Brevet FR2835454A1 — publié le 20030808

Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à tubes coaxiaux et échangeur de chaleur obtenu. L'invention concerne un échangeur de chaleur à tubes coaxiaux, et notamment un échangeur de chaleur à deux tubes coaxiaux enroulés en serpentin. On sait que ce type d'échangeur permet lorsque les diamètres des tubes sont proches l'un de l'autre de disposer avec avantage d'une section de passage relativement importante à l'intérieur du tube central et d'une faible section de passage dans l'espace annulaire compris entre les deux tubes, et d'obtenir ainsi une grande vitesse d'écoulement dans l'espace annulaire. Le coefficient d'échange convectif est élevé, et le volume de circuit de l'espace annulaire est petit, ce qui minimise les contraintes prévues par la réglementation sur les équipements sous pression. En outre, il procure : - une réduction de la perte de charge dans le tube central, avec un moindre risque de colmatage du circuit par les dépôts, l'entartrage etc... et une grande surface d'échange, laquelle sera proportionnelle au diamètre du tube intérieur. De plus, en enroulant les deux tubes coaxiaux en serpentin, on diminue l'encombrement relativement à celui de deux tubes rectilignes et ceci, d'autant plus que les coefficients d'échange convectifs sont améliorés par le cintrage des tubes. Néanmoins, pour ce type d'échangeur à tubes coaxiaux en serpentin, le problème est d'obtenir que, au cintrage, les tubes demeurent sensiblement coaxiaux en ménageant un espace annulaire à peu près régulier entre eux. L'invention vise à trouver une solution à ce problème. Il est en effet proposé selon l'invention un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à deux tubes métalliques coaxiaux enroulés en serpentin, caractérisé en ce qu'il consiste à pourvoir le tube central intérieur d'un élément formant entretoise entre les deux tubes et permettant le libre coulissement du tube intérieur rectiligne dans le tube extérieur rectiligne, à injecter un fluide dans le tube intérieur et à le mettre sous une forte pression, compatible avec la résistance du tube et, simultanément, à cintrer le tube externe au moyen de galets de formage ayant une forme correspondant au tube externe pour l'amener sous la forme d'enroulement en serpentin. Ledit élément formant entretoise peut consister en une pluralité d'éléments solidarisés à la paroi du tube intérieur et dont la hauteur est telle que leur bord supérieur soit proche de la paroi interne du tube externe, lorsque le tube intérieur rectiligne est enfilé dans le tube extérieur rectiligne. Ces éléments peuvent être, par exemple : - des ailettes longitudinales continues, - une ou plusieurs ailettes enroulées en hélice autour du tube intérieur, - des ailettes longitudinales discontinues, décalées l'une de l'autre, - des ailettes transversales ne se développant que sur une portion de la circonférence du tube, chaque ailette étant décalée par rapport à la précédente, ceci pour permettre la circulation du fluide dans l'espace annulaire, - des ailettes en aiguilles ; - un élément intermédiaire, tel qu'un ressort hélicoïdal enfilé entre le tube intérieur et le tube extérieur. Les ailettes peuvent être constituées par un fer plat ou un fil métallique soudé sur le tube. Il résulte de cette disposition que ledit élément formant entretoise entre le tube interne et le tube externe, et la mise en forte pression du tube intérieur, lors du cintrage se conjuguent pour contrarier la tendance à l'ovalisation. Les tubes lors du cintrage conservent ainsi chacun une section sensiblement circulaire et demeurent sensiblement coaxiaux, ce qui procure un intervalle annulaire sensiblement régulier entre eux. En outre, les ailettes augmentent la surface d'échange du tube intérieur dans l'espace annulaire, en faveur du rendement thermique. Avantageusement, le fluide injecté dans le tube intérieur est de l'eau et le tube est fermé à la mise en pression, laquelle est contrôlée par un déverseur à une extrémité. La pression du tube intérieur est d'environ 40 bar. Les ailettes sont avantageusement de conformation plane, allongée et de faible épaisseur. Naturellement, le matériau de l'ailette, qui peut être le même que celui du tube interne, est relativement malléable de manière à suivre la déformation du tube interne au cintrage. Les ailettes peuvent en outre être disposées dans un plan sensiblement parallèle à l'axe du tube. Elles peuvent être disposées alignées en séries parallèles à l'axe du tube. Enfin, elles peuvent être décalées