Brevet FR2884309A1 — publié le 20061013

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et a plus particulièrement pour objet un tube pour échangeur de chaleur et un assemblage de tels tubes. Il existe deux types principaux d'échangeurs de chaleur utilisés dans l'industrie, à savoir les échangeurs à tubes et les échangeurs à plaques. Parmi les échangeurs à tubes, ceux, utilisant une calandre et un faisceau de tubes rectilignes solidarisés, à chacune de leurs extrémités, à une plaque tubulaire, sont très répandus. On connaît aussi le brevet FR 2840675 qui décrit un échangeur comportant io des tubes possédant chacun au moins deux spires parallèles disposées, chacune, dans un même plan. Dans le cadre d'essais d'un moteur, notamment d'un moteur d'avion, on utilise généralement une installation comportant des premiers moyens, disposés en amont du moteur et aptes à alimenter ce dernier en air à un débit, une température et une pression aptes à reproduire ceux que peut rencontrer l'avion dans son domaine de vol. L'installation comporte aussi des seconds moyens, disposés en aval du moteur et aptes, d'une part, à reproduire la pression que peut rencontrer l'aval du moteur dans le domaine de vol de l'avion, et, d'autre part, à refroidir les produits de combustion lors du fonctionnement du moteur. Ce moteur est généralement implanté dans un caisson d'essais et le refroidissement consiste généralement, en l'introduction d'air de ventilation dans le caisson, ainsi qu'en un passage des gaz dans un réfrigérant primaire apte à refroidir les gaz jusqu'à une température inférieure ou égale à 500 C puis en un passage dans un réfrigérant secondaire dans lequel ils sont refroidis jusqu'à une température de 40 C environ. De plus, pour une question de tenue des matériaux constitutifs du réfrigérant primaire, de l'eau est injectée dans les gaz sortant du moteur afin de diminuer leur température en entrée du réfrigérant primaire. Les seconds moyens comportent généralement au moins un compresseur et le réfrigérant primaire est constitué par un échangeur de type tubes rectilignes/calandre. Cependant l'injection d'eau, destinée à diminuer la température des gaz à l'entrée de cet échangeur, produit de la corrosion au niveau des deux équipements précités. Pour résoudre, en partie cet inconvénient, un dévésiculeur est disposé en amont des compresseurs. Cependant un tel équipement ne peut être disposé en amont du réfrigérant primaire à cause de la température trop élevée des gaz. De plus, les gaz à refroidir ne sont thermiquement pas homogènes. Ainsi il existe un dard axial extrêmement chaud correspondant aux gaz éjectés par le moteur et des gaz périphériques beaucoup moins chaud autour du dard. De plus, compte tenu du diamètre important de la calandre, typiquement plusieurs mètres, une différence de température de l'ordre de la centaine de degré entre les gaz situés en haut et ceux situés en bas de l'échangeur. Ces différences de températures créent des contraintes thermiques importantes notamment au niveau des plaques i0 supportant les tubes qui se déforment et provoque des ruptures de tubes. Comme les tubes ne sont pas facilement accessibles, ni réparables, la seule solution consiste à boucher les tubes défectueux, donc à réduire l'échange, et ce, jusqu'à ce que l'échange global devienne insuffisant et qu'il soit alors nécessaire de remplacer l'échangeur. La durée d'indisponibilité de l'installation peut alors être très importante. Le but de l'invention est de résoudre les inconvénients précités en proposant un échangeur de chaleur permettant de refroidir des gaz extrêmement chauds sans nécessiter une injection d'eau préalable et permettant une accessibilité accrue à chacun des tubes permettant éventuellement, lorsqu'un tube est endommagé, de le changer facilement et rapidement, quelle que soit sa position au sein du faisceau de tube. La solution apportée est, d'une part un tube, notamment pour échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il a, au moins en partie, la forme d'une spirale hélicoïdale. Selon une caractéristique particulière, chaque tube comporte au moins deux 25 spirales hélicoïdales solidaires l'une de l'autre par l'une de leurs extrémités, par exemple par leur extrémité centrale. Selon une caractéristique particulière le tube comporte au moins une spire suivant une courbe loxodromique. Selon une autre caractéristique permettant d'accroître la surface d'échange, 30 un tube selon l'invention comporte des ailettes. La solution apportée est, d'autre part, un échangeur de chaleur comportant au moins un tube selon l'invention, cet échangeur pouvant