Brevet FR2673274A1 — publié le 19920828

L'invention concerne des tubes de transmission de chaleur à transmission assistée intérieurement, et plus particulièrement un agencement d'aspérités sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, lequel agencement rend la transmission de chaleur plus efficace et plus économique. Il est très souhaitable de limiter la quantité de matière du tube de transmission de chaleur, en par- ticulier dans le cas o la matière des aspérités augmente le coût du tube de transmission de chaleur Par ailleurs, la dimension, la forme et l'écartement des aspérités peuvent être optimisés pour maximiser l'efficacité de la transmission de chaleur pour tous les types de tubes utilisés dans des systèmes de réfrigération Les éléments d'assistance, tels que des aspérités, sur la surface intérieure d'un tube de transmission de chaleur sont habituellement réalisés par déformation de la matière Les agencements d'assistance intérieure précédents n'entraî- naient pas de façon optimale une maximisation de l'ef- ficacité de la transmission de la chaleur tout en mini- misant la quantité de matière. Par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 794 983 et N O 4 880 054 montrent des pièces en saillie présentant des cavités sur la surface de la paroi intérieure d'un corps tubulaire Le rapport de l'intervalle (P) entre les pièces en saillie à la hauteur (e) des pièces en saillie doit satisfaire l'équation Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 402 359 montre des ailettes en pyramide réalisées d'une seule pièce avec la surface extérieure d'un tube cylindrique La hauteur préférée des ailettes en pyramide est d'environ 0,56 mm à un pas de 7,9 ailettes/cm. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 684 007 montre une surface plate et lisse présentant un grand nombre de parties surélevées distinctes de la forme générale de pyramides. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 216 826 est un exemple d'une surface extérieure du tube comprenant des ailettes à paroi mince de section transversale rectangulaire, d'une épaisseur d'environ 0,1 mm et d'une hauteur d'environ 0,25 mm. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 4 245 695 montre la surface extérieure du tube de transmission de chaleur comprenant des parties surélevées analogues à des pyramides, d'une forme cylindrique Dans un exemple expérimental, ce brevet décrit un "pas circulaire" de 1,41 mm et une hauteur de 0,75 mm pour les parties surélevées. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 4 733 698 montre un agencement complexe de gorges intérieures qui comprend des parties en saillie ayant une section transversale triangulaire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 715 436 montre une rangée de saillies espacées régulièrement sur la surface intérieure d'un tube de transmission de chaleur Chaque saillie est composée d'une surface à courbure douce formée par une déformation extérieure des parois du tube Le rapport le plus faible du pas à la hauteur, montré, est de 5,6 (Z/E = 2,45/0,45). Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 330 036 est similaire au brevet N' 4 715 436 précité, montrant un certain nombre de perles sur la surface intérieure d'un tube de transmission de chaleur. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 660 630 et N O 4 658 892 sont des exemples de tubes à ailettes intérieures présentant des gorges hélicoïdales séparées par des nervures continues. La présente invention a pour objectif de résoudre les problèmes posés par les tubes de transmission de chaleur, assistée intérieurement, de l'art antérieur. L'invention a également pour objectif d'optimiser l'ef- ficacité de la transmission de chaleur d'un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, tout en minimisant la quantité de matière du tube L'invention a également pour objectif de procurer une configuration optimale d'aspérités pour des tubes de transmission de chaleur assistée intérieurement. L'invention procure un tube de transmission de chaleur, assistée intérieurement, comprenant un tube de transmission de chaleur qui présente une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comporte plusieurs aspérités sur sa surface intérieure Chaque aspérité présente une hauteur (e) au- dessus de la surface intérieure, o le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,004 L'invention procure un tube de transmission de chaleur, assistée intérieurement, comprenant un tube de transmission de chaleur qui présente une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comporte plusieurs aspérités espacées sur la surface intérieure de ce tube Chaque aspérité présente une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure et est espacée des aspérités voisines d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 La présente invention procure un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, compor- tant: un tube de transmission de chaleur ayant une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comprend plusieurs aspérités uniformément espacées sur sa surface intérieure Chaque aspérité présente une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure, une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente de paroi latérale (s), et chaque aspérité est espacée des aspérités adjacentes d'un pas (P). Le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) est compris dans la plage de 0,35 a/b 0,65, le rapport de la largeur à la base (b) au pas (P) est compris dans la plage de 0,3 b/P 0,8, et la pente (s) de la paroi latérale est définie par Tg S = 2 e/(b-a). La présente invention procure un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, comprenant une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comporte plusieurs aspérités espacées sur sa surface intérieure Chaque aspérité présente une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure, telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 P/e 5,0. Chaque aspérité présente une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente (s) de paroi latérale telles que le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) soit compris dans la plage de 0,35 2 e/(b-a). La présente invention procure un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, comprenant un tube de transmission de chaleur ayant une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comporte plusieurs aspérités espacées sur sa surface intérieure Chaque aspérité a une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure, telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 e/D 0, 045 Chaque aspérité est espacée des aspérités adjacentes d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 La présente invention procure un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, comprenant un tube de transmission de chaleur qui présente une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comporte plusieurs aspérités espacées sur sa surface intérieure Chaque aspérité présente une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 par tg S = 2 e/(b-a). La présente invention procure un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, comprenant un tube de transmission de chaleur ayant une surface intérieure et un diamètre intérieur (D) Le tube de transmission de chaleur comporte plusieurs aspérités espacées sur sa surface intérieure Chaque aspérité présente une hauteur (e) au-dessus de la surface inté- rieure, une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente (s) de la paroi latérale Chaque aspérité est espacée des aspérités adjacentes d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 5 P/e par tg S = 2 e/(b-a). L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement; la figure 2 est une vue en perspective partielle montrant un agencement optimal des aspérités de la présente invention à utiliser dans le tube de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale partielle à échelle agrandie montrant plusieurs aspérités de la figure 2; la figure 4 (a) est un graphique déterminé empiriquement, montrant les économies de matière par rapport à la rugosité relative pour un condenseur et un évaporateur; la figure 4 (b) est un graphique déterminé empiriquement montrant les économies de matière par rapport à la rugosité relative pour un évaporateur de réfrigérant et un condenseur de réfrigérant; la figure 4 (c) est un graphique déterminé empiriquement montrant les économies de matière par rapport à la rugosité relative pour un serpentin à eau refroidie et la figure 5 est un graphique déterminé empiriquement montrant la relation optimale entre la forme et l'écartement des aspérités des figures 2 et 3. La figure 1 montre un tube 10 de transmission de chaleur assistée intérieurement, tel qu'il pourrait être utilisé pour une transmission de chaleur entre deux fluides dans un évaporateur, un condenseur, un serpentin à eau refroidie, un évaporateur multitubulaire à calandre ou un condensateur multitubulaire à calandre d'un système de réfrigération D'autres applications de transmission de la chaleur sont également envisagées. Le tube 10 de transmission de chaleur possède un axe longitudinal, un diamètre intérieur D et une surface intérieure 12 Les aspérités 14 sont situées sur la surface intérieure 12 pour faciliter la transmission de chaleur entre la surface intérieure 12 et un fluide de transmission de chaleur s'écoulant à l'intérieur du tube 10 La dimension, l'écartement, la forme et les proportions des aspérités 14 par rapport au diamètre intérieur D et aux aspérités adjacentes 14 déterminent la rugosité relative de la surface intérieure 12. Les aspérités 14 sont réalisées par déformation de la matière à partir de la surface intérieure 12 du tube de transmission de chaleur de manière à ne laisser que des aspérités 14 faisant saillie de la surface intérieure 12 La formation des aspérités 14 peut être réalisée d'un certain nombre de manières, y compris les procédés montrés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3 861 462, N O 3 885 622 et N O 3 902 552 Dans ces procédés, les aspérités 14 sont formées sur une tôle plate comme représenté sur la figure 2, laquelle est ensuite roulée pour constituer le tube 10 de la figure 1 La dimension des aspérités 14 par rapport au diamètre intérieur D du tube 10 de transmission de chaleur est telle que les figures 2 et 3 représentent aussi la