonction d'évacuation de condensat. Une solution au problème ci-dessus à été apportée en disposant des déflecteurs circulaires å des espacements réguliers le long des tubes. Ces déflecteurs ont pour fonction d'éloigner le ruissellement du condensat de la surface des tubes dès la saturation des gorges. Une telle solution, bien que probablement efficace, est peu satisfaisante sur le plan de la fabrication dans la mesure où lesdits déflecteurs doivent être rapportés sur les tubes qui sont généralement obtenus par extrusion ou tréfilage. En outre, on peut difficilement envisager la réalisation de condenseurs compacts avec les tubes à déflecteurs cidessus, c.a.d des condenseurs dont les tubes trés rapprochés permettent une grande capacité de condensation pour un volume d'encombrement réduit. Le problème de saturation des gorges énoncé précédemment a été étudié par M. PANDAY, qui démontre dans un article présenté en juillet 1985 à la quatrième "conférence internationale sur les méthodes numériques pour les problèmes thermiques" tenue à l'université de Swansea, qu'un profil d'ailettes sinu soïdal donné est efficace jusqu'à une certaine longueur de tube placé verticalement ("Numerical Methods in Thermal Problemsît, Pineridge Press, Swansea, UK 1985). Parmi les ensembles compacts, on connaît également des condenseurs dotés de plusieurs faisceaux de tubes à ailettes radiales, disposés selon un axe horizontal. Le condensat formé sur les tubes recouvre par ruissellement ceux placés en dessous, nuisant ainsi à l'échange thermique avec le milieu à condenser. Il est nécessaire en outre, de recourir à des joints de dilatation thermique au niveau des collecteurs des condenseurs dotés de tels tubes. A cet égard, le brevet BE-A-391 877 décrit un condenseur utilisant des tubes lisses comportant une légère ondulation dans un plan horizontal dans le but de compenser leurs dilatations thermiques. Enfin, ces mêmes tubes à ailettes radiales peuvent être enroulés en hélice et disposés suivant un axe vertical dans l'enceinte mais le problème du ruissellement d'une portion de tube sur une autre portion subsiste au détriment des performances. La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant des tubes condenseurs qui permettent la formation de films de condensat aussi minces que possible et évitent la saturation des gorges ou rainures, qui soient compatibles avec des réalisations de condenseurs compacts et qui soient de fabrication aisée. Un autre objectif est de proposer un tube condenseur optimisé, notamment pour la condensation de la vapeur d'eau, et destiné à être utilisé dans des condenseurs compacts. Un dernier objectif est de proposer des condenseurs compacts dans lesquels le ruissellement de condensat ne diminue pas le rendement de condensation évoqué ci-dessus. A cet effet, l'invention a d'abord pour objet un tube condenseur de fluide; il se distingue en ce qu'il comprend en combinaison d'une part une surface extérieure munie de rainures ou d'ailettes longitudinales formant des chemins de ruissellement continu du condensat, d'autre part des portions successives alternativement montantes et descendantes décomposant lesdits chemins de ruissellement en chemins de ruissellement élémentaires deux à deux convergeant vers un même point bas. Selon un premier mode de réalisation conforme à l'invention, le tube condenseur comprend au moins une spire enroulée hélicoïdalement suivant un cylindre directeur virtuel. Selon une variante d'enroulement, le tube peut se présenter avantageusement dans un plan sous la forme d'une spirale. Selon un deuxième mode de réalisation conforme à l'invention, le tube condenseur est plié en "V" alternativement dans un sens vers le bas puis dans l'autre vers le haut Conformément une caractéristique du tube condenseur de l'invention, lesdites ailettes ont un profil sensiblement triangulaire ou rectangulaire ou comportent au moins une portion supérieure dont le rayon de courbure augmente du sommet vers la base. L'invention a également pour objet un tube condenseur optimisé. Il se distingue en ce qu'il se compose du tube conforme à l'invention et comprend en outre: - des ailettes de hauteur comprise environ entre 0.2 et lmm, un rapport hauteur/pas d'ailette sensiblement égal à l'unité et une longueur du chemin de ruissellement du condensat inférieure ou égale à environ 500mm. La présente invention a également pour objet un condenseur de fluide compact comprenant une enceinte dans laquelle débouchent des moyens d'alimentation de fluide et d'évacuation de condensat, au moins un tube condenseur disposé dans ladite enceinte. Ce condenseur se distingue de l'art antérieur en comprenant le tube conforme à l'invention et disposé dans l'enceinte de telle sorte que lesdits chemins de ruissellement aient une inclinaison minimale par rapport à la verticale. Selon un mode de réalisation mettant en oeuvre les tubes condenseurs spiralés, ces derniers peuvent être en outre soit disposés coaxialement, soit imbriqués l'un dans l'autre. Selon un autre mode de réalisation mettant en oeuvre les tubes pliés, ces derniers sont en outre imbriqués deux 9 deux l'un au dessus de l'autre et ont leurs alternances en phase. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisations basés sur le même principe et donnés à titre d'exemple en se référant aux dessins sur lesquels: -la fig.-l est une coupe transversale d'un tube condenseur conforme à l'invention. -la fig.-2 représente une vue d'une première configuration du tube condenseur conforme à l'invention; -les fig.-2a,-2b,-2c sont trois variantes en vue de côté du tube de la fig.-2; -la fig. -3 représente une vue d'une deuxième configuration du tube condenseur conforme à l'invention; -la fig.-4 représente un condenseur compact mettant en oeuvre les tubes condenseurs de l'invention; -la fig.-5 représente un autre condenseur compact mettant en oeuvre le tube conforme à la deuxième configuration. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, le tube condenseur (1) selon la présente invention est dotée d'ailettes longitudinales (2); celles-ci peuvent avoir des profils quelconques (carré, triangulaire, etc.) et des dimensions diverses. Cependant, elles ont généralement une hauteur (h) comprise entre environ 0,2 et lmm, et sont de préférence élargies å la base. Selon un profil optimisé des ailettes, celles-ci comportent de préférence, sur au moins une portion supérieure, un rayon de courbure (r) qui augmente du sommet vers la base. Cette condition est réalisée non seulement par le profil sinu soïdal des ailettes de la fig.l mais également par d'autres profils, par exemple, parabolique, élliptique, etc.. Le raccordement entre deux rainures ou ailettes consécutives peut être réalisé par des formes géométriques simples telles que droites, arcs de cercle, etc. Une relation optimale entre la hauteur et le pas d'ailettes (p) peut être obtenue en fonction de la nature du fluide à condenser et la longueur du tube placé verticalement. Pour un fluide donné, la hauteur optimale du profil est déterminée par la résolution numérique des équations aux dérivés partielles décrivant le mouvement du film de condensat (cette relation a été mise en évidence par M. PANDAY et publiée dans l'article cité précédemment). Les tubes dotés de tels profils ont l'avantage de pouvoir être réalisés économiquement par les procédés de fabrication classiques du genre extrusion ou tréfilage. A cet égard, on remarquera qu'un profil simple de rainures ou d'ailettes, par exemple triangulaire, rectangulaire, qui s'approcherait du profil sinusoïdal préféré de l'invention, peut être facilement réalisé par les procédés de fabrication ci-dessus. La section des tubes n'est pas limitée à une forme circulaire mais embrasse au contraire des formes des plus variées (rectangle, carré, plat...) ainsi que des dimensions des plus diverses. La figure 2 montre une première configuration (la) du tube condenseur; il est enroulé en hélice autour d'un cylindre directeur virtuel d'axe horizontal et comprend au moins une spire. Partant d'un point haut A, la spire amorce une descente jusqu'à un point bas B et remonte jusqu'à un point C; les portions de tube AB et CB constituent des chemins de ruissellement élémentaires convergeant vers un même point bas B. La section du cylindre peut être de forme circulaire dans le cas d'un cylindre de révolution, mais également élliptique ou même oblongue (fig.-2c) ainsi qu'illustré aux figs.(-2a,- 2b,- 2c). La longueur maximale des chemins de ruissellement élémentaires est en rapport avec le profil des ailettes retenus et la nature du fluide à condenser. Par exemple, pour la condensation de la vapeur d'eau sur un tube rond vertical doté d'ailettes longitudinales de forme sinusoïdale, de hauteur (h) comprise entre environ 0,2 et lmm, et dont le rapport h/p de la hauteur au pas d'ailette est environ égal 1, la longueur doit être inférieure à environ 500 mm. Ces dimensions de tube et d'ailette peuvent également convenir pour la condensation optimisée d'autres fluides, le fréon par exemple. Le profil d'ailette à retenir est de préférence sinusoïdal mais à défaut, un profil triangulaire, ou même rectangulaire procure une bonne condensation avec les dimensions ci-dessus. Donc en fonction de la forme d'hélice retenue (circulaire, élliptique, oblongue,...) on pourra calculer classiquement la hauteur des spires et le pas d'hélice de manière que la longueur des chemins de ruissellement élémentaires c.