Brevet FR2740209A1 — publié le 19970425

La présente invention concerne un ensemble pour échangeur de chaleur tubulaire et un échangeur de chaleur comprenant cet ensemble. L'invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur léger, compact, présentant un bon rendement énergétique et une bonne tenue en température ainsi que des pertes de charge réduites. A cet effet, l'invention a pour objet un ensemble pour échangeur de chaleur, du type comprenant un organe tubulaire de circulation d'un premier fluide caloporteur, séparant ce premier fluide d'un espace environnant de circulation d'un second fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'au moins un tronçon de l'organe tubulaire a une section transversale externe polygonale, notamment hexagonale. Suivant d'autres caractéristiques de cet ensemble pour échangeur de chaleur - des ailettes d'échange thermique sont agencées sur le contour externe d'au moins un tronçon de l'organe tubulaire - les ailettes sont contenues dans une enveloppe tubulaire imaginaire de section transversale polygonale, notamment hexagonale - l'ensemble comporte des éléments de création de turbulence disposés au contact d'un des fluides caloporteurs. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs ensembles pour échangeur de chaleur tels que définis ci-dessus. Selon une autre caractéristique de cet échangeur de chaleur, les ensembles sont juxtaposés entre eux, parallèlement entre eux, de manière à former une enceinte annulaire délimitant un logement intérieur pour au moins un organe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un ensemble pour échangeur de chaleur selon l'invention - la figure 2 est une vue, à échelle agrandie, en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 - la figure 3 est une vue, à échelle agrandie, en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1 - la figure 4 est une vue similaire à la figure 1 montrant une variante de réalisation du fil sur lequel sont enfilés les éléments de création de turbulence - la figure 5 est une vue en coupe diamétrale d'une variante de réalisation d'un élément de création de turbulence - la figure 6 est une vue en coupe d'un échangeur de chaleur selon l'invention comprenant plusieurs ensembles pour échangeur de chaleur, la coupe étant réalisée suivant un plan transversal à ces ensembles - la figure 7 est une vue schématique d'une installation selon 1 invention d'échangeurs de chaleur. On a représenté sur la figure 1 un ensemble pour échangeur de chaleur selon l'invention désigné par la référence générale 10. Cet ensemble 10 comprend un organe tubulaire 12 de circulation d'un premier fluide caloporteur, par exemple de l'air chaud, séparant ce premier fluide d'un espace environnant 14 de circulation d'un second fluide caloporteur, par exemple de l'air froid. Ce second fluide circule notamment à contre-courant du premier fluide. L'ensemble 10 pour échangeur de chaleur comprend de plus des éléments 16 de création de turbulence logés dans l'organe tubulaire 12, au contact du premier fluide caloporteur. Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, l'organe tubulaire 12 a une section transversale interne sensiblement circulaire. Le contour externe de l'organe tubulaire 12 comporte des ailettes radiales 18 d'échange thermique agencées sur un tronçon central TC de cet organe tubulaire. Les ailettes 18 sont rapportées ou venues de matière sur l'organe tubulaire 12. De préférence, l'organe tubulaire 12 comporte des tronçons d'extrémité TE ayant une section transversale externe polygonale, notamment hexagonale. Les ailettes 18 sont contenues dans une enveloppe tubulaire imaginaire de section transversale polygonale, notamment hexagonale. Cette enveloppe imaginaire est dans le prolongement du contour externe des tronçons d'extrémité TE. Les tronçons d'extrémité TE sont reliés au tronçon central TC par des tronçons de liaison TL en retrait radialement par rapport aux tronçons central et d'extrémité. Les tronçons de liaison TL ont par exemple une section transversale externe circulaire. Les deux bouts de l'organe tubulaire 12 sont munis de filetages 20 de raccordement de cet organe 12 à un circuit de circulation du premier fluide caloporteur. Les éléments 16 de création de turbulence ont des formes sphéroïdales, ovoïdales, discoïdales, en "cacahuète", en "coupelle" ou similaires. De préférence, ces éléments 16 ont des dimensions sensiblement identiques. Les éléments 16 de création de turbulence illustrés sur les figures sont sensiblement sphériques. Sur les figures 1 à 4, la surface externe des éléments 16 est lisse. La surface externe de la variante de l'élément 16 représentée à la figure 5 est munie d'évidements 22. De préférence, ces