d'une série à l'autre relativement à l'axe du tube pour ne pas perturber l'écoulement du fluide, notamment un fluide diphasique (eau et vapeur), dans ledit intervalle annulaire et permettre un appui sensiblement continu sur la paroi du tube externe de l'une à l'autre, relativement à l'axe, lors du cintrage en vrillage du tube. L'invention concerne également l'échangeur de chaleur obtenu selon le procédé précité et comportant un tube interne pourvu d'un élément formant entretoise ou matelas entre le tube interne et le tube externe. Un exemple de réalisation de l'invention est à présent décrit en référence au dessin annexé sur lequel : - La figure 1 est une vue en coupe transversale des tubes d'un échangeur de chaleur à tubes coaxiaux en serpentin classique, illustrant le problème de la technique antérieure, - La figure 2 est une vue en coupe analogue à la précédente d'un échangeur de chaleur à tubes coaxiaux en serpentin selon l'invention, - La figure 3 montre le tube interne de l'échangeur selon l'invention avec ses ailettes, - La figure 4 est une coupe longitudinale d'une partie des tubes cintrés de l'échangeur selon l'invention, et la figure 5 est une vue en élévation de l'échangeur obtenu. Il s'agit de fabriquer un échangeur thermique 1 à deux tubes coaxiaux, un tube intérieur 3 et un tube extérieur 5 enroulés en serpentin tel que représenté à la figure 5. Cet échangeur reçoit un premier fluide dans le tube central interne 3 et un second fluide dans l'intervalle annulaire 7 compris entre les deux tubes. Partant de deux tubes métalliques profilés rectilignes, dont l'un est reçu dans le second, il s'agit donc de déformer ces tubes par cintrage pour obtenir que les deux tubes demeurent sensiblement coaxiaux et avec un intervalle annulaire le plus régulier possible entre eux. Selon la technique antérieure, comme représenté à la figure 1, cet objectif est difficilement atteint et on ne peut contrôler efficacement l'espace annulaire 7 lors de la déformation des tubes, et qu'une ovalisation du tube interne 3 ne se produise avec un rapprochement de la paroi du tube interne 3 de celle du tube externe 7 et, éventuellement, un point de tangence et même un secteur de tangence entre les tubes. Selon l'invention, et avec référence aux figures 2 et 3, on a pourvu le tube central interne 3 (rectiligne) d'ailettes métalliques 9 fixées à sa paroi externe. Ces ailettes 9 sont identiques l'une à l'autre. Elles sont disposées sur quatre lignes parallèles à l'axe du tube, lesquelles sont réparties à 900 d'angle de l'une à l'autre sur la périphérie du tube. Les ailettes sont en outre espacées de l'une à l'autre d'un intervalle constant prédéfini. Les ailettes 9 ont une conformation générale allongée, parallélépipédique rectangle et de faible épaisseur. Leur hauteur est légèrement inférieure à la distance entre la paroi externe du tube interne et la paroi interne du tube externe (pour permettre un jeu de coulissement du tube intérieur rectiligne dans le tube externe rectiligne). Les ailettes sont en outre fixées perpendiculairement à la paroi du tube interne 3, étant disposées l'une à la suite de l'autre relativement à l'axe du tube ou à un plan perpendiculaire au tube (cf. trait interrompu), lorsqu'on tourne d'une ligne à l'autre à 90 et toujours dans le même sens angulaire. Cette disposition assure un appui sensiblement continu, relativement à l'axe, du bord supérieur des ailettes sur la paroi interne du tube externe 5 au cintrage en serpentin des tubes, avec le vrillage correspondant. Le procédé de fabrication selon l'invention est le suivant. Les tubes étant initialement sous forme rectiligne et le tube intérieur 3 introduit dans le tube externe 5, on remplit d'eau le tube intérieur 3 et l'on ferme aux extrémités. L'eau est mise en pression à environ 40 bar, contrôlée par un déverseur à une extrémité du tube (non représenté). Le cintrage des tubes est obtenu en continu par un mécanisme à galets de formage classique, conformés à la forme du tube externe. La déformation est effectuée progressivement le long du tube, et avec vrillage pour lui conférer une forme hélicoïdale ou de serpentin, telle que représentée à la figure 5. Lors de la déformation, les tubes s'étirent en se tordant légèrement pour parvenir à la forme hélicoïdale et tandis que le tube intérieur 3 est mis sous pression avec une tendance au gonflement s'opposant à l'ovalisation, il est amené sous le maintien d'entretoise des ailettes 9 à suivre de façon continue la déformation du tube externe 5 imprimée par le mécanisme à galets. Les