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DESCRIPTION Tubes à ailettes et procédé pour leur fabrication
La présente invention se rapporte aux tubes à ailettes et, plus particulièrement, aux échangeurs de chaleur entre deux fluides sans contact direct entre ces fluides, constitués de tubes à ailettes galvanisés, le fluide intérieur aux tubes étant soit un liquide, soit un gaz se condensant, notamment la vapeur d'eau saturante, le fluide externe aux tubes étant un gaz, notamment l'air atmosphérique.
L'invention se rapporte également au procédé de fabrication de ces tubes à ailettes.
Les tubes ailetés considérés ici sont réalisés en acier galvanisé et ont une section allongée dont les deux côtés longs opposés présentent des surfaces rectilignes. Ces tubes sont normalement droits, c'est-à-dire non courbés, présentant donc deux faces opposées planes ; ces tubes sont dits plats. Ces faces planes sont pourvues extérieurement d'ailettes sinueuses constituées par des tôles fines ondulées. Il y a une tôle ondulée par face de tube.
Un tube à ailettes peut être constitué par le soudage de deux tôles profilées pourvues des ailettes sinueuses. On peut également souder les tôles ondulées directement sur un tube plat. Après réalisation du tube aileté, voire après constitution de batteries de tubes, a lieu la galvanisation de l'ensemble par immersion dans un bain de galvanisation à chaud.
Le concept d'échangeur de chaleur où les ailettes sinueuses sont appliquées sur des tubes plats est déjà mentionné dans le brevet US 2 063 757 de General Motors du 29 décembre
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1934. C'est l'échangeur de chaleur qui constitue classiquement les radiateurs de véhicules automobiles.
Depuis lors de nombreux brevets se rapportent à de tels types d'échangeurs. Chaque ailette peut s'étendre sur plusieurs tubes plats, comme représenté à la figure 4 du brevet EPB 325 844 de Modine ou sur un seul tube, comme représenté à la figure 6 du même brevet.
Dans ce brevet, chaque ailette est appliquée entre deux tubes, les creux de l'ondulation de l'ailette étant reliés à un tube, tandis que les sommets de l'ondulation sont reliés à l'autre tube. Mais il existe aussi des échangeurs où chaque tube possède ses propres ailettes, une sur chaque face. C'est le cas de l'échangeur de chaleur décrit dans le brevet US 4 256 177 de Modine.
La figure 2 de ce brevet représente un tube à ailettes typique de l'art connu auquel notre invention se rapporte.
Un matériau industriel très courant est l'acier galvanisé, bon marché et résistant relativement bien à la corrosion atmosphérique.
La galvanisation des tubes plats à ailettes sinueuses pose un problème dû à la rétention par capillarité de quantités trop grandes de zinc à l'arête inférieure des ailettes, lorsqu'on retire les tubes du bain de galvanisation.
Les tubes sont retirés en position horizontale des bains de galvanisation, les parois des ailettes étant disposées verticalement (chenaux d'air verticaux dans les ailettes). Lorsqu'une ailette quitte la surface du bain de zinc, un bourrelet de zinc (bavure) reste accroché à son arête inférieure, par effet de capillarité, de tension de surface, voire un voile de zinc peut obturer les lumières entre ailettes et tubes.
Ces bourrelets de zinc entravent le passage de l'air dans les chenaux des ailettes et augmentent fortement les pertes de charge aérauliques.
Quant à araser l'arête inférieure des ailettes pour en supprimer les bavures de zinc, c'est un travail très onéreux.
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Quant à l'électrozingage, il donne des épaisseurs de zinc beaucoup trop faibles, de l'ordre du micron, alors que l'on recherche une épaisseur d'au moins 60 microns. Il en est de même avec des tôles préalablement zinguées, telles que les tôles du procédé Zenzimir où l'épaisseur de zinc ne peut atteindre que quelques dizaines de microns, inférieures à 60 microns.
De plus, ces procédés de zingage ne permettent pas d'avoir aux pieds des ailettes, c'est-à-dire au contact entre la tôle sinueuse et la face du tube, la bonne quantité de zinc que donne la galvanisation à chaud à plein bain, avec sa rétention de zinc dans les angles très aigus formés entre la tôle sinueuse et la face des tubes, assurant un excellent transfert thermique (pont thermique).
Il y a deux moyens connus pour réduire, voire pratiquement supprimer, les bourrelets de zinc aux extrémités des ailettes.
