Brevet FR2954479A1 — publié le 20110624

L'invention concerne un tube pour échangeur de chaleur, son procédé de fabrication, ainsi qu'un échangeur de chaleur comprenant plusieurs de ces tubes. L'invention vise plus particulièrement le domaine technique des échangeurs de chaleur à tubes utilisant l'air comme fluide d'échange secondaire, tels que des équipements de type aéro-réfrigérant, aéro-condenseur, aéroréchauffeur ou aéro-évaporateur. Ces derniers sont utilisés respectivement pour le refroidissement, la condensation, le réchauffage et l'évaporation d'un fluide, notamment dans des procédés de raffinage, des stations de traitement et de compression du gaz, des unités de liquéfaction de gaz, des unités de synthèse du charbon et du gaz, des installations de production d'électricité, des unités de regazéification, ou toute autre installation de traitement de fluide. De manière générale, de tels équipements comprennent un échangeur de chaleur principal muni d'un faisceau de tubes, dont chacun comprend notamment un corps tubulaire de base, ainsi que des ailettes externes. Il est par ailleurs prévu des collecteurs de distribution et de répartition du fluide entre les tubes. Un premier fluide à refroidir, à condenser, à réchauffer ou à évaporer circule à l'intérieur du corps tubulaire. Le traitement thermique de ce fluide s'effectue au niveau des ailettes externes, par échange de chaleur avec un second fluide s'écoulant à la périphérie de chaque tube, notamment de l'air ambiant. Pour cela, une circulation ou ventilation forcée d'air ambiant est assurée par des ventilateurs positionnés soit en dessous (ce qu'on appelle un tirage forcé) ou en dessus (ce qu'on appelle un tirage induit) des tubes de l'échangeur. La présente invention s'intéresse plus particulièrement au problème technique de la solidarisation du corps tubulaire de base, par rapport aux ailettes externes d'échange. Une première solution connue consiste à enrouler directement, selon une 30 forme hélicoïdale, un feuillard d'aluminium autour du corps de base, de façon à former les ailettes. Ce premier état de la technique peut être dénommé « à ailettes enroulées ». A titre d'alternative, les ailettes peuvent être encastrées dans une rainure réalisée dans le corps de base, ou bien encore être fixées autour du corps après pliage du pied de l'ailette selon une forme de L, afin d'augmenter la surface de contact entre le corps et l'ailette. Dans ce dernier cas, le pied de l'ailette peut également être moleté pour en renforcer la tenue sur le corps de base. Cette solution, dite à ailettes encastrées, implique cependant certains inconvénients. Ainsi, la protection contre la corrosion externe de ce type de tubes n'est pas satisfaisante et, en cas d'utilisation dans un environnement marin ou industriel à forte humidité ambiante, le corps de base peut être sujet à une corrosion sensible, depuis l'extérieur. Un autre type d'assemblage connu est le tube dit à ailettes extrudées, dans lequel on utilise un tube de base recouvert d'un tube périphérique en aluminium. Les ailettes sont formées de façon hélicoïdale dans l'aluminium, en utilisant une série de disques en rotation. Cette solution offre l'avantage de protéger le tube de base à l'égard de la corrosion externe. En revanche, elle présente certains inconvénients, liés tout d'abord à la nécessité de reprise des extrémités pour obtenir une couverture complète. Par ailleurs, les procédés de fabrication mis en oeuvre sont relativement difficiles à maîtriser. De plus, il est nécessaire de bien maîtriser le contact entre les deux tubes, ce qui nécessite l'utilisation d'outils spécifiques qui ralentissent la fabrication. Enfin, un dernier inconvénient est que la quantité d'aluminium nécessaire pour la fabrication de ce type de tube est quasiment deux fois plus élevée que celle nécessaire pour réaliser les tubes avec des ailettes enroulées, alors que la performance thermique est légèrement inférieure. Une autre façon de rapporter les ailettes sur le corps tubulaire consiste à réaliser des découpes d'ailettes dans un feuillard, puis à les insérer autour du tube. Le principal problème réside alors dans la création d'un jeu, au niveau de la jonction entre le tube et l'ailette, ce qui n'est pas favorable à l'échange thermique. Pour réduire ce jeu, le corps tubulaire peut être expansé lorsque son épaisseur est faible et que la matière utilisée est facilement déformable. Il existe également