Brevet FR2866104A1 — publié le 20050812

La présente invention concerne le domaine technique des échangeurs de chaleur à air, et trouve une application dans le domaine des échangeurs thermiques au sens général. L'objet de l'invention concerne plus particulièrement les ailettes métalliques utilisées dans les échangeurs de chaleur, assemblées mécaniquement à des tubes, pour former des surfaces d'échange indirectes destinées à augmenter les surfaces d'échange thermique entre d'une part, des tubes dans lesquels circule un premier fluide froid ou chaud et d'autre part, un second fluide, par exemple de l'air, qui circule entre les tubes et le long des surfaces des ailettes selon un sens déterminé d'écoulement. Ces ailettes sont généralement réalisées sous la forme de plaques disposées parallèlement les unes aux autres selon un pas d'écartement déterminé en fonction de l'application visée. Ces ailettes sont traversées par les tubes et sont serties sur les tubes par un procédé mécanique ou hydraulique. Dans le cas d'un échangeur à surface sèche, le coefficient global de transfert de chaleur dépend principalement de la vitesse de l'air, du rapport des surfaces côté air et côté fluide et de l'efficacité des ailettes. Une ailette efficace se traduit par une résistance thermique côté air la plus faible possible (ou coefficient d'échange thermique côté air le plus élevé possible) tout en ayant une perte de charge la plus faible possible. Dans l'état de la technique, différentes formes de réalisation d'ailettes sont connues. Un premier type connu est une ailette réalisée sous la forme d'une plaque plane. Cette ailette plane offre l'avantage de présenter une très faible perte de charge. Cependant, l'inconvénient de cette ailette plane est sa très forte résistance thermique côté air. Afin de remédier à la faible capacité d'échange thermique de l'ailette plane, il est connu d'avoir recours à des ailettes dites à persiennes, comportant des lamelles fixes inclinées espacées les unes des autres par des ouvertures permettant le passage de l'air. L'avantage de l'ailette persienne est sa faible résistance thermique côté air. Cependant, l'ailette persienne possède une forte perte de charge et est susceptible d'un fort encrassement en raison de sa géométrie. 2866104 2 Il est connu également une lamelle dite gaufrée comportant des ondulations dans le sens de l'écoulement de l'air. Le profil de ces ailettes engendre des zones de turbulence, vecteur de fort échange thermique mais également des zones mortes à proximité des tubes où les échanges thermiques sont beaucoup plus faibles. L'analyse des ailettes connues conduit à constater que les diverses variantes de réalisation des moyens pour augmenter les échanges thermiques entre l'air et les ailettes ne donnent pas satisfaction en pratique. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients des ailettes connues en proposant une ailette pour échangeur thermique présentant une faible perte de charge tout en ayant une résistance thermique côté air la plus faible possible. Pour atteindre de tels objectifs, l'objet de l'invention concerne une ailette métallique pour échangeur thermique à tubes, formant une surface d'échange indirecte destinée à augmenter l'échange thermique entre les tubes dans lesquels circule un fluide et l'air qui circule entre les tubes et le long de la surface de l'ailette selon un sens déterminé d'écoulement, l'ailette comportant une série de collets de montage pour les tubes et des moyens d'augmentation des échanges thermiques entre l'air et l'ailette. Selon l'invention, les moyens d'augmentation des échanges thermiques sont constitués par au moins des conformations de déviation aménagées chacune en amont d'un trou en considération du sens d'écoulement de l'air pour forcer l'air à passer de part et d'autre dudit trou. Selon une caractéristique préférée de réalisation, les moyens d'augmentation des échanges theiiniques comportent aussi des conformations de déviation aménagées chacune en aval en considération du sens de l'écoulement de l'air d'un trou appartenant à un rang pour forcer l'air à passer de part et d'autre de trous appartenant à un rang subséquent. Avantageusement, les conformations amont et aval de deux trous superposés appartenant à une même colonne s'étendent selon une longueur déterminée pour venir sensiblement se rejoindre au niveau du plan d'extension de trous décalés et appartenant à un rang intermédiaire par rapport aux