CH338211A - Echangeur de chaleur à tubes - Google Patents

Description

Echangeur de chaleur ä tubes Dans les appareils echangeurs de chaleur tubu- laires oü les fluides circulent parallelement ä Faxe des tubes, gen6ralement ä contre-courant, il est in- dique, particulierement dans 1e cas oü la diff6rence de temp6rature entre les deux fluides qui 6changent leur chaleur est faible, par exemple de Fordre de 20 ä 50 , d'avoir des surfaces d'6change importantes, par unite de volume.

La presente invention a pour objet un 6changeur de chaleur ä tubes comportant des tubes munis d'ai- lettes longitudinales, sur leur surface externe au moins, 1'6changeur etant parcouru par deux fluides circulant parallelement ä Faxe des tubes, 1'un ext6- rieurement, Fautre interieurement et des e16ments pour d61imiter les espaces offerts ä 1'6coulement d'un des fluides.

Cet 6changeur de chaleur est caracterise en ce que ces 61ements ont une direction g6n6rale paral lele ä celle des tubes et sont ondu16s dans cette di- rection de maniere ä faire varier la section de pas- sage offerte au fluide ext6rieur.

Le dessin annexd represente, ä titre d'exemple, plusieurs formes d'ex6cution de 1'6changeur de cha- leur faisant Fobjet de la presente invention.

Les fig. 1 ä 4 sont des coupes de diverses sections de tubes d'echangeur de chaleur.

La fig. 5 est une coupe transversale dune pre- miere forme d'execution d'6changeur de chaleur uti- lisant 1e tube de la fig. 1.

La fig. 6 est une vue en perspective d'un d6tail. La fig. 7 est une coupe dune variante.

La fig. 8 est une coupe d'un 6changeur avec tubes de section g6n6rale circulaire, comportant deux nombres d'ailettes diffdrents.

La fig. 9 est une coupe dune variante dans la- quelle les tubes sont de section generale rectangulaire, en forme de H, avec des nombres d'ailettes diff6- rents sur les deux faces munies d'ailettes du H.

La fig. 10 repr6sente en perspective un tube de la fig. 8 ondule suivant son axe longitudinal.

La fig. 11 represente schdmatiquement les on- dulations de tubes de la fig. 10, juxtaposA pour for- mer un echangeur.

La fig. 12 represente, en perspective, un tube avec deux ailettes ondul6es longitudinalement.

La fig. 13 repr6sente en coupe une portion d'un 6changeur de chaleur avec lames en t61e ondulee in terpos6es entre les ailettes des tubes.

La fig. 14 represente en perspective un des noyaux borgnes utilises ä 1'int6rieur des tubes de la fig. 13.

La fig. 15 repr6sente en perspective RTI ID="0001.0270" WI="6" HE="4" LX="1739" LY="2180"> une variante dune portion de tubes ä section en H, et ailettes on- dul6es sur l'une des faces du H.

La fig. 16 represente en coupe une portion d'un echangeur de chaleur avec noyaux ä ailettes ondu- 16es.

La fig. 17 reproduit en coupe une partie de 1'6changeur de la fig. 16 avec noyaux tubulaires. La fig. 18 est une coupe longitudinale du noyau tubulaire de la fig. 17. La fig. 19 est une coupe par III-III d'un d6tail de la fig. 17.

Les tubes d'6changeur de chaleur qui sont uti- lis6s presentent sur leur surface interne et sur leur surface externe, ou au moins sur Fune de ces faces, des ailettes longitudinales, c'est-ä-dire dirig6es dans 1e sens parallele ä laxe des tubes, et dont 1e profil, par exemple de section triangulaire ä angle arrondi, est dune hauteur variant de Fordre de quelques millimetres ä un ou plusieurs centimetres.

Ces ailettes sont adapt6es ä 1'importance de Fechangeur de chaleur que 1'on a ä r6aliser entre. deux fluides, et aux qualites intrinseques de chacun des fluides.

