Brevet FR2656413A1 — publié le 19910628

La présente invention concerne d'une façon générale des tubes de transfert de chaleur utilisés dans des échangeurs de chaleur du type à tubes et coque. Spécifiquement, l'invention concerne des tubes de transfert de chaleur comportant des nervures internes, des ailettes externes et un revetement extérieur poreux. De nombreux types de systèmes de conditionnement d'air et réfrigération contiennent des évaporateurs du type à tubes et coque. Un évaporateur de ce genre est un échangeur de chaleur dans lequel un ensemble de tubes sont contenus dans une seule coque. Les tubes sont habituellement disposés de façon à créer une multiplicité de trajets parallèles d'écoulement, à travers l'échangeur de chaleur, pour un fluide à refroidir. Les tubes sont immergés dans un réfrigérant qui s'écoule à travers la coque de l'échangeur de chaleur. Le fluide est refroidi par transfert de chaleur à travers les parois des tubes, ce qui produit une évaporation du réfrigérant en contact avec la surface extérieure des tubes. La capacité de transfert de chaleur d'un tel évaporateur est déterminée dans une large mesure par les caractéristiques de transfert de chaleur des tubes individuels.Les configurations interne et externe d'un tube sont importantes pour établir ses caractéristiques globales de transfert de chaleur. Il existe plusieurs procédés généralement connus pour améliorer l'efficacité de transfert de chaleur d'un tube d'échangeur de chaleur. Parmi ces procédés, on peut citer : (1) l'augmentation de la surface de transfert de chaleur de la paroi de tube ; (2) la création d'un écoulement turbulent des fluides en contact avec le tube ou bien une diminution de l'épaisseur de la couche-limite de fluide ; et (3) un procédé favorisant un amorçage d'ébullition sur la surface du tube qui est en contact avec le liquide en ébullition. Un des procédés les plus courants utilisés pour augmenter la surface de transfert de chaleur d'un tube d'échangeur de chaleur consiste à prévoir des ailettes. Des ailettes distinctes peuvent être fixées sur la surface du tube ou bien la paroi du tube peut être usinée pour former une surface ailetée. Il existe un certain nombre de techniques utilisées pour faire en sorte que l'écoulement le long des parois intérieure et extérieure d'un tube d'échangeur de chaleur soit turbulent, en favorisant ainsi le mélange du fluide et en améliorant l'efficacité de transfert de chaleur. Des ailettes prévues sur la paroi du tube, par exemple, peuvent servir à créer un écoulement turbulent et à réduire l'épaisseur de la couche limite. Fréquemment, les parois intérieures d'un tube sont rainurées ou nervurées, par une diversité de processus de fabrication, afin de créer un écoulement turbulent de fluide à l'intérieur du tube et de réduire l'épaisseur de la couche limite. Une ébullition sur la surface d'un tube d'échangeur de chaleur peut être améliorée l) en profilant la surface du tube de transfert de chaleur en contact avec le liquide en ébullition afin de former des sites d'amorçage qui créent des endroits d'emprisonnement de vapeur de fluide et qui favorisent la formation de bulles de vapeur ou 2) en favorisant l'évaporation d'un mince film de liquide. Une diversité de procédés ont été utilisés pour former des sites d'amorçage sur la surface d'un tube de transfert de chaleur ou bien pour favoriser l'évaporation d'un mince film de liquide. Une simple formation de rugosités sur la surface du tube favorise l'amorçage d'ébullition et améliore l'efficacité de transfert de chaleur.Des procédés complexes d'usinage ont été mis au point pour former des cavités dans la surface de tubes ainsi que des canaux reliant entre elles les fonds desdites cavités. Différents procédés de dépôt de revêtements poreux sur les parois de tubes ont été décrits. Les pores existants dans les revête ments servent de sites soit pour la formation de bulles de vapeur, soit pour l'évaporation de minces films de liquide. Pour certains revêtements, la composition du revêtement est telle que celui-ci remplisse la fonction additionnelle d'augmenter la surface de transfert de chaleur du tube. Des configurations de tubes d'échange de chaleur de l'art antérieur ont été axées pratiquement sur l'un ou l'autre des procédés généraux d'amélioration de l'efficaci- té de transfert de chaleur. Les différentes réalisations de l'art antérieur varient largement en ce qui concerne leurs complexités, les coûts de production et l'efficacité. I1 est par conséquent toujours nécessaire de disposer d'un tube d'échangeur de chaleur qui ait des caractéristiques optimales de transfert de chaleur et qui puisse être fabriqué d'une manière simple et peu coûteuse en grandes quantités. En conséquence, un objet de la présente invention est d'utiliser, dans une seule configuration de tube d'échangeur de chaleur, la plupart des moyens possibles d'amélioration de l'efficacité de transfert de chaleur d'un tube. Un autre objet de l'invention est d'incorporer, dans un seul tube de transfert de chaleur, des nervures internes, des ailettes externes et un revêtement poreux sur toute la surface externe du tube et des ailettes afin d'optimiser l'efficacité de transfert de chaleur du tube. Un autre objet de l'invention est de créer un