Elément d'échange de chaleur et procédé pour sa fabrication
La présente invention a pour objet un élément d'échange de chaleur et un procédé pour sa fabrication.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes de réalisation de l'élément selon l'invention et illustre également à titre d'exemple, une mise en oeuvre du procédé selon l'invention:
la fig. 1 est une vue de profil de la première forme de réalisation, en cours de formation,
la fig. 2 est une vue partielle en bout correspondant àlafig. 1,
la fig. 3 en est une coupe à plus grande échelle suivant 3-3 de la fig. 2,
la fig. 4 en est une coupe à plus grande échelle suivant 4-4 de la fig. 2,
la fig. 5 est une vue à plus grande échelle d'une partie du tube montré sur la fig. 1,
la fig. 6 est une vue de profil d'un appareil utilisé dans cette mise en oeuvre du procédé.
la fig. 7 est une coupe suivant 7-7 de la fig. 6,
la fig. 8 est une vue en bout correspondant à la fig. 6,
la fig. 9 est une vue en perspective partielle de la seconde forme de réalisation.
Le tube échangeur (1) représenté aux fig. 1 à 5 est pourvu d'ailettes solidaires (2) s'étendant en hélice. Un certain nombre d'ailettes (2) situées à gauche étant représentées avant la formation d'indentations. La tranche des ailettes (2) situées à droite du tube présente des indentations (3) en forme de V. Ces indentations sont formées par refoulement du métal de sorte qu'il se forme à chaque bord de l'indentation qui traverse entièrement la tranche de l'ailette, un épaississement (4).
La base des indentations est plate. Les indentations sur les ailettes adjacentes sont alignées.
Un tel élément tubulaire se révèle particulièrement efficace lorsqu'il s'agit de transmettre de la chaleur d'un fluide circulant à l'intérieur du tube à un liquide en ébullition baignant l'extérieur du tube. En effet, la structure extérieure du tube offre un grand nombre de points d'amorçage de bulles formés dans les indentations (3). Le choc imprimé par l'outil à moleter refoule le métal formant la tranche des ailettes transversalement au-delà des faces latérales opposées de chaque ailette pour former les indentations (3) (fig. 5). Du fait que la base de l'outil à moleter est plane et non biseautée, la base (16) des cavités est également plate, comme on le voit le mieux sur la fig. 2.
On peut également former les indentations en refoulant le métal de manière qu'il ne se forme des épaississements que sur une seule face des ailettes.
La surface de l'outil à indenter n'est évidemment pas rigoureusement lisse, de sorte que le choc imprimé par l'outil sur la tranche de l'ailette suivant une direction normale à l'axe du tube forme en outre une série de poches minuscules (9) dans les parois latérales (12) des indentations (3), comme indiqué sur les fig. 4 et 5. De plus, par suite de la déformation du métal initialement écroui par le façonnage de l'ailette, les épaississements présentent au sommet (10) de fines fissures (14) (fig. 5).
L'ébullition nucléée est efficacement stimulée par les poches (9) et par les fissures (14). Les sommets aigus (10) font apparaître de la cavitation dans le liquide qui circule près de la face extérieure du tube (1), ce qui se traduit par la formation de petites bulles amorçant une ébullition nucléée.
Les indentations (3) provoquent la formation de cavités additionnelles (5), relativement grandes, dans l'espace situé entre la face inférieure des épaississements (4) et les parties non déformées (7) des faces latérales des ailettes (2) (fig. 3 et 5). Les cavités (5) constituent aussi des points d'ébullition nucléée.
Une ébullition nucléée s'amorce aussi, à la surface du tube (1), aux points (8) situés dans les rétrécissements (6) entre les ailettes (2) contiguës. L'ébullition nucléée amorcée aux points (8) et le taux élevé de forte trans mission de chaleur résultant sont rapides et continus tant que les bulles de vapeur formées en ces points peuvent s'échapper librement. Pour cette raison, on donne à l'interstice a séparant les sommets (10) voisins des épaississements (4) une largeur telle qu'il n'empêche pas le liquide d'atteindre ni des bulles de vapeur de quitter les points (8) de la surface du tube (1) (fig. 4).
