FR2475710A1 - Piece intercalaire gaufree pour echangeur de chaleur - Google Patents

Abstract

CETTE PIECE EST CONTITUEE PAR UNE LAMELLE GAUFREE 1 DONT LES PAROIS FORMENT DES CANAUX 3 POUR LA CIRCULATION D'UN CALOPORTEUR ET POSSEDENT, SUR TOUTE LEUR LONGUEUR, DES SAILLIES ET DES CAVITES DISPOSEES PAR PAIRES EN VIS-A-VIS ET ALTERNANT AVEC DES SECTEURS LISSES, DE SORTE QU'ON OBTIENT UN ETRANGLEMENT PERIODIQUE DU COURANT DE CALOPORTEUR EN VUE DE L'INTENSIFICATION DE L'ECHANGE DE CHALEUR. LA LONGUEUR DE CHAQUE SECTEUR LISSE NE DEPASSE PAS CINQ DIAMETRES HYDRAULIQUES DE CE SECTEUR LISSE, LE RAYON INTERIEUR D'ARRONDI DU SOMMET DU GAUFRAGE NE DEPASSE PAS ALORS LA DIFFERENCE ENTRE LE QUART DU PAS T DU GAUFRAGE ET LA MOITIE DE L'EPAISSEUR D DE SA PAROI, ET LA LONGUEUR N DES SAILLIES ET DES CAVITES EST CHOISIE DE MANIERE A ASSURER L'INTENSIFICATION DE L'ECHANGE DE CHALEUR. L'INVENTION S'APPLIQUE AUX ECHANGEURS A TUBES ET RUBANS OU A LAMELLES ET REDUIT LA CONSOMMATION D'ENERGIE.

Description

L'invention concerne la thermotechnique et a notam-

ment pour objet les constructions des surfaces gaufrées

d'échange de chaleur.

La conception de la pièce gaufrée suivant l'inven-

tion peut être appliquée dans les échangeurs de chaleur à tubes et rubans ainsi que dans des échangeurs de chaleur à lamelles et ailettes destinés à remplir des fonctions

variées avec n'importe quel agent caloporteur.

On connait une pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur comprenant des gaufrages ayant un profil triangulaire ou rectangulaire formant des canaux parallèles pour la circulation du caloporteur. Sur les surfaces latérales des gaufrages, suivant la direction du courant de caloporteur, des saillies et des cavités transversales s'alternant en permanence forment dans le canal des secteurs divergents-convergents disposés en continu et successivement. Les saillies et les cavités sont arrondies. En outre, -il est possible de réaliser

sur les surfaces latérales, suivant le mouvement du cou-

rant de caloporteur, des paires contiguës isolées de sail-

lies et de cavités transversales séparées par des secteurs de surface planes. On forme ainsi, suivant la direction du mouvement du courant de caloporteur, des canaux dans lesquels des secteurs lisses alternent avec des secteurs divergents-convergents contigus. Chaque saillie ou cavité peut être exécutée tant sur toute la hauteur de la surface latérale du gaufrage que seulement sur une certaine partie

de celle-ci. Grâce à l'étranglement du courant de calopor-

teur sur les parois du secteur divergent du canal, il se

forme des lignes de tourbillonnement tridimensionnelles.

La viscosité de turbulence et la conductibilité turbulente

du courant de caloporteur dans la zone limite, c'est-à-

dire au voisinage de la paroi, augmentent. Le gradient de

température et la densité du courant de chaleur augmen-

tent, en provoquant ainsi l'accroissement du coefficient

d'émission de la chaleur entre le caloporteur et les sur-

faces latérales de la lamelle gaufrée. Cependant, à des régimes déterminés d'écoulement du courant de caloporteur et pour des dimensions déterminées des saillies et des

cavités sur les secteurs divergents du canal, des tour-

billons à grande capacité d'énergie peuvent se former et commencer à interagir avec le coeur du courant à cause de

