Brevet FR2812719A1 — publié le 20020208

La présente invention concerne un échangeur de chaleur tubulaire, une utilisation d'un tel échangeur, ainsi qu'un tube d'échange thermique appartenant à cet échangeur. De façon classique, un échangeur de chaleur tubulaire comprend une enveloppe cylindrique fermée à ses deux extrémités. Des tubes de passage d'un premier fluide sont logés dans le volume intérieur de cette enveloppe et sont fixés, à au moins une de leurs extrémités, sur une cloison transversale percée de trous. Par ailleurs, le volume délimité par la surface extérieure des tubes et la surface intérieure de l'enveloppe de l'échangeur définit un espace intercalaire, dans lequel est admis un second fluide. On connaît une première utilisation de cet échangeur de chaleur, selon laquelle on remplit l'espace intercalaire précité au moyen d'un fluide frigorifique. En outre, on admet dans les différents tubes un fluide à refroidir, par exemple de l'eau. Un tel énl-âanr-roi1r de nhaleiur dénommé é@ra,-wrût@u `-u^ type y , # r @. "noyé", présente cependant certains inconvénients. En effet, son utilisation implique de faire appel à un volume de fluide frigorifique très important, ce qui est désavantageux en termes de coût, ainsi qu'en termes de respect de l'environnement. Afin de remédier à ces inconvénients, une solution alternative a été proposée. Elle consiste à faire s'écouler le fluide frigorifique sous pression à l'intérieur des différents tubes logés dans l'échangeur. Le fluide à refroidir, qui est par exemple de l'eau, s'écoule alors au voisinage des tubes, dans l'espace intercalaire dont il est fait mention ci-dessus. Cet échangeur est dénommé évaporateur intratubulai- re. Cette seconde solution présente cependant des inconvénients supplémentaires. Ainsi, elle implique de faire appel à des chicanes réparties de façon constante le long des différents tubes. Ceci est nécessaire afin d'éviter la rupture de ces tubes, qui sont susceptibles d'être mis en vibrations du fait du passage transversal du fluide à refroidir du côté extérieur des tubes. Ce risque de mise en vibrations implique également que le débit de fluide à refroidir est limité. Le fluide frigorifique doit par ailleurs s'écouler selon au moins un aller et retour. Enfin, cette seconde utilisation de l'échangeur de chaleur génère une consommation de fluide frigorifique qui reste relativement importante. L'invention se propose de réaliser un échangeur de chaleur permettant de pallier les différents inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus. A cet effet, elle a pour objet un échangeur de chaleur tubulaire, comprenant une enveloppe, une entrée d'un premier fluide, des tubes d'échange thermique disposés dans le volume intérieur de ladite enveloppe, ces tubes étant destinés au passage du premier fluide, une sortie du premier fluide, une entrée d'un second fluide, débouchant au voisinage desdits tubes d'échange thermique, et une sortie du second fluide, caractérisé en ce que chaque tube est en contact, sur une p_-ui rt; i`. o substantielle de o4 l ong"eiûr, #@.. i. avec au moins un autre tube qui lui est adjacent, les surfaces extérieures en regard desdits tubes formant des espaces intercalaires de passage du second fluide, ces espaces étant mis en communication à la fois avec l'entrée et la sortie de ce second fluide. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - chaque tube comprend une partie principale médiane, ainsi qu'au moins une extrémité amincie, la dimension transversale extérieure de ladite partie principale étant sensiblement supérieure à la dimension transversale extérieure de la ou de chaque extrémité amincie, deux tubes adjacents étant en contact mutuel sur sensiblement l'ensemble de leurs parties principales ; - en coupe transversale, deux tubes adjacents sont en contact ponctuel ; - chaque espace intercalaire est formé par un ensemble de trois tubes adjacents ; - le profil extérieur de ladite partie principale est circulaire ; - une extrémité amincie de chaque tube s'étend en regard de l'entrée du second fluide, de manière à définir une zone d'admission de ce second fluide, mise en communication avec les espaces intercalaires ; - l'entrée et la sortie du premier fluide sont prévues aux extrémités longitudinales opposées dudit échangeur. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un échangeur de chaleur tubulaire tel que défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'on admet un fluide à refroidir, tel que de l'eau, dans lesdits tubes d'échange thermique, alors qu'on fait s'écouler un fluide frigorifique dans les espaces intercalaires formés par les surfaces extérieures de ces tubes. L'invention a enfin pour objet un tube d'échange thermique appartenant à l'échangeur de chaleur tubulaire tel que défini ci-dessus, ce tube d'échange thermique étant caractérisé en ce qu'il comprend une partie principale médiane ainsi qu'au moins une extrémité amincie, destinée à être fixée sur une cl O1 0n tr@n @.Ter @l o de net énhû-iur de vh@l ei@r l û dimension transversale extérieure de cette partie principale étant sensiblement supérieure à la dimension transversale extérieure de la ou de chaque extrémité amincie. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le rapport entre la dimension transversale extérieure de la partie principale et la dimension transversale extérieure de la ou de chaque extrémité amincie est compris entre 1 et 3, de préférence entre 1,2 et 1,4; - le rapport entre la section de passage intérieure de la partie principale et la section de passage intérieure de la ou de chaque extrémité amincie est compris entre 1 et 9, de préférence entre 1,4 et 2 ; - le rapport entre la longueur de la partie principale et la longueur de la ou de chaque extrémité amincie est compris entre 10 et 100, de préférence entre 20 et 50. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe partielle, illustrant un échangeur de chaleur tubulaire conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de côté, illustrant de façon partielle un tube d'échange thermique appartenant à l'échangeur de chaleur appartenant à la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III à la figure 1, illustrant un faisceau de tubes d'échange thermique, logés dans le volume intérieur de l'échangeur de la figure 1. L'échangeur de chaleur tubulaire représenté à la figure 1 comprend de façon connue une enveloppe 2, par exemple cylindrique, qui se trouve fermée à ses deux extrémités latérales par des flasques 4, 6. Immédiatement en arrière du flasque 4 est prévue une cloison transversale 8 percée d'orifices permettant le passage de tubes 10 d'échange thermique, comme cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit. L'espace défini par ce flasque 4 et cette cloison 8 forme une chambre d'admission 12, permettant de diriger vers les oî .7 ' tubes 1(1 ,un r@remier #. fluide, nvtÛ...^: n t un fluide \.1v. à .L '#. iLu frlvl îr tel que de l'eau. Cette chambre d'admission 12 est alimentée par l'intermédiaire d'une canalisation d'entrée 14. I1 est par ailleurs prévu, à l'extrémité des tubes 10 opposée à la chambre d'admission 12, une seconde cloison 16, dans laquelle sont ménagés des orifices destinés à la réception de ces extrémités opposées. Cette cloison 16 délimite, avec le flasque 6, une chambre d'évacuation 18. Le premier fluide s'écoule au-dehors de l'échangeur par une canalisation de sortie 20, via cette chambre d'évacuation 18. L'échangeur de chaleur illustré sur cette figure 1 comprend également une tubulure d'entrée 22, permettant l'admission d'un second fluide, notamment d'un fluide frigorifique sous pression. I1 est par ailleurs prévu une tubulure de sortie 24, à travers laquelle ce second fluide est évacué, après s'être écoulé au contact des tubes 10. En variante, on peut prévoir de munir l'échangeur d'au moins deux tubulures d'entrée 22 et/ou de sortie 24, disposées par exemple en parties supérieure et/ou inférieure. Comme le montre la figure 2, chaque tube d'échange thermique 10 comprend une partie principale 26 terminée par deux extrémités amincies 28, de plus faible section. Chaque extrémité 28 est fixée, de façon classique, dans un orifice correspondant de l'une des cloisons transversales 8, 16. On note L la longueur de la partie principale 26, D sa dimension transversale extérieure, ou diamètre extérieur, ainsi que S sa section intérieure, qui correspond à la section de passage du premier fluide. De façon analogue, on note 1, d et s la longueur, le diamètre extérieur ainsi que la section de passage du fluide de chaque extrémité amincie 28. Le rapport L/1 est compris entre 10 et 100, avantageusement entre 20 et 50, le rapport D/d est compris entre 1 et 3, avantageusement entre 1,2 et 1, 4, alors que le rapport S/s est compris entre 1 et 9, avantageusement entre 1,4 et 2. I1 est à noter que les deux extrémités amincies 28 peuvent présenter des longueurs différentes. En faisant à nouveau référence à la figure 1, les extrémités amincies 28 des tubes 10 s'étendent au delà de la tubulure d' l.ln ..