On peut obtenir de bons résultats en ce qui concerne une forte ébullition nucléée et une transmission de chaleur améliorée en donnant aux interstices a une largeur comprise entre 35 et 75 % de la distance b (fig. 3) séparant initialement les parties non déformées (7) des faces latérales d'ailettes (2) contiguës, au sommet de ces ailettes. On obtient des résultats optimaux en maintenant la largeur des interstices a entre 0,51 et 0,64 mm, cette largeur pouvant être comprise entre 038 et 0,76 mm. Quand on choisit ainsi la largeur des interstices a , la profondeur des indentations (3) demeure toujours inférieure à la demi-hauteur des ailettes (2).
Le problème posé par la largeur de l'interstice pourrait ainsi être résolu en donnant aux indentations (3) des espacements arbitraires, de manière que les épaississements (4) d'ailettes contiguës ne soient pas axialement alignées.
L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé représenté aux fig. 6 à 8, présente un mandrin (20) dans les mâchoires (22) duquel le tube (1) à ailettes en cuivre à travailler est soutenu à une extrémité. Le tube (1) est soutenu à l'autre extrémité par un montage de galets comportant une embase (24) et une tête (26). Trois galets (28, 30 et 32) tourillonnent autour de leurs axes dans l'embase (24). Un seul galet (34) tourillonne de la même manière dans la tête (26). La tête (26), coulissante, peut être déplacée transversalement par un dispositif pneumatique ou hydraulique non représenté. Ainsi, on peut placer le tube (1) dans l'embase (24) contre les galets (28, 30 et 32) puis amener transversalement la tête (26) dans la position représentée, de manière à appliquer le galet (34) contre le sommet du tube (1).
Un chariot (50) comportant les molettes est utilisé pour former les indentations (3) dans les ailettes (2) du tube (1). Une molette (36) est montée dans l'embase (40) du chariot (50) et tourillonne autour de son axe et une molette (38) tourillonne de la même manière dans une tête (42) mobile transversalement. La tête (42) est fixée sur l'embase (40) pour se mouvoir avec elle, un mouvement longitudinal étant imprimé au chariot (50) par une vis de commande (44). La tête (42) peut aussi être déplacée, transversalement à l'embase (40), par un dispositif hydraulique ou pneumatique non représenté. Comme on le voit clairement sur la fig. 7, I'axe de rotation de la molette (38) est légèrement décalé latéralement par rapport à l'axe du tube (1).
Grâce à cette disposition, la denture (48) de la molette (38) vient porter contre les tranches périphériques des ailettes et repousse le tube (1) vers le bas contre la denture de la molette 36, à mesure que la tête (42) vient transversalement prendre la position représentée. On détermine la profondeur des indentations (3) et ainsi les dimensions de l'interstice a séparant les épaississements (4) d'ailettes voisines (fig. 3 et 4) en ajustant la force hydraulique ou pneumatique appliquée à la tête (42). Lorsqu'on a à moleter un tronçon de tube à ailettes relativement long, on peut disposer un certain nombre de galets (24-26) à intervalles espacés le long du tube pour le soutenir convenablement. On peut alors utiliser une série de chariots (50) pour travailler les parties du tube à ailettes situées entre les galets de support.
Le chariot (50) pourrait ainsi, pour plus de commodité, être monté sur une machine à former les ailettes sur le tube. Dans une telle machine, on forme les ailettes d'un seul tenant avec la paroi du tube à l'aide de galets-poinçons qui viennent radialement porter contre le tube pendant que le tube, poussé longitudinalement, défile devant eux. Les molettes (36 et 38) pourraient être disposées près des galets-poinçons, en aval du poste final de façonnage par ces galets, de manière que, pendant le mouvement longitudinal du tube entraîné en rotation, les ailettes soient d'abord formées dans ce tube, puis indentées par les molettes. Dans une telle machine d'usinage, les molettes (36 et 38) ne se déplacent pas longitudinalement, mais sont montées à des postes fixes.
