EP0895051B1 - Distributeur destiné à équiper les échangeurs thermiques intratubulaires des installations de refroidissement à fluide frigorigène de type diphasique - Google Patents

Distributeur destiné à équiper les échangeurs thermiques intratubulaires des installations de refroidissement à fluide frigorigène de type diphasique Download PDF

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EP0895051B1
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central part
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tubular heat
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Mohamed Idriss
Marc Altazin
Slimane Meziani
Jean Michel Navarro
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
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    • F28F9/028—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using inserts for modifying the pattern of flow inside the header box, e.g. by using flow restrictors or permeable bodies or blocks with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B39/02—Evaporators
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0265—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box

Definitions

  • the present invention relates to installations for cooling (refrigeration or air conditioning) in which the liquid to be cooled is treated inside a intratubular type heat exchanger through which a two-phase refrigerant.
  • such an exchanger is presented generally in the form of a closed cylindrical envelope 1 at its ends by two flanges 2 and 3.
  • a transverse partition 4 pierced with holes, the space defined between the flange 3 and this partition 4 being divided by a diametrical wall 5 in two separate rooms, namely an admission room 6 and a delivery chamber 7 to each of which is associated a pipe or tubing 8, respectively 9, connected to a source of pressurized refrigerant.
  • the space 10 between the partition 4 and the flange 2 contains a multitude of heat exchange tubes 11 in shape curls or straight elbow portions with ends are engaged in the holes of the partition 4 of so as to ensure the connection between chambers 6 and 7 for the circulation of the refrigerant.
  • the liquid to be cooled (water or other) is allowed in space 10 of enclosure 1 through an inlet tube 12 and emerges through a tube outlet 13 after being cooled in contact with the tubes curly 11.
  • DE-A-32 12 914 which describes a distributor for heat exchanger, formed by a sheet folded in the shape of a spherical cap. This distributor does not allow however not achieve satisfactory results in a two-phase use.
  • the distributor according to the invention is mainly remarkable in that it is constituted by a sheet which is shaped like a spherical cap open in direction of the outlet of the intake manifold and which presents a series of perforations arranged around a full central part of the dispenser.
  • figure 1 indicates the structure general of a common intratubular heat exchanger
  • Figure 2 schematically recalls the arrangement of a conventional type two-phase distributor.
  • Figure 3 is an axial section of an intake manifold equipped with a dispenser according to the present invention.
  • Figure 4 shows in the same way a variant of realization of the distributor according to figure 3.
  • Figure 5 is an elevational view of a dispenser established in accordance with the preferred mode of implementation of the invention.
  • Figure 6 is an axial section of the following distributor figure 5.
  • the two-phase distributor shown in FIG. 3 is constituted by a stamped sheet metal 15 so as to be in the form of a spherical cap.
  • the central part 15 a is provided full while the peripheral zone is pierced with a series of perforations 15 b , advantageously arranged in concentric rows, the number of which varies according to the diameter of the sheet or part 15.
  • This part 15 is fixed in any suitable manner (welding for example) by its edge against the inner wall of the flange 3 of the exchanger, so as to be oriented along the axis of the outlet of the intake manifold 8 in the chamber 6 of said exchanger.
  • the two-phase refrigerant which travels under pressure this pipe 8 is forced to pass through the perforations 15b .
  • the turbulence generated by the impact of this fluid against the solid central part 15 a and by the resistance exerted by said perforations in the passage of said fluid ensures the effective mixing of the two phases of the latter, so that under these conditions a efficient homogenization inside the intake chamber 6 which feeds the looped tubes 11.
  • FIG. 4 illustrates a variant in which the whole of the spherical cap, here referenced 16, is pierced with perforations 16 b , the solid central part being obtained using a patch 16 a attached to the inside of said cap along a cord in the axial section of Figure 4.
  • the result obtained is identical to that of the embodiment according to Figure 3, the manufacturing costs being remarkably reduced in one case as in the other.
  • the homogenization of the two-phase refrigerant is appreciably improved when adopting the embodiment illustrated in FIG. 5 and 6.
  • the spherical cap 17 is pierced with perforations 17 b over its entire surface, as in FIG. 4, and the central zone full is obtained by bringing inside said cap 17, no longer a flat piece or patch, but a conical body 17 a , the tip of which is engaged inside the tube 8.
  • the conical body 17 a favors bursting of the refrigerating fluid and its division in the direction of the perforated peripheral zone.
  • the conical profile body 17 a is provided, on its outer surface, with grooves extending parallel to the axis of this body 17 a , that is to say parallel to the direction of flow of the fluid in tubing 8.
  • These grooves extend at least between the base of the cone and the outlet of the fluid intake manifold.