Un procédé consiste à élever la température du bain de zinc d'une centaine de degrés et à galvaniser ainsi vers 5500C au lieu de 450 C. Le zinc est nettement plus fluide, moins visqueux, plus mouillant. Sa viscosité et sa tension superficielle sont plus faibles. Les épaisseurs de zinc sont plus régulières, et notamment les surépaisseurs de zinc aux arêtes inférieures des pièces à la sortie des bains sont négligeables. Mais de telles installations sont beaucoup plus coûteuses en investissements ; en effet, les cuves ne peuvent plus être en acier, mais doivent être en céramique. La consommation d'énergie est également beaucoup plus importante, à cause de la déperdition calorifique nettement plus grande à 5500C qu'à 4500C.
De telles installations sont plus rares à travers le monde, voire inexistantes dans les pays peu développés, où il peut être intéressant de fabriquer les tubes à ailettes, avec des machines aisément transportables dans ces pays, et où il faudrait terminer l'ouvrage par une galvanisation à faire au voisinage du lieu où s'est effectuée la fabrication. Enfin, une température plus élevée augmentant la fluidité du zinc donne une plus faible épaisseur de
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zinc qu'à plus basse température, de l'ordre de 40 à 50 microns au lieu de 60 à 70 microns couramment obtenus à 450 C.
L'autre procédé donnant moins de bavures de zinc consiste à ajouter au zinc davantages d'additifs, notamment de l'aluminium ou du plomb, afin d'en diminuer la viscosité. Il en résulte comme pour la galvanisation à haute température une moindre épaisseur de zinc sur la pièce galvanisée. Le procédé est également plus coûteux (coût des additifs), et la conduite de la galvanisation (contrôle des bains) plus délicate.
L'invention a pour but de permettre une galvanisation à chaud des tubes plats à ailettes sinueuses exempte de bourrelets ou bavures de zinc aux arêtes inférieures des ailettes (dans la position de retrait du bain de galvanisation), dans les bains courants (classiques) de galvanisation à chaud, c'est-à-dire dans des bains à 445 à 460oC, sans additifs spéciaux, bains tels qu'il s'en présente couramment à travers le monde.
La galvanisation des tubes plats à ailettes sinueuses selon l'invention ne nécessite ni de bains de galvanisation spéciaux, ni de techniques spéciales de galvanisation. A cet effet, un tube à ailettes galvanisé selon l'invention est constitué d'un tube présentant des surfaces planes et pourvues extérieurement d'ailettes, sous forme de tôles fines ondulées présentant des génératrices externes et des génératrices internes ainsi que deux arêtes, une supérieure et une inférieure, situées aux extrémités des génératrices des ailettes, dont au moins une des deux, l'arête inférieure, est biseautée selon un angle a par rapport au plan longitudinal des faces planes du tube.
L'invention consiste donc à biseauter une des extrémités des ailettes sinueuses et à constituer chaque tube à ailettes de telle sorte que les ailettes des tubes aient toutes leurs parties biseautées du même côté, qui est le côté inférieur lors de la galvanisation.
Pareillement, si la galvanisation a lieu par batterie de tubes plats à ailettes sinueuses, plutôt que tube par tube, tous les tubes d'une même batterie sont disposés de telle sorte qu'ils pré-
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sentent la partie biseautée de leurs ailettes du même côté, qui sera le côté bas lors de la galvanisation.
On décrira ci-après un exemple de réalisation de l'in-
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vention en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective d'un tube plat à ailettes sinueuses selon l'art connu ; - la figure la est une vue de dessous, illustrant les sections de passage d'air entre les ailettes selon la figure 1 après galvanisation ; - la figure 2 représente une vue en perspective d'un tube plat à ailettes sinueuses galvanisé selon l'invention ; - la figure 2a est une vue de dessous, illustrant les sections de passage d'air entre les ailettes galvanisées selon la figure 2 ; - la figure 3 représente une coupe transversale dans le tube d'échange de chaleur à ailettes sinueuses selon l'invention ; - la figure 3a est une vue en coupe selon la ligne AA dans la figure 3 ;
- la figure 4 représente le profil de l'arête de découpe de l'outil (poinçon) de biseautage de la tôle plane des ailettes non encore ondulée.
Sur la figure 1 on a représenté un ensemble d'un tube à ailettes 1 selon la technique connue. Le tube plat est composé de deux tôles profilées 2 constituant les demi-tubes reliés aux extrémités 4 par soudure sur toute la longueur du tube assurant l'étanchéité. La section plane d'un demi-tube 2 est pourvue d'une tôle ondulée formant les ailettes sinueuses 3 avec génératrices externes 7 et génératrices internes 8. Ces ailettes 3 sont soudées sur le côté extérieur et plan du demi-tube 2 par leur génératrice interne 8. Lors de la galvanisation, cet ensemble 1 est immergé et retiré dans une position telle que représentée à la figure 3, c'est-à-dire le tube plat 2, en position horizontale, et les ailettes 3 avec les génératrices 7 et 8, en position verticale.
