FR2501846A1 - Tube pour echangeur thermique et application de ce tube - Google Patents

Abstract

CE TUBE METALLIQUE CONDUCTEUR T EST POURVU EN SON INTERIEUR D'UNE PIECE FIXEE HELICOIDALE H ENROULEE SUR UN NOYAU RIGIDIFICATEUR PLEIN OU TUBULAIRE N OU M. CAPTEUR, INSOLATEUR, CONVERTISSEUR CALORIFIQUE ET RESERVOIR MULTI-ECHANGEUR COMPORTANT DE TELS TUBES A HELICE.

Description

L'invention se rapporte à un nouveau tube pour échangeur thermique utilisable dans de nombreuses applications et en particulier dans la domestication des énergies naturelles telles que celles engendrées par le soleil et le vent.

Le Demandeur a remarqué que les tubes en métaux conducteurs actuellement utilisés dans les échangeurs thermiques à basse et moyenne température fonctionnant en thermo-siphon ou en circulation forcée au moyen d'une pompe, ont des rendements d'échange médiocres.

Cela tient au fait que dans un tube d'échangeur traditionnel le flux traversant se décompose en une multitude de veines à températures différentes, le gradient de celles-ci diminuant de la périphérie vers le centre, du fait que les veines les plus extérieures cont au contact des parois chaudes du tube. Ces températures plus élevées de ces veines sont encore favorisées, notamment dans les installations fonctionnant notamment en thermo-siphon par le fait que l'état de surface de la paroi intérieure du tube provoque un freinage d'où une perte de charge se traduisant par un ralentissement de la vitesse de ces veines extérieures et une augmentation de leur durée de contact avec la paroi conductrice de chaleur.

On a déjà proposé de disposer les tubes échangeurs selon des serpentins non seulement pour augmenter les surfaces d'échange, mais aussi pour briser les veines et obliger le liquide à s'homogénéiser . Malheureusement il est bien connu que cette disposition présente l'inconvénient, d'une part de créer des pertes de charge si importantes que dans certains cas on doit y renoncer, et d'autre part d'augmenter considérablement les dimensions de l'échangeur.

La présente invention entend donner une solution plus rationnelle permettant d'augmenter la surface d'échange ge sans créer pratiquement de pertes de charge autres que celles dues à l'état de surface du métal conducteur.

Pour atteindre ce but quelque peu contradictoire, elle propose de placer à l'intérieur du tube parcouru par le fluide calo-porteur une pièce fixe de forme héli cotidale ou similaire, ladite pièce ayant un contact intime par son champ avec la paroi conductrice. De cette manière non seulement il est créé un mouvement de rotation dudit fluide, mais encore une augmentation de la surface d'échange, puisque la pièce hélicoldale transfert elle aussi la chaleur qu'elle reçoit de la paroi par conductibilité.

I1 sera ultérieurement démontré qu'un tube pourvu d'une hélice intérieure est doué de propriétés particulières quant à la réverbération et à la réémissivité des ondes calorifiques.

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description et des revendications qui suivent, lesquelles sont faites en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue en perspective d'un tube selon l'invention avec arrachement de la paroi extérieu rye ;
- la figure 2 est une vue identique d'une variante constructive
- la figure 3 est une vue en perspective avec ar rachement d'un capteur solaire dont le tube est réalisé selon l'invention ;
- les figures 4 et 5 montrent en schéma l'utilisation de ce capteur dans une installation dizolation ;
- la figure 6 est une vue en coupe d'une chaudière solaire utilisant des tronçons de tube à hélice comme absorbeur et comme transmetteur de chaleur ;;
- la figure 7 est une vue en coupe de détail à plus grande échelle
- la figure 8 montre l'utilisation du tube de la variante de la figure 2 placE dans une enveloppe en matériau transparent pour constituer un convertisseur
- ta figure 9 représente une variante de ce convertisseur
- la figure 10 est un schéma d'une installation d'insolation utilisant ces convertisseurs
- la figure il est une coupe schématique d'un convertisseur à ouverture égale à 600
- la figure 12 est une vue en coupe d'un réservoir multi-échangeur à plusieurs réseaux de tubes calo-porteurs à hélice
- tes figures 13 et 14 illustrent un mode de sertissage de l'hélice.

