Brevet FR2810725A1 — publié le 20011228

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, type comportant, successivement depuis une entrée d'admission de gaz jusqu'à une sortie d'évacuation de gaz, un divergent et un faisceau de tubes, chacun des tubes étant relié à son extrémité amont, à la sortie du divergent. Dans nombreux véhicules automobiles à moteur thermique, il est nécessaire prévoir un échangeur de chaleur, dans la ligne d'échappe ment, afin d'abaisser la température des gaz d'échappement éventuellement en recueillant la chaleur issue de ces gaz d'échappement pour d'autres utilisations. Ces échangeurs comportent un faisceau de tubes s'étendant parallè lement les aux autres et à l'intérieur desquels circulent les gaz d'échap pement. La surface extérieure des tubes est baignée par un fluide propre à recueillir de la chaleur issue des gaz d'échappement, ce fluide étant géné ralement un liquide. On peut également envisager d'utiliser un fluide gazeux et notamment l'air circulant sous le plancher lorsque le véhicule circule. Les tubes utilisés actuellement dans les échangeurs sont des tubes de section constante sur toute leur longueur, les tubes ayant une surface latérale essentiellement lisse. De plus, les sections de tous les tubes du faisceau sont identiques. Les gaz d'échappement sont acheminés jusqu'à l'entrée de chacun des tubes par un divergent présentant une forme générale tronconique. L'entrée du divergent est destinée à être reliée à un tube de section réduite de la ligne d'échappement. Afin favoriser l'échange thermique, il est connu de chercher à ob tenir des vitesses d'écoulement des gaz sensiblement identiques pour tous les tubes de l'échangeur. Du fait de la présence du divergent en amont de l'entrée des tubes, un profil de vitesse homogène suivant toute la section de l'échangeur est difficile à obtenir. Pour chercher à améliorer le profil des vitesses d'écoulement des gaz d'échappement, les industriels cherchent actuellement à optimiser la forme du divergent acheminant les gaz d'échappement jusqu'aux tubes de l'échangeur. Une telle optimisation se traduit par une augmentation du vo- lume du divergent et à une augmentation de son coût du fait la forme spécifique qui doit lui être donnée. De plus, pour chaque type d'échangeur, un nouveau divergent doit être calculé et fabriqué, ce qui augmente considérablement le coût de cha cun types d'échangeur. ailleurs, il est également connu de disposer, en sortie de certains des tubes de l'échangeur, des éléments formant chicanes propres à induire une perte de charge accrue à la sortie des tubes ainsi équipés de l'échan geur. Cette solution est peu satisfaisante puisqu'elle se traduit par une augmentation de l'encombrement de l'échangeur. De plus, l'ajout d'éléments en sortie de certains des tubes augmente le coût de fabrication de l'échan geur. L'invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur permet tant d'obtenir une répartition homogène des vitesses dans les différents tu bes l'échangeur, et ce pour un coût de fabrication réduit. cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur, du type précité, caractérisé en ce que ledit faisceau comporte au moins un premier et un second groupes de tubes, la structure de chacun des tubes premier groupe étant telle que la perte de charge induite par chacun tubes du premier groupe est supérieure à la perte de charge induite par chacun des tubes deuxième groupe. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'échangeur comporte l'une plusieurs des caractéristiques suivantes - la perte de charge induite par les tubes, du fait de leur structure, est d'autant plus élevée que l'extrémité amont des tubes s'étend dans le prolon gement de l'entrée du divergent; - la différence de perte de charge entre les tubes des différents grou pes ne résulte que de la structure des tubes ; - les tubes induisant une perte de charge élevée présentent des dé formations locales de leur surface latérale intérieure, alors que les tubes in duisant une faible perte de charge sont essentiellement exempts de défor mations locales sur leur surface latérale intérieure ; - les tubes induisant une perte de charge élevée présentent, sur leur surface latérale intérieure, des profils en saillie ; - lesdits profils en saillie sont obtenus par déformation rentrante de la paroi latérale des tubes ; - lesdits profils en saillie comportent bossages annulaires espa cés suivant la longueur du tube ; - lesdits profils en saillie comportent moins un filet hélicoïdal ; - lesdits profils en saillie comportent moins deux filets hélicoïdaux, dont les sens d'enroulement sont opposés ; et - trois groupes de tubes induisant des pertes de charge différentes sont présents dans le faisceau. 