Pour preciser, dans le cas oü la diff6rence de temperature entre les deux fluides qui echangent leur chaleur est faible, la hauteur des ailettes est relativement reduite car une hauteur plus Brande serait inefficace. En effet, la difMrence de temp6ra- tures n6cessaire ä la conduction de la chaleur du haut en bas dune ailette 6puise vite la difKrence de tem- p6ratures dont an peut disposer, et une ailette, longue ou haute, n'a plus de raison d'etre. Au contraire, Jans 1e cas oü il y a une Brande difference de temp6- ratures entre les deux fluides, les ailettes peuvent eire plus hautes.

D'autre part, les qualites intrinseques du fluide, c'est-ä-dire sa nature, liquide ou gazeuse, sa vitesse, sa pression, sa chaleur specifique, sa viscosite qui conditionnent 1e coefficient de transmission du fluide avec 1e m6ta1, se trouvent dAerminer 1e nombre des ailettes ; c'est-ä-dire que, si le coefficient de trans- mission est elev6, il suffit que les ailettes soient en petit nombre et si 1e coefficient de transmission est mauvais, les ailettes seront en nombre sup6rieur.

En resum6, Ia difference de temperatures entre fluide et metal conditionne 1e profil des ailettes, et les proprietes intrinseques des fluides, leur nombre.

A titre d'exemple, dans 1e cas d'un echangeur de chaleur entre gaz et eau. tel qu'on est amen6 ä 1'utiliser dans les installations atomiques, la diff6- rence entre les deux fluides est de Fordre de 20 ä 500. Pour un tube d'environ 50 mm de diametre, balayb ext6rieurement par 1e gaz sous pression, la hauteur de 1'ailette ne dspassera pas 1 cm et le nombre des ailettes sera d'environ une vingtaine ä la surface exterieure du tube. Au contraire, ä Fint6- rieur, qui est balaye par Feau, Iaquelle a un excellent coefficient de transmission avec RTI ID="0002.0278" WI="3" HE="4" LX="807" LY="2260"> le metal, il suffira de quelques ailettes de quelques millimetres de haut, ou meme aucune ailette ne Sera necessaire.

Sur la fig. 1, les tubes a presentent un nombre ä peu pres egal d'ailettes, de meme hauteur, sur la face interne et la face externe.

Sur la fig. 2, les tubes b pr6sentent des ailettes plus hautes sur la surface externe que sur la surface interne, et celles de la surface interne sont moins nombreuses. C'est 1'inverse dans 1e cas de la fig. 3, oü ce sont les ailettes de la surface interne qui sont hautes et nombreuses.

Enfin. dans 1e cas de la fig. 4, an a pr6vu, ä titre d'exemple, une forme d'ex6cution dans laquelle les ailettes de la surface externe, peu nombreuses et re- lativement epaisses, sont elles-memes rainurees sur leurs faces pour realiser une espece d'indentation se- condaire. Ort multiplie ainsi, comme dans tous les autres cas, la superficie des surfaces d'echange de chaleur du tube.

L '6changeur tel que represente fig. 5, se com- pose de rangfies de tubes a, tel que celui de la fig. 1, disposes en quinconce et qui sont parcourus int6- rieurement par un fluide. Le fluide exterieur circule 6galement parallelement ä Faxe des tubes, ä contre- courant par exemple, dans les intervalles entre tubes. Pour diminuer la section de passage du fluide int6- rieur, et Fobliger ä circuler plus rapidement dans les rainures menag6es entre les ailettes tout en & trui- sant la pellicule adh6rente de fluide, des noyaux borgnes e sont pr6vus ä Fint & ieur des tubes a et laissent entre leur surface externe et la surface in terne du tube un passage relativement 6troit. De meme, entre les tubes a sont prevus exterieurement des noyaux borgnes tels que f dopt la section est celle d'un carre ä c6tes curvilignes, qui s'adapte, comme an 1e voit sur la fig. 5, ä la forme ext6rieure des tubes, pour m6nager autour d'eux des couloirs de section relativement reduits parcourus par 1e fluide exterieur.

