FR2494421A1 - Element d'echange de chaleur - Google Patents

Abstract

ECHANGEUR DE CHALEUR. ELEMENT D'ECHANGE DE CHALEUR DESTINE A FORMER UN TREILLIS AVEC D'AUTRES ELEMENTS PARALLELES ET ESPACES MUTUELLEMENT, QUI, PENDANT LE FONCTIONNEMENT, SONT TRAVERSES PAR UN FLUIDE DANS UNE DIRECTION PRINCIPALE DETERMINEE, LEDIT ELEMENT ETANT EN TOLE ET COMPORTANT UN MEME MOTIF S'ETENDANT PERPENDICULAIREMENT A LA DIRECTION D'ECOULEMENT, LA SURFACE DE L'ELEMENT ETANT PERCEE D'OUVERTURES UNIFORMEMENT ESPACEES POUR LE PASSAGE DE TUBES, CARACTERISE EN CE QUE LE MOTIF DE BASE DE L'ENSEMBLE DES CANNELURES EST UNE PYRAMIDE 5, OU, AU MOINS, UN TRONC DE PYRAMIDE, ET EN CE QUE, PERPENDICULAIREMENT A LA DIRECTION D'ECOULEMENT PRINCIPALE (FLECHEA), LA SOMME DES PROJECTIONS DES SURFACES DES PYRAMIDES EST PLUS GRANDE QUE DANS LE SENS DE LA DIRECTION D'ECOULEMENT PRINCIPALE.

Description

La présente invention se rapporte à un élement d' échange de chaleur destiné à former un treillis avec d'autres élements d'échange de chaleur identiques disposés en parallc- le et espacés mutuellement, qui, pendant le fonctionnement, sont traversés par un fluide dans une direction principale déterminée, ledit élement étant en tôle et comportant, au moins, un ensemble de cannelures présentant un meme motif et s'étendant perpendiculairement à la direction d'écoulement, les parties en relief des cannelures étant opposées à des parties en creux et réciproquement, la surface de 1' élement étant perce d'ouvertures uniformément espacés pour le passage de tubes.

Dans un élement d'échange de chaleur connu du type ci-dessus, l'ensemble des cannelures présente des surfaces quadratiques planes entourant les passages des tubes, surfaces qui sont décalées entre elles et entre lesquelles s'étendent des canaux ayant une section en V. ( Brevet américain numero 3 515 207).

On connait également d'autres élements d'échange de chaleur én tôle dans lesquels, entre les passages des tubes sont prévues des ouvertures supplémentaires limitées par des pattes triangulaires qui, en regardant ltélement d'échange de chaleur en plan, forment une fente en étoile. Or, les ouvertures prévues à côté des passages des tubes diminuent la résistance mécanique de l'élement d'échange de chaleur, ce qui oblige à limiter leur nombre. De plus, les pattes dressées produisent une chute importante de la pression du fluide circulant dans les élements d'échange de chaleur.De plus, ces pattes peuvent arrêter les particules de poussières et autres impuretés présentes dans le fluide traversant ltélement d' échange de chaleur, ces particules en s'accumulant provoquant une réduction de la section libre et, partant, diminuant la capacité de transfert de chaleur (Brevet américain nO 3 631 922).

Il est également connu de pourvoir des surfaces d' échange de chaleur, d'un côté, de saillies pyramidales, l' autre côté, par contre, étant plan ou formant une enveloppe cylindrique.

Les surfaces des élements saillants yrardaux connus ccor: rent soit avec des surfaces identiques advaeentes, soit muniquent avec ces surfaces par les tubes qui les traversent (DE-PS 975 075 et DE-OS 23 40 711).

En outre, il est également connu de pourvoir les sr- faces des échangeurs de chaleur d'élements saillants coniques mutuellement espacés et qui s'avancent d'un côté ou somme des deux côtés de ltélement d'échange de chaleur. On présure que ces saillies coniques devraient augmenter la turbulance de l'air circulant entre les élements d'échange de chaleur et qu ils devraient diriger l'air relativement frais contre le métal chaud.Ainsi, la présence de ces reliefs conIques de- vrait augmenter le nombre des emplacements de l'élenent d' échange de chaleur où la chaleur est plus rapidement transférée que par des surfaces planes, ce qui devrait se tradulwe par une augmentation de la capacité de transfert de chaleur de ltélement. Les saillies coniques sont espacées entre elles, d'un côté de ltélement d'échange de chaleur, approximativement du triple du diamètre de leur surface de base. Lorsque les élements saillants sont prévus sur les deux côtés opposes de l'élement d'échange de chaleur, leur espacement mutuel de leurs surfaces de base est un peu plus faible.Du fait de l'espacement mutuel des saillies coniques, il n'est pas possible d' influencer constamment le courant flair qui les balaie (Brevet américain n 1 575 864).

