METALLIC TUBE SHEET HEAT EXCHANGER

Abstract: 1. Heat exchanger defined by two parallel surfaces, comprising a bundle of parallel metal tubes connected for constituting a circuit for a first fluid and interleaved with at least one bundle of elongated metal elements in thermal contact with the tubes (10) and with a second fluid, constituting a layer with the tubes, characterized in that the tubes (10) have a rectangular cross section and are in contact with the adjacent elongated elements (11a, 11b) over the whole areas of confronting flat surfaces of said tubes and said elements and in that said tubes (10) and said elongated elements (11a, 11b) are of steel, are protected against external corrosion and mutually thermally connected by not galvanization which provides a metallurgical bond between tubes and elongated elements.

Description: Echanqeur de chaleur à nasse de tubes métalliques. Là présente invention a pour objet un échangeur de chaleur délimité par deux surfaces parallèles destinées à être placées en position sensiblement verticale lors de l'utilisation, comportant un faisceau de tubes métalliques parallèles reliés de façon à constituer un circuit pour un premier fluide et imbriqués au moins avec un faisceau d'organes métalliques allongés en contact thermique avec les tubes et avec un second fluide pour former une nappe, les fluides pouvant circuler en phase unique (liquide ou gaz) ou y changer de phase. On connait déjà de nombreux échangeurs de chaleur de ce type. Les organes allongés peuvent notamment être constitués par des tubes appartenant à un circuit pour le second fluide ou par des ailettes en contact thermique avec un fluide ambiant, tel que l'atmosphère. Ces échangeurs utilisent en règle générale des tubes cylindriques. Lorsqu on cherche à obtenir des transferts thermiques élevés, on les constitue ou on les enrobe d'un matériau bon conducteur, tel que le cuivre ou l'aluminium. La présente invention vise à fournir un échangeur répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de réaliser des échangeurs de chaleur qui, tout à la fois, ont un coût modéré, ont un coefficient d'échange élevé et permettent des échanges thermiques entre trois fluides. Dans ce but, l'invention propose notamment un échangeur du genre ci-dessus défini dont les tubes sont de section rectangulaire (avantageusement carrée) et en contact avec les organes allongés adjaèents, comtrenant des seconds tubes ayant également une section rectangulaire, par toute la surface des faces en regard desdits tubes et qui est prévu #pour des transferts de chaleur entre les deux fluides et un fluide supplémentaire circulant autour de l'échangeur. On voit que l'échangeur présente ainsi une constitution monocouche, chaque premier tube ayant deux faces opposées libres et deux surfaces en contact avec les tubes adjacents. Les tubes sont avantageusement en acier, protégés sur leurs quatre faces contre les corrosion-s d'origine externe et reliés thermiquement avec les organes allongés adjacents par une galvanisation à chaud. Cette galvanisation remplit plusieurs fonctions distinctes : la durée de vie de l'échangeur est considérablement augmentée, y compris lorsque l'échangeur est exposé aux agents atmosphériques, à un point tel qu'une garantie décennale est possible. Du fait de la conductibilit thermique élevée du zinc (double# de celle du fer), le coefficient d'échange thermique entre les tubes et les organes allongés devient très satisfaisant. On peut toutefois utiliser un matériau autre que l'acier, notamment un métal apte à être mis en forme par filage- à la presse (aluminium et alliages légers par exemple). L'invention trouve une application particulièrement. importante, bien que non exclusive, dans les installations de fourniture d'eau chaude comprenant un circuit thermodynamique parcouru par un fluide frigorigène (fluide B) et dont la source froide comporte un échangeur solaire. L'échangeur de chaleur suivant l'invention peut dans ce cas être utilisé notamment comme échangeur-évaporateur, auquel cas les seconds tubes sont parcourus par le fluide frigorigène, tandis que les premiers tubes sont parcourus par le fluide non solidifiable de la source froide (fluide ). L'échangeur peut être utilisé comme échangeur atmosphérique, les organes pouvant comporter des ailettes pro- filées, présentant des