Brevet FR2795168A1 — publié le 20001222

L'invention a trait à un élément d'échange thermique, tel qu'un tube ou une plaque, et à son procédé de fabrication, ainsi qu'à un échangeur de chaleur incorporant un tel élément. Dans le domaine des échangeurs de chaleur, il est connu, notamment de FR-A-2 706 197, de réaliser un tube dont la surface interne est pourvue de nervures permettant d'augmenter la surface d'échange entre le tube et le fluide qu'il contient et d'améliorer ainsi le coefficient d'échange thermique avec le fluide, que celui-ci soit monophasique ou diphasique. En pratique, le coefficient d'échange thermique en phase diphasi- que entre un tube lisse en métal, tel qu'un tube en cuivre, et un fluide caloporteur, tel que du di-fluoro-chlorométhane, varie entre 1500 et 3000 W/m2/ C en fonction du flux thermique transféré, c'est-à-dire en fonction de la nature du fluide dans lequel baigne le tube qui peut être un liquide ou un gaz. En utilisant des nervures internes au tube, ce coefficient peut être porté jusqu'à des valeurs comprises entre environ 3 800 W/m2/ C et environ 6000 W/m2/ C selon les cas, ce qui constitue une augmentation sensible. Cependant, pour certaines applications au moins, il conviendrait d'augmenter encore la valeur de ce coefficient afin d'améliorer le rendement d'un échangeur de chaleur incorporant de tels tubes. Or, le coefficient d'échange thermique en phase diphasique peut être décomposé sous la forme suivante h = (h convn + h n) l/n (1) o OU - hconv est le coefficient d'échange thermique par convection; - h n est le coefficient d'échange thermique par ébullition et - n est un nombre compris entre 1 et 3. On a pu montrer expérimentalement que le coefficient d'é- change thermique par ébullition est environ le double du coefficient d'échange thermique par convection dans les mêmes conditions. Ainsi, pour augmenter la valeur du coefficient d'échange thermique global d'un tube avec un fluide, il importe essentiellement d'augmenter la valeur du coefficient d'échange thermique par ébullition. Des problèmes analogues se posent pour les plaques d'échanges thermiques. L'invention vise à augmenter la valeur du coefficient d'échange thermique d'un tube, pour sa partie interne, ou d'une plaque, pour son côté évaporatif ou diphasique, sans pour autant augmenter de façon gênante le coefficient de frottement du fluide sur la surface interne du tube ou de la plaque, afin de limiter les pertes de charge induites. Dans cet esprit, l'invention concerne un élément d'échange thermique pourvu de nervures, caractérisé en ce que certaines au moins de ces nervures ont un profil asymétrique, le sommet du profil de ces nervures étant en déport par rapport à la base de ce profil. Grâce à l'invention, les espaces définis entre deux nervures adjacentes du tube ou de la plaque apparaissent, sur un côté, comme une cavité rentrante, c'est-à-dire avec une cloison inclinée vers l'intérieur, ce qui permet d'augmenter sensiblement le coefficient d'échange thermique. En effet, les valeurs numériques pour un tube en cuivre, baigné par de l'air et muni d'ailettes ou baigné par de l'eau et dépourvu d'ailettes, et un fluide caloporteur du type di- fluoro-chlorométhane sont les suivantes: Pour un flux faible, notamment inférieur à 10 kW/m2, - h conv = 2 500 W/m2/OC - h nb= + 10 000 W/m2/ C. En utilisant l'équation (1) précédente avec n égal à 2, on obtient: h = + (2 5002 + 10 0002) 1/2 = + 10 300 W/m2/ C. 30. Pour un flux important, notamment supérieur à 20 kW/m2, - h on, = 6 000 W/m2/ C - h nb: 14 000 W/m2/ C En utilisant l'équation (1) précédente avec n égal à 2, on obtient: h = + (6 0002 + 14 0002)1/2 = 15 000 W/m2/ C Ces valeurs sont près de deux fois supérieures aux valeurs mentionnées ci-dessus. Pour une plaque, et selon une même approche, on peut obtenir un coefficient d'échange thermique supérieur à 000 W/m2/ C. Par "cavité rentrante", on entend une cavité dont les bords sont refermés au niveau de leur ouverture par rapport à leur fond. Une telle cavité a tendance à "emprisonner" le fluide qu'elle contient, ce qui favorise la création de bulles de vapeur et l'augmentation des échanges thermiques. Selon des variantes de réalisation avantageuses de l'invention, on peut prévoir que: - les faces latérales du profil avant mise en forme sont sensiblement rectilignes; - les faces latérales du profil avant mise en forme sont globalement courbes, les rayons de courbure de deux faces d'une nervure étant différents; - les faces latérales du profil avant mise en forme sont globalement courbes, les centres de courbure de deux faces d'une nervure étant décalés. Quel que soit le mode de réalisation considéré, on peut prévoir que le déport du sommet est modifiable par écrasement des nervures. Selon une autre approche, l'invention peut être définie comme concernant un