En vue de realiser des variations de section et des variations de direction dans les passages ainsi offerts aux fluides, tant ä 1'interieur qu'ä 1'ext6rieur du tube, an peut onduler longitudinalement les noyaux e et f, comme an 1'a represent6 en perspec- tive pour 1e noyau f sur la fig. 6. Ces noyaux peu- vent etre constitues par de simples t61es enrou16es ou repli6es, comme an 1e voit sur la fig. 6. Sur la fig. 5, an a hachure ces noyaux pour montrer qu'ils ne servaient pas ä la circulation, mais ils ne sont pas forcement pleins pour <RTI ID="0002.0552" WI="7" HE="4" LX="1502" LY="1901"> cela.

De meme, les ailettes pr6vues tant ä 1'ext6rieur qu'ä 1'interieur du tube, au lieu d'etre exactement dirig6es suivant des gen6ratrices du tube, peuvent etre ondul6es, c'est-ä-dire que les tubes peuvent eire soumis ä des torsions autour de leur axe, de maniere ä obtenir un enroulement helicoidal ou pseudo-sinu- soidal des ailettes sur les surfaces du tube.

S'11 y a lieu, et pour disposer de la maniere la plus rationnelle les tubes de 1'6changeur ä 1'int6rieur de 1'espace dont an dispose, ces tubes, au lieu d'etre de section circulaire comme represente sur les fi- gures, pourraient etre de section carree, ou polygo nale, ou de toute autre forme, en adaptant ä cette section une section correspondante des noyaux pour realiser un ensemble compact.

0n a represente, ä titre d'exemple, sur la fig. 7, une variante dans Iaquelle chaque tube g presente sur sa face ext6rieure des ailettes de hauteur in6gale s'inscrivant, comme an 1e voit sur la figure, ä 1'inte- rieur d'un carre h. De meme, les ailettes de la surface interne sont de hauteur inegale et sont circonscrites autour d'un carre interne i, decale par rapport au premier pour que les ailettes les plus hautes se cor- respondent Sur les faces externe et interne.

Cette forme carree permet une juxtaposition des tubes, comme represente Sur la figure, ä la maniere de dalles d'un parquet. A 1'interieur des tubes g, les noyaux j sont dune section carrde, approchant celle du carre interne i.

0n peut menager, entre les sections carrees h des tubes g, des intervalles dans lesquels sont dis- posees des lames k, lesquelles peuvent etre 6gale- ment ondulees Jans 1e sens de 1'ecoulement du fluide exterieur, de maniere ä obtenir dans ces intervalles des variations de section et de direction dans 1'ecou- lement du fluide exterieur. Ces lames k peuvent etre disposees toutes dans 1e sens horizontal seulement, ou dans 1e sens vertical, ou dans les deux comme repre- sente Sur la figure.

0n peut aussi utiliser, par exemple, comme 1e montre la fig. 8, des tubes de section circulaire dis- poses en quinconce, mais dans une rangle sur deux, par exemple la rangee A A, les tubes l qui com- portent huit ailettes sur leur face exterieure, alter- nant avec des tubes m presentant six ailettes. De la Sorte. les ailettes des tubes <I>1</I> et,m peuvent s'imbriquer les unes dann les autres, de maniere que 1'espace laisse au fluide exterieur soit suffisamment restreint et qu'il ne soit plus necessaire de prevoir entre les tubes, des noyaux borgnes.

Bien entendu, an peut egalement prevoir ä 1'in- terieur des tubes des noyaux borgnes e.

Daus la variante reprdsentee fig. 9, la section ge norale de chaque tube n de 1'dchangeur est en forme de H, ce qui permet un tassement tres compact des tubes, en intercalant les unes dans les autres les ai- lettes prevues Sur les faces opposees des tubes n. 0n remarquera que, pour obtenir un montage regulier tel que celui represente Sur la fig. 9, chaque tube n comporte cinq ailettes o Sur une de ces faces et quatre ailettes p seulement Sur 1'autre face, les ai- lettes p d'un tube venant s'imbriquer, comme an 1e voit sur la fig. 9, dans les ailettes o du tube situe immddiatement au-dessus.

