Brevet FR2708492A1 — publié le 19950210

"Procédé et installation pour la fabrication de tubes d'échangeur de chaleur et tubes obtenus" La présente invention concerne un procédé pour la fabrication pour réaliser un tube pour un échangeur de chaleur, tube dont la surface intérieure est plus grande que la surface extérieure pour favoriser l'échange thermique, procédé selon lequel on part d'une bande de métal dont l'une des faces constituera la surface intérieure du tube, on travaille cette face de la bande de métal puis on forme le tube et on le soude. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé et les produits obtenus. I1 existe actuellement plusieurs procédés pour fabriquer des tubes d'échangeur de chaleur (en général en cuivre), dont la surface intérieure soit améliorée pour augmenter l'efficacité du transfert thermique. L'un des procédés les plus anciens pour fabriquer de tels tubes consiste à partir d'un tube à surfaces extérieure et intérieure lisses et à l'étirer sur un mandrin flottant maintenu en place par exemple par un champ magnétique ; ce mandrin peut tourner librement autour de son axe longitudinal. Il comporte des ailettes hélicoïdales qui gravent la surface intérieure du tube. Un second procédé consiste à réaliser le tube par formage d'une bande préalablement striée longitudinalement par laminage ; la bande ainsi formée est soudée en continu. Ces deux procédés permettent d'obtenir un tube dont la surface intérieure est plus grande que celle d'un tube lisse de même diamètre pour améliorer la transmission thermique et permettre de réduire l'encombrement et le poids nécessaires d'un échangeur pour une même puissance. Selon les calculs dans le meilleur des cas, on peut avoir un rapport entre la surface intérieure et la surface extérieure qui soit de 1,6 à 1,73. La présente invention a pour but d'améliorer les caractéristiques d'échange thermique d'un tube et notamment d'augmenter le rapport entre la surface intérieure et la surface extérieure du tube, sans nécessiter des installations complexes. A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on réalise dans la face de la bande qui constituera la surface intérieure du tube, des traces en relief en frappant cette face avec un outil de frappe à empreintes contre une enclume pendant que l'on fait avancer la bande en concordance avec le mouvement de frappe de 1' outil. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir d'un manière extrêmement simple un tube dont la surface intérieure peut être dans un rapport de 1,9 et plus à la surface extérieure du tube. Pour favoriser l'échange thermique on peut réaliser des formes de surfaces de tubes relativement complexes, irréalisables par étirage ou laminage. L'installation et l'outillage nécessaires à la fabrication de telles formes de tubes d'échangeur thermique sont particulièrement intéressants ; en effet l'outil procédant par martelage, avec avancée correspondante, notamment synchronisée de la bande, est particulièrement simple et efficace ; le changement d'outil ne présente aucun problème par exemple suivant la nature et la caractéristique des fluides passant dans les tubes. Il est particulièrement intéressant que les outils comportent des empreintes en relief, de forme sphérique pour réaliser des traces sphériques dans la bande. Ces empreintes sphériques peuvent être soit tangentes soit être sécantes et au quel cas les calottes sphériques des empreintes communiquent en dessous de la surface de la bande. Les empreintes peuvent également être distantes les unes des autres. Dans le cas d'empreintes hémisphériques tangentes, on démontre que l'augmentation de surface obtenue est indépendante du diamètre choisi pour les demi-sphères. Comme par ailleurs latéralement la bande comporte un bord non attaqué par l'outil de frappe, il n'y a aucun inconvénient à souder la bande une fois mise en forme de tube, car on dispose de toute l'épaisseur du tube pour la soudure. La forme des cavités est également choisie en fonction de la vitesse d'écoulement du fluide à l'intérieur du tube, pour créer des conditions d'écoulement favorables à l'échange de chaleur à travers la paroi du tube, entre le fluide circulant dans le tube et celui balayant la surface