des traitements qui peuvent être réalisés après la fabrication, tels que la galvanisation si les tubes et les ailettes sont en acier. Dans le cas d'ailettes en aluminium, il est très difficile d'obtenir un bon contact entre le tube et l'ailette. Un autre type d'assemblage prévoit de braser les ailettes sur le corps tubulaire, lequel est réalisé en acier. Ce procédé permet d'obtenir un tube dont les propriétés thermiques sont intéressantes et qui présente une protection notable vis-à-vis de la corrosion externe. Cependant, les coûts de fabrication qu'implique ce type d'assemblages sont nettement supérieurs à ceux correspondant aux procédés présentés ci-dessus. De plus, pendant l'étape de brasage, le corps de base subit un traitement thermique du fait des températures à atteindre pour la fusion des alliages d'aluminium, ce qui peut altérer sa qualité. Enfin, US-B-7 093 650 concerne un tube d'échangeur thermique comportant, outre le corps et les ailettes, une couche intermédiaire réalisée en résine, recouvrant le tube de base et autour de laquelle sont enroulées les ailettes. L'utilisation de cette résine permet de protéger le corps de base à l'égard des phénomènes de corrosion externe. Les inconvénients de ce type d'assemblages sont, tout d'abord, liés à l'ajout d'une résistance thermique par la résine qui n'est pas bonne conductrice de la chaleur. D'autre part, ces échangeurs de chaleurs ne peuvent être utilisés à des températures supérieures à environ 150°C. En effet, les résines employées, soit ne résistent pas à ces gammes de températures, soit empêchent la dilatation des métaux à ces températures. L'invention vise à remédier aux différents inconvénients de l'art antérieur, évoqués ci-dessus. Elle vise en particulier à proposer un tube d'échangeur de chaleur qui, tout en étant relativement économique, n'est sensiblement pas sujet au phénomène de corrosion et présente de bonnes propriétés de conduction thermique et de tenue mécanique. A cet effet, l'invention a pour objet un tube pour échangeur de chaleur, comprenant un corps tubulaire de base, une enveloppe intermédiaire placée à la périphérie du corps, ainsi que des ailettes enroulées en spirale autour de l'enveloppe, caractérisé en ce que l'enveloppe et/ou les ailettes comporte(nt) une zone de déformation mécanique, assurant leur solidarisation mutuelle. Un tube d'échangeur de chaleur selon l'invention peut présenter avantageusement les caractéristiques suivantes : - la zone de déformation mécanique est une zone de sertissage ; - l'enveloppe est creusée d'au moins une rainure de réception d'une extrémité d'une ailette, la zone de déformation mécanique étant prévue au voisinage d'au moins un bord, en particulier d'un bord latéral, de ladite rainure ; - l'enveloppe intermédiaire et les ailettes sont réalisées en un même matériau, notamment en aluminium ou en alliage d'aluminium, ou bien en cuivre. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tube pour échangeur de chaleur, ce tube comprenant un corps tubulaire de base, une enveloppe intermédiaire placée à la périphérie du corps, ainsi que des ailettes enroulées en spirale autour de l'enveloppe, caractérisé en ce qu'on positionne mutuellement l'enveloppe et les ailettes dans la configuration qu'elles doivent adopter, et on déforme mécaniquement l'enveloppe et/ou les ailettes afin d'assurer leur solidarisation mutuelle. Un procédé de fabrication d'un tube d'échangeur de chaleur selon l'invention peut présenter avantageusement les caractéristiques suivantes : - on réalise de façon séparée le corps de base et l'enveloppe et on introduit le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe ; - on dispose d'un corps de base dont les dimensions extérieures, notamment le diamètre, sont inférieures aux dimensions intérieures de l'enveloppe, on introduit le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe, et on applique un champ magnétique à ce corps et à cette enveloppe, de façon à les solidariser mutuellement ; - on dispose d'un corps de base dont les dimensions extérieures, notamment le diamètre, sont supérieures ou égales aux dimensions intérieures de l'enveloppe, on impose une contrainte de façon à modifier les dimensions radiales du corps et/ou de l'enveloppe, afin d'introduire le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe, et on supprime ladite contrainte, de sorte que les surfaces radiales en regard du corps et de l'enveloppe viennent en contact