leur diffusion dans ce dernier. L'énergie totale consom-

mée pour le pompage du caloporteur croit alors brusque-

ment, tandis que l'émission de chaleur entre le courant

et les surfaces latérales de la lamelle gaufrée n'augmen-

te pratiquement pas. Une interaction analogue avec le coeur du courant se produit aussi avec une conception de

la pièce gaufrée dans laquelle les saillies et les cavi-

tés transversales sont disposées en continu ou les sail-

lies et les cavités alternent avec des secteurs lisses de la surface latérale des gaufrages, quand le tourbillon formé sur le secteur divergent du canal rencontre sur son trajet une saillie suivante et diffuse dans le coeur du courant. L'efficacité thermodynamique qu'on obtient à l'aide de cette pièce gaufrée est très petite. Même dans le cas o le tourbillon formé sur le secteur divergent du canal a perdu totalement son énergie sur le secteur lisse du canal et o la structure laminaire de la couche limite du courant de caloporteur léchant la paroi s'est rétablie, l'effet d'intensification de l'échange de chaleur qu'on

obtient par étranglement périodique du courant de calopor-

teur n'est pas obtenu complètement.

On s'est donc proposé de mettre au point une pièce

intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur dans la-

quelle le processus d'intensification de l'échange de cha-

leur serait assuré avec une plus haute efficacité thermo-

hydraulique par étranglement périodique du courant de ca-

loporteur. Le problème posé est résolu à l'aide d'une pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur, exécutée

sous la forme d'une lamelle à rangées parallèles de gau-

frages dont les parois forment des canaux pour le passage d'un caloporteur et possèdent, sur toute leur longueur, des saillies et des cavités transversales qui alternent avec des secteurs lisses et sont disposées par paires se faisant face sur les parois contiguës des gaufrages, de manière à former des secteurs divergents-convergents des canaux et à assurer ainsi un étranglement périodique du courant de caloporteur en vue de l'intensification du processus d'échange de chaleur, les sommets des gaufrages

étant arrondis avec le rayon maximal possible, caractéri-

sée en ce que la longueur de chaque secteur lisse d'un canal n'est pas supérieure à cinq diamètres hydrauliques de ce secteur lisse, le rayon intérieur d'arrondi du sommet du gaufrage ne dépasse pas la différence entre un quart du pas du gaufrage et la moitié de l'épaisseur de

sa paroi, et la longueur des saillies et des cavités pré-

vues sur les parois des gaufres est choisie de manière à

assurer l'intensification du processus d'échange de cha-

leur. Ceci permet aux tourbillons s'écoulant près des parois de ne pas interagir les uns avec les autres ét avec le coeur du courant et d'abaisser par conséquent la quantité totale d'énergie consommée pour l'intensification

de l'échange de chaleur.

L'efficacité thermohydraulique la plus élevée est obtenue lorsque la longueur n des saillies et des cavités est égale à une valeur déterminée à l'aide de la formule suivante: =F - dO/d (F + d.m) 2m o F est l'aire de la section d'écoulement du secteur lisse du canal; d0est le diamètre hydraulique réduit de la section la plus étroite du canal; d est le diamètre hydraulique réduit du secteur lisse du canal; et

m est la hauteur des saillies.

Ci-après, l'invention est expliquée en détail par

une description d'exemples concrets de réalisation, avec

référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure l représente une pièce intercalaire

gaufrée pour échangeur de chaleur, conforme à l'inven-

tion;

- la figure 2 montre une variante de pièce inter-

calaire gaufrée pour échangeur de chaleur dans laquelle les saillies et les cavités sont disposées suivant toute la hauteur de la paroi du gaufrage; - la figure 3 est une coupe prise suivant la ligne III-III de la figure l; - la figure 4, montre la région IV de la figure l; - la figure 5 montre la région V de la figure 2; - la figure 6 est le diagramme des relations Nu/Nu = f(t'/d) et /. = f1( '/d)

pour Re = 1700.