extérieure du tube. Dans le cas déjà évoqué ci-dessus de cavités sphériques, il subsiste entre les cavités, des zones en relief ayant une forme plus ou moins pyramidale, favorisant également l'échange de chaleur. Il est également à remarquer que ce type de surface donne lieu à moins de rétention de fluide que les surfaces faites de gorges et de rainures, diminuant nettement dans ce dernier cas l'échange thermique. En résumé le procédé selon l'invention permet non seulement d'améliorer considérablement les caractéristiques d'échange thermique par augmentation du rapport entre la surface intérieure et la surface extérieure d'un tube mais également par les conditions de circulation du fluide à l'intérieur du tube. Ce procédé permet de réaliser des surfaces irréalisables par laminage classique de la bande. Cependant, dans le cas de surfaces réalisables par laminage le procédé permet de réaliser des outils nettement moins onéreux que des cylindres classiques. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1A est une vue en coupe longitudinale partielle d'un premier mode de réalisation d'un tube échangeur de chaleur selon l'art antérieur. - la figure 1B est une coupe transversale correspondant à la figure 1A. - la figure 2A montre en coupe longitudinale partielle un second mode de réalisation d'un tube échangeur de chaleur selon l'art antérieur. - la figure 2B est une vue en coupe transversale du tube selon la figure 2A. - la figure 3 est une vue en plan d'une partie de bande pour fabriquer un tube d'échangeur de chaleur selon 1' invention. - la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3. - la figure 5 est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'une bande. - la figure 6 est une coupe axiale de la figure 5. - la figure 7 est un schéma synoptique du procédé de l'invention. - la figure 8 est une vue schématique du procédé ou d'une installation de fabrication de tubes échangeurs selon l'invention. - la figure 9 est une vue de dessus du poste de frappe de l'installation selon l'invention. Les figures 1A et 1B montrent un tube d'échangeur de chaleur 1 réalisé selon un premier procédé connu qui, au départ, était un tube lisse, par exemple un tube en cuivre auquel on a fait subir une opération d'étirage sur un mandrin flottant muni d'ailettes gravant les rainures 2 dans la surface intérieure. Cette gravure augmente la surface intérieure par rapport à la surface extérieure. La figure 1B montre la structure crénelée de ce tube. Comme le mandrin est flottant et qu'il peut tourner sur lui-même les gorges ou rainures ainsi taillées dans la surface intérieure du tube ont en général une forme hélicoïdale. La figure 2 montre un second mode de réalisation d'un tube 3 obtenu à partir d'une bande de cuivre dont une face a été laminée pour présenter des gorges longitudinales. Cette bande a été mise en forme de tube puis soudée. La figure 3 montre les gorges longitudinales 4 de la surface intérieure du tube 3. La figure 3 est une vue en plan d'une bande martelée selon l'invention puis formée en tube et soudée. Ce segment de bande 5 en cuivre, aluminium ou autre métal bon conducteur de la chaleur porte des traces 6 en forme de cuvettes ou dans ce cas de calottes sphériques tangentes. Seul un certain nombre de ces cuvettes a été représenté. Toutefois l'ensemble de la surface 7 comprise entre les lignes fictives 8 et 9 est occupé par de telles cuvettes. Les lignes fictives 8 et 9 constituent la frontière de la surface munie de traces dans la bande 5 car au niveau de chaque bord, il reste une bande 10, 11 non munie de traces, même en partie, de façon à conserver toute l'épaisseur de la bande pour faciliter le soudage. La bande peut également comporter des canaux transversaux 30 pour favoriser la circulation de fluide. La figure 4 est une vue en coupe de la bande au niveau de la ligne de coupe 80-80 de la figure 3. Cette vue en coupe montre la forme des traces 6. L'examen des figures 3 et 4 montre également qu'entre les traces 6 en forme de calottes, il subsiste des zones de section triangulaire 12 de forme prismatique qui favorisent également l'échange de chaleur entre le fluide circulant à l'intérieur du tube et le fluide extérieur. Selon la variante de