mutuel ; - on impose une contrainte thermique ; - on dispose d'un corps de base dont les dimensions extérieures, notamment le diamètre, sont inférieures aux dimensions intérieures de l'enveloppe, on introduit le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe, et on déforme mécaniquement l'enveloppe, notamment par sertissage, de façon à la solidariser au corps de base. L'invention a enfin pour objet un échangeur de chaleur comprenant 10 plusieurs tubes tels que ci-dessus. La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : 15 la figure 1 est une vue en coupe longitudinale illustrant un échangeur de chaleur conforme à l'invention; les figures 2 et 3 sont des vues en coupe longitudinale, illustrant de façon plus précise la solidarisation des différents éléments constitutifs de l'échangeur selon l'invention; et 20 la figure 4 est un graphique illustrant, de façon comparée, la quantité de matière utilisée pour un échangeur selon l'invention, ainsi que pour deux échangeurs de l'art antérieur. Sur la figure 1, on a représenté un tube 1 appartenant à un échangeur de chaleur. Ce dernier comprend, de façon habituelle, plusieurs de ces tubes 25 disposés en faisceau, selon un nombre typiquement compris entre 50 et 300. L'échangeur comporte en outre une entrée et une sortie d'un premier fluide, destiné à circuler dans le volume intérieur de chacun des tubes. De plus, un second fluide, en général de l'air ambiant, est amené à circuler de manière transversale aux tubes, par l'intermédiaire de ventilateurs, afin 30 d'entrer en échange thermique avec le premier fluide précité. Les différents éléments mécaniques évoqués ci-dessus sont classiques, de sorte qu'ils ne sont pas illustrés sur les figures et qu'ils sont présentés de manière succincte dans la description. Le tube 1 comprend un corps tubulaire de base 10, une enveloppe intermédiaire 20, ainsi que des ailettes périphériques 30. Le corps de base 10 est creux, de façon à assurer le passage du premier fluide précité. Il est réalisé en tout matériau métallique approprié, tel que par exemple une nuance d'acier, comme de l'acier au carbone ou inoxydable, du duplex, de l'incolloy, de l'inconel, du titane ou même du cuivre. De façon avantageuse, le corps 10 présente un diamètre extérieur compris entre 10 et 60 mm. L'enveloppe intermédiaire 20, formant une gaine, est disposée à la périphérie du corps de base 10. Cette enveloppe est creusée d'une rainure 22, s'étendant à sa périphérie extérieure selon une forme de spirale, notamment d'hélice. De façon connue en soi, les ailettes périphériques 30 peuvent présenter une surface plane, ou bien être pourvues de perturbateurs destinés à améliorer les performances d'échange thermique. De plus, l'extrémité radiale interne 32 de ces ailettes est encastrée dans la rainure 22 précitée, comme cela va être expliqué plus en détail dans ce qui suit. De façon avantageuse, l'enveloppe 20 et les ailettes 30 sont réalisées en un même matériau. A titre purement indicatif, on citera notamment l'aluminium ou un alliage d'aluminium, ou bien encore le cuivre. De plus, le corps 10 et l'enveloppe 20 peuvent présenter des profils différents. Ainsi, ils peuvent être tous deux cylindriques, de section circulaire, mais aussi en variante de section oblongue, ovale, elliptique ou aplatie. Un procédé de fabrication du tube 1, décrit ci-dessus, va maintenant être explicité plus en détail dans ce qui suit. Ce procédé comprend deux étapes principales, à savoir d'une part la solidarisation mutuelle du corps de base 10 par rapport à l'enveloppe 20 et, d'autre part, la solidarisation mutuelle de l'enveloppe par rapport aux ailettes 30. Le corps 10 et l'enveloppe 20 sont réalisés de façon séparée, par tout processus approprié. Deux procédés alternatifs peuvent alors être mis en oeuvre. On peut tout d'abord former ces deux éléments de sorte que, dans les conditions normales d'utilisation du tube 1, le diamètre extérieur du corps est inférieur au diamètre intérieur de l'enveloppe. Dans ce cas, on insère le corps à l'intérieur de l'enveloppe, grâce à cette différence de diamètres. Puis, afin de garantir une qualité de contact satisfaisante entre ces deux éléments, pour limiter les pertes thermiques, on peut procéder à une opération de sertissage de l'enveloppe autour du corps de base. A cet effet, on peut utiliser un champ magnétique, dont les propriétés permettent à l'enveloppe 20 d'être sertie sur le corps 10, par déplacement