surfaces de même largeur que les tubes, prévues pour s'appliquer sur ces tubes. Un échangeur suivant l'invention est particulièrement intéressant comme évaporateur dans une installation du genre décrit dans la demande de brevet EP-A-0042795. Dans cette installation, de la glace peut se former sur des surfaces d'un échangeur de chaleur, la chaleur latente de cette glace étant fournie à un circuit thermodynamique. L'échangeur comprend un circuit parcouru par un fluide caloporteur incongelable (fluide A) provenant soit d'échangeurs solaires, soit d'une capacité contenant du fluide chaud destiné à décoller la glace. On peut faire ruisseler de l'eau sur l'échangeur pour décoller la glace. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de modes particuliers de réalisation de celleci, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - les figures 1 et 2 sont des schémas de principe montrant, en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe des tubes, un fragment d'un échangeur de chaleur à deux jeux de tubes (figure 1) et à deux-jeux de tubes et un jeu d'ailettes (figure 2) - la figure 3 est un schéma de principe en élévation montrant-une nappe d'échangeur de chaleur destiné à constituer capteur atmosphérique, placée en façade - la figure 4 est un schéma de principe montrant-les liaisons entre les tubes d'un échangeur à deux jeux de tubes, de façon à constituer un échangeur évaporateur pour installation thermodynamique de fourniture d'eau avec ruissellement, sur les deux faces, d'un fluide C (par exemple eau) ' du genre décrit dans la demande de I'eau étant brevet EP n 0042795,/puisée dans un bac et destinée à se glacer sur les parois pour céder sa chaleur latente au fluide B , le-déglaçage étant programmé dans le cycle - les figures 5 et 6 sont des vues en élévation montrant respectivement les connexions à la partie droite et à la partie gauche d'un échangeur suivant le schéma de la figure 3 - la figure 7 est une vue en coupe de l'échangeur des figures 5 et 6 suivant la ligne VII-VII de la figure 5; ; - la figure 8 est une vue de dessus de la figure 5 - la figure 9 est un schéma en perspective montrant une variante de la figure 3, l'échangeur n'étant plus plan mais de forme cylindrique, à deux circuits en tubes carrés en hélices imbriquées - les figures 10 et 11 sont respectivement une vue en élévation et une vue de dessus du fragment XI (figure 10) d'un échangeur conforme au schéma de la figure 9. On décrira tout d'abord, en faisant référence à la fi-gure 1, puis à la figure 2, la constitution courante de deux variantes d'échangeur suivant l'invention. Dans les deux cas, l'échangeur comprend une nappe plane- comportant des tubes métalliques 10 alternés avec des organes allongés. Dans le cas de la figure 1, ces organes# allongés sont constitués par des tubes lia identiques aux tubes 10. Dans le cas de la figure 2, ces organes allongés comportent égalementdes ailettes profilées llb de même largeur que les tubes. Les tubes sont en acier, de forme rectangulaire,et traités par galvanisation à ^chaud. Ce traitement, avantageusement appliqué à de l'acier (exempt de silicium), peut notamment comporter successivement un dégraissage, un décapage à l'acide chlorhydrique à 50%, un double rinçage, un traitement par un flux constitué par un sel double d'ammonium et de zinc, un préchauffage à 1100C environ et une immersion dans une cuve de zinc en fusion à 4500C environ. Les opérations de rinçage et de fluxage sont spécialement reprises au jet sous pression de manière à chasser toute trace d'acide et pénétrer au droit des interstices entre tubes. L'association de ce type de préparation et d'une immersion dans le zinc à cette température conduit à une disso lution -de la couche superficielle du fer par le zinc. On trouve ainsi successivement, de l'intérieur vers l'extérieur du tube et sans interface, le fer, puis un alliage fer-zinc, puis du zinc contenant du fer en solution, puis le zinc. En règle générale, on réalisera une couche de 80 microns environ d'épaisseur, sur les quatre faces des tubes. Cette galvanisation à chaud permet non seulement de protéger les tubes, mais encore d'améliorer les transferts thermiques. Par exemple dans le cas illustré en figure 1, les tubes 10 et lia, parcourus par les fluides entre lesquels on cherche à favoriser les échanges thermiques, sont véritablement "soudés" par le zinc de revêtement.