comporter une calandre tubulaire d'axe OX et, préférentiellement, l'axe de ladite spirale hélicoïdale étant confondu avec l'axe OX. Selon une caractéristique avantageuse permettant, lors de son utilisation, de donner un mouvement hélicoïdal au fluide passant coté calandre, l'échangeur comporte au moins deux tubes selon l'invention et ces tubes sont décalés radialement. Selon une caractéristique particulière permettant, lors de son utilisation, d'homogénéiser la température des gaz chauds passant coté calandre, l'échangeur comporte N tubes décalés les uns par rapport aux autres de sorte à former une hélice, et préférentiellement de sorte à ce que le maître couple du faisceau de tubes dans un plan perpendiculaire à l'axe OX soit égal à la section de la calandre. to Selon une autre caractéristique permettant de différencier la fonction des tubes, la composition des tubes est différente en fonction de leur position suivant l'axe de l'échangeur. Selon une autre caractéristique, la calandre comporte une chemise ayant au moins deux ouvertures et apte à permettre le passage d'un fluide de refroidissement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description de deux variantes de réalisation de l'invention et au regard des figures annexées parmi lesquelles: - La figure 1 présente un schéma d'une vue de face d'un tube selon l'invention, - la figure 2 montre un schéma d'un faisceau de tubes selon l'invention, - la figure 3 présente un schéma, selon une coupe A-A de la figure 1, de la jonction des éléments en spirale d'un tube, - la figure 4 montre un tube selon l'invention comportant des 25 ailettes, - la figure 5 présente un schéma d'une vue de face d'un faisceau de tubes selon l'invention, - Les figures 6 et 7 montrent deux schémas, le premier étant une vue de face et l'autre une vue de côté du faisceau de tubes intégré à l'intérieur d'une calandre afin de former un échangeur de chaleur. - Les figures 8 et 9 présentent une autre variante de réalisation de l'invention dans laquelle un faisceau est constitué de tubes ayant, en partie, la forme d'une spirale hélicoïdale. La figure 1 présente un schéma d'une vue de face d'un tube selon l'invention. Ce tube 1 comporte deux éléments tubulaires 2 et 3, chacun de ces éléments ayant la forme d'une spirale comportant une extrémité centrale, respectivement 42 et 43 et une extrémité périphérique, respectivement 52 et 53, ces extrémités périphériques étant elles-mêmes prolongées par des éléments tubulaires rectilignes, respectivement 62 et 63. Les éléments tubulaires 2,3, 62 et 63 ont le même diamètre et les éléments 2 et 3 sont solidaires l'un de l'autre via leurs extrémités centrales 42 et 43. Dans cet exemple de réalisation les éléments 2 et 3 sont identiques mais positionnés, avant leur solidarisation, de sorte que l'élément 3 ait subit une rotation i0 d'un angle a de 180 degrés par rapport à l'élément 2. Ainsi, une partie 7 de l'élément 2 comportant l'extrémité centrale 42 et une partie 8 de l'élément 3 comportant l'extrémité centrale 43 forment un S inversé. Pour simplifier la fabrication des éléments de tube 2 et 3, chacun de ces derniers est constitué par au moins deux arcs de cercle de 180 degrés. En l'occurrence, chacun des éléments de tube 2 et 3 comprend deux arcs de cercle, respectivement 21, 22 et 31,32 de 180 degrés chacun ainsi qu'un arc de cercle, respectivement 23 et 33, de 90 degrés et d'une partie rectiligne, respectivement 62 et 63. Comme montré sur la figure 2 qui présente un faisceau 19 de tubes selon l'invention, les éléments 2 et 3 ne sont pas disposés dans un même plan, ou dans des plans parallèles comme figurés par exemple dans le brevet FR 2840675. En effet, chacun des éléments 2 et 3 a la forme d'une spirale hélicoïdale, et plus particulièrement, ils suivent une courbe loxodromique. En outre, comme montré sur la figure 3 qui présente un schéma de la jonction des éléments 2 et 3 selon la coupe A-A, l'axe de rotation 9 de l'élément tubulaire 2 et l'axe de rotation 10 de l'élément tubulaire 3 font entre eux un angle p non nul. Comme montré sur la figure 4, un tube selon l'invention peut comporter des ailettes 11 de forme annulaire. Dans cet exemple de réalisation, les ailettes ont un diamètre égal à environ deux fois celui du tube 1 et sont soudées sur ce dernier et réparties tout au long des éléments 2 et 3 du tube 1. Leur épaisseur est de l'ordre du millimètre. Leur fonction, au sein d'un échangeur de chaleur, est d'accroître la surface d'échange thermique entre les fluides circulant à l'intérieur et à l'extérieur des tubes. Par ailleurs comme montré sur les figures 2 et 5, le faisceau