La présente invention s' est fixé pour but de réaliser un élement d'échange de chaleur du type spécifié ci-dessus, qui présente une plus grande capacité de transfert de chaleur avec une plus faible perte de charge du fluide circulant entre deux élements d'échange. L'invention atteint les buts qu'elle s'est fixée en ce que le motif de basede l'ensemble des cannelures est une pyramide ou, au moins, un tronc de pyramide et en ce que, perpendiculairement à la direction d'écoulement principale, la somme des projections des surfaces des pyramides est plus grande que dans le sens de la direction d' écoulement principale.

Ainsi, l'élement d'échange de chaleur réalisé selon l'invention comporte une multiplicité de bords d'impact et de surfaces d'impact pour le fluide circulant entre cet élement et ltélement identique adjacent, en particulier, pour les gaz, rendant ainsi l'écoulement fortement turbulent.

De plus, la surface extérieure des tubes traversant les éiements d'échange de chaleur est presque entièrement en contact avec le fluide, ce qui a pour résultat une amélioration de la capacité de transfert de-chaleur. En conséquence, un échangeur de chaleur équipé avec les élements d'échange selon l'invention a une plus grande capacité qu'un échangeur classique ou bien est moins encombrant à capacité égale. De plus, on- cons- tate une perte de pression ou de charge sensiblement plus faible du fluide traversant l'intervalle de deux élements d' échange de chaleur, comparativement à un échangeur de chaleur classique. De plus, ces élements d'échange de chaleur peuvent être facilement nettoyés, avec un minimum de détergent, en cas de salissement.

L'élement d'échange de chaleur selon l'invention présente un ensemble de cannelure ayant, de préférence, une forme pyramidale, toutes les pyramides étant orientées du même côté. Toutefois, une structure composée de troncs de pyramides est également possible.

Bien que les pyramides ayant une surface de base en losange soient préférables, il est également possible d'utiliser des pyramides ou des troncs de pyramides ayant des surfaces de base polygonale, de préférence, symetriques. En considérant la direction d'écoulement principale du fluide, les pyramides pourraient être inégales.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in
vention ressortiront de la description qui va suivre, don
né uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, e rO-
férence au dessin annexé, dans lequel
Figure 1 : est une vue en plan sur un élement d'
échange de chaleur conforme à l'inventIon.

Figure 2 : est une vue latérale de cet élement.

Figure 3 : est une vue en détail de la figure A
plus grande échelle.

Figure 4 : est une vue en coupe suivant la ligne
IVIV de la figure 3.

L'échangeur de chaleur sans carrosserie représenté
sur les figures 1 et 2 sera également qualifié par la suite
de treillis. Il comporte, dans la direction de circulation
principale (direction de la flèche A) des series de tubes 1
disposés les uns derrière les autres à des intervalles égaux,
dans lesquels circule un liquide notamment de l'eau, chaque
rangée de tubes étant décalée par rapport à la rangée voi
sine. Les tubes 1 traversent des élements d'échange de cha
leur 2 en tôle , présentant des cannelures, ces élements
d'échange de chaleur étant disposés en parallèle. Entre les
élements d'échange de chaleur 2 voisins circule un gaz,
notamment de l'air, dans la direction d'écoulement prin
cipale indiquée par la flèche 1. Les tubes 1 traversent des
ouvertures 3 ménagées dans les élements d'échange de chaleur
2, ouvertures qui, comme on le voit sur la figure 4, pré
sentent un col 4 s'appliquant contre le tube correspondant,
ce col prenant appui contre ltélement d'échange de chaleur
voisin et étant fixé en bon contact thermique avec ce tube.

Les élements d'échange de chaleur 2 présentent des
cannelures pyramidales 5 toutes orientées du même côté. La disposition est telle qu'à une partie en relief située d'un côté
fait face une partie en creux du côté opposé et inversement.

Toutes les pyramides 5 sont identiques et sont distribuéea
uniformément le long de l'élement d'échange de chaleur 2.

La base des pyramides 5 a la forme d'un losange. Les bases des pyramides 5 sont adjacentes. La grande diagonale des losanges est orientée dans la direction d'écoulement principale, indiquée par la flèche A. Comme représenté sur le dessin, deux côtés opposés des losanges passent par les droites joignant les centres de deux passages de tubes 3 décalés et se succédant immédiatement, c'est à dire, sont définis par le motif formé par les droites de liaison des centres des passages des tubes. Dans l'exemple de réalisation, la longueur d'un côté d'un losange corres pond-- au quart de l'espacement entre les centres de deux passages de tubes 3 adjacents et décalés.