rangs amont et aval auxquels appartiennent les trous superposés. Conformément à l'invention, les conformations de déviation amont et aval sont dimensionnées de manière que pour des vitesses de l'air comprises entre 1 et 5 m/s, 2866104 3 l'ailette possède par nappe une perte de charge sur l'air comprise respectivement entre 0,3 et 4 mm CE (colonne d'eau) et une résistance thermique côté air comprise respectivement entre 0,016 et 0,008 m2 KIW. Il doit être considéré que l'ailette conforme à l'invention présente une perte de charge équivalente à celle d'une ailette plane tout en offrant une résistance thermique plus importante qu'une ailette persienne et relativement proche d'une ailette gaufrée. Conformément à l'invention, la conformation de déviation amont et la conformation de déviation aval pour un même trou présentent une symétrie miroir par rapport au plan d'extension perpendiculaire à la direction d'écoulement de l'air. Selon une caractéristique de réalisation, la conformation de déviation amont et la conformation de déviation aval pour un trou, présentent une inclinaison qui augmente du bord distal au bord proximal de chaque conformation par rapport au trou et selon la direction d'écoulement de l'air. Selon une autre caractéristique de réalisation, chaque conformation de 15 déviation possède une largeur qui augmente de son bord distal à son bord proximal. Selon un exemple de réalisation, chaque conformation de déviation possède un contour sensiblement demi-elliptique. Avantageusement, chaque conformation de déviation se prolonge de son bord distal en direction du trou par un flanc de déflection. Selon une autre caractéristique de réalisation, chaque conformation de déviation est saillante sur une face de l'ailette et en creux sur l'autre face de l'ailette. Un autre objet de l'invention est de proposer un échangeur thermique équipé d'une série d'ailettes métalliques conformes à l'invention, montées sur des tubes de circulation d'un fluide. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est une vue en perspective montrant de façon partielle le montage d'ailettes conformes à l'invention sur des tubes pour constituer un échangeur 30 thermique. La Figure 2 est une vue en plan d'une ailette conforme à l'invention. La Figure 3 est une vue en coupe prise selon les lignes A-A de la Fig. 2. La Figure 4 est une vue à plus grande échelle prise sensiblement selon les lignes B-B de la Fig. 2. Tel que cela ressort clairement des Fig. 1 et 2, l'objet de l'invention concerne une ailette métallique 1 destinée à être utilisée dans un échangeur thermique qui a pour but de permettre un échange thermique entre un premier fluide tel qu'un fluide frigorigène circulant à l'intérieur de tubes 2 et un second fluide tel que de l'air qui circule à l'extérieur des tubes 2. La surface d'échange, à savoir les parois des tubes 2 est augmentée par l'utilisation des ailettes 1 constituant des surfaces d'échange indirectes. Chaque ailette 1 est réalisée à partir d'une plaque métallique telle qu'en aluminium, en alliage aluminium ou en cuivre, par exemple. De manière classique, chaque ailette 1 est munie de trous 3 pour le passage des tubes 2. Chaque trou 3 est bordé par un collet 5 de montage pour un tube 2. De manière classique, les ailettes 1 sont serties sur les tubes 2 au niveau des collets 5. Les trous de passage 3 sont organisés pour s'établir selon des rangs RI, R2... R; parallèles les uns aux autres et s'étendant chacun selon un plan d'extension P qui est perpendiculaire à la direction d'écoulement E de l'air. Dans l'exemple illustré, l'air s'écoule selon un sens d'écoulement représenté par les flèches F et traverse ainsi l'ensemble des rangs RI, R2, ... R; qui constitue une nappe. De manière classique également, les trous de passage 3 sont organisés de manière à s'étendre en quinconce. En d'autres termes, les trous de passage 3 de deux rangs successifs sont décalés d'un pas déterminé de manière à constituer un premier groupe de rangs impairs (RI, R3....) dont les trous 3 se trouvent répartis en position superposée selon une série de colonnes impaires (CI, C3, C5...) parallèles à la direction d'écoulement E et un deuxième groupe de rangs pairs (R2, R4...) dont les trous 3 se trouvent répartis en position superposée selon une série de colonnes paires (C2, C4, C6...) parallèles à la direction E et s'établissant chacune entre deux colonnes impaires. Chaque ailette 1 comporte des moyens 7 permettant d'augmenter