On met en place le tube (I) en insérant une de ses extrémités dans le mandrin (20) et en faisant soutenir son autre extrémité par les galets portés par l'embase (24). On donne alors à la tête (26) la position représentée sur la fig. 8. On entraîne ensuite en rotation le mandrin (20) et la vis d'avance (44), à l'aide d'une transmission contenue dans la poupée fixe (46) et d'un moteur qui lui est accouplé (non représenté). Le tube (1) se met à toumer avec le mandrin (20). Simultanément, la molette (38) est amenée en contact avec les ailettes (2) par déplacement transversal de la tête (42). Les molettes (36 et 38) tournent contre les ailettes (2) du fait qu'elles sont en contact frottant avec le tube (1) qui tourne.
Ainsi, la denture (48) des molettes (38 et 36) applique une série de chocs à la branche des ailettes (2), normalement à l'axe longitudinal du tube de manière à en refouler le métal pour y former les indentations (3), telles que représentées sur les fig. 1, 2 et 5. Du fait du mouvement longitudinal du chariot à moleter (50), le métal de la tranche des ailettes subit dans l'indentation (3) un déplacement plus important dans le sens du mouvement du chariot (50). Ainsi, comme on le voit plus clairement sur la fig. 3, les épaississements (4) dépassent davantage l'une des faces latérales (7) des ailettes (2) que l'autre face latérale.
Les molettes (36 et 38) ont la structure et la disposition voulues pour que la denture de la molette inférieure (36) frappe les ailettes (2) avec un léger décalage dans les indentations (3) ménagées par les dents de la molette supérieure (38). De ce fait, les indentations (3) présentent des faces rugueuses, les rugosités provoquant une ébullition nucléée.
Sur la fig. 6, on notera que les molettes (36 et 38) ont des dents rectilignes, parallèles aux axes des roues.
Ces molettes pratiquent des indentations (3) ayant la forme qu'on voit le mieux sur la fig. 5. On peut aussi utiliser des molettes à dents en chevron ou en losange.
Le pas de molette (nombre de dents par unité de longueur de circonférence) est critique en ce sens que, si l'on utilise une molette à pas trop gros, comportant moins de 14 dents par longueur de tranche de l'ailette de 2,5 cm, les indentations n'augmentent pas notablement la transmission de chaleur. Par contre, si l'on utilise une molette à pas trop fin, supérieur à 33, le moletage devient très difficile à ajuster. Les dents de la molette inférieure (36) ont tendance à frapper la tranche des ailettes (2) non plus dans les cavités formées par la molette supérieure (38), mais entre elles et l'on obtient un nombre excessif d'indentations irrégulières.
On obtient des résultats optimaux en utilisant une roue à moleter ayant un pas de 21.
On a moleté avec succès, par le procédé décrit ci-dessus, un tube en cuivre à ailettes solidaires ayant un diamètre intérieur de 14,29 mm, un diamètre de racine (entre ailettes) de 15,87 mm et un diamètre de crête d'ailette de 19,05 mm. On a essayé de tels tubes à ailettes présentant dans les tranches de leurs ailettes une série d'indentations (3) pratiquées par ledit procédé tant dans un bain relativement calme de réfrigérant que dans l'évaporateur à enveloppe et à tubes d'une installation de réfrigération centrifuge en fonctionnement.
Dans les deux cas, on a fait circuler dans les tubes de l'eau relativement chaude. Quand l'ébullition s'est amorcée dans le bain, on a constaté que le nombre de courants de bulles qui s'élevaient des points d'amorçage de bulles prévus sur le tube à ailettes décrit était plus de dix fois plus grand que sur un tube à ailettes ordinaire. En faisant fonctionner l'évaporateur à enveloppe et à tubes avec des tubes tels que ceux décrits, on a obtenu une augmentation de 7 tO de la transmission de chaleur d'ensemble pour une différence de température donnée entre l'eau et le réfrigérant.