la figure 5, la trace dans la bande 40 est constituée par des rainures 41 de section semi-circulaire. Les rainures 41 peuvent se prolonger jusqu'au bord 42 (côté gauche de la figure 5) ou laisser une rive vierge 42 (côté droit). Ces deux variantes ont été représentées pour simplifier, dans la même figure 5. L'outil pour réaliser cette forme de trace est d'une réalisation particulièrement simple. Selon l'invention (figure 7) le procédé consiste à partir d'une bande de matière bonne conductrice de chaleur notamment d'une bande de cuivre, de travailler (I) cette bande pour réaliser dans l'une des faces, des cavités ou des traces augmentant de manière importante le rapport entre la surface effec tive de cette face et la surface effective de l'autre face. Selon 1 invention on atteint ainsi un rapport de l'ordre de 1,9 et plus. Après ce travail de la face, la bande est mise en forme de tube (II) qui est alors soudé (III). Ces trois opérations (I, II, III) sont représentées schématiquement par les blocs de la figure 7. La figure 8 donne une vue plus explicite du procédé et de l'installation de l'invention. Une bande de section générale rectangulaire 20 est fournie par des moyens d'entraînement et d'alimentation représentés schématiquement par des cylindres 21, dans le sens de la flèche A. En pratique la commande de mouvement de la bande se fera par des pinces à mouvement de va-et-vient serrant la bande pour la faire avancer du pas choisi. Cette bande pénètre dans le poste de martelage comprenant une enclume 23 et un outil 24. L'enclume 23 est fixe et constitue un appui contre lequel l'outil 24 frappe la bande 20. Cet outil 24 porte sur sa face inférieure des empreintes 25 destinées à former les traces ou cavités dans la face correspondante de la bande 20. L'outil 24 effectue un mouvement alternatif de montée et de descente et la bande 20 effectue un mouvement d'avancée également alternatif, pendant les intervalles lorsque l'outil 24 est soulevé de la bande 20. Par contre il n'y a aucune difficulté à ce que l'enclume 23 reste en place puisque sa surface est lisse et que la surface correspondante de la bande 20 est également lisse. Le mouvement d'avance de la bande 20, assuré par les moyens 21, est commandé en fonction du mouvement de montée et de descente de l'outil 24. Cela signifie que la bande 20 ne peut avancer que lorsque les empreintes 25 de l'outil 24 sont dégagées de la bande 20. Le degré d'avance de la bande 20 pendant cet intervalle est choisi en fonction de la forme que l'on veut obtenir pour les traces laissées par les empreintes. Dans la mesure où la répartition des empreintes sur la surface inférieure de l'outil 24 est régulière suivant un certain pas, si la bande 20 avance du même pas que celui qui correspond à la répartition des empreintes 25, à chaque avancée, l'outil 24 crée une nouvelle trace et certaines des traces déjà faites reçoivent une nouvelle fois les empreintes 25. Les traces ainsi réalisées dans la bande ne se chevauchent pas. Elles seront au plus tangentes si les empreintes le sont ; elles peuvent également être sécantes ou distantes. Si le pas d'avance relative de la bande 20 est inférieur au pas des empreintes 25 de l'outil 24, les traces mordent les unes sur les autres et communiquent. Grâce à un choix particulier de la forme de l'outil (forme sensiblement en V renversé) dont la pointe est tournée vers l'amont dans le sens de défilement de la bande 20 (vers la gauche sur la figure 8) cela permet d'écraser et d'étaler progressivement la bande, transversalement par martelage pour éviter les contraintes internes et obtenir une bande régulière aboutissant finalement à un tube de forme régulière. Bien que de manière générale, l'installation comporte des postes de martelage, de formage et de soudage, il est envisageable de séparer les opérations en effectuant d'une part le formage par martelage et en mettant d'autre part les bandes en forme de tubes et en les soudant séparément. La figure 9 est une vue de dessus de l'outil 24 et des empreintes 25 portées par la face inférieure de cet outil, vues par transparence à travers l'outil 24. Les empreintes 25 sont réparties transversalement et leur nombre va en pointe vers la gauche c'est-à-dire