CH510473A - Elément d'échange de chaleur et procédé pour sa fabrication - Google Patents

Description

  
 



  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). 

Claims (1)

1. REVENDICATIONS

   I. Elément d'échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi de base, pourvue d'ailettes sur une face, la tranche des ailettes présentant des indentations s'étendant entièrement en travers de la tranche et formées par déformation de la matière de l'ailette de manière qu'il se forme des épaississements aux bords des indentations.

   II. Procédé de fabrication d'un élément d'échange de chaleur selon la revendication 1 constitué par un tube pourvu d'ailettes en hélice, caractérisé en ce qu'on forme de 14 à 33 indentations par longueur de 2,5 cm.

   de la tranche des ailettes, ces indentations étant formées en appliquant des chocs successifs à la tranche au moyen d'un outil d'indentation mobile parallèlement à l'axe longitudinal du tube.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Elément suivant la revendication I, caractérisé en ce que la paroi de base est un tube et en ce que les ailettes s'étendent selon une hélice continue autour du tube.

   2. Elément suivant la revendication I, caractérisé en ce que la paroi de base est une plaque plane et en ce que les ailettes s'étendent perpendiculairement à la surface de cette plaque.

   3. Elément suivant la revendication I, caractérisé en ce que le sommet des épaississements au bord des indentations présente de minces fissures.

   4. Elément selon la revendication I, caractérisé par un épaississement aux deux bords latéraux de chaque indentation.

   5. Elément selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce que les indentations sont en forme de V, les parois latérales de ces indentations présentant une série de petites poches.

   6. Elément selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce que l'espace entre les épaississements aux bords des indentations d'ailettes adjacentes est compris entre 35 et 75 o/o de l'espace entre les parties non déformées des ailettes adjacentes à leurs sommets.

   7. Elément selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce que l'espace entre les épaississements aux bords des indentations d'ailettes adjacentes est compris entre 0,38 et 0,76 MM.

   8. Elément selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce que les indentations sur des ailettes adjacentes sont alignées.

   9. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on applique les chocs suivant une direction normale à l'axe longitudinal du tube.

   10. Procédé selon la sous-revendication 9, caractérisé en ce qu'on applique les chocs au moyen de deux outils à moleter angulairement espacés, l'un de ces outils appliquant des chocs légèrement décalés par rapport aux indentations pratiquées par l'autre de ces outils, de sorte que les indentations ont des parois rugueuses.

   11. Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce qu'on fait tourner le tube autour de son axe longitudinal et on applique successivement les chocs à la tranche des ailettes au moyen d'un outil à former des indentations.