La fig. 9 illustre un élément de transmission de chaleur présentant des ailettes (62) saillant perpendiculairement sur une plaque plane (60). Les tranches des ailettes (2) présentant des indentations (64) de forme analogue aux indentations (3) montrées sur les fig. 1 à 5. Les indentations sont formées en plaçant la plaque (60) sur le plateau d'une machine à fraiser et en dépla çant un outil à moleter rotatif sur les tranches des ailettes, suivant une direction horizontale parallèle au plan de la plaque (60). Les bords des parois latérales (66) des indentations (64) présentent des épaississements (68) en saillies sur les parois latérales des ailettes (62).
Les irrégularités de surface de l'outil à moleter qui forme les indentations (64) font en outre apparaître une série de poches minuscules (72), semblables aux poches (9) des indentations (3) montrées sur les fig. 4 et 5.
Les sommets (74) des épaississements (68) se fendent aussi en un certain nombre de fissures extrêmement petites (76), sous l'action du choc imprimé à la tranche des ailettes par la molette. Les indentations (64), assistées par les poches (72) et par les fissures (76) présentes dans leurs surfaces, amorcent et entretiennent une ébullition nucléée. Il en résulte un accroissement notable de la transmission de chaleur au liquide en contact avec les ailettes (62). Il faut choisir l'interstice séparant les épaississements (68) immédiatement voisins de la manière décrite à propos des interstices a , en donnant aux indentations (64) la profondeur voulue pour qu'elles n'empêchent pas les bulles de s'élever, à partir de la face supérieure de la plaque (60), entre les ailettes (62).
Heat exchange element and method for its manufacture
The present invention relates to a heat exchange element and a method for its manufacture.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the element according to the invention and also illustrates by way of example, an implementation of the method according to the invention:
fig. 1 is a side view of the first embodiment, during training,
fig. 2 is a partial end view corresponding to lafig. 1,
fig. 3 is a section on a larger scale along 3-3 of FIG. 2,
fig. 4 is a section on a larger scale along 4-4 of FIG. 2,
fig. 5 is a view on a larger scale of part of the tube shown in FIG. 1,
fig. 6 is a side view of an apparatus used in this implementation of the method.
fig. 7 is a section on 7-7 of FIG. 6,
fig. 8 is an end view corresponding to FIG. 6,
fig. 9 is a partial perspective view of the second embodiment.
The exchanger tube (1) shown in fig. 1 to 5 is provided with integral fins (2) extending in a helix. A number of fins (2) located on the left being shown before the formation of indentations. The edge of the fins (2) located to the right of the tube has V-shaped indentations (3). These indentations are formed by upsetting the metal so that it forms at each edge of the indentation which passes entirely through the edge. fin, thickening (4).
The base of the indentations is flat. The indentations on the adjacent fins are aligned.
Such a tubular element proves particularly effective when it comes to transmitting heat from a fluid circulating inside the tube to a boiling liquid bathing the outside of the tube. Indeed, the outer structure of the tube offers a large number of bubble initiation points formed in the indentations (3). The shock imparted by the knurling tool pushes the metal forming the edge of the fins transversely beyond the opposite side faces of each fin to form the indentations (3) (Fig. 5). Because the base of the knurling tool is flat and not bevelled, the base (16) of the cavities is also flat, as best seen in fig. 2.
It is also possible to form the indentations by upsetting the metal so that thickenings only form on one side of the fins.
The surface of the tool to be indented is obviously not strictly smooth, so that the shock imparted by the tool on the edge of the fin in a direction normal to the axis of the tube also forms a series of pockets tiny (9) in the side walls (12) of the indentations (3), as shown in fig. 4 and 5. In addition, as a result of the deformation of the metal initially hardened by the shaping of the fin, the thickenings present at the top (10) fine cracks (14) (fig. 5).
Nucleated boiling is effectively stimulated by pockets (9) and cracks (14). The sharp peaks (10) cause cavitation to appear in the liquid which circulates near the outer face of the tube (1), which results in the formation of small bubbles initiating a nucleated boiling.