tube d'échange thermique pourvu de nervures internes, caractérisé en ce que certaines au moins des nervures ont un profil tel que les espaces définis entre les nervures ont une ouverture vers le centre du tube décalée angulairement par rapport au fond de ces espaces. Grâce à l'invention, les espaces entre nervures sont autant de cavités rentrantes, sur un côté au moins, ce qui favorise d'autant les échanges thermiques et permet d'atteindre les valeurs de coefficient d'échange thermique précitées. Selon un aspect avantageux de l'invention, la largeur de l'ouverture des espaces entre nervures est inférieure à celle de leur fond. Ceci augmente l'effet de "cavité rentrante" obtenu. L'invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant un élément ou tube tel que précédemment décrit dont le rendement thermique est sensiblement meilleur que l'art antérieur. L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'un tube ou d'une plaque du type précité et, plus spécifiquement, un procédé qui consiste à réaliser un écrasement des nervures en rabattant le sommet du profil de chaque nervure en direction d'une surface de base de l'élément, en déport par rapport à la base du profil. Ce procédé permet de créer, entre les nervures, des espaces dont un côté se rapproche de la géométrie d'une cavité rentrante. Avantageusement, dans le cas d'un tube, cet écrasement est réalisé lors du sertissage d'ailettes sur la face externe du tube. La combinaison des deux opérations permet d'obtenir la fonction supplémentaire recherchée sans augmentation sensible du prix de revient du tube. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un tube d'échange thermique conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe transversale partielle d'un tube d'échange thermique conforme à l'invention, lors d'un premier stade de fabrication; - la figure 2 est une coupe analogue à la figure 1 lors d'un second stade de fabrication; - la figure 3 est une coupe longitudinale du tube des figures 1 et 2 lors de l'étape de fabrication de la figure 2, on y a indiqué en I-I et II-II respectivement les plans de coupe des figures 1 et 2; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 1, pour un tube conforme à un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue à plus grande échelle d'un profil de nervure visible à la figure 4 et - la figure 6 est une vue analogue à la figure 2 pour le tube du second mode de réalisation représenté à la figure 4. Le tube 1 représenté à la figure 1 est à profil globale- ment cylindrique, centré sur un axe XX'. On note la la surface interne du tube et lb sa surface externe. Sur sa surface interne la, le tube 1 est pourvu de nervures 2 dont le profil P, c'est-à-dire la section perpendiculaire à l'axe XX', est sensiblement triangulaire, ses faces latérales P1 et P2 étant rectilignes avant sertissage. On note S le sommet du profil P, ce sommet étant la trace d'une arête interne des nervures 2 qui peut être rectiligne ou hélicoïdale en fonction de la géométrie choisie pour les nervures. On note R le rayon reliant l'axe XX' au bord latéral L de la base B de chaque nervure 2 le plus proche du sommet S. Le sommet S de chaque nervure est en déport par rapport à la base B du profil P, c'est-à-dire est situé à l'opposé de la base B de ce profil par rapport au rayon R correspondant. Ainsi, lorsqu'une olive 3 est disposée à l'intérieur du tube pour expandre celui-ci de façon à sertir des ailettes 4, comme représenté aux figures 2 et 3, les nervures 2 sont écrasées d'une manière telle que le sommet S de chaque nervure est rabattu vers la surface la du tube 1, du côté du bord L de chaque nervure, en débordement de la base B correspondante. On note E l'espace défini entre deux nervures contiguës. Sur la gauche de chaque espace E aux figures 1 et 2, la forme de la nervure 2 qui le jouxte est telle que l'espace E ressem- ble à une cavité rentrante dans laquelle le contact thermique entre le fluide qui circule dans le tube et la paroi 1 interne la du tube est optimisé, en particulier lors de l'ébullition dans le cas d'une utilisation avec un fluide diphasique. On note dl la largeur du fond F de chaque espace E. On note d2 la largeur de l'ouverture O de chaque espace E en direction de l'axe XX'. L'ouverture O de chaque espace E est décalée angulairement autour de l'axe XX' par rapport au fond F à cause de l'inclinaison et de l'écrasement des nervures 2. Compte tenu de la géométrie des nervures 2, la largeur d2 est inférieure à la largeur dl, ce qui accentue le fait que les espaces E apparaissent comme les cavités rentrantes pour le fluide qu'elles contiennent lors de l'utilisation du tube 1. Dans le second mode de réalisation de l'invention repré- senté aux figures 4 à 6, les éléments analogues à ceux du mode de réalisation des figures 1 à 3 portent des références