Comme on le voit sur la figure 1 l'échangeur thermique T1 conforme à l'invention est constitué par un tube T à l'intérieur duquel est fixé une pièce en hélice H dont le champ 4a est en contact intime avec la paroi intérieure Ta du tube T.

I1 est aisé de comprendre que cette pièce transforme le canal rectiligne traditionnel d'un tube en un canal hélicoldal sans augmenter sensiblement les pertes de charges, puisque seule la surface d'échange est notablement augmentée et avec elle, la résistance à l'écoulement due à l'interface métal poli/fluide. Par contre, le mouvement tourbillonnaire de ce fluide exclut le régime laminaire des veines privilégièes comme les veines périphériques par exemple.

Avantageusement, la pièce en hélice H est enroulée sur un noyau N (ou M) rigidificateur et immobilisée par rapport au tube T par tout moyen connu (soudure aux extrémités, soudure en cordon ou par points dans le cas de tubes en deux 1/2 coquilles, coincement, sertissage, sertissage par retreint du tube extérieur comme celui que l'on peut obtenir avec des machines à rétreindre du type CHANAY et MAITROT)
Dans la variante représentée à la figure 2, le noyau plein N du tube de la figure 1 est remplacé par un noyau tubulaire M qui peut être parcouru par un second fluide
calo-porteur, mais le plus souvent appartient d un circuit comportant également le canal annulaire hélicoidal ménagé entre T et M.

Bien entendu, il pourrait y avoir plus de deux tubes concentriques avec une hélice fixée dans l'espace annulaire.

Comme les tubes T1 et T2 qui viennent d'être décrits sont destinés à capter le rayonnement solaire et à transmettre son énergie calorifique à un fluide il est bien envident que l'on doit à leur égard observer les règles bien connues et les concevoir en un métal bon conducteur (acier, aluminium, cuivre ou alliage), dont la brillance naturelle extérieure est éliminée par revêtement de couleur brun foncé (selon des procédés connus) permettant d'approcher la capacité idéale de captage du "corps noir".

La possibilité de captage du tube T peut être augmentée en le rendant solidaire d'ailettes A (fig. 3) et ainsi constituer un capteur solaire T3 seul, ou par jeu de plusieurs dont les extrémités sont en communication avec deux collecteurs (comme C) pour constituer un circuit de fluide calo-porteur.

Bien entendu, de tels capteurs peuvent être utilisés avec ou sans réflecteurs avec ou sans protection transparente produisant un effet de serre, pour former des insolateurs soit verticaux le long d'un mur, soit horizontaux soit inclinés par exemple à 600.

Leur rendement étant relativement faible, il convient de choisir leur orientation en fonction des conditions saisonnières d'utilisation.

I1 est bien évident que, par exemple, un terrain de camping qui voudrait s'équiper pour produire la plus gros-se partie de son eau chaude sanitaire ne doit pas utiliser les memes solutions s'il est ouvert à l'année ou en saison estivale ou au contraire en hiver ou encore si en montagne il ne dispose que d'une très faible sur face à éclairement énergétique valable (sans ombre de grands arbres ou de montagnes environnantes).

Les insolateurs qui viennent d'être décrits sont à conseiller plutôt pour des usages estivals saisonniers.

Les capteurs T3 représentés à la figure 3 peuvent être perfectionnés en les utilisant dans une position préférentielle telle que leurs ailettes A opposées soient disposées dans un plan faisant avec le plan horizontal un dièdre de manière a être orthogonales au rayonnement solaire.

Par exemple dans le sud-Est de la France en été l'angle de ce dièdre serait d'environ 600, l'axe des tubes T3 étant horizontal et orienté Est-Ouest (Fig. 4), avec ou sans effets de serre, mais placés au foyer de réflecteurs hémi-cylindriques placés en coupe vent ou éventuellement en couverture, ces insolateurs conviendraient au chauffage en été des eaux sanitaires d'un camping ou des eaux d'une piscine.

On peut perfectionner un tel capteur en munissant le tube à hélice T5 d'une pluralité d'ailettes Al disposées rayonnantes en étoile par exemple à 120 les unes des autres (fig. 5).

