Brevet FR2664682A1 — publié le 19920117

Cette Invention se rapporte aux échangeurs de chaleur et, plus particulieèrement, aux échangeurs de chaleur qui sont comnpacts, legers et efficaces Les échangeurs de chaleur destinés à être utilisés dans les engins aérospaciaux doivent impérativement être compacts, légers et efficaces Il peut être difficile d'atteindre de tels objectifs surtout si l'engin concerne exige un echangeur de chaleur de grande capacité Par exemple, les engins aérospaciaux destinés à fonctionner à la fois dans l'atmosphère et dans l'espace peuvent être dotés de moteurs capables de fonctionner à la fois dans l'atmosphere et dans l'espace Un tel moteur est decrit dans la demande de brevet britannique 84-30157 dans laquelle des échangeurs de chaleur ayant recours à de l'hydrogène liquide utilisé cormme carburant, sont disposés de façon à permettre l'échange de chaleur avec l'air qui est par la suite dirige vers le compresseur du moteur. Dans de tels échangeurs, il est souhaitable d'atteindre les performnances qu'on peut attendre des dispositifs à flux opposes, c'est-a-dire des dispositifs dans lesquels les deux fluides s'échangeant la chaleur s'écoulent dans des directions opposées. Dans un échangeur de chaleur compact, cela peut entraîner le recours, au sein de l'échangeur de chaleur, à des tubes de fornme generale tortueuse pour contenir un des fluides Cela garantit une grande surface au niveau de laquelle les fluides s'échangent la chaleur Toutefois les coudes qui en résultent au sein des tubes, occasionnent des pertes par frottements et mouvements tournants dans le fluide passant dans les tubes En outre, il peut être difficile de sceller les extrémités des tubes à un collecteur et les tubes ainsi conçus ont tendance à être lourds De plus, les contraintes imposées sur les rayons de courbure mininmumi peuvent aussi conduire a un echangeur de chaleur qui est plus encombrant que désiré. La présente Invention a pour but de fournir un échangeur de chaleur qui est suffisamment léqger, compact et efficace pour être admis dans les applications aerospaciales inter alia. Conformément à la présente invention, un échangeur de chaleur destiné à permettre l'échange de chaleur entre deux fluides comprend un système de tubes d'alimentation séparés les uns des autres et un système de tubes de réception séparés les unis des autres, ces systemes se trouvant en cours de-fonctionnement entre des zones de pressions haute et basse d'un desdits fluides de sorte que ledit fluide s'écoule autour desdits tubes d'alimentation et de réception, lesdits tubes d'alimentation se trouvant à l'aval desdits tubes de reception par rapport a l'écoulement exterieur dudit fluide, chacun desdits tubes d'alimentation étant relié à un desdits tubes de réception associé par une série de tubes d'échange de chaleur, chlacun de ces tubes d'échange de chaleur étant disposé de telle sorte qu'il se trouve globalement sur toute sa longueur en travers de la direction de l'écoulement dudit fluide, lesdits tubes d'alimentation contenant en cours de fonctionnement l'autre desdits fluides et étant adapté pour diriger ledit autre fluide jusqu'auxdits tubes de reception par l'lntermedlaire desdits tubes d'echange de la chaleur. L'invention va à présent être décrite au moyen d'un exemple en faisant référence aux dessins joints sur lesquels: la figure 1 est une vue de cote d'un echangeur de chaleur selon la présente invention, la figure 2 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 1. D'après la figure 1, un échangeur de chaleur portant globalement la reference 10 comprend un collecteur 1 l annulaire d'admission et un collecteur 12 annulaire d'évacuation. Le collecteur 11 d'admission, dans lequel est dirigé un premier fluide par l'intermédiaire du conduit 13 comme cela est indique par la f leche B, comporte un systeme annulaire de tubes 14 d'alimentation (visible sur la figure 2) qui est fixé à lui et communique avec lui intérieurement Les tubes 14 d'alimentation sont disposés à égale distance les uns des autres autour de l'axe 15 longitudinal du collecteur 1 1 d'admission et jouxtent l'lnterieur du collecteur 12 d'évacuation sans communiquer avec ce dernier. Le collecteur 12 d'évacuation est coaxial par rapport à l'axe 15 longitudinal et possède un système annulaire de tubes 16 de reception fixes a lui et communiquant avec lui interieurement. Comme les tubes 14 