The indentations (3) cause the formation of additional, relatively large cavities (5) in the space between the underside of the thickenings (4) and the non-deformed parts (7) of the side faces of the fins (2) (fig. . 3 and 5). The cavities (5) also constitute nucleated boiling points.
A nucleated boiling also begins, at the surface of the tube (1), at the points (8) located in the narrowings (6) between the adjacent fins (2). The nucleated boiling initiated at points (8) and the resulting high rate of high heat transfer is rapid and continuous as long as the vapor bubbles formed at these points can escape freely. For this reason, the interstice a separating the neighboring peaks (10) of the thickenings (4) is given a width such that it does not prevent the liquid from reaching nor vapor bubbles from leaving the points (8). from the surface of the tube (1) (fig. 4).
Good results with regard to strong nucleated boiling and improved heat transmission can be obtained by making the interstices a width of between 35 and 75% of the distance b (fig. 3) initially separating the undeformed parts (7 ) side faces of adjacent fins (2), at the top of these fins. Optimal results are obtained by maintaining the width of the interstices a between 0.51 and 0.64 mm, this width possibly being between 038 and 0.76 mm. When the width of the interstices a is chosen in this way, the depth of the indentations (3) always remains less than the half-height of the fins (2).
The problem posed by the width of the gap could thus be solved by giving the indentations (3) arbitrary spacings, so that the thickenings (4) of contiguous fins are not axially aligned.
The apparatus for carrying out the method shown in FIGS. 6 to 8, has a mandrel (20) in the jaws (22) of which the copper finned tube (1) to be worked is supported at one end. The tube (1) is supported at the other end by a roller assembly comprising a base (24) and a head (26). Three rollers (28, 30 and 32) are journaled around their axes in the base (24). A single roller (34) is journaled in the same way in the head (26). The sliding head (26) can be moved transversely by a pneumatic or hydraulic device, not shown. Thus, one can place the tube (1) in the base (24) against the rollers (28, 30 and 32) then bring the head (26) transversely into the position shown, so as to apply the roller (34) against the top of the tube (1).
A carriage (50) comprising the wheels is used to form the indentations (3) in the fins (2) of the tube (1). A wheel (36) is mounted in the base (40) of the carriage (50) and pivots about its axis and a wheel (38) is journaled in the same way in a head (42) movable transversely. The head (42) is fixed to the base (40) to move with it, a longitudinal movement being imparted to the carriage (50) by a control screw (44). The head (42) can also be moved, transversely to the base (40), by a hydraulic or pneumatic device, not shown. As can be seen clearly in fig. 7, the axis of rotation of the wheel (38) is slightly offset laterally with respect to the axis of the tube (1).
Thanks to this arrangement, the toothing (48) of the wheel (38) bears against the peripheral edges of the fins and pushes the tube (1) downwards against the teeth of the wheel 36, as the head (42) transversely takes the position shown. The depth of the indentations (3) and thus the dimensions of the gap a separating the thickenings (4) of neighboring fins (fig. 3 and 4) is determined by adjusting the hydraulic or pneumatic force applied to the head (42). When knurling a relatively long section of finned tube, a number of rollers (24-26) can be arranged at spaced intervals along the tube to properly support it. A series of carriages (50) can then be used to work the parts of the finned tube located between the support rollers.
The carriage (50) could thus, for more convenience, be mounted on a machine for forming the fins on the tube. In such a machine, the fins are formed in one piece with the wall of the tube using punch rollers which come radially to bear against the tube while the tube, pushed longitudinally, passes in front of them. The wheels (36 and 38) could be arranged near the punch rollers, downstream of the final shaping station by these rollers, so that, during the longitudinal movement of the rotating tube, the fins are first formed in this tube, then indented by the knobs. In such a machining machine, the wheels (36 and 38) do not move longitudinally, but are mounted at fixed positions.