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Description

La présente invention a trait aux installations de refroidissement (réfrigération ou climatisation) dans lesquelles le liquide à refroidir est traité à l'intérieur d'un échangeur thermique de type intratubulaire parcouru par un fluide frigorigène de nature diphasique.
Ainsi qu'on la très schématiquement indiqué à la figure 1 du dessin annexé aux présentes, un tel échangeur se présente généralement sous la forme d'une enveloppe cylindrique 1 fermée à ses extrémités par deux flasques 2 et 3. Immédiatement en arrière du flasque 3 est prévue une cloison transversale 4 percée de trous, l'espace défini entre le flasque 3 et cette cloison 4 étant divisé par une paroi diamétrale 5 en deux chambres séparées, à savoir une chambre d'admission 6 et une chambre de refoulement 7 à chacun desquelles est associée une canalisation ou tubulure 8, respectivement 9, reliée à une source de fluide frigorifique sous pression.
L'espace 10 compris entre la cloison 4 et le flasque 2 renferme une multitude de tubes d'échange thermique 11 en forme de boucles ou de portions rectilignes à coudes dont les extrémités sont engagées dans les trous de la cloison 4 de façon à assurer la liaison entre les chambres 6 et 7 pour la circulation du fluide frigorigène. Le liquide à refroidir (eau ou autre) est admis dans l'espace 10 de l'enceinte 1 à travers une tubulure d'entrée 12 et en ressort à travers une tubulure de sortie 13 après avoir été refroidi au contact des tubes bouclés 11.
Par suite de la nature diphasique du fluide frigorigène utilisé (le plus souvent du type connu sous la référence R22), il est évidemment nécessaire de prévoir des moyens propres à assurer l'homogénéité du fluide qui emplit la chambre d'admission 6, afin que les différents tubes 11 soient alimentés de façon régulière. Ce résultat est obtenu en pratique en disposant à l'intérieur du débouché de la tubulure 8 un distributeur diphasique schématisé en A, généralement du type de celui qui est représenté en figure 2.
Il s'agit en fait d'une pièce massive 14 qui est obtenue par usinage en présentant :
  • une extrémité cylindrique 14a engagée dans la tubulure 8 et percée axialement d'une ouverture profilée de manière à définir un col de Venturi 14b (qui est parfois remplacé par un diaphragme rapporté) ;
  • une partie centrale conique 14c dont la pointe est tournée vers le col de Venturi 14b ;
  • et une extrémité 14d à profil tronconique ouvert à l'opposé dudit col 14b, cette extrémité étant percée d'une série de canaux divergents 14e.
Un tel distributeur diphasique donne d'excellents résultats, mais son prix de revient est très élevé par suite du travail d'usinage nécessaire à sa réalisation.
Par ailleurs, on connaít DE-A-32 12 914, qui décrit un distributeur pour échangeur de chaleur, formé par une tôle pliée en forme de calotte sphérique. Ce distributeur ne permet cependant pas d'obtenir des résultats satisfaisants dans une utilisation diphasique.
C'est à l'inconvénient de coût précité qu'entend remédier l'invention, sans pour autant abaisser la qualité du résultat obtenu.
Le distributeur suivant l'invention est principalement remarquable en ce qu'il est constitué par une tôle qui est profilée à la manière d'une calotte sphérique ouverte en direction du débouché de la tubulure d'admission et qui présente une série de perforations disposées autour d'une partie centrale pleine du distributeur.
Les essais ont démontré qu'un tel agencement assurait en fait une homogénéisation du fluide frigorigène diphasique au moins aussi satisfaisante que les distributeurs usuels suivant figure 2, alors que le prix de revient est réduit dans une mesure très importante.
Il s'est par ailleurs avéré que les résultats les plus favorables étaient obtenus en réalisant la partie centrale pleine de la calotte perforée un cône orienté axialement avec la pointe engagée dans la tubulure d'admission de fluide frigorifique.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer:
Comme indiqué plus haut, figure 1 indique la structure générale d'un échangeur thermique intratubulaire usuel, tandis que figure 2 rappelle schématiquement l'agencement d'un distributeur diphasique de type classique.
Figure 3 est une coupe axiale d'une tubulure d'admission équipée d'un distributeur suivant la présente invention.
Figure 4 montre de la même manière une variante de réalisation du distributeur suivant figure 3.
Figure 5 est une vue en élévation d'un distributeur établi conformément au mode de mise en oeuvre préféré de l'invention.
Figure 6 est une coupe axiale du distributeur suivant figure 5.
Le distributeur diphasique représenté en figure 3 est constitué par une tôle 15 emboutie de façon à se présenter sous la forme d'une calotte sphérique. La partie centrale 15a est prévue pleine tandis que la zone périphérique est percée d'une série de perforations 15b, avantageusement disposées suivant des rangées concentriques dont le nombre varie en fonction du diamètre de la tôle ou pièce 15.
Cette pièce 15 est fixée de toute manière appropriée (soudure par exemple) par son bord contre la paroi intérieure du flasque 3 de l'échangeur, de façon à se trouver orientée suivant l'axe du débouché de la tubulure d'admission 8 dans la chambre 6 dudit échangeur. Le fluide frigorigène diphasique qui parcourt sous pression cette canalisation 8 est obligé de traverser les perforations 15b. Les turbulences engendrées par le heurt de ce fluide contre la partie centrale pleine 15a et par la résistance exercée par lesdites perforations au passage dudit fluide assurent le mélange efficace des deux phases de celui-ci, de sorte qu'on obtient dans ces conditions une homogénéisation efficace à l'intérieur de la chambre d'admission 6 qui alimente les tubes bouclés 11.
Figure 4 illustre une variante dans laquelle l'ensemble de la calotte sphérique, ici référencée 16, est percé de perforations 16b, la partie centrale pleine étant obtenue à l'aide d'une pastille 16a rapportée à l'intérieur de ladite calotte suivant une corde dans la coupe axiale de figure 4. Le résultat obtenu est identique à celui de la forme de réalisation suivant figure 3, les coûts de fabrications étant remarquablement réduits dans un cas comme dans l'autre.
L'homogénéisation du fluide frigorigène diphasique est sensiblement amélioré lorsqu'on adopte la forme de réalisation illustrée en figure 5 et 6. Ici la calotte sphérique 17 est percée de perforations 17b sur toute sa surface, comme en figure 4, et la zone centrale pleine est obtenue en rapportant à l'intérieur de ladite calotte 17, non plus une pièce ou pastille plane, mais un corps conique 17a dont la pointe se trouve engagée à l'intérieur de la tubulure 8. Le corps conique 17a favorise l'éclatement du fluide frigorifique et sa division en direction de la zone périphérique perforé.
De manière avantageuse, le corps à profil conique 17a est pourvu, sur sa surface extérieure, de rainures s'étendant parallèlement à l'axe de ce corps 17a, c'est-à-dire parallèlement à la direction d'écoulement du fluide dans la tubulure 8.
Ces rainures non représentées permettent l'alimentation de la zone située derrière la base du cône, entre ce dernier et la calotte sphérique 17.
Ces rainures s'étendent au moins entre la base du cône et le débouché de la tubulure d'admission du fluide.