évidements sont semisphériques. Les évidements 22 optimisent le rendement énergétique de l'ensemble 10 pour échangeur de chaleur et diminuent les pertes de charge dans cet ensemble 10. En variante, les évidements peuvent être remplacés par des saillies. Afin notamment de réduire la masse des éléments 16 de création de turbulence, ces derniers sont de préférence creux et éventuellement munis de perçages traversants 24, comme cela est représenté sur la figure 5. Ces caractéristiques permettent également d'augmenter la turbulence et d'optimiser les échanges de chaleur. L'organe tubulaire 12 est muni à ses deux bouts d'organes de retenue 26 percés pour permettre le passage du premier fluide caloporteur. Ces organes 26 retiennent les éléments 16 de création de turbulence à l'intérieur de l'organe tubulaire. De préférence, les organes de retenue 26 sont démontables. Dans l'exemple illustré sur les figures, les éléments 16 de création de turbulence ont un diamètre qui est compris entre le diamètre interne de l'organe tubulaire 12 et le rayon interne de cet organe. Dans le cas d'éléments 16 de création de turbulence ayant une autre forme que celle illustrée, on veillera de préférence à ce que la dimension de ces éléments, transversale à l'axe de l'organe tubulaire, soit comprise entre la dimension transversale interne de cet organe tubulaire et la moitié de cette dimension interne. En se référant aux figures 1 et 4, on voit que les éléments 16 de création de turbulence sont disposés dans l'organe tubulaire 12 de manière à former une hélice s'enroulant autour de l'axe X de cet organe 12. Les éléments 16 de création de turbulence sont enfilés, de préférence de façon démontable, sur un fil 28 souple ou rigide, par exemple torsadé. De cette façon, le positionnement des éléments 16 de création de turbulence est prédéterminé et reproductible. Sur la figure 1, le fil 28 est rectiligne et s'étend à travers des perçages excentrés ménagés dans les éléments 16, de manière que ces derniers soient disposés en hélice autour du fil 28. Dans le cas de la variante illustrée à la figure 4, le fil 28 est enroulé en hélice et s'étend à travers des perçages centraux ménagés dans les éléments 16. De préférence, les extrémités du fil 28 sont reliés de façon démontable aux organes de retenue 26 de l'organe tubulaire. En se référant aux figures 1 et 4, on voit qu'au moins une extrémité du fil 28 est reliée à des organes de retenue 26 par l'intermédiaire de moyens élastiques, par exemple un ressort 30. Ce ressort 30, coaxial à l'axe X de l'organe tubulaire, est disposé de préférence au bout froid de l'échangeur. Le ressort 30 permet, lorsque le premier fluide caloporteur circule à l'intérieur de l'organe tubulaire 12, de créer un mouvement vibratoire des éléments 16 qui, éventuellement, s'ajoute à des mouvements vibratoires créés par des organes disposés dans l'environnement de l'ensemble 10. Ce mouvement vibratoire augmente la turbulence du fluide circulant dans l'organe tubulaire, ce qui facilite le transfert de chaleur entre les deux fluides caloporteurs et optimise le rendement énergétique de l'ensemble 10 pour échangeur de chaleur. Le mouvement vibratoire permet également d'éviter l'encrassement éventuel des éléments 16 de création de turbulence et de l'organe tubulaire. On peut maitriser le régime vibratoire en sélectionnant une raideur du ressort 30 adaptée. On notera que l'allégement des éléments 16 de création de turbulence, résultant du fait que ces derniers sont creux ou/et munis de perçages traversants, facilite le mouvement vibratoire de ces éléments 16. L'organe tubulaire 12, notamment les ailettes 18, est en métal ou en matériau réfractaire tel que de la céramique. De même, les éléments 16 de création de turbulence et/ou le fil 28 sont en métal ou en matériau réfractaire tel que de la céramique. Sur la figure 6, on a représenté schématiquement un échangeur de chaleur 32 comprenant plusieurs ensembles 10 pour échange de chaleur selon l'invention. Les ensembles 10 sont juxtaposés entre eux de manière à former une enceinte 34, de forme générale annulaire, délimitant un logement intérieur 36 dans lequel est disposé un organe quelconque 40. On notera que la forme générale hexagonale du contour externe des organes tubulaires 12 est particulièrement bien adaptée à la juxtaposition compacte des ensembles 10 d'échange de chaleur, parallèlement entre eux. Les ensembles 10 d'échange de chaleur sont reliés entre eux, en série ou en parallèle, par des moyens classiques. L'échangeur de chaleur 32, comprenant plusieurs ensembles 10 selon l'invention, peut avoir des formes générales variées, différentes de la forme annulaire représentée à la figure 6. On a représenté sur la