Suivant l'invention, la pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur est exécutée sous la forme d'une plaque gaugrée munie de rangées parallèles de gau- | frages 1 (figures 1, 2) et est placée dans un échangeur à lamelles entre des lamelles de séparation plates et dans un échangeur de chaleur à tubes et rubans entre les tubes plats ou dans les tubes plats eux-mêmes. Les parôis

2 des gaufrages forment des canaux à section rectangu-

laire ou triangulaire 3 par lesquels circule un calopor-

teur. Sur toute la longueur de la parois on a prévu des

saillies 4 (figure 3) et des cavités 5 disposées par pai-

res en opposition l'une de l'autre sur les parois conti-

gués 2 (figures 1, 2) des gaufrages 1 et séparées par

des secteurs lisses 6 (figure 3). Ainsi, les parois (fi-

gures 1, 2),avec les saillies 4 (figure 3), les cavités et les secteurs lisses disposés par paires et succes-

sivement sur elles, forment des secteurs divergents-con-

vergents 7 et 8 respectivement disposés successivement

suivant le mouvement du caloporteur, indiqué par la flè-

che A, dans le canal des gaufrages séparés par des sec-

teurs lisses 9 de ce canal. Les sommets 10 (figure 2) et les cavités 11 des gaufrages 1 sont arrondis avec un

rayon de courbure intérieur R. Le raccordement de la sur-

face des saillies transversales 4 (figure 3) et des ca-

vités 5 à celle des parois des gaufrages 1 (figures 1, 2)

est effectuée par une surface formée par des arcs de cir-

conférence de rayons R1 et R2 (figure 4) ou par des arcs de circonférence de rayons R3 et R4 (figure 5) raccordés

entre eux par la tangente 12.

Le prccessus diintensification de l'échange de cha-

leur nar con7ection dans les canaux de la pièce interca-

laire gaufrée pour échangeur de chaleur proposée consiste

en ce que le courant de caloporteur perd sa stabilité hy-

red-maniqte pendant qu'il circule à travers les canaux

&e la pièce intercalaire gaufrée sur les secteurs diver-

ernts du canal pour une valeur déterminée f d'ouverture du diffuseur (figure 3) et pour une certaine valeur du rayon d'arrondi R5 des sommets des saillies transversales

et des cavités transversales. En conséquence, des tour-

billons tridimensionnels sous forme de lignes de tour-

billonnemnent, ou systèmes tridimensionnels tourbillon-

naires sont engendrés sur les parois du diffuseur à un régime dé4terminé d'écoulement du caloporteur. Dans ce cas, l'échelle des tourbillons est comparable à la hauteur des

saillies 4 et des cavités 5.

L'inventeur a trouvé expérimentalement que c'est

dans la couche de courant léchant la paroi que les va-

leurs de la conductibilité thermique turbulente du cou-

rant d'air AT sont minimales, tandis que la'densité du flux de chaleur q et le gradient de température grad.t sont les plus grands. Dans ce cas, les valeurs de la conductibilité thermique AT dans le coeur du courant sont maximales et supérieures de plusieurs ordres de

grandeur aux valeurs de la conductibilité thermique mo-

léculaire A, tandis que la conductibilité thermique mo-

léculaire l de la couche s'écoulant près de la paroi dé-

termine essentiellement la valeur du flux de chaleur dans

Z4757 '5

cette couche s'écouiant près de ': C ?aroio Un t.ourbil..o..-

nement complémentaire du coeur du t -, atd. l... oporteur dans le canal provoque une augmentr-:ion i,-n-...lante de

la conductibilité thermique turb:;V.-, Fe s? -a..s ce canal.