The tube (I) is put in place by inserting one of its ends into the mandrel (20) and by having its other end supported by the rollers carried by the base (24). The head (26) is then given the position shown in FIG. 8. The mandrel (20) and the feed screw (44) are then driven in rotation, using a transmission contained in the fixed headstock (46) and a motor which is coupled thereto (not shown. ). The tube (1) starts to rotate with the mandrel (20). Simultaneously, the wheel (38) is brought into contact with the fins (2) by transverse displacement of the head (42). The wheels (36 and 38) rotate against the fins (2) because they are in rubbing contact with the rotating tube (1).
Thus, the toothing (48) of the wheels (38 and 36) applies a series of impacts to the branch of the fins (2), normally to the longitudinal axis of the tube so as to push back the metal therein to form the indentations (3 ), as shown in fig. 1, 2 and 5. Due to the longitudinal movement of the knurling carriage (50), the metal of the edge of the fins undergoes in the indentation (3) a greater displacement in the direction of movement of the carriage (50). Thus, as can be seen more clearly in FIG. 3, the thickenings (4) protrude more than one of the side faces (7) of the fins (2) than the other side face.
The rolls (36 and 38) have the structure and the desired arrangement so that the teeth of the lower roll (36) strike the fins (2) with a slight offset in the indentations (3) made by the teeth of the upper roll ( 38). Therefore, the indentations (3) have rough faces, the roughness causing nucleated boiling.
In fig. 6, it will be noted that the wheels (36 and 38) have rectilinear teeth, parallel to the axes of the wheels.
These knobs make indentations (3) having the shape best seen in FIG. 5. You can also use knurls with chevron or diamond teeth.
The roll pitch (number of teeth per unit length of circumference) is critical in that, if an oversize roll is used, with less than 14 teeth per fin slice length of 2, 5 cm, indentations do not significantly increase heat transmission. On the other hand, if one uses a wheel with too fine a pitch, greater than 33, the knurling becomes very difficult to adjust. The teeth of the lower roll (36) tend to strike the edge of the fins (2) no longer in the cavities formed by the upper roll (38), but between them and an excessive number of irregular indentations is obtained.
Best results are obtained using a knurling wheel with a pitch of 21.
An integral finned copper tube having an internal diameter of 14.29 mm, a root diameter (between fins) of 15.87 mm and a ridge diameter of 15.87 mm was successfully knurled by the method described above. 19.05 mm fin. We have tried such finned tubes having in the edges of their fins a series of indentations (3) made by said method both in a relatively calm bath of refrigerant and in the jacket and tube evaporator of a heating installation. centrifugal refrigeration in operation.
In both cases, relatively hot water was circulated through the tubes. When the boiling started in the bath, it was found that the number of bubble streams which rose from the bubble initiation points provided on the described finned tube was more than ten times greater than on a ordinary finned tube. By operating the jacket and tube evaporator with tubes such as those described, an increase of 7 tO in the overall heat transmission was obtained for a given temperature difference between water and refrigerant.
Fig. 9 illustrates a heat transmitting element having fins (62) projecting perpendicularly from a planar plate (60). The edges of the fins (2) having indentations (64) of a shape similar to the indentations (3) shown in FIGS. 1 to 5. The indentations are formed by placing the plate (60) on the table of a milling machine and moving a rotary knurling tool over the edges of the fins, in a horizontal direction parallel to the plane of the plate ( 60). The edges of the side walls (66) of the indentations (64) have thickenings (68) protruding from the side walls of the fins (62).
The surface irregularities of the knurling tool which forms the indentations (64) further reveal a series of tiny pockets (72), similar to the pockets (9) of the indentations (3) shown in Figs. 4 and 5.
The tops (74) of the thickeners (68) also split into a number of extremely small cracks (76), under the action of the impact given to the edges of the fins by the wheel. The indentations (64), assisted by the pockets (72) and by the cracks (76) present in their surfaces, initiate and maintain a nucleated boiling. This results in a significant increase in the transmission of heat to the liquid in contact with the fins (62). It is necessary to choose the interstice separating the immediately neighboring thickenings (68) in the manner described in connection with the interstices a, giving the indentations (64) the desired depth so that they do not prevent the bubbles from rising, to from the upper face of the plate (60), between the fins (62).