Brevet FR3019637A1 — publié le 20151009

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un évaporateur air/fluide relié à un circuit de fluide composé d'un échangeur de chaleur à ailettes traversées par le flux d'air généré par un ventilateur en aval de l'échangeur, l'échangeur étant formé d'un volume parallélépipé- dique cloisonné dans une direction par des ailettes parallèles entre elles et aussi à la direction du flux d'air et comportant dans la direction transversale, un faisceau de tubes sensiblement parallèles, traversant les ailettes et dont les extrémités sont reliées deux à deux par des coudes pour réaliser un chemin de circulation de fluide entre l'entrée et la sortie pour retourner au circuit de fluide passant dans un condenseur. Etat de la technique Selon l'état de la technique, l'évaporateur tel que défini ci-dessus est constitué par un ensemble d'ailettes rectangulaires éven- tuellement gaufrées ou persiennées, parallèles, traversées par des tubes et qui, d'un côté et de l'autre, sont branchés sur le distributeur d'entrée et le collecteur de sortie et, les différents tubes étant bouclés par des coudes sur les deux plaques d'extrémité de façon à brancher les tubes pour former le chemin de circulation du fluide à travers l'échangeur à ailettes. Un tel échangeur connu 100 qui est de forme parallélépi- pédique est traversé par le flux d'air dans la direction parallèle au plan des ailettes. Lorsque l'échangeur 100 est essayé en fabrication (figure 3), il reçoit un flux d'air régulier sur toute sa section, à l'exception de l'écoulement laminaire sur les côtés de la conduite d'entrée 120 dans le poste d'essai. Or, lorsque l'échangeur 100 est installé dans l'évaporateur 110 (figure 4), du fait de la structure du ventilateur 115 qui aspire principalement au niveau de son axe et moins en périphérie de cette position centrale, l'échangeur 100 n'est pas utilisé avec toute l'efficacité qu'il pourrait assurer. Il serait possible de diriger le flux d'air entrant en amont de l'évaporateur 110 mais cela nécessiterait l'installation de déflecteurs pour répartir le flux d'air de façon inverse à la répartition commandée par le fonctionnement du ventilateur. Mais cela se traduit par une forme complexe de l'évaporateur, des pièces supplémentaires, un plus grand encombrement et un coût produit plus coûteux. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un évapo- rateur avec un échangeur de chaleur à ailettes assurant une meilleure efficacité de l'échange de chaleur par une meilleure répartition du fluide caloporteur en fonction du passage de l'air à travers l'échangeur, réduisant le givrage et cela sans compliquer la réalisation de l'échangeur de chaleur. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un évaporateur air/fluide relié à un circuit de fluide composé d'un échangeur de chaleur à ailettes, du type défini ci-dessus caractérisé en ce que les tubes sont reliés aux extrémités pour former un chemin central dans une zone médiane de la section de l'échangeur, cette zone étant bordée de part et d'autre part au moins une zone extérieure de faisceaux de tubes formant chaque fois un chemin extérieur pour le fluide caloporteur, un distributeur d'entrée reliant les entrées des chemins à la sortie du con- denseur et un collecteur de sortie reliant les sorties des chemins à l'entrée du condenseur. L'échangeur de chaleur de l'évaporateur selon l'invention a l'avantage d'être d'une réalisation très simple, ne modifiant pas la structure d'ensemble ni l'encombrement de l'échangeur pour s'utiliser dans les mêmes conditions que les échangeurs connus et s'intégrer dans des évaporateurs de circuits thermodynamiques qui ne sont pas à modifier. La structure elle-même de l'échangeur à ailettes respecte les concepts traditionnels de tels échangeurs en assurant notamment l'homogénéité des pertes de charges du fluide parcourant chacun des circuits et ne nécessite pas de transformation fondamentale des installations pour leur fabrication ou leur montage. Selon l'invention, de façon préférentielle, la zone centrale est bordée de deux zones extérieures de façon à constituer ainsi trois chemins de passage du fluide caloporteur. Mais les zones extérieures peuvent être elles-mêmes subdivisées en fonction de la prévision du passage de la veine d'air dans l'échangeur. Selon l'invention, de