Les tubes, comme represente Sur les fig. 8 et 9, peuvent presenter des ailettes q sur leur face interne, et ces ailettes sont de preference, comme anRTI ID="0003.0278" WI="3" HE="4" LX="977" LY="2203"> 1e voit Sur les figures, decaldes par rapport aux ailettes espacees prevues Sur la surface externe.

Chaque tube <I>1, m, n,</I> peut de plus etre ondule dans 1e sens de son axe longitudinal, symetriquement ou asymetriquement, comme an 1'a represente en perspective Sur la fig. 10. 0n realise ainsi entre les tubes de 1'echangeur, ondules comme an 1'a indique schematiquement fig. 11 pour trois tubes, des inter- valles entre tubes presentant des variations de direc- tion et de section pour 1e fluide exterieur et de direction pour 1e fluide interieur, variations qui sont favorables ä 1'echange de chaleur.

Sur la fig. 12, 1e tube r qui presente six ailettes longitudinales et diametrales Sur sa surface exterieure est tel qu'une ailette Sur deux, ä savoir 1'ailette s, est ondulee dans 1e sens longitudinal de laxe du tube, de maniere asymetrique, c'es-ä-dire qu'une longue Branche d'ondulation est suivie dune brauche plus courte et plus inclinee. Les autres ailettes t restent planes et diametrales. De la Sorte, dans les canaux qui se forment entre les ailettes, imbriquees ou non, des tubes associes pour constituer 1'echan- geur et oü circule 1e fluide exterieur, il se produit des variations de section et de direction qui out pour effet d'ameliorer 1'echange de chaleur.

Au lieu d'onduler les ailettes telles que s, an peut souder, ou fixer par quelques points de soudure, Sur 1e tube lui-meme r, entre les ailettes qui restent planes, des Bandes de töles ondulees u, comme an 1'a represente en traits ponctues Sur la fig. 12. Ces töles peuvent etre ensuite fixees par quelques points de soudure, par leur autre arete soit sur une ailette d'un autre tube associe au premier pour constituer 1'echan- geur de chaleur, soit Sur la paroi de ce tube lui- m8me. Cette arete peut encore rester libre.

Sur la fig. 13, an a represente en coupe, une disposition dans laquelle des tubes r, ä six ailettes planes sur leer surface exterieure, sont disposes en quinconce, les extremites des ailettes venant au voi- sinage les unes des autres et des töles v sont soudees d'ailette ä ailette, pour delimiter les espaces offerts ä 1'ecoulement du fluide exterieur, et obtenir, dans ces espaces, les variations de direction et de section souhaitees.

Bien entendu, ces töles v ne contribuent pas ä proprement parler ä 1'echange de chaleur, mais sim- plement ä modifier les conditions d'ecoulement du fluide extdrieur.

Les töles v pourraient etre soudees egalement, comme dit ci-dessus, de la paroi d'un tube ä laRTI ID="0003.0551" WI="8" HE="4"LX="1846" LY="1791"> paroi d'un autre tube. Le choix de la disposition des töles v depend de la disposition adoptee pour 1'assemblage des tubes, suivant que les ailettes s'imbriquent plus ou moins les unes dans les autres, et Fon dispose les töles v de maniere que les canaux subsistant entre ailettes soient convenablement subdivises.

La disposition d'ondulations longitudinales Sur certaines des ailettes de la surface exterieure du tube est applicable ä toutes formes de tubes et en parti- culier ä la forme de tubes ä section en H. Daus ce cas, les ailettes p1 de l'une des faces du tube q sont ondulees et les ailettes o de 1'autre face restent planes et les tubes etant imbriques 1'un dans 1'autre comme an 1e voit fig. 15, les ailettes p1 ondulees creent des variations de direction et de section dans les intervalles subsistant entre les ailettes planes o du tube situe immediatement au-dessus.