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 des sins, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur selon l'inven tion ; - la figure 2 est une vue en bout de l'entrée de l'échangeur de la figure 1 montrant la répartition des différents tubes faisceau ; - la figure 3 est une vue en élévation premier mode de réalisation d'un tronçon de tube induisant une perte charge élevée mis en oeuvre dans l'échangeur de la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe du tube de la figure 3 ; - les figures 5 et 6 sont des vues en élévation de deux autres modes de réalisation de tronçons de tube induisant une perte de charge élevée ; et - la figure 7 est une vue en bout d'une variante de réalisation d'un échangeur selon l'invention. L'échangeur 10 selon l'invention représenté sur la figure 1 comporte essentiellement, de son entrée 12 d'admission des gaz d'échappement vers sa sortie 14 d'évacuation des gaz d'échappement, un divergent 16, un fais ceau de tubes 18 et un convergent 20. Le divergent 16 présente une surface généralement tronconique 22 s'évasant depuis une extrémité d'entrée 24 jusqu'à une extrémité de sortie L'extrémité d'entrée 24 du divergent forme l'entrée 12 de l'échangeur et adaptée pour être reliée à une conduite de la ligne d'échappement. A son extrémité de sortie 26, le divergent 16 est obturé par pla- transversale 28 traversée d'un ensemble de passages 30 d'écoulement gaz d'échappement. Une extrémité d'entrée désignée par la référence générale 32 de cha- des tubes du faisceau est connectée, à un passage 30 ménagé au tra vers de la plaque 28. Les tubes, notés 18A, du faisceau s'étendent généralement parallè lement les uns aux autres, notamment suivant un trajet rectiligne. Tous les tubes ont une même longueur. Le convergent 20 placé en sortie du faisceau de tubes 18 présente une forme et une structure sensiblement inversées par rapport à celles du divergent 16. En particulier, il présente une surface latérale tronconique 34 dont la section transversale est progressivement décroissante depuis une extrémité d'entrée 36 jusqu'à une extrémité de sortie 38 formant la sortie 14 l'échangeur. Celle-ci est adaptée pour être reliée à une conduite de la ligne d'échappement. L'entrée 36 du convergent est obturée par une plaque transversale 40 munie de passages 42, chaque tube étant connecté, à son autre extrémité, un de ces passages pour l'écoulement des gaz dans l'échangeur. Selon l'invention, et comme illustré sur la figure 2, les structures des différents tubes 18A composant le faisceau sont différentes, afin d'induire, du seul fait de leur structure, des pertes de charge différentes suivant la section de l'échangeur. Trois groupes de tubes différents, notés 52, 54, 56, sont présents dans le faisceau 18. Les tubes de chacun de ces groupes sont identifiés respectivement par une trame en damier, une trame quadrillée et une trame à points sur la figure 2. Plus précisément, le premier groupe 52 de tubes comporte des tubes induisant chacun une très forte perte de charge. Ces tubes sont disposés dans la partie centrale du faisceau 18. Les tubes de ce premier groupe ont leur extrémité d'entrée 32 disposée dans le prolongement de l'entrée 24 du divergent placé en amont. Les tubes du deuxième groupe 54 sont répartis à la périphérie du premier groupe 52. Ces tubes induisent une perte de charge élevée mais inférieure à celle induite par les tubes du premier groupe 52. Les tubes 54 ont leur extrémité d'entrée 32 disposée sensiblement dans le prolongement de la périphérie de l'entrée 24 du divergent. Enfin, le troisième groupe 56 comporte des tubes induisant une faible perte de charge. Ceux-ci sont répartis