d'alimentation, les tubes 16 de réception sont disposés à égale distance les uns des autres autour de l'axe 15 lonqi tudinal. Le collecteur 11 d'admission admet des diamétres wnterieur et extérieur plus petits que le collecteur 12 d'évacuation de sorte que les tubes 14 d'alimentation se trouvent radialement à l'intérieur, par rapport à l'axe 15 longitudinal, des tubes 16 de réception Il s'ensuit que le systeme des tubes 14 d'alimentation et celui des tubes 16 de réception sont concentriques Il convient de noter que les tubes 14 d'alimentation et les tubes 16 de réception sont parallèles les uns par rapport aux autres. Les tubes 14 d'alimentation et les tubes 16 de réception sont reliés entre eux par un grand nombre de tubes 17 d'échange de la chaleur Tous possèdent la même longueur et peuvent être alvéolés afin d'accroître leur surface La figure 2 en montre quelques uns. Chaque tube 17 d'échange de la chaleur est disposé dans son ensemble circonférentiellement et est de forme courbe de sorte qu'il relie l'extrémité radialement la plus extérieure d'un tube 14 d'alimentation à l'extrémité radialement la plus intérieure clu tube 16 de réception correspondant Afin qu'un nombre convenable de tubes 17 d'échange de la chaleur puisse être interposé entre le système de tubes 14 d'alimentation et celui de tubes 16 de réception au sein d'un échangeur 10 de chaleur donné, chaque tube 17 d'échange de la chaleur se prolonge depuis un tube 14 d'alimentation jusqu'à un tube 16 de réception se trouvant décalé d'environ 1500 Il convient de noter toutefois que la valeur de l'angle de décalage entre chaque tube 14 d'alimentation et son tube 16 de reception associé, c'est-à-dire le tube de réception auquel il est relié par l'intermédiaire des tubes 17 d'échange de la chaleur, est une question de choix fonction des performances exigées pour l'échangeur 10 de chaleur. En fonctionnement, un premier fluide devant echanger de la chaleur avec un second fluide est dirigé à l'intérieur du collecteur 1 1 d'admission par l'intermédiaire du conduit 13 comme l'indique la flèche B Le fluide s'écoule ensuite à l'intérieur des tubes 14 d'alimentation De là il s'écoule par l'intermédiaire des tubes 17 d'échange de la chaleur jusque dans les tubes 16 de réception et ensuite à l'intérieur du collecteur 12 d'évacuation De là il est évacué par le conduit 18 comme l'indique la flèche C. La majeure partie de la surface extérieure de la c Trconference de l'échangeur 10 de chaleur fait face à une zone D contenant le second fluide Le fluide dans la zone D est disposé pour être à une pression plus importante que celle dans la zone E définie par la surface interieure de la circonference de l'échangeur 10 de chaleur. Cela étant, il y a un écoulement du second fluide depuis la zone D jusque dans la zone E Dans son ensemble, cet écoulement est de direction radiale par rapport à l'axe 15 longitudinal En conséquence il apparaît que, comme le premier fluide s'écoule depuis les tubes 14 d'alimentation jusqu'aux tubes 16 de réception selon une direction admettant une composante radiale, le premier et le second fluides s'écoulent dans l'ensemble en se croisant Ainsi les importants coefficients d'échange de la chaleur associes aux dispositifs de tubes à écoulement croisé, sont également l'apanage des échangeurs de chaleur selon la présente invention De plus, comme les écoulements à la fois du premier et du second fluides aboutissent a un minimum de mouvements tournants au sein de l'échangeur 10 de chaleur, les pertes associées aux écoulements tournants sont de la même façon minimisées Cela, associé à la possibilité de disposer les tubes 17 d'échange de la chaleur près les uns des autres, garantit que les échangeurs de chaleur selon la présente invention sont très compacts et efficaces. Les échangeurs de chaleur selon la présente invention jouissent d'autres avantages dont un recours très économe à la matiere S 1 bien que l'échangeur 10 de chaleur est leger en poids En outre, le fait que tous les tubes 17 d'échange de la chaleur admettent la même longueur et une forme en spirale, garantit que l'échangeur 10 de chaleur est très tolérant vis-à-vis des gradients thermiques qui pourraient sinon occasionner des contraintes thermiques au sein de sa structure. Bien que l'échangeur 10 de chaleur ait été décrit en se référant à une situation dans laquelle le second fluide admet une pression plus elevee dans la zone D que celle régnant au sein de la zone E, la situation peut être renversée Toutefois dans une telle situation, l'écoulement du premier fluide aurait aussi à être renversé de sorte qu'Il s'écoule depuis le collecteur 12 jusque dans le collecteur 11. C'est-à-dire l'écoulement dans les tubes 17 d'échange de la chaleur, etant en partie clrconferentiel, serait egalement dans son ensemble radialement intérieur et non extérieur. 