¯ Le couplage thermique est donc excellent. On a en particulier, grâce au traitement spécial au jet haute pression, une meilleure pénétration du flux et du zinc pour assurer et garantir un remplissage et une obturation hermétique des interstices entre tubes, chaque face en regard étant complètement recouverte de zinc. De la sorte, on obtient une liaison thermique sans interface ou la constitution d'une cavité vide d'air, étanche, parfaitement conductrice de la chaleur. Non seulement les échanges thermiques se font avec une résistance faible, mais la protection contre les corrosions externes est très élevée. Il faut de plus remarquer que les circuits constitués par des tubes continus peuvent résister à une pression très élevée, de l'ordre de 50 bars,sans dommage, et que la constitution de l'échangeur de chaleur en deux faisceaux étanches distincts assure une grande sécurité lorsque l'un des fluides utilisés est corrosif ou réagit de façon violente en cas de contact avec l'autre fluide. Cette disposition est imposée dans le cas d'une installation domestique. Dans la réalisation montrée en figure 2, les organesallongés comerennent un jeu d'ailettes en profilé ou tôle pliée - dont la section est en forme de M. Là encore, l'acier des ailettes est recouvert par une couche obtenue par galvanisation à chaud, couche qui améliore les transferts thermiques entre ailettes lib et tubes 10 et lIa. On peut ainsi réaliser un échangeur de chaleur entre trois fluides ou même davantage : deux des fluides circulent dans deux faisceaux de tubes dis#tincts, tandis que le troisième fluide baigne l'échangeur ou ruisselle-sur ses faces. Un quatrième fluide peut être injecté à contrecourant pour provoquer unchangement d'état de l'un des autres fluides en présence. Les jonctions entre les tubes -dépendront évidemment de l'application qui est faite de l'échangeur. Lorsque, par exemple, on souhaite réaliser un capteur ou échangeur atmosphérique, destiné à être posé en façade, une nappe du genre montré en figure 3 peut être reliée à un collecteur haut 12 et un collecteur bas 13 dans lesquels débouchent en parallèle les tubes 10. Les conduites d'admission 14 et d'échappement 15 des collecteurs peuvent être reliés en série ou en parallèle jusqu'à constituer la surface d'échange requise. Un tel échangeur de chaleur est notamment utilisable en tant que capteur atmosphérique dans une installation de fourniture d'eau chaude du genre décrit dans la demande de brevet EP 0042795. Un échangeur à deux faisceaux de tubes, du genre montré en figure 1, peut être utilisé pour cons#tituer ltéchangeur évaporateur d'une installation à circuit thermodynamique du genre décrit et revendiqué par la demande de -brevet n EP 0042795 déjà mentionnée. Un tel échangeur évaporateur est particulièrement intéressant dans le cas d'une installation du genre montré en figure 3 de la demande antérieure précitée, installation constituant une fabrique de glace quand l'apport d'énergie solaire à l'échangeurconstituant la source froide devient insuffisant. La figure 4 montre le schéma d'un échangeur évaporateur utilisable dans une telle installation, à géométrie plane. Les tubes 10 sont reliés en série-parallèle pour constituer le circuit de fluide B thermodynamique vaporisable (fluide fluoré tel que celui désigné par la marque "FREON" en géné#ral) dans l'échangeur. Les tubes lia sont montés entre deux collecteurs 15 et 16 pour cons tituer un circuit de circulation d'eau additionnée d'un #antigel tel que le glycol (fluide A). Ce circuit se refermera par l'intermédiaire de la source froide qui peut être un capteur solaire ou un capteur atmosphérique. L'échangeur est complété par un circuit d'amenée d'eau chaude de fusion de glace (fluide D). Dans le cas d'un montage du type illustré en figures 5 à 8, ce fluide D pénètre par une tubulure 33 dans un tube mort raidisseur inférieur 31 (figure 6 ), chemine à contre-courant dans les tubes 10 et ressort par une tubulure 18 (figures4 et 5a). Enfin, ltéchangeur est associé à une rampe de ruissellement 19 placée au-dessus, alimentée par la tubulure 17, par une pompe de relevage non représentée et permettant de déverser sur les tubes de l'eau qui s'y transforme en glace en fournissan-t de la chaleur sous forme de chaleur latente de solidification lorsque