dans la direction de l'amont du ruban 20. Plusieurs rangées d'empreintes 25 vont d'un côté à l'autre de la bande en laissant néanmoins une bordure 10, 11 vierge de chaque côté (bordure servant au soudage). Dans le cas de la figure 9 on a ainsi deux rangées complètes de cinq empreintes séparées par une rangée intermédiaire de quatre empreintes ; cette dernière ne peut être complète car elle dépasserait des deux côtés par rapport aux autres empreintes 25 et mordrait sur les bordures 10, 11. L'empreinte 25 à gauche amorce la déformation de la bande, et cette déformation se poursuit par les traces réalisées par les empreintes latérales, la déformation de la bande par le refoulement de la matière se poursuit ainsi de l'axe de la bande vers ses bords et suivant son défilement. L'outil peut également comporter une empreinte en une ou plusieurs parties réalisant des canaux en biais comme les canaux 30 représentés à la figure 3. En poursuivant l'examen du procédé selon la figure 8, en sortie du poste de frappe, la bande 20' maintenant transformée est mise en forme de cylindre allongé, ouvert. Ce cylindre est soudé longitudinalement suivant la ligne de soudure 26. La bande peut également être soumises à différentes opérations accessoires comme des opérations de recuit en continu, de nettoyage et de cisaillage des rives. De manière générale le procédé et l'installation selon l'invention s'appliquent à la fabrication de tubes d'échangeurs de chaleur, par exemple pour le conditionnement d'air ou la réfrigération. Les tubes généralement en cuivre peuvent également être en aluminium ou d'autres métaux de conductivité thermique suffisante. REVENDICATIONS 1) Procédé pour réaliser un tube notamment en cuivre, aluminium ou autre métal conducteur de la chaleur pour un échangeur de chaleur, tube dont la surface intérieure est plus grande que la surface extérieure pour favoriser l'échange thermique, procédé selon lequel on part d'une bande de métal dont l'une des faces constituera la surface intérieure du tube, on travaille cette face de la bande de métal puis on forme le tube et on le soude, procédé caractérisé en ce qu'on réalise dans la face de la bande (20) qui constituera la surface intérieure du tube, des traces en relief en frappant cette face avec un outil de frappe (24) à empreintes (25) contre une enclume (23) pendant que l'on fait avancer la bande en concordance avec le mouvement de frappe de l'outil. - on met la bande en forme de tube (20') et on soude le tube. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait avancer la bande (20) en synchronisme avec le mouvement de l'outil de frappe (24). 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise des empreintes (25) en forme de calottes sphériques tangentes. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise des empreintes en forme de calottes sphériques sécantes. 5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les empreintes en laissant subsister le long de chacun des deux bords de la bande une zone sans empreinte pour la soudure. 6) Installation pour la fabrication de tubes d'échangeur thermique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, installation caractérisée en ce qu'elle se compose d'un poste de frappe comprenant une enclume (23) et un outil de frappe (24) ainsi que des moyens d'entraînement commandés (21) de la bande de métal vierge (20) pour faire passer cette bande dans l'intervalle séparant l'outil (24) de l'enclume (23), et des moyens de commande du mouvement de l'outil (24), un poste de formage pour mettre la bande en forme de tube (20') et un poste de soudage pour souder le tube (26). 7) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'outil de frappe (24) comporte une surface munie de parties (empreintes) (25) en relief, par exemple de forme sphérique, réparties suivant un pas donné et dont le nombre allant croissant pour s'étaler pratiquement sur toute la largeur de la bande en augmentant de l'amont vers l'aval dans le sens de défilement de la bande (20) à frapper. 8) Tube d'échangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il résulte du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou qu'il est obtenu à l'aide de l'installation selon la revendication 7.