à la périphérie du deuxième groupe tubes 54. Ces tubes induisant une faible perte de charge constituent les tubes s'étendant à la périphérie du faisceau 18. Ils ont leur extrémité d'en trée 32 disposée en dehors du prolongement de l'entrée 24 du divergent. La perte de charge importante créée dans les tubes des groupes 52 54 résulte de la structure particulière de ces tubes. La perte de charge dans chaque tube est obtenue par des déforma tions de la surface intérieure du tube. Ces déformations créent à l'intérieur du tube des profils en saillie formant des chicanes s'opposant à l'écoulement fluide. La valeur de la perte de charge induite est obtenue en modifiant le nombre de déformations de la paroi latérale, ou en modifiant la taille de ces déformations. Ainsi, le nombre ou la taille des déformations des tubes premier groupe 52 est plus grand que celui du deuxième groupe 54. Avantageusement, ces déformations sont obtenues par emboutissage centripète de la surface latérale des tubes. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, les mis en ceuvre pour les premier et deuxième groupes comportent, pour induire une perte de charge, des rétreints périphériques 80 régulièrement répartis suivant la longueur du tube. Ces rétreints 80 sont obtenus en poussant la matière de la paroi latérale du tube vers l'intérieur, de sorte une gorge est formée sur la surface latérale externe du tube alors bossage annulaire est formé à la surface interne du tube. Pour des tubes ayant un diamètre extérieur de 12 mm, la profondeur du rétreint est de l'ordre de 1 mm, de sorte que le bossage intérieur fait saillie d'un millimètre par rapport à la surface interne courante du tube. Les rétreints sont par exemple espacés longitudinalement de 12 mm suivant la longueur tubes. La profondeur et l'espacement des bossages annulaires permettent d'obtenir augmentation du coefficient d'échange thermique de l'ordre de 2,5 par rapport à un tube dépourvu de bossage. Afin d'obtenir des pertes de charge différentes dans les tubes du premier groupe 52 et du deuxième groupe 54, les tubes du premier groupe 52 comportent des rétreints annulaires répartis sur toute leur longueur, alors que les tubes du second groupe 54 comportent des rétreints annulaires seulement sur 50 % de leur longueur. tubes à faible perte de charge du troisième groupe 54 sont dé pourvus tout rétreint annulaire et présentent une surface intérieure dé pourvue déformation et donc essentiellement lisse. On conçoit que la mise en oeuvre de tubes induisant une forte perte de charge dans le prolongement de l'entrée du divergent l'échangeur permet d'obtenir une réduction de la vitesse de circulation dans ces tubes. Or, en l'absence du faisceau de tubes 18, la vitesse en sortie du divergent dans le prolongement de l'entrée 24 est supérieure à vitesse des gaz en sortie du divergent à la périphérie de celui-ci. Dans ces conditions, la perte de charge créée par la structure des tubes placés dans le prolongement de l'entrée et dans le prolongement de sa périphérie assure une homogénéisation de la vitesse des gaz dans les différents tubes du faisceau 18. La perte de charge étant obtenue par la structure même des tubes du faisceau, aucun élément supplémentaire ne doit être ajouté dans l'échan geur afin d'obtenir un profil satisfaisant de vitesse suivant la section du fais ceau. Ainsi le coût de fabrication de l'échangeur est réduit. De plus, comme la perte de charge est formée par des déformations de la surface latérale du tube, un meilleur échange de chaleur est obtenu entre les d'échappement et le fluide baignant le faisceau 18 à sa surface extérieure. effet, la surface d'échange se trouve augmentée par les dé- formations de la surface latérale des tubes. De plus, ces déformations aug mentent turbulence des flux gazeux, favorisant ainsi l'échange thermique. la figure 5 est représenté un autre mode de réalisation d'un tube noté induisant une perte de charge élevée et pouvant être mis en oeuvre dans échangeur selon l'invention. Comme illustré sur la figure, le tube présente sur l'essentiel de sa longueur deux déformations rentrantes 90, 92 continues, chacune en forme d'hélice. Les hélices définies par les deux déformations sont imbriquées l'une dans l'autre et présentant des sens d'enroulement identiques. Chaque déformation forme, sur la surface interne du tube, un filet hélicoïdal continu en saillie. En variante, le nombre de déformations rentrantes en forme d'hélices peut être réduit à un ou être supérieur à deux. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 6, le tube noté 95 comporte, sur sa surface intérieure, deux filets hélicoïdaux en saillie 100, 102 dont les sens d'enroulement sont opposés. Sur la figure 7 est représentée une variante d'échangeur selon l'in vention dans lequel la section du faisceau de tubes est généralement trapé zoïdale. Sur cette figure, les éléments identiques ou analogues à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de référence auxquels il a été ajouté 100. Dans ce mode de réalisation, comme dans le précédent, l'entrée du divergent 116 placé en entrée de l'échangeur s'étend en regard la partie centrale du faisceau 118. Les tubes 152 du faisceau dont l'entrée incluse dans le prolongement de l'entrée 124 du divergent sont adaptés pour induire une très forte perte de charge du fait des nombreuses déformations de leur surface. Les tubes 154 disposés immédiatement à la périphérie de ces tubes à très forte perte de charge ont une structure induisant une perte de charge plus réduite alors que les tubes 156 ménagés sur les côtés de la section du faisceau sont dépourvus de toute déformation, induisant ainsi seulement une très faible perte de charge. On conçoit que les avantages décrits pour le mode de réalisation pré cédent sont également obtenus dans ce mode de réalisation. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur, du type comportant, successivement de puis une entrée (12) d'admission de gaz jusqu'à une sortie (14) d'évacuation de gaz, un divergent (16) et un faisceau (18) de tubes, chacun tubes étant relié à extrémité amont (32), à la sortie (26) du divergent 6), ca ractérisé en que ledit faisceau (18) comporte au moins un premier (52, 54 ; 152, 1 et un second (56 ; 156) groupes de tubes, la structure de chacun des tubes du premier groupe (52, 54 ; 152, 154) étant telle que la perte de charge induite par chacun des tubes du premier groupe (52, 54 ; 152, 154) supérieure à la perte de charge induite par chacun des tubes du deuxième groupe (56 ; 156). 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce la perte de charge induite par les tubes, du fait de leur structure, est d'autant plus élevée que l'extrémité amont (32) des tubes s'étend dans le prolongement de l'entrée (24) du divergent (16). 3.- Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé ce que la différence de perte de charge entre les tubes des différents groupes ne ré sulte que de la structure des tubes. 4.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précéden tes, caractérisé en ce que les tubes induisant une perte de charge élevée présentent des déformations locales (80 ; 90, 92 ; 100, 102) de leur surface latérale intérieure, alors que les tubes induisant une faible perte de charge sont essentiellement exempts de déformations locales sur leur surface laté rale intérieure. 5.- Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tu bes induisant une perte de charge élevée présentent, sur leur surface laté rale intérieure, des profils en saillie (80 ; 90, 92 ; 100, 102). 6.- Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce lesdits profils en saillie sont obtenus par déformation rentrante de la paroi latérale des tubes. 7.- Echangeur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé ce que lesdits profils en saillie comportent des bossages annulaires (80) espacés suivant la longueur du tube. 8.- Echangeur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce lesdits profils en saillie comportent au moins un filet hélicoïdal (90, 92 ; , 1 9.- Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé lesdits profils en saillie comportent au moins deux filets hélicoïdaux (1 102), dont les sens d'enroulement sont opposés. 10.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé en ce que trois groupes (52, 54, 56 ; 152, 154, 156) de tubes induisant des pertes de charge différentes sont présents dans le fais ceau (18).