Sur les fig. 12 ä 15, 1e tube ne presente aucune ailette Sur sa surface interne, mais 1e noyau borgne e qui est dispose ä 1'interieur des tubes, comme an 1e voit fig. 13 et 14 presente, au contraire, sur sa sur- face exterieure, de petites ailettes, ou nervures w. Ces nervures w peuvent etre de prUdrence ondulees comme an 1e voit en w1, et provoquent, dans les ca- naux offerts entre 1e noyau e et 1e tube r ä 1'dcoule- ment du fluide interieur, des variations de direction, tout en permettant egalement le centrage du noyau e ä 1'intdrieur du tube r.

Sur la fig. 16, les tubes r ä ailettes exterieures sont disposes en rangees regulieres. La section de ces tubes s'inscrit comme an le voit dans un carre et les ailettes exterieures prevues sur les tubes sont ä cet effet de longueurs differentes. 0n remarque que les ailettes aboutissant dans les angles du carre sont un peu raccourcies, de maniere que le carre soit ä angles emousses. De la sorte, entre quatre tubes r contigus dont les axes se trouvent au sommet d'un carrd. il est possible de loger un noyau x dont le corps est dispose entre les extremites des quatre ailettes des quatre tubes contigus et dont Faxe coin- cide avec le centre du carre. Les noyaux x presentent quatre ailettes x1, qui viennent s'inserer entre les ailettes des tubes r, de maniere ä subdiviser Fespace compris entre ces ailettes.

Le corps du noyau <I>x</I> peut eire rainure en<I>x2</I> comme an 1e voit sur la droite de la figure, de ma- niere que les pointes des ailettes des tubes r s'en- gagent dans ces rainures, ce qui assure 1e calage des tubes et leur maintien en place.

Les ailettes x1 sont de preference onduldes Ion gitudinalement, de maniere qu'il se produise, dans les espaces compris entre les ailettes x1 et les ailettes des tubes r, des variations de direction et de section qui se montrent, comme an 1e sait, favorables ä Fdchange de chaleur. Lors du montage, une rangee horizontale de tubes ailetes r, ayant ete mise en place, an peut disposer ensuite les noyaux x, soit en les in- troduisant par le haut, soit en les enfilant horizonta- lement sur les deux ailettes des tubes avec lesquels lesdits noyaux doivent cooperer.

Dans une variante representee egalement sur la gauche de la fig. 16, 1e noyau exterieur y ne pre- sente pas de rainures comme.les noyaux x, mais ces rainures sont remplacees par des points de soudure y1, disposes de distance en distance le Ion,- des faces des ailettes horizontales. Ces points de soudure forment butee RTI ID="0004.0280" WI="8" HE="4" LX="538" LY="2115"> pour les ailettes des tubes r avec lesquels les noyaux en question cooperent. Cette forme d'execution facilite la fabrication des noyaux y qui est rendue plus economique. D'autre part, il permet la mise en place, par empilement des couches horizontales successives, des tubes r et des noyaux y.

A 1'interieur des tubes r, il est prevu des noyaux pleins e presentant des nervures w ondulees longi- tudinalement, ou enroulees en helices, et qui ont pour effet de faire varier la section et la direction des intervalles prevus entre lesdits noyaux e et la surface interne des tubes r.

L'echangeur de chaleur fig. 17 est forma de tubes r, ä ailettes longitudinales, entre lesquels sont disposes des noyaux pleins ä ailettes onduldes x et ces tubes r, au lieu d'etre en partie obtures par un noyau plein sont obtures par un noyau tubulaire e1. Le noyau tubulaire e1 porte exterieurement comme 1e faisait le noyau plein, des nervures w disposees en Mlice, comme an le voit fig. 18, de maniere ä provoquer un mouvement de giration et des varia- tions de section dans Fespace offert au fluide circu- lant ä 1'interieur des tubes r et ä l'extdrieur des noyaux e1. Mais la rdalisation tubulaire du noyau e1 permet surtout de faire circuler ä 1'interieur de ce noyau un fluide, qui peut etre le fluide circulant ex t6rieurement aux tubes r, lequel passe ainsi de part et d'autre du fluide circulant interieurement aux tubes r et extdrieurement aux noyaux e1.