surface intérieure 12 du tube 10 de transmission de chaleur. Après la formation, comme montré sur la figure 3, chaque aspérité 14 fait saillie de la surface intérieure 12 sur une hauteur (e) Dans la forme préférée de réalisa- tion, chaque aspérité 14 est espacée uniformément des aspérités adjacentes 14 et chaque aspérité 14 est façonnée en une pyramide à sommet plat La pyramide à sommet plat est préférée car elle peut être aisément formée en une passe d'une molette à tubes D'autres formes satisfaisant les relations décrites ici sont évidemment également envisagées. La hauteur (e) de chaque aspérité 14 est telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,004 pour un serpentin d'eau refroidie, en 22 pour un conden- seur et en 24 pour un évaporateur On peut voir sur ces graphiques que le rapport optimal de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) pour tous les tubes 10 échangeurs de chaleur est compris dans la plage de 0, 011 à 0,019, avec des rapports optimaux spécifiques de 0,0125 pour le serpentin d'évaporateur, de 0,0125 pour le serpentin de condenseur, de 0,019 pour le serpentin d'eau refroidie, de 0,015 pour le serpentin d'évaporateur multitubulaire à calandre et de 0,011 pour le serpentin de condenseur multitubulaire à calandre Les économies de matière représentent les économies portant sur la matière des tubes d'échange de chaleur pour une application donnée de transmission de chaleur par rapport à une surface inté- rieure lisse de tube de transmission de chaleur, ayant la même application de transmission de chaleur et la même épaisseur minimale de paroi de tube, pour établir la même pression d'éclatement. Comme montré sur la figure 3, l'écartement uniforme des aspérités 14 sur la surface intérieure 12 est déterminé par le pas P entre des points arbitraires, mais correspondants, sur des aspérités adjacentes 14 Le pas P est tel que le rapport du pas P à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 préféré du pas (P) à la hauteur de 3,0. La forme de l'aspérité 14 est également optimisée comme montré sur le graphique de la figure 5 o un rapport optimal de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) d'une aspérité est de 0,45, ce rapport étant compris dans la plage préférée de 0,35 à 0,65, et un rapport de la largeur à la base (b) au pas (P) des aspérités, égal à 0, 67, est optimal dans une plage préférée de 0,3 à 0,8 De plus, une pente (s) de la paroi latérale des aspérités est définie de façon unique par l'expression tg S = 2 e/(b-a) = 2/l(b/P)(P/e)( 1-a/b)l, avec une pente optimale de la paroi latérale qui est de préférence d'environ 320. Enfin, dans la forme préférée de réalisation, l'un des angles 26 de chaque aspérité 14 de forme pyrami- dale est de préférence orienté dans la direction de l'écoulement du fluide de transmission de chaleur comme indiqué par une flèche F sur la figure 2. On a décrit un tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, qui optimise la transmission de chaleur Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au tube décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention Ces modifications compren- nent un changement de la forme de la pyramide préférée, à sommet plat, pour d'autres formes géométriques dans le cadre des revendications De plus, l'écartement uniforme décrit pour la forme préférée de réalisation pourrait être modifié en un écartement uniforme à une seule dimension, en comparaison à l'écartement à deux dimensions illustré sur la figure 2. REVENDICATIONS 1 Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu' il comprend un tube ( 10) de tranmission de chaleur ayant une surface intérieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); et plusieurs aspérités ( 14) sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure, telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 e/D 0,045, chaque aspérité ayant la forme d'une pyramide à sommet plat. 2 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 e/D 3 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est approximativement égal à 0,0125, à 0,019, à 0,015 ou à 0,011. 4 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les aspérités sont espacées uniformément. Tube de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque aspérité est espacée des aspérités adjacentes d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 P/e 5,0. 6 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) est d'environ 3,0. 7 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque aspérité est configurée de façon à avoir une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente (s) de la paroi latérale telles que le rapport de la largeur au sommet (a) à la il largeur à la base (b) soit compris dans la plage de 0,35 l'écoulement du fluide à l'intérieur du tube de transmis- sion de chaleur. 9 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,004 10 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 e/D 11 Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu' il comprend un tube ( 10) de transmission de chaleur ayant une surface inté- rieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); plusieurs aspérités espacées ( 14) sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure et étant espacée des aspérités voisines d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 la paroi latérale soit définie par tg S = 2 e/(b-a). 