les échanges thermiques entre l'air et l'ailette. Conformément à l'invention, les moyens d'augmentation 7 des échanges thermiques sont constitués par des conformations de déviation 10 aménagées chacune au moins en amont d'un trou 3 ou collet 5 en considération du sens d'écoulement F de l'air pour forcer l'air à passer de part et d'autre dudit trou 3 ou collet 5 et par suite du tube 2 traversant ledit trou 3. Ces conformations de déviation 10 permettent ainsi d'éviter à l'air de venir frapper directement le tube 2, ce qui entraîne un décollement des filets d'air. Ces conformations de déviation dites amont 10 permettent de canaliser l'air sur la surface des ailettes situées de part et d'autre des trous de passage 3 et par suite des tubes 2. Selon une caractéristique préférée de réalisation, les moyens d'augmentation des échanges thermiques 7 comportent également des conformations de déviation 11 aménagées chacune en aval, en considération du sens de l'écoulement F de l'air, d'un trou 3 appartenant à un rang pour forcer l'air à passer de part et d'autre de trous 3 appartenant à un rang subséquent. En d'autres termes, et tel que cela ressort de la Fig. 2, les confouiiations de déviation aval 11 réalisées en aval de chaque trou de passage 3, par exemple du premier rang R1, permettent de canaliser l'air pour le forcer à passer de part et d'autre des trous 3 et par suite des tubes 2 appartenant au deuxième rang R2. Il doit être compris que les conformations de déviation 10, 11 constituent des surfaces en relief ou saillantes par rapport au plan de l'ailette favorisant l'air à rester en contact avec la surface de l'ailette tout en canalisant l'air pour qu'il contourne les tubes 2. Avantageusement, la conformation de déviation amont 10 et la conformation de déviation aval 11 disposées entre deux trous 3 superposés successifs appartenant à une même colonne s'étendent chacune selon une longueur déterminée pour venir sensiblement se rejoindre au niveau du plan d'extension P de trous 3 décalés et appartenant à un rang intermédiaire par rapport aux rangs amont et aval auxquels appartiennent les deux trous superposés. Par exemple, les conformations de déviation aval 11 et amont 10 des trous 3 appartenant respectivement au premier rang RI et au troisième rang R3 de la troisième colonne C3 sont adaptées pour permettre de canaliser l'air sur la surface de l'ailette située entre les trous 3 du deuxième rang R2 appartenant aux colonnes voisines C2, C4. Une telle disposition des conformations de déviation permet de réduire les zones mortes pour l'air de part et d'autre des trous 3 et par suite des tubes 2. Il doit être considéré que les conformations amont 10 et aval 11 sont dimensionnées de manière que pour des vitesses de l'air comprises entre 1 et 5 m/s, l'ailette 1 possède par nappe, une perte de charge sur l'air comprise respectivement entre 0,3 et 4 mm CE (colonne d'eau) et une résistance thermique côté air comprise respectivement entre 0,016 et 0, 008 m2 KIW. L'ailette 1 conforme à l'invention présente donc une perte de charge équivalente à celle d'une ailette plane tout en présentant une résistance thermique plus importante qu'une ailette persienne et relativement proche d'une ailette gaufrée. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la conformation amont 10 et la conformation aval 11 pour un même trou de passage 3 présentent une symétrie miroir par rapport au plan d'extension P d'un rang de trous 3 qui est perpendiculaire à la direction d'écoulement E de l'air. Chaque conformation amont 10 et aval 11 présentent ainsi par rapport à un trou 3, un bord distal 12 et un bord proximal 13. Avantageusement, la conformation amont 10 et la conformation aval 11 présentent une inclinaison selon un angle a qui augmente du bord distal 12 jusqu'au bord proximal 13, selon la direction d'écoulement de l'air E. Par exemple, l'angle d'inclinaison a peut être compris entre 4 et 15 et s'établir autour de 7 . Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 3, chaque conformation amont 10 et aval 11 présentent un profil courbe selon une direction transversale par rapport à la direction d'écoulement E. Avantageusement, chaque conformation amont 10 ou aval 11 présente une largeur prise transversalement par rapport à la direction d'écoulement E, qui augmente progressivement de son bord distal 12 à son bord proximal 13. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 2, chaque conformation amont 10 ou aval 11 possède un contour sensiblement demi-elliptique. Aussi, chaque bord distal 12 ou proximal 13 d'une conformation amont ou aval présente un contour arrondi tourné selon le même sens que la partie du trou 3 placé en correspondance. De préférence, chaque conformation amont 10 ou aval 11 se prolonge de son bord proximal 13 en direction du trou 3 par un flanc de déflexion 15 venant s'étendre à proximité de la base du collet 5 voisin. Tel que cela ressort de la description qui précède, les conformations amont 10 et aval 11 sont saillantes sur une face de l'ailette et en creux sur l'autre face de l'ailette. De telles ailettes 1 sont destinées à être montées les unes à côté des autres en étant orientées chacune dans le même sens en vue de constituer un échangeur thermique. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Ailette métallique pour échangeur thermique à tubes (2), formant une surface d'échange indirecte destinée à augmenter l'échange thermique entre les tubes (2) dans lesquels circule un fluide, et l'air qui circule entre les tubes et le long de la surface de l'ailette selon un sens déterminé d'écoulement, l'ailette comportant une série de collets (5) de montage pour les tubes (2) et des moyens (7) d'augmentation des échanges thermiques entre l'air et l'ailette, caractérisée en ce que les moyens d'augmentation des échanges thermiques sont constitués par au moins des conformations de déviation (10) aménagées chacune en amont d'un trou (3) en considération du sens (F) d'écoulement de l'air pour forcer l'air à passer de part et d'autre dudit trou. 2 - Ailette métallique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'augmentation des échanges thermiques (7) comportent aussi des conformations de déviation (11) aménagées chacune en aval en considération du sens (F) de l'écoulement de l'air, d'un trou (3) appartenant à un rang pour forcer l'air à passer de part et d'autre de trous appartenant à un rang subséquent. 3 - Ailette métallique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les conformations de déviation amont (10) et aval (11) de deux trous (3) superposés appartenant à une même colonne s'étendent selon une longueur déterminée pour venir sensiblement se rejoindre au niveau du plan d'extension (P) de trous décalés et appartenant à un rang intermédiaire par rapport aux rangs amont et aval auxquels appartiennent les trous superposés. 4 - Ailette métallique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les conformations de déviation amont (10) et aval (11) sont dimensionnées de manière que pour des vitesses de l'air comprises entre 1 et 5 m/s, l'ailette possède par nappe, une perte de charge sur l'air comprise respectivement entre 0,3 et 4 mm CE (colonne d'eau) et une résistance thermique côté air comprise respectivement entre 0,016 et 0, 008 m2 K/W. - Ailette métallique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la conformation de déviation amont (10) et la conformation de déviation aval (11) pour un même trou (3) présentent une symétrie miroir par rapport au plan d'extension (P) perpendiculaire à la direction d'écoulement (E) de l'air. 6 - Ailette métallique selon la revendication 4, caractérisée en ce que la conformation de déviation amont (10) et la conformation de déviation aval (11) pour un trou (3), présentent une inclinaison qui augmente du bord distal (12) au bord proximal (13) de chaque conformation par rapport au trou et selon la direction d'écoulement de l'air. 7 - Ailette métallique selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque conformation de déviation (10, 11) possède une largeur qui augmente de son bord distal (12) à son bord proximal (13). 8 - Ailette métallique selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque conformation de déviation (10, 11) possède un contour sensiblement demi-elliptique. 9 - Ailette métallique selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que chaque conformation de déviation (10, 11) se prolonge de son bord distal (12) en direction du trou (3) par un flanc de déflection (15). - Ailette métallique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que chaque conformation de déviation (10, 11) est saillante sur une face de l'ailette et en creux sur l'autre face de l'ailette. 11 - Echangeur thermique caractérisé en ce qu'il comporte une série d'ailettes métalliques conformes chacune à l'une des revendications 1 à 10 et montées sur des tubes (2) de circulation d'un fluide.