ailettes 9 s'étirent également pour suivre le cintrage vrillé du tube intérieur, s'appuyant l'une après l'autre sur la paroi intérieure du tube externe. Lorsque la déformation est exécutée sur la longueur du serpentin, la mise en pression du tube intérieur est interrompue et l'échangeur est alors achevé. Naturellement, des variantes de réalisation de l'invention peuvent être imaginées. Ainsi, la longueur des ailettes est variable, de même que le nombre de lignes d'ailettes et leur positionnement de l'une à l'autre, ces ailettes pouvant encore se chevaucher de l'une à l'autre en longueur relativement à l'axe du tube sur deux lignes proches et en allant dans un même sens angulaire. Enfin, le procédé de l'invention pourrait permettre éventuellement, dans un objectif contraire, d'obtenir une variation contrôlée de l'intervalle annulaire entre les tubes, en disposant des ailettes de hauteur variable. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à deux tubes métalliques coaxiaux enroulés en serpentin, caractérisé en ce qu'il consiste à pourvoir le tube central intérieur (3) d'un élément (9) formant entretoise entre les deux tubes et permettant le libre coulissement du tube intérieur rectiligne (3) dans le tube extérieur rectiligne (5), à injecter un fluide dans le tube intérieur (3) et à le mettre sous une forte pression, compatible avec la résistance du tube et, simultanément, à cintrer le tube externe (5) au moyen de galets de formage ayant une forme correspondant au tube externe (5) pour l'amener sous la forme d'enroulement en serpentin. 2. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément formant entretoise consiste en une pluralité d'ailettes (9) solidarisées à la paroi externe du tube intérieur (3) et dont la hauteur est telle que leur bord supérieur soit proche de la paroi interne du tube externe (5), lorsque le tube intérieur rectiligne (3) est enfilé dans le tube extérieur rectiligne (5). 3. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément formant entretoise est un élément intermédiaire, tel qu'un ressort hélicoïdal enfilé entre le tube intérieur (3) et le tube extérieur (5). 4. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide injecté dans le tube intérieur (3) est de l'eau, laquelle est mise en pression, (par exemple à environ 40 bars) et contrôlée par un déverseur, à une extrémité du tube. 5. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes (9) sont de conformation plane, allongée et de faible épaisseur, constituées par exemple par un fer plat. 6. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes (9) sont constituées par un fil métallique. 7. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes (9) sont des ailettes longitudinales continues. 8. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes (9) consistent en une à plusieurs ailettes enroulées en hélice autour du tube intérieur (3). 9. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes (9) consistent en des ailettes longitudinales discontinues, décalées l'une de l'autre. 10. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes (9) consistent en des ailettes transversales ne se développant que sur une portion de la circonférence du tube (3) et décalées l'une par rapport à la précédente pour permettre la circulation du fluide dans l'espace annulaire (7). 11. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes (9) consistent en des ailettes en aiguilles. 12. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, sauf la 3, caractérisé en ce que le matériau de l'ailette (9), qui peut être le même que celui du tube interne (3) est relativement malléable de manière à suivre la déformation du tube interne (3) au cintrage. 13. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, sauf la 3,7, 8 et 10, caractérisé en ce que les ailettes (9) sont disposées alignées en séries parallèles à l'axe du tube (3), écartées l'une de l'autre d'un intervalle constant sur une même ligne. 14. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que les ailettes (9) sont décalées d'une série à l'autre relativement à l'axe du tube pour ne pas perturber l'écoulement du fluide dans l'intervalle annulaire entre les tubes (3) et (5) et permettre un appui sensiblement continu de leur bord supérieur sur la paroi du tube externe de l'une à l'autre lors du cintrage en vrillage du tube. 15. Echangeur de chaleur à tubes coaxiaux enroulés en serpentin, caractérisé en ce qu'il comporte un tube interne (3) pourvu d'un élément formant entretoise (9) entre le tube interne (3) et le tube externe (5).