La figure la, représentant une vue de face du côté inférieur des ailettes 3, montre la formation de bourrelets de zinc 6 après solidification, ne laissant qu'un passage fortement obstrué 9,
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voire complètement bouché pour l'air de refroidissement. Ces bourrelets de zinc 6 résultent de la galvanisation à chaud dans un bain normal, c'est-à-dire à une température de 445 à 460 C, sans additifs.
La figure 2 montre un ensemble 10 réalisé selon l'invention avec un tube plat 2 constitué de deux demi-tubes soudés dont un côté extérieur est pourvu d'ailettes sinueuses 11. Conformément à l'invention, une des arêtes de ces ailettes 11 présente une partie biseautée 12 du même côté, qui est le côté inférieur lors de la galvanisation.
L'angle a du biseau est tel que le zinc s'écoule le long de l'arête inclinée 12 sans plus y former de bourrelets ou bavures. Le seul endroit où pourrait se manifester une rétention de zinc est la pointe inférieure 13 des ondulations de l'ailette en contact avec le tube, ce qui n'entrave nullement le passage de l'air, parce que cette surépaisseur est très locale, ponctuelle, et parce que le biseau agrandit nettement les orifices des chenaux d'air entre ailettes sinueuses et tubes.
En outre, les bourrelets de zinc 5 situés au pied des ailettes, le long des génératrices internes 8, résultant de la galvanisation réalisent un pont thermique très favorable entre le tube 2 et ses ailettes 11.
De préférence le biseau se présente, vu en coupe, transversalement aux tubes, sous forme rectiligne avec un angle a de 300 entre l'arête biseautée vue en coupe et la face du tube (voir figure 3). Cet angle a, de préférence constant, peut être compris entre 15 et 600. Mais cet angle peut aussi varier le long du biseau.
Sur la figure 3 on a montré la position de l'ensemble du tube à ailettes 10 selon l'invention, avant immersion dans un bain 14 rempli de zinc 15 à une température d'environ 450oC.
L'invention couvre également un procédé de fabrication de tube à ailettes 10 selon l'invention et plus particulièrement la réalisation des ailettes biseautées.
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Comme montré sur la figure 4, les biseaux 12 sont réalisés par découpe 16 dans la tôle 17 des ailettes avant la mise en forme (ondulation) de cette tôle, c'est-à-dire par découpe à plat du feuillard. L'outil de découpe a une arête de découpe dont le profil est sinueux. Le profil de l'arête de découpe 16 doit correspondre judicieusement au profil des ondulations des ailettes pour que le biseau se présente en coupe transversale sous forme rectiligne.
Notamment la découpe est triangulaire si le profil des ailettes est triangulaire. Elle est sinusoïdale s'il est sinusoïdal. Sinon, l'arête biseautée des ailettes vue en coupe transversale est courbe, voire ondulée, ce qui est toutefois acceptable et satisfait aux buts de l'invention pour autant que les angles entre les tangentes locales à l'arête biseautée sinueuse et la face du tube soient suffisamment aigus pour permettre l'écoulement aisé du zinc.
L'ensemble des opérations de fabrication de batteries galvanisées de tubes plats à ailettes sinueuses se déroule normalement selon le processus suivant : . en ce qui concerne les ailettes : a) découpe sinueuse à plat d'un côté du feuillard 17 constituant les ailettes, destinée à former le futur biseau ; b) ondulation du feuillard, en correspondance (synchronisme) avec la sinuosité de la découpe 16 précédente du biseau 12.
. en ce qui concerne le tube : - découpe et mise en forme des tôles des demi-tubes 2 ; - soudage des ailettes 11 sur le côté extérieur des demi-tubes
2 ; - assemblage par soudage en 4 des demi-tubes 2 pour consti- tuer les tubes entiers à ailettes 10 ; - assemblage des ensembles de tubes à ailettes en batteries ; - galvanisation des batteries de tubes à ailettes, les génératrices des ailettes ondulées étant disposées verticalement, biseaux 12 situés en bas, comme représenté à la figure 3.
Un autre avantage du biseautage des ailettes est la possibilité de peinture par trempage des batteries galvanisées de
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tubes plats à ailettes sinueuses, sans formation de bourrelets de peinture aux arêtes inférieures (dans la position de retrait du bain de peinture) des ailettes.