##.2, u.v. Gc-- 7@. Û # l 1.iiJppvjé -de 1 lQ cloison lV1j V1 Ul o. Ceci per-met de créer une zone d'admission 30 du second fluide, qui se trouve au regard de la tubulure d'entrée 22. Du fait de la présence des extrémités amincies 28, cette zone d'admission 30 présente une section de passage importante, ce qui assure une répartition satisfaisante du second fluide au voisinage de la surface extérieure des tubes 10. Comme le montrent les figures 1 et 3, les parties principales 26 des tubes 10 sont en contact mutuel. En coupe transversale, comme illustré à la figure 3, un tube donné 10, dont le profil extérieur est circulaire, est en contact ponctuel avec chacun des tubes disposés à sa périphérie. De la sorte, chaque couple de tubes est en contact mutuel, selon une ligne parallèle à leurs axes longitudinaux, et s'étendant sur l'ensemble de leurs parties principales 26. En faisant à nouveau référence à la figure 3, chaque ensemble de trois tubes 10 forme un espace intercalaire 32, destiné au passage du second fluide en provenance de la tubulure d'entrée 22. Il est à noter que la dimension transversale de chaque espace intercalaire 32, formé par un triplet correspondant de tubes 10, est sensiblement inférieure à celle de la zone d'admission 30. En variante, on peut prévoir que la partie principale 26 des tubes n'est pas de section circulaire mais, par exemple, de section ovale. On va maintenant décrire un mode particulier de fonctionnement de l'échangeur de chaleur présenté ci-dessus. Il s'agit d'admettre, via la chambre 12, un fluide à refroidir tel que de l'eau, qui s'écoule alors dans l'ensemble des tubes 10, puis se trouve évacué par la chambre 18. En variante, ce fluide est susceptible de s'écouler selon au moins un aller et retour. Par ailleurs, on fait circuler un fluide frigorifique sous pression, depuis la tubulure d'entrée 22, jusque dans la zone d'admission 30. Ce fluide frigorifique, qui s'écoule au sein de chaque espace intermédiaire 32 formé par les tubes adjacents, est ensuite évacué par la tubulure de sortie 24. On va maintenant donner un exemple numérique comparatif, illustrant les performances respectives d'un échangeur de chaleur de l'art antérieur et d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention. Dans un premier temps, on utilise un échangeur de chaleur de type connu, tel que celui commercialisé par la société CIAT sous la référence FYN-21920. Ce dernier est pourvu de 86 tubes, dont le diamètre est de 15.8 mm, ce qui correspond à une surface d'échange totale de 8.5 M2. On fait circuler un fluide frigorifique à l'intérieur de ces tubes, alors qu'on fait s'écouler de l'eau dans le volume défini par la surface extérieure des tubes et la surface intérieure de l'échangeur. Le coefficient global d'échange de cet échangeur est compris entre 2 et 3 kW/m2/degré, sa puissance frigorifique étant voisine de 140 kW. Par ailleurs, on réalise un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dont l'encombrement global est identique à celui du FYN-21920 évoqué ci-dessus. Cet échangeur renferme 160 tubes, dont les parties principales possèdent un diamètre extérieur de 15.8 mm, et dont les extrémités amincies possèdent un diamètre extérieur de 12.7 mm. Ces 160 tubes créent une surface d'échange d'environ 15 m2. On fait circuler de l'eau dans le volume intérieur de chacun des tubes, alors qu'on dirige un fluide frigorifique au sein de l'ensemble des espaces intercalaires formés par ces différents tubes. Le coefficient global d'échange de cet échangeur conforme à l'invention est d'environ 3 à 4 kW/m2/de- gré, alors que sa puissance frigorifique est d'environ 300 kW. Ceci correspond donc à une augmentation de performances supérieure à 100%, par rapport à un échangeur de chaleur connu, de même encombrement extérieur. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, disposer les tubes d'échanges thermiques en contact mutuel permet de réduire, dans une mesure très importante, les phénomènes de vibrations. De la sorte, il est possible d'augmenter de façon très significative le débit du fluide s'écoulant dans ces tubes, par rapport à l'art antérieur dans lequel un débit important induit un risque de rupture ..uc ces W .vcs. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur conforme à l'invention permet de s'affranchir de l'emploi des chicanes, auxquelles il est fait appel dans l'art antérieur. En outre, les différents espaces intercalaires créés par les surfaces extérieures en regard de ces tubes possèdent des dimensions transversales très réduites, ce qui est particulièrement avantageux en termes d'échange thermique. En particulier, le second fluide s'écoulant depuis la zone d'admission en direction de ces espaces intercalaires subit une augmentation notable de sa vitesse d'écoulement, ce qui induit des turbulences favorables à un tel échange. De plus, disposer les tubes côte à côte permet, soit d'augmenter la surface d'échange pour un encombrement global donné de l'échangeur, soit de diminuer cet encombrement pour une surface d'échange considérée. Enfin, il est possible de disposer verticalement l'échangeur de chaleur de l'invention, dans la mesure où il n'est pas nécessaire d'opérer un aller et retour du fluide s'écoulant dans les tubes, contrairement à l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur tubulaire, comprenant une enveloppe (2), une entrée (14) d'un premier fluide, des tubes d'échange thermique (10) disposés dans le volume intérieur (V) de ladite enveloppe (2), ces tubes étant destinés au passage du premier fluide, une sortie (20) du premier fluide, une entrée (22) d'un second fluide, débouchant au voisinage desdits tubes d'échange thermique (10), et une sortie (24) du second fluide, caractérisé en ce que chaque tube (10) est en contact, sur une partie substantielle de sa longueur, avec au moins un autre tube qui lui est adjacent, les surfaces extérieures en regard desdits tubes (10) formant des espaces intercalaires (32) de passage du second fluide, ces espaces (32) étant mis en communication à la fois avec l'entrée (22) et la sortie (24) de ce second fluide. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaq'üe tube cc-.prend une partie principale medîane (2v) , ainsi qu'au moins une extrémité amincie (28), la dimension transversale extérieure (D) de ladite partie principale (26) étant sensiblement supérieure à la dimension transversale extérieure (d) de la ou de chaque extrémité amincie (28), deux tubes adjacents étant en contact mutuel sur sensiblement l'ensemble de leurs parties principales (26). 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, en coupe transversale, deux tubes adjacents (10) sont en contact ponctuel. 4. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque espace intercalaire (32) est formé par un ensemble de trois tubes adjacents. 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le profil extérieur de ladite partie principale (26) est circulaire. 6. Echangeur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'une extrémité amincie (28) de chaque tube s'étend en regard de l'entrée (22) du second fluide, de manière à définir une zone d'admission (30) de ce second fluide, mise en communication avec les espaces intercalaires (32). 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée (14) et la sortie (20) du premier fluide sont prévues aux extrémités longitudinales opposées dudit échangeur. 8. Utilisation d'un échangeur de chaleur tubulaire conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on admet un fluide à refroidir, tel que de l'eau, dans lesdits tubes d'échange thermique (10), alors qu'on fait s'écouler un fluide frigorifique dans les espaces intercalaires (32) formés par les surfaces extérieures de ces tubes. 9. Tube d'échange thermique (10) destiné à être utilisé dans l'échangeur de chaleur tubulaire selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une partie principale médiane (26), ainsi qu'au moins une extrémité amincie (28), destinée à être fixée sur une cloison transversale (Vi2, 1-i.iv)/ dudit r7"r7;t ér.h#,-,r*o"r de chaleur, 1U l -, .-7 U1, v.wnaarr.#rvKrv- # v.v.wuyv.uw.t uw.w.utllLL.1101V11 transversale extérieure (D) de cette partie principale (26) étant sensiblement supérieure à la dimension transversale extérieure (d) de la ou de chaque extrémité amincie (28). 10. Tube selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport entre la dimension transversale extérieure (D) de la partie principale (26) et la dimension transversale extérieure (d) de la ou de chaque extrémité amincie (28) est compris entre 1 et 3, de préférence entre 1,2 et 1,4. 11. Tube selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le rapport entre la section de passage intérieure (S) de la partie principale (26) et la section de passage intérieure (s) de la ou de chaque extrémité amincie (28) est compris entre 1 et 9, de préférence entre 1,4 et 2. 12. Tube selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le rapport entre la longueur (L) de la partie principale (26) et la longueur (1) de la ou de chaque extrémité amincie (28) est compris entre 10 et 100, de préférence entre 20 et 50.