de tube selon l'invention comporte une série de tubes 1 identiques disposés, les uns derrière les autres et de sorte que l'axe de l'hélice de chacun des tubes 1 soit commun à tous les tubes. Toutefois, afin de donner un mouvement hélicoïdal au fluide circulant autour des tubes, ces derniers sont successivement décalés, dans un plan perpendiculaire à l'axe OX, d'un angle de 180/N degrés, ou N est le nombre de tubes par pas P de l'hélice formée par le faisceau 19 de tubes 1. Sur la figure 5, on constate que N est égal à 18 et que l'angle de décalage est donc de l'ordre de 10 degrés. De plus, comme montré sur la figure 2, les tubes 1 sont juxtaposés de sorte que deux tubes successifs sont, tout ou partie en contact ou quasiment en contact. Ainsi, la section de passage moyenne d'un fluide autour des tubes 1 est, tout au long du faisceau, sensiblement identique et égale à la section de passage d'un tube, ce qui limite les pertes de charge au sein du faisceau 19. En outre, le maître couple, c'est-à-dire la section des tubes 1 du faisceau 19 vue par le fluide est, comme montré sur la figure 5, égale à la section de la calandre 12. Les figures 6 et 7 montrent deux schémas, le premier étant une vue de face 15 et l'autre une vue de côté du faisceau de tubes 1 intégré à l'intérieur d'une calandre afin de former un échangeur de chaleur. La calandre 12 est disposée autour des éléments en spirale 2 et 3 des tubes 1 et les éléments tubulaires rectilignes 62 et 63 traversent la calandre 12 et sont, éventuellement soudés à cette dernière. Chacune des extrémités libres des éléments tubulaires rectilignes 62 est reliée et fixée, par brides 13, à un tube 14 d'alimentation en fluide tandis que chacune des extrémités libres des éléments tubulaires rectilignes 63 est reliée à un tube 15 de retour dudit fluide. En outre, une vanne 16 est disposée sur chacun des éléments tubulaires rectilignes 62 et 63, à l'extérieur de la calandre 12. Ainsi, en cas de fuite sur l'un des tubes, ce tube peut être isolé en fermant lesdites vannes. Par la suite, ce tube peut être enlevé en désolidarisant d'une part les éléments tubulaires rectilignes 62 et 63 de la calandre et, d'autre part, les brides 13. Les tubes 14 et 15 d'alimentation et de retour ont, en partie, à savoir à la jonction avec les tubes 1, une forme hélicoïdale. Le fonctionnement d'un échangeur selon la figure 6, dans le cadre du refroidissement des gaz chauds expulsés par un moteur d'avion peut être le suivant. Les tubes 1 sont alimentés en eau par le tube 14. Après avoir circulé dans les tubes 1, l'eau est collectée par le tube de retour 15. Les gaz chauds, ainsi que des gaz de ventilation entraînés par ces derniers, sont dirigés vers l'entrée de l'échangeur, à savoir à l'intérieur de la calandre 12. La disposition des tubes 1 à l'intérieur du faisceau donne un mouvement hélicoïdal favorisant l'homogénéisation de la température des gaz tout en assurant un refroidissement efficace grâce aux tubes 1 et aux ailettes 11 associées. Comme le mouvement hélicoïdal n'est pas obtenu dès l'entrée, les tubes situés du côté de l'entrée des gaz chauds assurent la plus grande part de l'homogénéisation de la température des gaz chauds. II est donc préférable de choisir, pour ces tubes, un matériau apte à résister à la température, comme de l'aluminium, même si le coefficient de conduction thermique n'est pas très élevé, tandis que pour les tubes situés au milieu ou en sortie de l'échangeur, le choix d'un matériau thermiquement bon conducteur, comme de l'inox, est à privilégier. i0 Comme il n'y a plus, comme dans un échangeur à tube classique, de plaque tubulaire subissant des gradients thermiques importants aptes à endommager les tubes, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'eau pour refroidir les gaz chauds provenant du moteur et, par conséquent, il n'est plus nécessaire d'utiliser un dévésiculeur en amont des compresseurs. De plus, la corrosion est quasiment totalement supprimée au niveau de l'échangeur. Les figures 8 et 9 présentent une autre variante de réalisation de l'invention dans laquelle un faisceau est constitué de tubes ayant, en partie, la forme d'une spirale hélicoïdale. Ces tubes 21, dont seulement trois sont représentés sur la figure 8 pour un souci de clarté, comportent chacun huit spires et une extrémité périphérique 22 reliée à un élément tubulaire rectiligne 23 dont l'extrémité 24 est reliée à un tube 25 d'alimentation en fluide. L'extrémité centrale 26 des tubes 21 est reliée à un tube 27 de retour dudit fluide, ce tube étant disposé selon l'axe de la spirale hélicoïdale. Comme les tubes ont principalement