En même temps, étant donné que le coeur du co:r-t occupe une grande partie de la section du canal, i. c,.ntité

d'énergie consommée supplémenLtairement puar,e tourbi1-

lonnement artificiel du coeur du courant est injustifia-

blement grande en comparaison avec l'augmentation corres-

pondante de la valeur de la densité du flux de chaleur dans celui-ci. Les faits qu'on vient de citer illustrent d'une manière spectaculaire l'hypothèse de Fourier, qui s'écrit pour le cas envisagé de la manière suivante q = -( + AT) grad.t pour la couche s'écou.ant nrès de -a paroi, o >> AT; q = -( X + XAT) grad.t pour le coeur du courant, o: << T Il s'ensuit que le tourbillonnement complémentaire du coeur du courant, qui nécessite 70 à 90 % de l'énergie

fournie supplémentairement au courant à l'aide des orga-

nes tourbillonneurs ou de mise en turbr)ence ne donne qu'une intensification,:eatiLcement '-.::..nte de l'échange de chaCour s..:'-ni.. ." ce:e raison, il faut fourni rg de, -: r;:.'., aentaire à la couche du courant de calcyr-tGlr s' couiant près de la paroi tandis que la hauteur _ (<fig:es 1, 2) dessaJllies et des cavités transversales doit être inférieure ou- égale à l'épaisseur de la couche limite avoisinant la paroi du courant de caloporteur dans le canal; aU..reem..:t dit, l'augmentation de la '-aut?1-,.'-es saillies et _'.s cavités transversales dans 'à cdcl:' -c:.v;e l'augmentation de l'échelle des;':.- ":.ons et:er*.::,-::'"s de la paroi. Il peut arriver al-: N moment o ir: -.,e; s tourbillons devient supérieure à 'épaisseur de la couche voisine de la paroi du courant de caloporteur. C'est pourquoi une partie de l'énergie supplémentaire fournie au courant de caloporteur pour son tourbillonnement sera dépensée en dehors des limites de la couche voisine de la paroi, dans le coeur du courant, d'une manière inefficace. Il en résulte que l'épaisseur de la couche voisine de la paroi du courant de caloporteur dans le canal varie selon le régime de travail de l'écoulement du caloporteur, qui est caractérisé, dans la conception'de l'invention, par la plage de la valeur du paramètre Re comprise entre 400 et 10000. La hauteur nécessaire m des saillies et

des cavités transversales varie de façon correspondante.

En conséquence, la valeur du taux de rétrécissement de

la section du canal do/d varie elle aussi. Dans la con-

ception de l'invention de la pièce intercalaire gaufrée, les valeurs do sont déterminées dans la section la plus étroite du canal et sont

- 4 F0

nlo FO et nfo étant respectivement la section d'écoulement et

le périmètre mouillé de la section la plus étroite du ca-

nal du gaufrage. La valeur du diamètre hydraulique réduit

d est déterminée dans le secteur lisse du canal du gau-

frage à l'aide de la formule suivante d = 4 F F et n étant la section d'écoulement et le-périmètre

mouillé du secteur lisse du canal gaufré.

Comme on vient de noter, dans les canaux de la

pièce intercalaire gaufrée selon l'invention, les tour-

billons sont engendrés sur les secteurs divergents de la

circulation du caloporteur. A un certain régime d'écou-

lement du caloporteur déterminé par le taux de rétrécis-

sement de la section du canal do/d, et pour une hauteur m déterminée des saillies et des cavités transversales, 1 'échelle desdits tourbillons est oomparable à la hauteur

des saillies et des cavités transversales. Ces tourbil-

lons sont entraînés par le courant de caloporteur dans le secteur lisse du canal dans sa zone voisine des parois et, en se dissipant graduellement, ils disparaissent. La longueur optimale V (figure 3) du secteur lisse du canal 9, sur laquelle est totalement utilisée l'énergie des tourbillons nécessaire à l'intensification du processus d'échange de chaleur, l'efficacité thermohydraulique de

la pièce intercalaire gaufrée de l'invention étant maxi-

male, sera limitée par une valeur qui ne dépasse pas cinq, diamètres hydrauliques réduits des secteurs lisses du canal 9. Cela est dû au fait que sur cette longueur t' < 5d, les tourbillons perdent leur intensité à un point tel qu'en rencontrant,-sur le trajet du courant de caloporteur, le secteur divergent-convergent suivant, ils