la température de la source froide atmosphérique est particulièrement basse. Tel que représenté sur la figure 4, le collecteur 16 constitue une boîte à eau cloisonnée en 20 tandis que le collecteur 15 rehoucle tous les tubes aller 10 sur tous les tubes retour 10 . Les tubes lia du circuit de fluide frigorigène sont identiques aux tubes 10et, à titre d'exempie, on a représenté un tube 10 pour chaque tube lia. Les "épingles" de circulation du fluide frigorigène (fluide B) peuvent ne pas comporter tous les tubes successifs. Dans le cas général de m épingles comportant chacune n tubes lia, on devra avoir (m + 1)n tubes11a et (m + 1) n + 1 tubes 10. La mise en série des branches d'une même épingle destiné#e au fluide frigorigène est assurée par coudage à 1800 des tubes, le coude étant placé obliquement par rapport au plan général du faisceau pour permettre le passage d#es tubes 10 rejoignant leur boîte à eau. L'ensem -ble du -faisceau peut être lié et raidi par des réglettes en tôle pliée, soudées par points sur les tube-s. Le cir cuit de circulation d'eau de décollage de la glace peut utiliser des tubes morts ou des tubes raidisseurs. Au lieu d'une disposition plane, on peut utiliser des dispositions cylindriques ou même en U des tubes. Les figures 9-11 montrent une disposition cylindrique, parti culièrement intéressante pour constituer des modules ayant une puissance unitaire inférieure à 6 kW (m#aisons individuelles). L'échangeur est alors constitué par un appareil de forme cylindrique constitué de deux hélices imbriquées jointives constituées l'une par un tube 10, l'autre par un tube lia. Ces hélices sont accolées suivant une face du tube carré ou rectangulaire et l'ensemble des tubes est lié thermiquement par galvanisation à chaud traitée spécialement. Un circuit de ruissellement et un circuit de décollage de glace similaires à ceux de la figure 5 sont prévus. Les ailettes internes et externes sont conçues et réalisés de façon que la glace tombe verticalement lors des cycles de déglaçage. Des profils de liaison externes 40 et internes 41 assurent la cohésion de la structure. A -titre d'exemple, on peut constituer un appareil du genre montré en figure 9 pour une puissance unitaire de 4 kw ayant un diamètre de 70 cm et une hauteur d'environ 50 cm. On décrira maintenant de façon détaillée une constitution d'échangeur dont le schéma est celui de la figure 4 et qui est destiné à une installation de fourniture d'eau chaude. Cet échangeur évaporateur est montré en figures 5 à 8 où les organes déjà montrés en figure 4 sont désignés par le même numéro de référence. L'échangeur représenté, ayant une puissance thermique de 6 kw, présente un circuit de fluide frigogène (B) et un circuit d'eau additionnée d'antigel (A) constitués en tubes à section carrée de 16 mm de côté galvanisés à chaud. La rigidité mécanique de l'échangeur est assurée par des raidisseurs 25 et des profilés de liaison-26 fixés les uns aux autres par des po-ints de soudure tels que 27. Certains des tubes de liaison de l'échangeur avec le reste de l'installation peuvent être filetés de façon à permettre de suspendre l'appareil. Les tubes 10 et 11a sont solidarisés des profilés 26 par des points de soudure. Comme le montrent notamment les figures Sa, 6 et 8, les coudes 22 reliant les branches aller et retour des épingles parcourues par le fluide frigorigène sont décalés angulairèment du plan des tubes. Dans le mode de réalisation illustré, le circuit de fluide frigorigène comporte m = 3 épingles de n = 4 tubes, ce qui conduit à plusieurs décalages angulaires différents des coudes (figure 8). Tous les quatre tubes d'extrémité de la troisième épingle débouchent dans un même collecteur 28 d'ou part la conduite 29 de sortie du fluide. L'échangeur évaporateur, étant destiné à une installation du genre "fabrication de glac#e" décrite dans la demande EP 0042795, est complété par une gouttière 32 de ruissellement de l'eau puisée dans la réserve d'eau, entrant dans la conduite d'amenée 17, et par un diffuseur 30. Ce dernier répartit de façon sensiblement uniforme l'eau sur les parois de l'échangeur en vue de la formation de glace. Enfin, des tubes morts 31 sont prévus soit pour constituer le circuit d'eau de décollage de la glace, soit pour constituer des zones de l'échangeur sur lesquelles il n'y a pas formation de glace.