façon particulièrement avantageuse, l'évaporateur comporte une zone centrale bordée de chaque côté par une zone extérieure. Cette répartition des tubes de la nappe d'entrée situés du côté amont en élargissant progressivement les faisceaux de tubes associés à la zone centrale au détriment d'une diminution des faisceaux de tubes associés dans les zones extérieures, permet d'utiliser au mieux l'échange de chaleur entre le flux d'air et le fluide caloporteur passant par les chemins ainsi formés. L'invention a également pour objet un procédé de réalisa- tion d'un évaporateur air/fluide du type défini ci-dessus caractérisé en ce que pour déterminer les chemins de passage du fluide caloporteur, on établit une carte de température des tubes de l'échangeur pour en- suite définir les connexions entre les tubes et former les chemins de passage. Ce procédé permet de définir efficacement la structure de l'échangeur de chaleur et des chemins du fluide dans les tubes de ma- nière à optimiser les chemins et ainsi le fonctionnement de l'échangeur de chaleur. Pour optimiser, il convient en général d'obtenir en sortie des chemins, la même température, ce qui est également avantageux pour la fiabilité de l'échangeur qui fonctionne ainsi le plus régulièrement possible, réduisant les variations brusques de température à l'intérieur d'une même ailette puisque cette ailette est une surface thermo- conductrice, commune en général à l'ensemble des tubes de l'échangeur qui sont néanmoins à des températures différentes. Grâce à l'invention, on régularise les variations de tempé- rature pour éviter les écarts brusques d'un tube à l'autre n'appartenant pas au même chemin de liquide dans l'échangeur, ce qui a notamment comme bénéfice d'éviter l'envoi de liquide vers le compresseur de l'installation frigorifique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation d'un évaporateur selon l'invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un évaporateur selon l'invention comportant un échangeur de chaleur à ailettes présenté en vue de côté, la figure lA est un schéma d'un côté de l'échangeur de chaleur de la figure 1 sans les coudes de branchement, la figure 2 est une vue de face de l'échangeur de chaleur à ailettes de l'évaporateur de la figure 1, la figure 3 est un schéma de la répartition de la veine d'air à l'essai d'un échangeur de chaleur la figure 4 est un schéma simplifié de l'intégration d'un évapora- teur dans une alimentation en air pour un échange air/fluide. Description d'un mode de réalisation de l'invention Selon la figure 1, l'invention a pour objet un évaporateur 1 air/fluide relié à un circuit de fluide 2 avec un échangeur de chaleur 11 faisant partie de l'évaporateur 1 et un condenseur 3 restituant la chaleur du fluide caloporteur prélevée dans l'échangeur de l'évaporateur 1. L'évaporateur 1 est installé dans une conduite d'air 12 et en aval de son échangeur 11, la conduite 12 est équipée d'un ventilateur 4 qui aspire l'air à travers l'échangeur 11 en amont de l'échangeur dans la direction des flèches FA. Puis l'air traverse l'échangeur 11 aspiré par l'entrée 41 de section plus réduite que celle de la conduite 12 en amont de l'échangeur 11 dans le ventilateur 4 pour être rejeté par celui-ci. L'échangeur de chaleur air/fluide 11 est représenté à la figure 1 en vue de côté montrant les branchements de ses différents tubes Ti de l'échangeur 11 vu de côté. La figure 2 est une vue de face schématique de l'évaporateur 1 avec l'échangeur 11 composé d'un volume parallélépipédique cloisonné dans la direction de passage de l'air par des ailettes 111 parallèles entre elles et à la direction de passage de l'air. Ces ailettes 111 sont des plaques de forme rectangulaire (figures 1 et 1A) traversées par des faisceaux de tubes Ti sensiblement parallèles entre eux et si- tués dans des nappes de tubes N1-4 réparties régulièrement. Ainsi, dans le cas de l'exemple d'échangeur de chaleur, les tubes sont répartis dans quatre nappes N1-4 parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction de passage de l'air (figures 1, 1A). Dans ces nappes N1-4, les s tubes Ti sont horizontaux, perpendiculaires au plan des figures 1, lA et répartis en quinconce d'une nappe à l'autre de façon que chaque tube de la nappe suivante soit situé dans l'intervalle de deux tubes de la nappe précédente ou de la