12 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce le rapport du pas (P) à la hauteur (e) est approximativement égal à 3,0. 13 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 e/D 14 Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu'il comprend un tube ( 10) de transmission de chaleur ayant une surface inté- rieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); plusieurs aspérités ( 14) espacées uniformément sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure, une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente (s) de la paroi latérale, et chaque aspérité étant espacée des aspérités voisines et d'un pas (P) tel que le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) soit compris dans la plage de 0,35 2 e/(b-a). Tube de transmission de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) est approximativement égal à 0,45. 16 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le rapport de la largeur à la base (b) au pas (P) est approximativement égal à 0,67. 17 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque aspérité comporte un angle qui est dirigé dans l'écoulement du fluide de transmission de chaleur à l'intérieur du tube de transmission de chaleur. 18 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 e/D 0,019. 19 Tube de transmission de chaleur selon la revendication,14, caractérisé en ce que chaque aspérité est espacée des aspérités voisines d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu'il comporte un tube ( 10) de transmission de chaleur ayant une surface inté- rieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); plusieurs aspérités espacées ( 14) sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 (s) de la paroi latérale soit définie par tg S = 2 e/(b-a). 21 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 20, caractérisé en ce que chaque aspérité est espacée uniformément des aspérités adjacentes et présente une forme pyramidale. 22 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 e/D 0,019, le rapport du pas (P) à la hauteur (e) est approximativement égal à 3, le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) est approximativement égal à 0,45 et le rapport de la largeur à la base (b) au pas (P) est approximativement égal à 0,67. 23 Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu'il comprend un tube ( 10) de transmission de chaleur ayant une surface inté- rieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); plusieurs aspérités espacées ( 14) sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 e/D 0,045, et chaque aspérité est espacée de l'aspérité adjacente d'un pas (P) tel que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 P/e 5,0, chaque aspérité ayant une forme en pyramide à sommet plat ayant une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente (s) de la paroi latérale telles que le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) soit compris dans la plage de 0,35 a/b 0,65, que le rapport de la largeur à la base (b) au pas (P) soit compris dans la plage de 0, 3 b/P 2 e/(b-a). 24 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 23, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 e/D 0,019. Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu'il comprend un tube ( 10) de transmission de chaleur ayant une surface inté- rieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); plusieurs aspérités espacées ( 14) sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au-dessus de la surface intérieure telle que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) soit compris dans la plage de 0,004 2 e/(b-a). 26 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 25, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011 27 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 25, caractérisé en ce que chaque aspérité est espacée uniformément des aspérités adjacentes. 28 Tube de transmission de chaleur assistée intérieurement, caractérisé en ce qu'il comprend un tube ( 10) de tranmission de chaleur ayant une surface intérieure ( 12) et un diamètre intérieur (D); plusieurs aspérités espacées ( 14) sur la surface intérieure du tube de transmission de chaleur, chaque aspérité ayant une hauteur (e) au- dessus de la surface intérieure, une largeur au sommet (a), une largeur à la base (b) et une pente (s) de la paroi latérale et chaque aspérité étant espacée des aspérités adjacentes d'un pas (P) tels que le rapport du pas (P) à la hauteur (e) soit compris dans la plage de 2,5 la pente de la paroi latérale est définie par tg S = 2 e/(b- a). 29 Tube de transmission de chaleur selon la revendication 28, caractérisé en ce que le rapport de la largeur au sommet (a) à la largeur à la base (b) est d'environ 0,45, le rapport de la largeur à la base (b) au pas (P) est d'environ 0,67 et le rapport du pas (P) à la hauteur (e) et d'environ 3. Tube de transmission de chaleur selon la revendication 28, caractérisé en ce que le rapport de la hauteur (e) au diamètre intérieur (D) est compris dans la plage de 0,011