de matière non réversible et sans jeu intermédiaire. Dans ce cas, cette étape est avantageusement mise en oeuvre avant l'étape de solidarisation de l'enveloppe et des ailettes, décrite ci-après. En variante, on peut également déformer l'enveloppe grâce à tout outil approprié, tel que par exemple des molettes, auquel cas cette étape est avantageusement mise en oeuvre après l'étape de solidarisation de l'enveloppe et des ailettes. Selon une alternative, on peut former le corps et l'enveloppe de sorte que, dans les conditions normales d'utilisation du tube 1, le diamètre extérieur du corps est inférieur au diamètre intérieur de l'enveloppe. Il s'agit alors d'appliquer une contrainte, notamment thermique, à au moins un de ces éléments, afin de modifier ses dimensions radiales. Ainsi, on dilate l'enveloppe en la chauffant et/ou on contracte le corps en le refroidissant, puis on introduit le corps dans l'enveloppe, opération rendue désormais possible. Enfin, on supprime la contrainte thermique, de sorte que les parois périphériques en regard de l'enveloppe et du corps se rapprochent intimement, sans jeu intercalaire. Ces étapes de mise en contrainte thermique et d'introduction sont avantageusement mises en oeuvre avant la solidarisation de l'enveloppe et des ailettes, décrite ci-après. Cette solidarisation est illustrée en référence aux figures 2 et 3. On retrouve, sur la figure 2, la rainure 22 destinée à recevoir les ailettes, laquelle présente avantageusement une profondeur comprise entre 0.2 et 0.5 mm. La dimension transversale, ou largeur, de cette rainure est légèrement supérieure à celle de l'extrémité interne 32 des ailettes, afin de former un jeu facilitant l'insertion de ces dernières. Puis, on insère le feuillard constitutif des ailettes dans la rainure 22. Les ailettes et l'enveloppe sont donc positionnées dans la configuration définitive qu'ils doivent adopter, une fois le tube 1 réalisé. On déforme ensuite mécaniquement les bords latéraux 24 de cette rainure, selon une action matérialisée par les flèches F à la figure 3, ce qui permet de solidariser mutuellement les ailettes et l'enveloppe. On retrouve ainsi une zone Z de déformation mécanique, représentée en traits pointillés, au niveau des parois en regard de l'ailette et de l'enveloppe. Cette déformation est par exemple réalisée par sertissage, lequel est mis en oeuvre de façon connue en soi. A titre de variante, en complément ou en alternative à la déformation du bord de la rainure, on peut également prévoir de déformer l'extrémité 32 de l'ailette 30, afin de solidariser cette dernière par rapport à l'enveloppe. L'invention permet d'atteindre les objectifs précédemment mentionnés. L'invention assure tout d'abord la protection du corps de base vis-à-vis de la corrosion externe, qui n'est pas autorisée par les tubes comprenant des ailettes de type enroulées, telles que présentées en préambule. De plus si le corps de base est réalisé en une matière noble, la surépaisseur qu'il est indispensable de prévoir dans la matière de ce corps, pour réaliser des ailettes de type encastrées, n'est plus nécessaire grâce à l'invention. L'avantage de l'invention, vis-à-vis d'un tube à ailettes extrudées, réside notamment dans les performances thermiques. En effet, au niveau de la jonction entre l'enveloppe et l'ailette, l'épaisseur de cette dernière est plus faible dans l'invention, puisque l'ailette est rapportée. Par conséquent la surface, qui est à la température la plus élevée et se trouve directement en contact avec l'air, est plus importante grâce à l'invention. Enfin, l'invention permet de réduire la quantité d'aluminium utilisée pour fabriquer les ailettes. A cet égard, la figure 4 montre les quantités d'aluminium utilisées pour la fabrication de différents tubes. La courbe en traits pleins est relative à un tube conforme à l'invention. Dans ce cas, la quantité Q d'aluminium, qui correspond à la masse de l'enveloppe et des ailettes, augmente continûment avec l'épaisseur E de cette enveloppe. La courbe inférieure en traits mixtes est relative à un tube à ailettes enroulées, la quantité d'aluminium correspondant uniquement à la masse des ailettes. Enfin, la courbe supérieure en traits pointillés est relative à un tube à ailettes extrudées, la quantité d'aluminium correspondant à la masse du tube périphérique et des ailettes venues de matière avec celui-ci. Pour ces deux autres courbes, cette quantité Q ne varie pas avec