De tels capteurs T5 à trois ailettes peuvent constituer des insolateurs verticaux avec ou sans effet de serre, en les plaçant devant un bardage formant réflecteurs R (ou Ra) vertical en coupe vent. Cette disposition permet de réaliser un insolateur à fonctionnement annuel fournissant une production régulière.

En réalité dans un insolateur plan utilisant le tube capteur K à hélice, il suffit d'obtenir soit une accélération du circuit de thermosiphon soit de prévoir un circuit régulé, plus rapide afin de ne jamais obtenir de températures de sortie supérieures à 60 (dans le but évident de simplifier les installations du réseau calo-porteur). En effet, les hautes températures de sortie ne doivent pas être recherchées aussi bien pour obtenir un bon rendement de l'insolateur que pour le fait qu'elles sont inutiles en eau chaude sanitaire ou chauffage.

Par contre, l'effet tournant obtenu par hélice, permet l'évacuation plus rapide des calories captées, donc l'utilisation du pouvoir réflectorisant d'une simple tôle aluminium formant couverture d'un bAtiment,lo- cal piscine ou véranda couverte par exemple, qui nta pas à être "pointe" en direction du soleil en raison de sa fonction "indirecte" de réflecteur et qui permet par cette capacité de réflectorisation, d'équilibrer les pertes dues dans le cas d'abandon des irradiations du rayonnement diffus (# 15 t) de les récupérer, et au delà, en utilisant des tubes à 3 ailettes ; tout ceci sans tomber dans l'inconvénient des hautes températures.

Les figures 6 et 7 montrent une utilisation très différente des tubes à hélice du type T1 (Fig. 1).

On réalise une chaudière à chauffage solaire en constituant deux enceintes fermées F et G séparées par une cloison en métal conducteur 1. La première enceinte est fermée à sa face antérieure par une glace 2 ou autre matériau transparent et rendue solidaire de la cloison 1 par les joints tels que 3. Dans l'enceinte F on fait un vide relatif.

L'enceinte G est fermé du côté postérieur par une paroi métallique 4 isolée de l'intérieur par une forte épaisseur de matériau isolant 5 enfermé dans un coffre 6.

L'enceinte G est pourvue d'une entrée inférieure 7 de fluide calo-porteur et une sortie 8.

A la cloison 1 sont soudés transversalement au sens de circulation du fluide calo-porteur allant Qe 7 à 8, des tronçons de tube 9 à hélice du type T1 (fig. 1) ou T2 (fig. 2). Ces tronçons 9 constituant un chicanage.

De même à la cloison 7, dans la chambre F, dans le prolongement des tubes 9, sont fixes à cette cloison d'autres tronçons 10 de ce tube de type T1 ou T2.

Les hélices de ces tronçons, du fait de leur in clinaison, ont pour but de réfléchir le rayonnement infra rouge vers la surface de T, de manière à éviter la réémissivité , et par voie de convergence des pertes pouvant atteindre 42 %.

Enfin, l'immobilisation de la glace 2 est complétée par des poussoirs 11 à tête plastique prenant appui sur certains tronçons 10.

Le tube du type T2 de la figure 2 permet de nombreuses réalisations dans le domaine des insolateurs placés dans des concentrateurs fixes ou pointés améliorant le rendement de convertisseurs du type MOUCHOT (1878) ou de MEADI (1913) de TACHKENT (1950) ou de lthé- liostat de MONTLOUIS (1952).

Le convertisseur T8 représenté à la figure 8 comprend donc deux tubes métalliques concentrique M et T et dans le canal annulaire inter-tube une pièce en hélice H.

La section annulaire Sa a été calculée pour être égale à la section Si du tube Ti.

Cet ensemble est placé à l'intérieur d'une enveloppe E en matériau transparent (verre par exemple) étanche dans laquelle on fait de préférence le vide relatif ou tout au moins remplie d'un gaz déshydraté, étant bien connu que les capteurs solaires à effet de serre gaspillent les premières heures d'insolation à éliminer la condensation produite durant la nuit.

Le convertisseur qui vient d'être décrit peut connaître divers modes de circulation : le calo-porteur peut entrer par le tube M et ressortir par le tube T.

M communiquant avec T à son extrémité opposée à l'entrée et T étant fermé à son extrémité correspondante. Au contraire, la paroi de M peut être percée de manière à faire communiquer Si et Sa, le fluide calo-porteur entre à la fois dans les deux tubes par la même extrémité et ressort par M à l'extrémité opposée (disposition non représentée).