figure 7 une installation 42 comprenant deux échangeurs de chaleur 44,46 raccordés en série. Chaque échangeur 44,46 comprend au moins un ensemble 10. L'organe tubulaire 12 d'un premier échangeur 44 est en céramique et l'organe tubulaire 12 du second échangeur 46 est en métal. Dans l'exemple illustré, le premier échangeur 44 est muni d'ensembles 10 juxtaposés dont au moins les organes tubulaires 12 sont en céramique, et le second échangeur 46 est muni d'ensembles 10 juxtaposés dont au moins les organes tubulaires 12 sont en métal. On peut ainsi disposer les deux échangeurs 44,46 en fonction des températures, de telle façon que les ensembles 10 les moins sensibles aux contraintes thermo-mécaniques, à savoir les ensembles comportant un organe tubulaire 12 en céramique, soient soumis aux températures les plus élevées, et les ensembles favorisant le mieux l'échange de chaleur, à savoir les ensembles comportant un organe tubulaire 12 en métal, soient soumis aux températures les plus basses. Suivant une première variante, le ou les organes tubulaires d'au moins un échangeur 44,46 peuvent être remplacés par un ou des organes creux quelconques, notamment un organe creux d'échangeur couramment appelé "échangeur à plaque", cet ou ces organes creux étant en céramique dans le cas du premier échangeur 44 et en métal dans le cas du second échangeur 46. Suivant une seconde variante, les deux échangeurs de chaleur 44,46 peuvent comporter des organes tubulaires fabriqués dans un matériau identique, en métal ou en céramique. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation illustrés sur les figures. En particulier, les éléments de création de turbulence peuvent comporter, en combinaison ou séparément, des saillies ou des évidements externes, ou encore des perçages d'allégement. Les éléments de création de turbulence peuvent être pleins ou creux. Les éléments de création de turbulence d'un ensemble pour échangeur de chaleur peuvent également être disposés à l'extérieur de l'organe tubulaire, au contact du second fluide caloporteur, sans sortir du cadre de l'invention. L'invention comporte de nombreux avantages. Le contrôle et l'entretien d'un ensemble pour échangeur de chaleur selon l'invention est facilité par les organes de retenue 26 et les éléments 16 de création de turbulence démontables. L'ensemble pour échangeur de chaleur selon l'invention est léger, compact et présente un bon rendement énergétique, des pertes de charges réduites et une bonne tenue en température. Ainsi, le rapport entre, d'une part, la différence de température entre la sortie et l'entrée au bout froid de l'ensemble pour échangeur de chaleur, et d'autre part, la différence de température entre l'entrée au bout chaud et l'entrée au bout froid de cet ensemble, peut atteindre, voire dépasser, 0,9. Les pertes de charge peuvént être inférieures à 7 %. Un ensemble pour échangeur de chaleur selon l'invention peut résister à des températures pouvant atteindre, voire dépasser, 13000C. L'échangeur de chaleur selon l'invention peut être utilisé avantageusement pour le traitement thermique des gaz d'admission dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz, en utilisant comme gaz de réchauffement les gaz d'échappement ou de sortie à l'étage de la turbine. Les caractéristiques d'étanchéité, de résistance à l'encrassement, de durée de vie et de prix de revient réduit de l'échangeur de chaleur selon l'invention sont particulièrement bien adaptées à son utilisation dans l'industrie automobile. REVENDICATIONS 1. Ensemble pour échangeur de chaleur, du type comprenant un organe tubulaire (12) de circulation d'un premier fluide caloporteur, séparant ce premier fluide d'un espace environnant (14) de circulation d'un second fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'au moins un tronçon (TE) de l'organe tubulaire (12) a une section transversale externe polygonale, notamment hexagonale. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que des ailettes (18) d'échange thermique sont agencées sur le contour externe d'au moins un tronçon (TC) de l'organe tubulaire (12). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes (18) sont contenues dans une enveloppe tubulaire imaginaire de section transversale polygonale, notamment hexagonale. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments (16) de création de turbulence disposés au contact d'un des fluides caloporteurs. 5. Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs ensembles (10) pour échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ensembles (10) sont juxtaposés entre eux, parallèlement entre eux, de manière à former une enceinte annulaire (34) délimitant un logement intérieur (36) pour au moins un organe (40).