l'épaisseur E. La figure 4 montre clairement l'intérêt de l'invention en termes économiques, en particulier pour des épaisseurs E allant jusqu'à 2.5 mm. Il est à noter que la présente comparaison porte uniquement sur les quantités d'aluminium. Ainsi, pour le tube à ailettes enroulées (courbe en traits mixtes), il convient de prendre en compte la surépaisseur nécessaire à l'encastrement du feuillard dans le tube de base. Dans ces conditions, la quantité de matière totale nécessaire à la réalisation de ce type de tubes est supérieure à celle utilisée dans l'invention. L'invention présente également des avantages spécifiques, par comparaison avec la solution présentée dans US-B-7 093 650. En effet, la solidarisation mutuelle de l'enveloppe et des ailettes, dans l'invention, garantit une meilleure tenue mécanique que dans cet art antérieur, pour lequel cette solidarisation est mise en oeuvre par adhérence. Par ailleurs, le tube pour échangeur de chaleur conforme à l'invention peut être utilisé à des températures élevées, de l'ordre de 400°C. Enfin, le tube de l'invention autorise une évacuation très satisfaisante de la chaleur, du corps de base en direction des ailettes, en particulier lorsque l'enveloppe est sertie autour du corps de base. REVENDICATIONS1. Tube (1) pour échangeur de chaleur, comprenant un corps tubulaire de base (10), une enveloppe intermédiaire (20) placée à la périphérie du corps, ainsi que 5 des ailettes (30) enroulées en spirale autour de l'enveloppe, caractérisé en ce que l'enveloppe (20) et/ou les ailettes (30) comporte(nt) une zone de déformation mécanique (Z), assurant leur solidarisation mutuelle. 2. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel la zone 10 de déformation mécanique (Z) est une zone de sertissage. 3. Tube pour échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'enveloppe (20) est creusée d'au moins une rainure (22) de réception d'une extrémité (32) d'une ailette (30), la zone de déformation mécanique (Z) étant 15 prévue au voisinage d'au moins un bord, en particulier d'un bord latéral (24), de ladite rainure (22). 4. Tube pour échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe intermédiaire (20) et les ailettes (30) sont réalisées en 20 un même matériau, notamment en aluminium ou en alliage d'aluminium, ou bien en cuivre. 5. Procédé de fabrication d'un tube (1) pour échangeur de chaleur, ce tube comprenant un corps tubulaire de base (10), une enveloppe intermédiaire (20) 25 placée à la périphérie du corps, ainsi que des ailettes (30) enroulées en spirale autour de l'enveloppe, caractérisé en ce qu'on positionne mutuellement l'enveloppe (20) et les ailettes (30) dans la configuration qu'elles doivent adopter, et on déforme mécaniquement l'enveloppe et/ou les ailettes afin d'assurer leur solidarisation 30 mutuelle. 6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on réalise de façon séparée le corps de base (10) et l'enveloppe (20), et on introduit le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on dispose d'un corps de base dont les dimensions extérieures, notamment le diamètre, sont inférieures aux dimensions intérieures de l'enveloppe, on introduit le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe, et on applique un champ magnétique à ce corps et à cette enveloppe, de façon à les solidariser mutuellement. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on dispose d'un corps de base dont les dimensions extérieures, notamment le diamètre, sont supérieures ou égales aux dimensions intérieures de l'enveloppe, on impose une contrainte de façon à modifier les dimensions radiales du corps et/ou de l'enveloppe, afin d'introduire le corps de base dans le volume intérieur de l'enveloppe, et on supprime ladite contrainte, de sorte que les surfaces radiales en regard du corps et de l'enveloppe viennent en contact mutuel. 9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on impose une 20 contrainte thermique. 10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on dispose d'un corps de base dont les dimensions extérieures, notamment le diamètre, sont inférieures aux dimensions intérieures de l'enveloppe, on introduit le corps de base dans le 25 volume intérieur de l'enveloppe, et on déforme mécaniquement l'enveloppe, notamment par sertissage, de façon à la solidariser au corps de base. 11. Echangeur de chaleur comprenant plusieurs tubes (2) conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 4.