La figure 9 représente une variante du tube T8 en ce sens que l'enveloppe transparente E comporte une partie réfléchissante, soit par un dépôt métallique intérieur soit par adjonction d'un réflecteur hémi-cylindrique R8.

Sur cette figure, l'enveloppe transparente est réalisée en deux éléments El et E2 assemblés en eux par des joncs toriques d'étanchéité J.-On peut profiter de l'assemblage pour pincer le réflecteur R8. L'entrée peut se faire par le tube T et la sortie par le tube M ou viceversa. Un tel tube convertisseur T9 peut etre dispose au foyer d'un miroir concentrateur (fixe comme à MEADI et à
MONTLOUIS ou pointe comme TACHKENT ou à MARSEILLE). On peut l'utiliser également dans le cas de l'irradiation solaire d'un seul versant de toiture en le plaçant, devant un réflecteur R 10 en tôle ondulée réfléchissante, au foyer de chaque onde (d'ouverture 46054). Dans tous les cas précites, la concentration est inferieure à 10.Pour obtenir une concentration supérieure avec des tubes T-2 et surtout T8, il faut placer un tel tube dans un convertisseur conique Cîl d'ouverture 600 tournant autour d'un axe vertical grace à un dispositif moteur (non représente) a la vitesse de 3600par 24 heures. Le pavillon conique P est constitué par deux cônes métalliques concentrinues rigidement relies entre eux et entre lesquels on a disposé un matériau isolant. Ce pavillon est complété par une ossature circulaire roulant sur des galets portés par des bras de soutien réglables BR. Le tube du type T2 est place selon l'axe du pavillon li1 décrit donc un plan d'inclinaison médiane sur l'horizontal qui permet de pointer l'axe du pavillon sur les hauteurs du soleil pour les heures d'irradiation maximales). Autour du tube T est enroulé en spirale un dispositif K en aluminium oxyde brun noir assurant l'absorption et s'opposant à la reémissivité.

Ce dispositif K qui augmente les dimensions rela tives de la cible, est constitué par un serpentin d'ailettes gaufrées selon la technique des tubes à ailettes utilisés dans les radiateurs de chauffage central.

Cet ensemble T 11 est placé à l'intérieur d'une enceinte E 11 fermée par une paroi transparente plane ou bombée en verre, ou en polycarbonate ou en vitrage feuilleté tel celui vendu par St Gobain sous la marque
STADIP.

Enfin, les tubes à hélice du type T1 ou T2 ont un intérêt primordial pour la réalisation d'un réservoir horizontal à multi-échangeurs tel que représenté à la figure 12.

En effet, dans un tel réservoir rempli d'un fluide de transfert tel que la solution aqua-huileuse vendue sous la marque NEUTRAL par la société Pechiney-Ugine
Kullmann) sont disposés deux séries de tubes à hélice xa, xb, xc etc. et ya, yb, yc etc..

La série des tubes ya, yb etc constitue le réseau du circuit du fluide calo-porteur, apportant les calories au réservoir, tandis que la série des tubes xa, xb etc. forme le réseau du circuit du fluide à chauffer.

Bien entendu, les tubes de ces séries peuvent être disposés d'une autre manière que celle visible sur la figure 12.

Enfin, dans une même série les tubes peuvent être intégrés dans des circuits de fluide différents ou chauffés de manières différentes, à des températures et pression différentes.

Les tubes pour échangeurs, objet de l'invention, trouvent particulièrement application dans le domaine du chauffage solaire ou la production de chaleur à partir du vent, de la houle ou des marées.

Dans certains cas, le tube intérieur M d'un échangeur du type T2 doit être parfaitement cylindrique. Cer tainesprécautioz doivetdonc être prisesau moment de la fixation de l'hélice, notamment si celle-ci s'effectue par sertissage. Il importe donc alors que ce tube M soit plus résistant que le tube extérieur T, soit parce qu'il est d'une épaisseur plus grande, soit que son matériau offre par lui-même une résistance plus élevée.

La figure 13 montre comment on peut sertir lthéli- ce H entre les tubes T et M.