à.d, la distance parcourue par le condensat avant de s'égoutter soit inférieure à environ 500 mm. Par exemple, pour une section circulaire et un pas de spires de l'ordre de deux ou trois fois l'épaisseur du tube, le diamètre des spires doit être inférieur & environ 300 mm. Avantageusement, on retiendra des formes d'enroulement d'hélice pouvant présenter des chemins de ruissellement élémentaires qui soient aussi proches que possible de la verticale. Ainsi par exemple, on attend qu'un tube enroulé en oblongue présente de meilleures performances qu'un tube circulaire. Ceci s'explique dans le premier cas par une évacuation plus rapide du condensat soumis à la gravité. La figure 3 représente un tube (lb) suivant la deuxième configuration conforme à l'invention; il est plié en V alternativement dans un sens vers le haut puis dans l'autre yers le bas. La portion de tube comprise entre deux alternances successives A' et B' correspond à un chemin de ruissellement élémentaire du condensat soumis à la gravité. Cette configuration a l'avantage d'être plus compacte que la précédente en permettant notamment un encombrement plat dont l'épaisseur est égale au diamètre du tube condenseur. Dans le cas de la vapeur d'eau, la longueur A'B' doit être selon l'invention. également inférieure à environ 500 mm. L'amplitude des alternances A'B' est calculée classiquement en fonction du pas retenu et de l'espace disponible dans le condenseur. D'autres formes composées d'arcs de cercle peuvent également être utilisées pour les portions élémentaires. De même, on ne sortirait pas du cadre de l'invention si le tube était plié en11U11, ou si le tube de la première configuration était enroulé en forme de ressort hélicoïdal aplati. Pour améliorer le coefficient de transfert thermique du tube condenseur, il n'est pas exclu d'avoir l'intérieur de celui-ci des turbulateurs de type connu (non représentés). A la figure 4, on voit un exemple de réalisation d'un condenseur compact utilisant les tubes condenseurs hélicoïdaux (la) conformes & l'invention. Ces tubes sont assemblés coaxialement au moins par deux (3 et 4), et forment ainsi des modules condenseurs indépendants (5). On voit sur cette figure trois modules (5) disposés dans une enceinte (6) dans laquelle débouchent des moyens d'alimentation de fluide (7) condenseur et d'évacuation de condensat (8). La disposition est telle que lesdits chemins de ruissellement élémentaires AB ont une inclinaison minimale par rapport & la verticale de manière que le condensat s'écoule le plus facilement possible. Bien entendu l'inclinaison des chemins de ruissellement peut être moins accentuée selon les cas, mais ce serait au -détriment de l'efficacité du tube condenseur. Dans le cas ci-dessus les modules (5) sont simplement horizontaux. On remarquera que ces modules sont mis côte à côte et ne sont donc pas soumis au ruissellement de condensat de l'un ou de l'autre. I1 est également possible de placer des modules en dessous (non représenté) mais hors de portée des lignes verticales de ruissellement issues des modules supérieurs. Sur la vue en coupe de la figure 4, on voit que les deux hélices (3 et 4) de diamètre différent formant le module (5) ont un même pas (f) et sont de préférence décalées ou en déphasage de manière que le condensat issu des spires de l'hélice intérieure (3) ne s'écoule pas sur les spires de l'hélice extérieure (4). A la figure 5, les spires sont en phase et imbriquées sans aucun contact les unes en dessous des autres; contrairement au mode de réalisation précédent, le condensat, soumis à la gravité (dans le sens de la flêche), ruisselle des spires supérieures sur les spires inférieures mais sans altèrer significativement les performances des tubes condenseurs dans la mesure ou le ruissellement, localisé sur le point le plus bas de chaque spire le long de lignes verticales (9), n'inonde qu'une zone de condensation trés limitée. Un condenseur plus compact que le précédent peut ainsi être réalisé. Des condenseurs encore plus compacts peuvent être réalisés en mettant en oeuvre les tubes condenseurs pliés (lb) de la deuxième configuration décrite précédemment et disposés dans une enceinte selon un arrangement particulier. Un tel arrangement est illustré à la figure 6; dans une enceinte cylindrique (10), les tubes condenseurs sont imbriqués l'un au dessus de l'autre sans toutefois être en contact, dans un même plan placé verticalement. Des lignes d'écoulement du condensat sont définies sur les verticales (9) passant par les points inférieurs (B1, B2, Bn...) des tubes condenseurs. Dans ce cas également le ruissellement n'est pas de nature a altérer significativement les performances du condenseur. La disposition verticale de 1 à n tubes condenseurs constitue un module de tubes condenseurs qui présente avantageusement à plat un encombrement minimum égal au diamètre du tube condenseur. De tels modules sont juxtaposés latéralement pour occuper l'espace disponible de l'enceinte (10). qui en l'occurrence est cylindrique mais peut être limité a une enceinte plate enveloppant un seul module. Toujours dans le cadre de condenseurs compacts et selon un autre mode de réalisation avantageux, le tube de l'invention peut être enroulé