11 sera observé que, bien que l'échangeur 10 de chaleur ait été décrit comme étant dans l'ensemble annulaire, il peut avoir une forme différente dans certains cas Ainsl peut-il être, par exemple, plat Dans ce cas, les tubes 17 d'échange de la chaleur seraient droits et se prolongeraient globalement en diagonale entre les tubes 14 et 16 d'ai imentation et de réception associés. Les echangeurs de chaleur selon la presente Invention sont, du fait de leur efficacité, de leur légèreté et de leur aspect compact, particulièrement utiles dans les applications aérospaciales Ainsi, dans une application aerospaciale pour un mnoteur du type de celui decrit dans la demande de brevet britannique 84-30157, le fluide dans les zones D et E serait de l'air et le fluide au sein des tubes 17 d'échange de la chaleur serait de l'hydrogène liquide Un tel échangeur de chaleur se trouverait au sein de l'admission d'air du moteur / REVENDI CATIONS I Echangeur de chaleur destine a permettre un -echange de chaleur entre deux fluides, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur comprend un système de tubes ( 14) d'alimentation séparés les uns des autres et un système de tubes ( 16) de réception séparés les uns des autres, ces systemes etant en cours de fonctionnement disposés entre des zones (D, E) de pressions haute et basse d'un desdits fluides de sorte que ledit fluide s'écoule autour desdits tubes ( 14) d'alimentation et desdits tubes ( 16) de réception, lesdits tubes ( 14) d'alimentation se trouvant en aval desdits tubes ( 16) de réception par rapport à l'écoulement dudit fluide tout autour, chacun desdits tubes ( 14) d'alimentation étant relié à un desdits tubes ( 16) de réception associé par une série de tubes ( 17) d'échange de la chaleur, chacun desdits tubes ( 17) d'echange de la chaleur est conçu de telle sorte qu'il se trouve sur toute sa longueur globalement en travers de la direction de l'écoulement dudit fluide, lesdits tubes ( 14) d'alirientation contenant en cours de fonctionnement l'autre desdits fluides et etant adapte pour diriger ledit autre fluide par l'intermédiaire desdits tubes ( 17) d'échange de la chaleur auxdlts tubes ( 16) de réception. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cours de fonctionnement, l'echange ( 10) de chaleur est conçu de telle sorte que l'écoulement dudit fluide à l'intérieur desdits tubes ( 17) d'échange de la chaleur admet une composante qui est opposée à celle dudit autre fluide s'écoulant autour desdits tubes ( 17) d'echange de la chaleur 3 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits tubes ( 14) d'alimrentation et lesdits tubes ( 16) de réception sont respectivement disposes en systemes annulaires concentriques. 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits tubes ( 17) d'échange de la chaleur sont dans l'ensemble disposés circonfêrentiellement de sorte que chacun desdits tubes ( 17) d'echange de la chaleur relle un desdits tubes ( 14) d'alimentation et un desdits tubes ( 16) de réception t associé tandis que lesdits tubes ( 14, 16) d'alimentation et de réception sont séparés angulairement les uns des autres Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits tubes ( 14) d'alimentation sont placés radialement à l'intérieur desdits tubes ( 16) de réception. 6 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits tubes ( 14, 16) d'alimentation et de réception sont respectivement reliés à un premier et un second collecteurs ( 11, 12) qui, en cours de fonctionnement, respectivement dirige du fluide dans lesdits tubes ( 14) d'alimentation et reçoit du fluide provenant desdits tubes ( 16) de réception. 7 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précedentes, caractérise en ce que lesdits tubes ( 14, 16) d'alimentation et de réception sont parallèles les uns aux autres. 8 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications precedentes, caractérise en ce que lesdits tubes (i 17) d'échange de la chaleur admettent une longueur égale.