nappe suivante, si l'on fait une projection dans la direction du passage de l'air de façon que les traînées de 10 l'écoulement d'air d'un tube d'une nappe n'influencent pas le passage sur les tubes de la nappe suivante. Les tubes Ti débouchent de chaque côté (figure 2) dans une boîte de connexion 13, 14 dans laquelle les extrémités des tubes sont reliées deux à deux par des coudes 112A,B de façon que les diffé- 15 rents tubes constituent plusieurs chemins de circulation de fluide calo- porteur. Ces chemins de circulation décrits ultérieurement sont reliés à un distributeur d'entrée 21 par trois conduites d'entrée 211, 212, 213 associées à trois chemins de circulation de fluide différents dans l'échangeur. En sortie, chacun des chemins est relié par sa sortie S1-S3 20 aux tubes 221, 222, 223 d'un collecteur 22 et au circuit de fluide allant vers le condenseur 3. La figure lA est une vue de côté montrant à la fois l'ailette la plus proche du plan de la figure lA et par transparence celle du plan le plus éloigné correspondant aux deux boîtes de connexion à 25 l'extrémité du caisson de l'échangeur de chaleur. Selon la figure 1, les tubes Ti sont branchés de façon à former trois chemins de passage de fluide caloporteur CH1, CH2, CH3 qui sont en parallèle mais de longueurs différentes. Les tubes Ti de l'échangeur 11 étant perpendiculaires au plan de la figure 1, l'image du 30 branchement des tubes par les coudes avant 112A et les coudes arrière 112B peut se représenter par transparence à la figure 1 dans laquelle, par convention, les coudes avant 112A sont représentés par un trait et les coudes arrière 112B par deux traits. En suivant les liens entre les tubes selon l'alternance 35 d'un trait et de deux traits, on a le tracé des chemins CH1-3. Le premier chemin CH1 est formé par les tubes dans la zone centrale Z1 qui va en s'évasant à partir du côté avant AV vers le côté arrière AR de l'échangeur 11. Cette zone centrale Z1 est une bande qui s'étend sur toute la largeur de l'échangeur 11 bordée en bas et en haut par deux zones de tubes Z2, Z3 formant chacune un chemin de circulation de fluide CH2, CH3. Les chemins CH1-3 sont respectivement reliés à une entrée E1-3 du distributeur 21 et à une sortie S1-3 du collecteur 22. La répartition en zones Z1, Z2, Z3 est faite en fonction d'essais établissant des cartes de température pour avoir en sortie Si, S2, S3 des températures de fluide sensiblement identiques. On peut admettre que le flux d'air traverse les nappes N1-4 de tubes en conservant une orientation globalement parallèle mais à des vitesses différentes pour les raisons déjà données. Aux limites des zones Z1, Z2 ou Z1, Z3 représentées cha- cune par un trait interrompu, la veine d'air qui traverse les premiers tubes des zones Z2 et Z3 passe ensuite sur les tubes de la zone Z 1. Il est à remarquer que la répartition des tubes entre les zones Z1-3 varie d'une nappe de tubes N1-4 à l'autre ; au niveau de la première nappe N1, la zone médiane Z1 est relativement réduite pour s'évaser ensuite vers la sortie de sorte que cette zone correspondant au passage principal de l'air chaud bénéficie en partie également aux chemins CH2 et CH3, extérieurs, dont une grande partie des ailettes est parcourue par une veine d'air chaud extérieure, à vitesse moindre que celle de la veine centrale associée principalement à l'axe de circulation et à la zone centrale Z 1. La vue de côté de l'échangeur 11 représenté seul à la fi- gure lA permet de mieux expliciter les combinaisons de tubes formant les chemins CH1-3. Pour identifier les tubes TH, ceux-ci sont répartis en nappes N1-4 et en tranches M1-15 de sorte que chaque tube Ti est référencé par le numéro i de sa nappe Ni suivi du numéro j de celui de sa tranche Mj. Par convention à la figure 1A, qui donne les références des nappes dans les tranches sans identifier tous les tubes, les coudes reliant les extrémités des tubes Ti du côté avant dans la feuille de la figure 1 sont identifiés comme à la figure 1. Il en est de même des coudes 112B reliant les extrémités arrière des tubes. Ainsi, l'entrée El de la zone Z1 se fait par le tube T1-09 et la sortie Si par le tube T4-05. Le chemin de fluide CH1 dans la zone Z1 passe par les tubes dans l'ordre suivant : T1-09, T1-08, T1-07, T2-07, T2-08, T2-09, T2-010, T3-010, T4-011, T4-010, T3-09, T3-08, T4-09, T4-08, T3-07, T3-06, T4-07, T4-06, T3-05, T4-05. Pour