n'interagissent pas avec le tourbillon formé sur ce sec-

teur divergent -suivant du canal et ne se diffusent plus dans le coeur du courant, mais ils se dissipent dans la

couche limite, avoisinant la paroi, à cause de la visco-

sité du courant et de son frottement contre les parois

du canal. Il en résulte que l'énergie complémentaire four-

nie au courant de caloporteur n'est plus fournie à son coeur, ce qui se traduit Dar une baisse de la consommation totale d'énergie nécessaire à l'échange de chaleur dans les échangeurs de chaleur utilisant la pièce intercalaire

gaufrée de l'invention.

Les faits précités sont prouvés par une expérience

dont les résultats sont résumés sur le diagramme des re-

lations suivantes Nu/Nuo = F(L'/d) et = f1 (t'/d) (figure 6), pour un régime d'écoulement du calomorteur caractérisé par l'indice Re = 1700. Ici, Nu et Nu0 sont les critères de Nusselt, respectivement pour des canaux dont la surface d'échange de chaleur est formée par des secteurs lisses

et divergents-convergents qui s'alternent et pour les ca-

naux identiques mais lisses; et tO étant les coefficients de perte de charge o respectivement dans des canaux, dont la surface d'échange

de chaleur est formée par des secteurs lisses et des sec-

teurs divergents-convergents alternés et dans des canaux identiques mais lisses.

Sur le diagramme, sur l'axe des abscisses est por-

té le pas relatif d'étranglement Q'/d, sur l'axe des or-

données, le rapport Nu/NuO0 (courbe I) et le rapport t/o (courbe II). Comme il ressort du diagramme, l'efficacité thermohydraulique de la pièce intercalaire gaufrée de 1'rinventicmi, dans toutes les plages de valeurs t'/d = O à 24, est supérieure à I c'est-à-dire que: Nu/Nu pendiant, dans l'intervalle de valeurs V'/d = O à 5, les raq:rts N%/r? uo sont les plus grands et atteignent les

vlreu's -1u/Puo - 2,15, ce qui permet de réduire notable-

!nent, jusquà dieux fcir, lSercombrement et la masse de

!ô Il'nhangeur de c1aleur relativement aux échangeurs de ch<-

leur analoues dans lesquels on utilise une surface lisse.

En cutre, or obtient également une réduction de la consonuaatLil d'énergie pour le pompage du caloporteur, dans la conception de l 'inventionr, grâce au fait que les -5 sourmets des gaufres sont arrondis avec le rayon R maximal possible (fiure 2),et que!es surfaces des saillies 4 <Ifjure _2) et des cavités 5 transversales sont raccordées la _aroi. (figure 1, 2} du gaufrage 1 par une surface formée par les arcs de circonférences de rayons R3 et R4 (figure 5) raccordés entre eux par la tangente 12, la longueur n des saillies et des cavités (figures 1, 2) étant choisie de manière à assurer l'intensification de

l'échange de chaleur pour une consommation d'énergie mo-

dérée. Dans le cas o les rayons intérieurs d'arrondi du sommet du profil triangulaire des canaux des gaufrages sont injustifiablement grands, la rigidité des sommets des canaux décroît et, dans certains cas, on ne réussit

pas pendant la fabrication à appliquer les gaufrages con-

tre les lamelles séparatrices dans les échangeurs de cha-

leur à lamelles et contre les tubes plats dans les échan-

geurs de chaleur à tubes et à rubans, alors que cette

application est nécessaire pendant le brasage de l'échan-

geur de chaleur. Pour cette raison, on doit limiter la valeur du rayon R à la valeur l o R = t4 - ú t 2 o: t est le pas du gaufrage I (figures 1, 2) et & est t son épaisseur. Dans le cas de petites valeurs R < 4 - 2 et en l'absence des rayons R1 et R2 (figure 4) ou R3 et R4 (figure 5), ainsi que dans le cas o la longueur n (figures 1, 2) des saillies et des cavités transversales

est grande, la formation et la propagation des tourbil-

lons dans les zones laminaires à angles aigus des sommets et des cavités Il des canaux 3 de gaufrages 1 sont rendues difficiles, ce qui impose de prévoir une quantité

complémentaire d'énergie pour le pompage du caloporteur.