0n peut disposer ä 1'intdrieur des noyaux tubu- laires e1, des noyaux ddviateurs 1, comme an le voit fig. 18 en eux-memes connus, et qui ont pour effet de faire varier la section interne de passage du fluide ä 1'interieur du noyau e1, en vue d'obtenir des effets de battements dans la vitesse, la pression et la direc- tion du fluide, ce qui amdliore 1'dchange de chaleur.

Il peut etre egalement dispose, ä 1'entree des noyaux e1, une tete 2 conformde de fa@on ä imprimer au courant de fluide un mouvement giratoire qui comporte des nervures helicoidales 3, comme an le voit fig. 18.

Lorsque, comme c'est le cas pour la forme d'exe- cution representee sur la fig. 17, les tubes de 1'dchan- geur sont disposes verticalement, les ailettes r des tubes ä ailettes viennent par leurs pointes dans 1e creux des noyaux exterieurs x et il est prevu dans ce creux, au sommet des noyaux x, une petite tra verse 4 qui s'engage dans une encoche 5 prevue dans la pointe de Failette comme an le voit sur la fig. 19. De laRTI ID="0004.0554" WI="8" HE="4" LX="1239" LY="1661"> sorte, les noyaux exterieurs x servent de points de suspension aux tubes ä ailettes r.

Claims (10)

1. REVENDICATION Echangeur de chaleur ä tubes comportant des tubes munis d'ailettes longitudinales sur leur surface externe au moins, 1'echangeur dtant parcouru par deux fluides circulant parallelement ä Faxe des tubes, 1'un exterieurement, lautre interieurement et des dlements pour ddlimiter les espaces offerts ä 1'dcou- lement d'un des fluides, caracterise en ce que ces elements ont une direction generale parallele ä celle des tubes et sont ondules dans cette direction de maniere ä faire varier la section de passage offerte au fluide extdrieur. SOUS-REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur selon la revendication, caracterise en ce que les tubes ä ailettes sont ondules dans 1e sens longitudinal.
2. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication, caracterise en ce que des noyaux (e) constituant lesdits elements sont disposes ä Fintdrieur des tubes, ces noyaux (e) prdsentant des ailettes (w1) onduldes dans 1e sens longitudinal.
3. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication, caract6rise en ce que certaines des ailettes (s) des tubes ä ailettes sont ondul6es tandis que les autres (t) restent planes.
4. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication, caract6ris6 en ce que lesdits elements sont consti- tues par des töles (u, v) ondu16es dans 1e sens longi- tudinal, soudees par leur arete longitudinale au moins sur les tubes (r) ä ailettes.
5. 5. Echangeur de chaleur selon la sous-revendi- cation 4, caracteris6 en ce que lesdites töles sont sou- dees sur la surface ext6rieure dudit tube.
6. 6. Echangeur de chaleur selon la sous-revendi- cation 4, caracteris6 en ce que lesdites töles sont soudees sur les ailettes dudit tube.
7. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication, caractftise en ce que lesdits eMments sont consti- tues par des noyaux externes (x) dispos6s entre les tubes et comportant des ailettes (x1) ondul6es dans 1e sens longitudinal. B.
8. Echangeur de chaleur selon la sous-revendi- cation 7, caract6ris6 en ce que les ailettes (x1) pr6- sentent des rainures (x2) pour servir de logement aux extr6mit6s des ailettes des tubes.
9. 9. Echangeur de chaleur selon la sous-revendi- cation 7, caract6ris6 en ce que les ailettes (x1) pr6sen- tent des taquets (y1) pour servir de but6e aux ex- tr6mit6s des ailettes des tubes.
10. 10. Echangeur de chaleur selon la sous-revendi- cation 8, caract6ris6 en ce qu'un noyau tubulaire (e1) pr6sentant un noyau interne d6viateur (1) est dis- pos6 ä 1'int6rieur de chaque tube (r) de maniere ä constituer un troisieme passage pour fluide.