la zone Z2, le chemin a une entrée E2 par le tube T1-10 et une sortie S2 par le tube T4-12. Pour la zone Z3, le chemin a une entrée E3 par le tube T1-01 et une sortie S3 par le tube T4-01. Bien que la description ci-dessus porte sur la subdivision des faisceaux de l'échangeur en trois groupes formant un chemin cen- tral et deux chemins extérieurs de passage de fluide caloporteur, le regroupement peut se faire différemment et par exemple les chemins peuvent être multipliés par une répartition plus fine des tubes dans différentes nappes en limitant par exemple les tubes associés à un chemin aux tubes de certaines nappes sans utiliser nécessairement au moins un tube de chacune des nappes. Pour la réalisation des connexions, il est avantageux de procéder par simulation numérique ou par des essais pour établir dans un poste d'essai une carte des températures des différents tubes et en- suite répartir les connexions aux extrémités des tubes pour avoir en sortie des différents chemins une température aussi uniforme que possible, reflet de l'efficacité de l'échange de chaleur. Une fois la carte des températures et les tracés établis, ces tracés seront repris pour les mêmes applications, c'est-à-dire les mêmes dimensions de l'échangeur de chaleur et le même type de venti- lateur aspirant l'air à travers l'échangeur ainsi que la même géométrie du conduit de fluide entre l'échangeur et le ventilateur.35 NOMENCLATURE 1 Evaporateur 11 Echangeur de chaleur 111 Ailette 112A Coude avant 112B Coude arrière 12 Conduite d'air 13 Boîtier latéral 14 Boîtier latéral 2 Circuit de fluide 21 Distributeur d'entrée 22 Collecteur de sortie 3 Condenseur 4 Ventilateur 41 Entrée du ventilateur 100 Echangeur 110 Evaporateur 115 Ventilateur 120 Conduite d'entrée de l'échangeur dans un poste d'essai 25 Ni Nappe de tubes Mj Tranche de tubes Ti Tube Z1 Zone centrale 30 Z2 Zone extérieure Z3 Zone extérieure CH1 Chemin central CH2 Chemin extérieur CH3 Chemin extérieur 20 35 REVENDICATIONS1°) Evaporateur air/fluide relié à un circuit de fluide composé d'un échangeur de chaleur traversé par le flux d'air généré par un ventilateur en aval de l'échangeur formé d'un volume parallélépipédique cloisonné dans une direction par des ailettes parallèles entre elles et aussi à la direction du flux d'air et comportant dans la direction transversale, un faisceau de tubes sensiblement parallèles, traversant les ailettes et dont les extrémités sont reliées deux à deux par des coudes pour réaliser un chemin de circulation de fluide entre l'entrée et la sortie pour retourner au circuit de fluide relié à un condenseur, évaporateur caractérisé en ce que les tubes (TH) sont reliés aux extrémités pour former un chemin central (CH1) dans la zone centrale (Z1) de la section de l'échangeur (11), cette zone ayant au moins une zone extérieure (Z2, Z3) de faisceaux de tubes (TH) formant au moins un chemin extérieur (CH2 CH3) pour le fluide caloporteur, un distributeur d'entrée (21) reliant les entrées (E1-3) des chemins (CH1-3) à la sortie du condenseur (2) et un collecteur de sortie (22) reliant les sorties (51-3) des chemins (CH1-3) à l'entrée du conden- seur (3). 2°) Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte une zone centrale (Z1) bordée de chaque côté par une zone extérieure (Z2, Z3). 3°) Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte une zone centrale (Z1) formée d'un faisceau de tubes (TH) allant en s'évasant à partir du côté avant (AV) de l'échangeur (11) vers le côté arrière (AR) et des zones extérieures (Z2, Z3) formant les chemins extérieurs (CH2, CH3) se composant de faisceaux de tubes dont le nombre diminue en partant du côté avant (AV) vers le côté arrière (AR). 4°) Evaporateur selon la revendication 1,caractérisé en ce que le chemin central (CH1) et le ou les chemins extérieurs (CH2, CH3) se composent de faisceaux de tubes appartenant au moins en partie à toutes les nappes de tubes (N1-4) de l'échangeur (11). 5°) Procédé de réalisation d'un évaporateur air/fluide selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour déterminer les chemins de passage du fluide caloporteur, on éta- l() blit une carte de température des tubes de l'échangeur (11) pour en- suite définir les connexions entre les tubes (TH) et former les chemins de passage (CH1-3). 15