Sur les figures 3 et 4, les dimensions suivantes ont été indiquées
Sq = espacement des tubes dans le sens transversal ;
S1 = espacement des tubes dans le sens longitudinal
d = diamètre extérieur des tubes ;
n = nombre des pyramides 5 entre les centres de deux cen
tres adjacents des passages de tubes 3 dans deux rangées
succéssives, mutuellement décalés ( figure 3 dans la
région de l'élement d'échangeur de chaleur 2 représenté
en traits continus et dans la région des passages de
tubes 3 en traits mixtes) ;
H = hauteur des pyramides 5 ou des troncs de pyramides
T f espacement entre deux élements d'échange de chaleur 2
voisins.

Les pyramides immédiatement adjacentes aux passages de tubes 3 de ltélement d'échange de chaleur 2 possèdent, au moins, une surface contre laquelle est orientée l'une des parois d'un tube 1 traversant le passage 3 et qui imprime à une partie du fluide circulant entre les élements d'échange de chaleur une composante orientée vers le tube voisin.

Des paramètres avantageux pour la construction de l'élement d'échange de chaleur 2 sont les suivants
Sa/d = 1,5 à 3
Sl/d = 1 - 2,5 n/a 0,7 à 7 a = Sq/Sl
H/T = 0,2 à 0,9
Les pyramides 5 pourraient également comporter un nombre différent de surfaces autre que quatre, ce qui r.p- liquerait une base ayant une forme diffrente de celle d'un losange. Toutefois, dans tous les cas la somme des provec- tions des surfaces des pyramides perpendIculairement à la direction principale d'écoulement est plus grande que la direction d'écoulement principale.

La distribution des pyramides dans la direction d'écoulement principale, flèche A, pourrait être irregullère, la hauteur des pyramides 5 étant soit uniforme, soit variable, à quoi s'ajoute que leurs surfaces de base pourraient etre différentes. Il peut être avantageux, en considérant la direction de la flèche A, de prévoir moins de pyramides 5 par unité de surfaces au commencement de ltélement d'échange de chaleur 2 qu'à la fin de celui-ci.

Au lieu des pyramides 5, les cannelures des élements d'échange de chaleur 2 pourraient également être constituées par des troncs de pyramides, de préférence, peu aplatis.

Blen entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit et représenté.

On pourra y apporter de nombreuses modifications de détails sans sortir pour cela du cadre de l'invention.

Claims (3)

REVEMDICATIONS

10 - Element d'échange de chaleur destiné à former un treillis avec d'autres élements d'échange de chaleur identiques disposés en parallèle et espacés mutuellement, qui, pendant le fonctionnement, sont traversés par un fluide dans une direction principale déterminée, ledit élement étant en tôle et comportant, au moins, un ensemble de cannelures présentant un même motif et s'étendant perpendiculairement à la direction d'écoulement, les parties en relief des cannelures étant opposées à des parties en creux et réciproquement, la surface de l'élement étant percée d'ouvertures uniformément espacées pour le passage de tubes, caractérise en ce que le motif de base de l'ensemble des cannelures est une pyramide (5) ou, au moins, un tronc de pyramide, et-en ce que , perpendiculairement à la direction d'écoulement principale (Flèche A), la somme des projections des surfaces des pyramides est plus grande que dans le sens de la direction d'écoulement principale.

20 -Element d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au moins, les pyramides voisines des passages (3) des tubes ont des surfaces de base immédiatement adjacentes, les côtés voisins desdits passages, au moins, de ces surfaces de base formant un certain angle avec la direction d'écoulement principale.

30 -Element d'échange de chaleur selon la revendication I ou 2caractérisé en ce que la surface de base des pyramides (5) est un losange, dont la grande diagonale est orientée dans la direction d'écoulement principale (flèche

A) et dont deux côtés sont parallèles à la droite joignant les centres de deux passages de tubes (3), qui, en considérant la direction d'écoulement principale, sont disposés en oblique l'un derrière l'autre.

40 -Element d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par les relations suivantes

Sq/d = 1,5 à 3

Sl/d = 1 S 2,5

n/a = 0,7 à 7

H/T = 0,2 à 0,9 ou

Sq = espacement des tubes perpendiculairement à la direc

tion d'écoulement principale (A) S1 = espacement des tubes dans la direction d'écoulement

principale ;

d = diamètre des tubes (1) ;

n = nombre des pyramides (5) entre les centres de deux pas

sages de tubes voisins dans deux rangées mutuellement

décalées ee succédant immédiatement ;

a = q/Sl ;

H = hauteur des pyramides (5) ou des troncs de pyramides ;

T = espacement entre deux élements d'échange de chaleur.