Claims (4)

  1. Distributeur destiné à équiper les échangeurs thermiques intratubulaires des installations de refroidissement à fluide frigorigène de nature diphasique, du genre propre à être fixé au niveau du débouché de la tubulure d'admission du fluide à l'intérieur de la chambre (6) qui alimente les tubes d'échange (11), caractérisé en ce qu'il est constitué par une tôle (15, 16, 17) qui est profilée à la manière d'une calotte sphérique ouverte en direction du débouché de la tubulure (8) et qui présente une série de perforations (15b, 16b, 17b) disposées autour d'une partie centrale pleine (15a, 16a, 17a) du distributeur.
  2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale pleine est définie par une pastille plane (16a) rapportée dans le fond du profil de la calotte sphérique.
  3. Distributeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale pleine est définie par un corps (17a) à profil conique dont la pointe est apte à être engagée dans la tubulure (8).
  4. Distributeur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le corps (17a) à profil conique est pourvu, sur sa surface extérieure, de rainures s'étendant depuis la base du cône, parallèlement à son axe, de manière à permettre l'alimentation de la zone située derrière ladite base.
EP98420128A 1997-07-29 1998-07-21 Distributeur destiné à équiper les échangeurs thermiques intratubulaires des installations de refroidissement à fluide frigorigène de type diphasique Expired - Lifetime EP0895051B1 (fr)

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