tube de transfert de chaleur d'une grande efficacité, qui puisse être également fabriqué d'une manière simple et économique et en grande série. Ces objets, et d'autres, de la présente invention sont atteints au moyen d'un nouveau système de configuration d'un tube d'échangeur de chaleur avec des ailettes externes, des nervures internes et un revêtement poreux sur toute la surface externe du tube, y compris les ailettes. Le tube pour échangeur de chaleur conforme à l'invention, servant à transférer de la chaleur entre un fluide en contact avec sa surface interne et un fluide en contact avec sa surface externe, est caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs nervures ou moulures helicoldales formées sur sa surface interne, une ou plusieurs ailettes hélicoïdales formées sur sa surface externe un revêtemnet poreux comportant des cavités sur sa surface et des vides en dessous de sa surface, ce revêtement ayant dans l'ensemble une épaisseur uniforme, étant en contact direct avec ladite surface externe et la recouvrant. Selon d'autres particularités du tube pour échangeur de chaleur conforme à l'invention lesdites nervures hélcoldales comprennent une pluralité de moulures hélicoldales continues à filets multiples s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de ladite surface interne. Lesdites moulures hélicoldales continues à filets multiples s'étendent sur une hauteur de 2,3 à 6,35 mm à partir de ladite surface interne du tube et sont formées par un nombre, compris entre 15 et 50, de filets ayant un angle d'hélice compris entre 20 et 40 . lesdites ailettes hélicoïdales comprennent au moins une ailette continue qui s'étend radialement et dans l'ensemble perpendiculairement à partir de ladite surface externe, une rainure en forme de canal, ayant dans l'ensemble une section droite profilée en U, étant formée par et entre des paires adjacentes desdites ailettes. Il est prévu entre six et vingt desdites ailettes par tranche de longueur de tube de 2,54 cm. lesdites ailettes s'étendent sur une hauteur non supérieure à 0,75 mm à partir de ladite surface externe du tube. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la descrip tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle d'un tube pour échangeur de chaleur agencé conformément aux principes de la présente invention. La figure 2 est une vue à échelle agrandie d'une partie de la section du tube pour échangeur de chaleur représentée sur la figure 1. La réalisation de la présente invention qui va être décrite ici est particulièrement adaptée pour des tubes ou échangeurs de chaleur, utilisés dans des évaporateurs de systèmes de conditionnement d'air ou de réfrigération. L'invention est adaptable à des tubes utilisés dans d'autres applications d'échangeurs de chaleur. La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un tube cylindrique 21, agencé conformément aux principes de la présente invention et utilisable dans un évaporateur d'un système de conditionnement d'air ou de réfrigération. La figure 2 est une vue à échelle agrandie d'une partie 31 de la paroi 22 du tube 21, montrant de façon plus détaillée la configuration du tube de l'invention. Comme le montre la figure 1, le tube 21 comporte une pluralité de nervures internes 23 et au moins une ailette 24 sur l'extérieur de la paroi 22 du tube. Les nervures internes 23 s'étendent en hélice autour de la paroi inté rieur du tube 21 et l'ailette externe 24 s'étend en hélice autour de la surface extérieure du tube. Les nervures internes 23 et l'ailette externe 24 sont parties intégrantes de la paroi 22 du tube, en étant formées par usinage du tube 21. Les nervures internes 23 sont représentées sur les figures 1 et 2 comme ayant une section droite de forme trapézoïdale mais la forme exacte n'est pas critique. La fonction des nervures 23 est de créer une turbulence et de réduire l'épaisseur de la couche limite dans le fluide s'écoulant dans le tube 21. Un écoulement turbulent et une réduction d'épaisseur de la couche limite augmentent l'efficacité de transfert de chaleur entre le fluide passant dans le tube 21 et la paroi 22 du tube. En outre, la prévision de nervures internes 23 sert à augmenter la surface intérieure de la paroi 22 du tube par unité de longueur, et par conséquent à augmenter le transfert de chaleur du fluide à la paroi. Comme le montrent les figures 1 et 2, 'alletage externe 24 a une section droite sensiblement triangulaire et elle s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la paroi 22 du tube. Bien que seulement une ailette soit représentée, une pluralité de filets hélicoïdaux et par conséquent une pluralité d'ailettes seraient également efficaces. I1 existe une distance relativement grande entre des spires adjacentes de l'ailette, un canal 26 ayant dans l'ensemble une section en forme de U étant délimité d'une part par la paroi 22 du tube et d'autre part par des spires adjacentes. L'ailette externe 24 sert à augmenter l'étendue de la surface extérieure de la paroi 22 du tube par unité de longueur et par conséquent à augmenter le transfert de chaleur de la paroi d'ailette au fluide.L'ailette 24 favorise également la création d'un écoulement turbulent dans le liquide à l'extérieur du tube 21. Un revêtement poreux 25, représenté sur la