une forme de spirale hélicoïdale, les tubes sont imbriqués de sorte qu'une partie des spires des tubes 212 et 213 sont à l'intérieur d'une partie des spires des tubes respectifs, 211 et 212, une partie moindre du tube 213 étant aussi à l'intérieur du tube 211. Cette imbrication permet l'obtention d'un faisceau compact de tubes. La partie en spirale hélicoïdale de chacun des tubes 21 est disposée à 30 l'intérieur d'une calandre 28 tandis que la partie tubulaire rectiligne 23 traverse cette dernière. Le fonctionnement d'un échangeur selon la figure 8, dans le cadre du refroidissement des gaz chauds expulsés par un moteur d'avion peut être le suivant. Les tubes 21 sont alimentés en eau par le tube 25. Après avoir circulé dans les tubes 1, l'eau est collectée par le tube de retour 27. Les gaz chauds, ainsi que des gaz de ventilation entraînés par ces derniers, sont dirigés vers l'entrée de l'échangeur, à savoir à l'intérieur de la calandre 28. La disposition des tubes 21 favorise le brassage des gaz donc leur homogénéisation, en composition et en température, et la position médiane du tube de retour de l'eau 27 participe au refroidissement des gaz. Comme il n'y a plus, comme dans un échangeur à tube classique, de plaque tubulaire subissant un gradient de température important et qu'il est en outre possible de choisir la composition des tubes en fonction de leur position dans le io faisceau, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'eau pour refroidir les gaz chauds provenant du moteur et, par conséquent, il n'est plus nécessaire d'utiliser un dévésiculeur en amont des compresseurs et la corrosion est quasiment totalement supprimée. Pour ce qui est de la maintenance des tubes, on constate que ce sont les tubes situés du coté de l'entrée des gaz chauds qui sont le plus sujet à la fatigue et qui se dégradent beaucoup plus rapidement que les autres. Aussi, le remplacement des tubes concernera essentiellement ces premiers tubes qui sont facilement accessible depuis l'entrée de l'échangeur et peuvent ainsi facilement être remplacés. De nombreuses modifications peuvent être apportées aux variantes de réalisation précédemment décrites sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, chaque tube peut avoir une forme différente de celles décrites précédemment, pourvu qu'elle soit en spirale hélicoïdale. De plus les tubes peuvent ou non être décalées en rotation les uns par rapport aux autres et la calandre peut éventuellement comporter un chemisage apte à permettre la circulation d'un fluide à l'intérieur. Les tubes d'alimentation et de retour peuvent aussi être disposés au niveau de l'axe des spires et les deux éléments en spirale être reliés par leur extrémité périphérique. II est bien évident aussi que l'utilisation d'un échangeur selon l'invention n'est nullement limitée aux installations d'essais. 2884309 8 Revendications 1. Tube (1), notamment pour échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il a, 5 au moins en partie (2;3), la forme d'une spirale hélicoïdale. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux spirales hélicoïdales (2;3) solidaires l'une de l'autre par l'une de leurs extrémités. 3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux spirales hélicoïdales solidaires l'une de l'autre par leur extrémité centrale (42; 43) . 4. Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'à la jonction des dites deux spirale, l'axe (9) de l'élément (2) du tube (1) formant la première spirale fait, avec l'axe (10) de l'élément (3) du tube (1) formant la seconde spirale, un angle R non nul. 5. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une spire (2; 3) suivant une courbe loxodromique. 6. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 25 qu'il comporte des ailettes (11). 7. Echangeur de chaleur comportant au moins un tube (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une calandre cylindrique (12) d'axe OX et en ce que l'axe de ladite au moins une spirale hélicoïdale (2;3) est confondu avec l'axe OX. i0 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau (19) d'au moins deux tubes (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 décalés radialement entre eux. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le faisceau (19) de tubes forme une hélice. 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux tubes (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dont la composition est différente. i0 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la calandre comporte une chemise comportant au moins deux ouvertures et apte à permettre le passage d'un fluide de refroidissement.