en spirale dans un plan. Des essais comparatifs ont été effectués sur un condenseur expérimental constitué d'une spire d'un tube de cuivre de 20 mm de diamètre intérieur et de 25 mm de diamètre extérieur. Des ailettes longitudinales de forme sinusoïdale (de pas et de hauteur identique - environ 0,4 mm) ont été réalisées par fraisage. Le diamètre de la spire est de 200 mm. Le fluide réfrigérant était de l'eau circulant à un débit de 0,71 Kg/sec et le fluide à condenser de la vapeur d'eau. Les résultats de ces essais sont reportés sur le tableau 1 ci-dessous sur lequel: - TS est la température de saturation de vapeur en OC; - T1 est l'écart de température entre la vapeur et l'eau de refroidissement en C, - T2 est l'écart de température entre la vapeur et la paroi en OC - #T st le flux thermique en Kw/m2; - av est le coefficient d'échange thermique côté vapeur en watt/m/ C; - fwo est le coefficient d'échange thermique d'un tube rond placé horizontalement en watt/m/ C. On constate une nette élévation du coefficient d'échange thermique av/ao variant entre 1,8 et 3 fois le coefficient d'échange thermique d'un tube rond placé horizontalement. TABLEAU 1 Ts TI T2 #T ao av/ao 1 137,2 51,64 27,9 684,1 24495 2,42 2 136,6 45,08 22,8 496,5 21785 2,06 3 131,6 55,83 28,1 680,0 24164 2,40 4 129,5 56,53 31,3 626,0 20001 2,10 5 124,0 49,33 24,4 527,3 21565 2,10 6 121,5 49,57 23,6 481,1 20413 2,0 7 121,3 47,63 25,3 486,3 20182 1,99 8 122,4 49,37 23,9 457,6 19113 1,84 9 110,6 28,33 12,7 474,0 37148 3,12 10 108,7 29,57 15,1 422,8 28380 2,5 11 104,9 40,36 18,8 432,9 23060 2,3 REVENDICATIONS 1. Tube condenseur de fluide caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: - une surface extérieure munie de rainures ou d'ailettes longitudinales formant des chemins de ruissellement continu du condensat, - des portions successives alternativement montantes et descendantes décomposant lesdits chemins de ruissellement en chemins de ruissellement élémentaires deux à deux convergeant vers un même point bas. 2. Tube condenseur de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une spire enroulée hélicoidalement suivant un cylindre directeur virtuel. 3. Tube condenseur de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est enroulé en spirale. 4. Tube condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est plié en "V" alternativement dans un sens vers le bas puis dans l'autre vers le haut. 5. Tube condenseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section transversale dudit cylindre directeur est de forme circulaire, élliptique, ou oblongue. 6. Tube condenseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les ailettes ont un profil sensiblement triangulaire ou rectangulaire ou comportent au moins une portion supérieure dont le rayon de courbure augmente du sommet vers la base. 7. Tube condenseur optimisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend: - des ailettes de hauteur comprise environ entre 0.2 et lmm, - un rapport hauteur/pas d'ailette sensiblement égal à l'unité, - une longueur du chemin de ruissellement du condensat inférieure ou égale à environ 500mm. 8. Condenseur de fluide comprenant une enceinte dans laquelle débouchent des moyens d'alimentation de fluide et d'évacuation de condensat, au moins un tube échangeur disposé dans ladite enceinte, caractérisé en ce que ledit tube est constitué selon l'une quelconque des revendications 1 a 7 et disposé dans l'enceinte de telle sorte que lesdits chemins de ruissellement élémentaires aient une inclinaison minimale par rapport & la verticale. 9. Condenseur optimisé de vapeur d'eau comprenant une enceinte dans laquelle débouchent des moyens d'alimentation de fluide et d'évacuation de condensat, au moins un tube échangeur disposé dans ladite enceinte, caractérisé en ce que ledit tube est constitué selon la revendication 7, et disposé dans l'enceinte de telle sorte que lesdits chemins de ruissellement élémentaires aient une inclinaison minimale par rapport à la verticale. 10. Condenseur optimisé de fréon comprenant une enceinte dans laquelle débouchent des moyens d'alimentation de fluide et d'évacuation de condensat, au moins un tube échangeur disposé dans ladite enceinte, caractérisé en ce que ledit tube est constitué selon la revendication 7, et disposé dans l'enceinte de telle sorte que lesdits chemins de ruissellement élémentaires aient une inclinaison minimale par rapport à la verticale. 11. Condenseur de fluide selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux tubes hélicoïdaux coaxiaux. 12. Condenseur de fluide selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux tubes hélicoïdaux de pas égaux, imbriqués deux å deux en ayant une même phase, suivant des axes parallèles. 13. Condenseur de fluide selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux tubes pliés en "V" de pas égaux, imbriqués l'un au dessus de l'autre et en phase.