Claims: REVENDICATIONS l. Echangeur de chaleur délimité par deux surfaces parallèles, comportant un faisceau de premiers tubes métalliques parallèles reliés de façon à constituer un circuit pour un premier fluide et imbriqués au moins avec un faisceau d'organes métalliques allongés en contact thermique avec les tubes (lo) et avec un second fluide formant une nappe avec les tubes, caractérisé en ce que les tubes (lo) sont de section rectangulaire, avantageusement carrée, et en contact avec les organes 'allongés adjacents (lia, llb) qui comprennent des seconds tubes également de section rectangulaire, par toute la surface des faces en regard desdits tubes, ledit échangeur étant prévu pour des-transferts de chaleur avec au moins un fluide supplémentaire (fluide C ou D) circulant autour de l'échangeur ou dans une nappe de tubes supplémentaire. 2. Echangeur suivant la revendication l, caractérisé en ce que lesdits tubes (10) et lesdits organes allongés (lla, llb) sont en acier protégé contre les corrosions d'origine externe et reliés thermiquement par galvanisation à chaud. 3. Echangeur suivant la revendication l ou 2, caractérisé en ce que lesdites surfaces parallèles sont sensiblement verticales lors de l'utilisation et sont planes. 4. Echangeur suivant- la revendication i ou 2, caractérisé en ce que les surfaces parallèles de l'échangeur sont sensiblement verticales et au moins partiellement cylindriques, de façon à réaliser une disposition en U ou en cylindre, les tubes et organes allongés étant enroulés en hélice. 5. Echangeur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les organes allongés comportent des tubes rectangulaires supplémentaires permettant à l'échangeur de véhiculer un nombre de fluides supérieur à deux. 6. Echangeur suivant la revendication l ou 2, caractérisé en ce que les organes allongés comprennent des ai lettes en profilés ou tôles pliées (llb) ayant deux faces plates en contact avec les tubes adjacents. 7. Echangeur suivant la revendication l, caractérisé en ce que les tubes et les organes allongés sont constitués en un matériau bon conducteur de la chaleur apte à la réalisation de profilés par filage ou pliage de tôle. 8. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à être placé en-position sensiblement verticale lors de l'utilisation, caractérisé eh ce que des moyens sont prévus pour former, sur les surfaces verticales, de la glace dont la chaleur latente est fournie à un circuit thermodynamique pour lequel le circuit de premier fluide constitue évaporateur. 9. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, à surfaces verticales, caractérisé en ce qu'il comporte, à sa partie supérieure, un canal destiné à alimenter en eau de ruissellement les surfaces verticales de l'échangeur pendant des périodes où l'on doit former de la glace sur. les surfaces. lo. Echangeur suivant la revendication 9, intégré à une installation de chauffage à pompe de chaleur dont il constitue l'évaporateur parcouru par un fluide thermody-namique constituant le premier fluide, caractérisé en ce que les seconds tubes sont placés dans un circuit parcouru par un fluide caloporteur incongelable en provenance d'échangeurs solaires ou d'ùne capacité contenant un fluide chaud destiné à décoller la glace des surfaces de l'échangeur.

Inventors: CHAPELLE, JULES, CHARLES, ROBERT
Applicants: CHARLES, ROBERT, ELECTRICITE DE FRANCE SERVICE NATIONAL
Application year: 1982
Main classification: F28F1
IPC codes: B23K28, F25D17, F28F19, F28D3, F28F1, F28F13