identiques. Ce mode de réalisation diffère du précédent essentiellement en ce que les faces latérales Pl et P2 du profil P avant sertissage sont globalement courbes, les rayons de courbure R1 et R2 de ces deux faces étant différents et les centres de courbure Cl et C2 étant décalés, comme il apparaît plus clairement à la figure 5. Comme précédemment, le sertis- sage des ailettes 4 au moyen de l'olive 3 permet de rabattre le sommet S du profil P des nervures 2 vers la surface interne la du tube 1, de telle sorte que les espaces E entre les nervures, dans lesquels a lieu un échange thermique intense entre le fluide et le tube en cours d'utilisation, apparaissent comme des cavités rentrantes. L'invention a été présentée avec un tube dont toutes les nervures sont identiques. Elle est cependant applicable à un tube dont certaines seulement des nervures sont conformées à la manière précédemment décrite. L'invention est applicable à tous les types de tubes, qu'ils soient formés "à plat", c'est-à-dire conformés, roulés puis soudés, ou rainurés intérieurement de façon classique. Un tube réalisé grâce à l'invention peut comporter ou non des ailettes de refroidissement extérieures et peut être utilisé avec un fluide diphasique ou monophasique. L'invention est également applicable à une plaque d'un échangeur de chaleur, tel qu'un évaporateur ou un condenseur, sur laquelle les nervures sont conformées "à plat". Exemples Des résultats particulièrement intéressants peuvent être obtenus avec un tube dont le diamètre extérieur varie entre environ 5 mm et environ 20 mm et comportant de nombreuses nervures de hauteur comprise entre 0, 15 et 1,5 mm et distantes d'environ 1 mm, c'est-à-dire dont la distance d2 est égale à environ 1 mm. Si un tel tube est utilisé avec de l'eau, il comporte un nombre de nervures relativement faible, compris entre 10 et 20, dont la hauteur est, de préférence, égale à environ 1 mm. Dans ce cas, le coefficient d'échange thermique obtenu est de l'ordre de 10 000 W/m2/ C. Le profil P est triangulaire, comme représenté aux figures 1 et 2. Pour une utilisation avec un fluide caloporteur tel que du di-fluorométhane on utilise un tube dont la hauteur des nervures reste inférieure à 0,5 mm alors que leur nombre est important car la tension de surface du di-fluoro-méthane est plus faible que celle de l'eau. Comme précédemment, le coeffi- cient d'échange thermique obtenu est de l'ordre de 10 000 W/m2/ C. Dans ce cas, le profil P est courbe, comme représenté aux figures 4 à 6. Un échangeur de chaleur comportant des tubes tels que précédemment décrits est plus efficace que ceux de l'art antérieur car son coefficient d'échange thermique global est supérieur. REVENDICATIONS 1. Elément (1) d'échange thermique pourvu de nervures, caractérisé en ce que certaines au moins desdites nervures (2) ont un profil (P) asymétrique, le sommet (S) dudit profil desdites nervures étant en déport par rapport à la base (B) dudit profil. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces latérales (Pl, P2) dudit profil (P) avant mise en forme sont sensiblement rectilignes. 3. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces latérales (Pl, P2) dudit profil (P) avant mise en forme sont globalement courbes, les rayons de courbure (R1, R2) des deux faces (2) d'une nervure étant différents. 4. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces latérales (Pl, P2) dudit profil (P) avant mise en forme sont globalement courbes, les centres de courbure (Cl, C2) de deux faces d'une nervure (2) étant décalés. 5. Elément selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risé en ce que le déport dudit sommet (S) est modifiable par écrasement desdites nervures (2). 6. Tube (1) d'échange thermique pourvu de nervures internes, caractérisé en ce que certaines au moins desdites nervures (2) ont un profil (P) tel que les espaces (E) définis entre lesdites nervures ont une ouverture (O) vers le centre (XX') du tube décalée angulairement par rapport au fond (F) desdits espaces. 7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que la largeur (d2) de ladite ouverture (O) est inférieure à la largeur (dl) dudit fond (F) desdits espaces (E). 8. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément ou tube (1) selon l'une des revendications précédentes. 9. Procédé de fabrication d'un élément (1) d'échange thermique pourvu de nervures, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser un écrasement desdites nervures (2) en rabattant le sommet (S) du profil (P) de chaque nervure en direction d'une surface de base (la) dudit élément, en déport par rapport à la base (B) dudit profil. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément est un tube et en ce que ledit écrasement est réalisé lors du sertissage d'ailettes (4) sur la face externe (lb) dudit tube (1).