L'inventeur a trouvé que la longueur des saillies

transversales 4 (figure 3) et des cavités 5, pour la sur-

face de la pièce intercalaire gaufrée suivant l'invention,

est déterminée d'une manière univoque, atrès la détermina-

tion expérimentale des valeurs requises de la hauteur m (figures 1, 2) des saillies 4 (figure 3) et des cavités 5 ainsi que du taux de rétrécissement du canal 3 (figures 1, 2), à l'aide de l'équation suivante d0 F - d (F + d.m) 2 m o F est l'aire de la section d'écoulement du secteur lisse du canal; d0est le diamètre hydraulique réduit de la section la plus étroite du canal; d est le diamètre hydraulique réduit du secteur lisse du canal; et

m est la hauteur des saillies.

Cette valeur de longueur n est optimale et assure la plus haute efficacité thermohydraulique du processus d'intensification de l'échange de chaleur dans la pièce

intercalaire gaufrée de l'invention.

La comparaison des résultats des essais, au banc

et sur le terrain, des radiateurs à eau de tracteurs fa-

briqués en série et des radiateurs à eau dans l'enceinte

d'air desquels on a utilisé la pièce intercalaire gau-

frée selon l'invention, a fait apparaître que le radia-

teur dans lequel on a utilisé la pièce intercalaire gau-

frée selon l'invention est caractérisé par un volume et

une masse réduits de deux fois, toutes les autres carac-

téristiques étant égales. En prenant en considération que les radiateurs de tracteurs sont fabriqués en grandes séries, l'application de la pièce intercalaire gaufrée de l'invention permet, bien que dans les radiateurs d'eau

de tracteurs, d'obtenir un grand effet économique.

Claims (2)

REVENDICATIONS

1. Pièce intercalaire gaufrée pour échangeur de chaleur, exécutée sous la forme d'une lamelle.à rangées

parallèles de gaufrages dont les parois forment des ca-

naux pour le passage d'un caloporteur et possèdent, sur

toute leur longueur, des saillies et des cavités transver-

sales qui alternent avec des secteurs lisses et sont dis-

posées par paires se faisant face sur les parois contiguës

des gaufrages, de manière à former des secteurs divergents-

convergents des canaux, et à assurer ainsi un étranglement

périodique du courant de caloporteur en vue de l'intensi-

fication du processus d'échange de chaleur, les sommets des gaufrages étant arrondis, caractérisée en ce que la longueur (<a.') de chaque secteur lisse (6) d'un canal (9) n'est pas supérieure à cinq diamètres hydrauliques (d) de ce secteur lisse, le rayon intérieur d'arrondi (R) du sommet du gaufrage ne dépasse pas la différence entre un quart du pas (t) du gaufrage et la moitié de l'épaisseur (d) de sa paroi, et la longueur (n) des saillies (4) et des cavités (5) prévues sur les parois des gaufrages est

choisie de manière à assurer l'intensification du proces-

sus d'échange de chaleur.

2. Pièce intercalaire gaufrée conforme à la reven-

dication- 1, caractérisée en ce que la longueur (n) des saillies (4) et des cavités (5) est déterminée à l'aide de la formule suivante F - do/d (F + d-m) 2 m o F est l'aire de la section d'écoulement du secteur lisse (6) du canal (9); d0est le diamètre hydraulique réduit de la section la plus étroite du canal; d est le diamètre hydraulique réduit du secteur lisse du canal; et

m est la hauteur des saillies.