figure 2, recouvre la surface extérieure du tube 21, y compris l'ailette 24. La distance entre des spires adjacentes de l'ailette et l'épaisseur du revêtement poreux sont telles que le revêtement ne couvre pas l'espace existant entre des spires adjacentes de l'ailette mais forme une couche de profondeur uniforme sur toute la surface extérieure du tube 21. Des cavités prévues dans le revêtement 25 servent à favoriser l'ébullition du fluide au contact de la surface extérieure du tube 21. Le nombre de filets hélicoïdaux prévus à la fois pour les nervures internes 23 et pour la ou les ailettes externes 24 ainsi que les angles formés par les hélices respectives avec l'axe du tube 21 sont déterminés par les dimensions et les caractéristiques de la matière première du tube ainsi que par les procédés et outils utilisés pour former les nervures et les ailettes. Par exemple, de multiples ailettes 24 peuvent être formées sur l'extérieur du tube 21 en utilisant un outillage de formage d'ailettes multiples et une machine appropriée d'ailetage de tube opérant sur un tube lisse en cuivre. Les hauteurs selon lesquelles les nervures internes 23 s'étendent à partir de la surface intérieure de la paroi 22 du tube et selon lesquelles s'étend l'ailette 24 à partir de la surface extérieure de la paroi 22 du tube sont déterminées par l'obligation de laisser dans la paroi 22 du tube une partie structurale intacte qui soit suffisante pour ne pas réduire la résistance du tube d'une façon inacceptable. Un autre facteur intervenant dans la détermination de la configuration de l'ailette externe 24 est qu'il existe une distance suffisante entre des ailettes adjacentes pour que le revêtement poreux, quand il est déposé, ne couvre pas l'espace entre les ailettes, en réduisant alors la surface effective de transfert de chaleur du tube 21. L'épaisseur, la composition, les dimensions de pores et la densité du revêtement poreux déposé sont déterminées par la propriété d'ébullition et d'autres propriétés physiques du fluide en contact avec la surface extérieure du tube 21. Le revêtement peut être déposé par tout procédé approprié, comme une pulvérisation à la flamme. A titre d'exemple des p-aramètres utilisés pour la fabrication d'un tube pour échangeur de chaleur conformément aux principes de la présente invention, on a déterminé que, pour réaliser un tube approprié pour être utili sé dans l'évaporateur d'une installation centrifuge de conditionnement d'air de grande capacité, un tubeébauche en cuivre d'un diamètre extérieur nominal de 19 mm, ayant une épaisseur nominale de paroi de 1,25 mm, peut être aileté extérieurement et nervuré intérieurement par un procédé semblable à celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4 438 807, et peut ensuite être pourvu d'un revêtement poreux par un procédé semblable à celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4 753 849. Les deux brevets précités émanent du même demandeur que celui de la présente invention. L'ailette externe ont de préférence une densité de spires de l'ordre de 6 à 20 spires par longueur de tube de 2,54 cm et une hauteur non supérieure à 0,75 mm. Les nervures internes présentent avantageusement une hauteur comprise entre 2,3 et 6,35 mm, et un nombre de filets hélicoldaux compris entre 15 et 50, avec un angle d'hélice d'environ 300. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Tube pour échangeur de chaleur servant à transférer de la chaleur entre un fluide en contact avec sa surface interne et un fluide en contact avec sa surface externe, caractérisé en ce qu'il comprend - une ou plusieurs nervures hélicoïdales (23) formées sur ladite surface interne - une ou plusieurs ailettes hélicoïdales (24) formées sur ladite surface externe ; et - un revêtement poreux (25) comportant des cavités dans sa surface et des vides en dessous de sa surface, ce revêtement (25) ayant dans l'ensemble une épaisseur uniforme, étant en contact direct avec ladite surface externe et la recouvrant. 2. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites nervures hélicoïdales (23) comprennent une pluralité de moulures hélicoïdales continues à filets multiples s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de ladite surface interne. 3. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites moulures hélicoïdales continues à filets multiples s'étendent sur une hauteur de 2,3 à 6,35 mm à partir de ladite surface interne du tube et sont formées par un nombre, compris entre 15 et 50, de filets ayant un angle d'hélice compris entre 20 et 40". 4. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ailettes hélicoïdales (24) comprennent au moins une ailette continue qui s'étend radialement et dans l'ensemble perpendiculairement à partir de ladite surface externe, une rainure en forme de canal, ayant dans l'ensemble une section droite profilée en U, étant formée par et entre des paires adjacentes desdites ailettes. 5. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendi cation 4, caractérisé en ce qu'il est prévu entre six et vingt desdites ailettes par tranche de longueur de tube de 2,54 cm. 6. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites ailettes s'étendent sur une hauteur non supérieure à 0,75 mm à partir de ladite surface externe du tube.