En fait, la pression exercée par le poinçon P, sur le tube extérieur T appliqué dans la matrice L provoque une légère ovalisation du tube extérieur T, ovalisation qui produit le coincement de H qui, de la forme visible en trait plein sur la figure 4, passe à la forme déformée en traits mixtes sur la même figure.

Comme on le voit sur cette figure 14, le filet métallique devant constituer cette hélice H a ses bords légèrement recourbés et arrondis.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. - Tube pour échangeur thermique, aaractdrisd en ce qu'en son intérieur est disposée une pièce fixe de forme sensiblement heiicordaie (H!, le champ de cette pièce (Ha) appliquant contre la paroi intérieure (Ta) dudit tube.

2. - Tube selon la revendication 1, caractdrisg en ce que ladite pièce hélicoldale (H) est immobilisée par ses extrémités.

3. - Tube selon la revendication 1, caractdrisd on ce que ladite pièce hélicoldale est rendue solidaire de celui-ci par déformation de celui-ci.

4. - Tube selon l'une des revendications précédentes, caractarisa en ce qu'en son intérieur est disposés concentriquement un autre ou plusieurs tubes (M) ; la pièce hélicoidale (H) étant fixée dans l'espace annulaire inter-tubes.

5. - A titre d'application, un capteur solaire comportant un corps tubulaire pourvu extérieurement d'ailettes de captation d'énergie solaire (A) et relié à chacune de ses extrémités à un collecteur (C) du circuit d'un fluide calo-porteur, oaractdrisa en ce que ce corps tubulaire est un tube (T1 ou T2) selon l'une des revendications précédentes.

6. - A titre d'application du capteur selon la revendication 5, des insolateurs avec ou sans effet de serre comportant une pluralité de capteurs placés chacun au foyer d'un réflecteur (R), caractdrisd en ce qu'au moins une des ailettes (A) de ces capteurs, constitue un plan orthogonal au rayons du soleil pendant la période estivale (300 par rapport au plan horizontal).

7. - Insolateur selon la revendication 6, oaractg- risd en ce que chaque capteur comporte au moins deux ailettes (Al), ou mieux trois ailettes formant entre elles des dièdres de 1200, l'une des ailettes étant verticale.

8. - A titre d'application du tube selon l'une des revendications 1 à 4, une chaudière comprenant deux enceintes séparées par une cloison commune (1) indépendantes, l'une d'elles (F), dans laquelle on a créé un vide relatif, étant limitée par une glace (2), l'autre (G)-étant parcourue par le fluide calo-porteur, caractarise en ce que de cette cloison (1) sont solidaires deux jeux de tronçons de tubes comportant une pièce hélicoïdale, les tronçons (10) placés dans le vide ayant une fonction d'absorption, ceux placés (9) entre la cloison et la paroi dorsale ayant une fonction d'échan ge.

9. - A titre d'application du tube selon la revendication 4, un convertisseur calorifique comportant une enveloppe;(E) (tube ou ampoule) en matériau transparent extérieur avec ou sans vide intérieur, caractdrtsd en ce que les tubes concentriques (T et M) à pièce héli cotidale intermédiaire (H), placés axialement d ladite enveloppe (E), ont des diamètres tels que la section du tube intérieur soit égale à la section annulaire intertube.

10. - Convertisseur selon la revendication 9, Ca- ractérisé en ce que le fluide calo-porteur entre par l'un des tubes concentriques et sort par l'autre.

Il. - Convertisseur selon la revendication 10, caractdrisd en ce que les deux tubes communiquent entre eux à leur extrémité opposée à l'entrée.

12. - Convertisseur selon la revendication 10, áractdrisd en ce que les deux tubes communiquent entre eux par des canaux percés au travers de la paroi du tube intérieur.

13. - Concentrateur dans lequel un convertisseur tubulaire est placé ou non devant un réflecteur au foyer d'un miroir focalisant ou similaire, caractdrisd en ce que ce convertisseur tubulaire est réalisé selon l'une .des revendications 9 à 12.

14. - Installation d'irradiation solaire compor tant une pluralité de concentrateurs selon la revendication 13, caractdrisée en ce que le miroir plan est placé au sommet du dièdre d'un réflecteur ondulé (R 10) d'ouverture au moins égale à 460 54 dont le plan bissecteur est perpendiculaire à l'axe du monde pour la latitude du lieu considéré, en vue d'obtenir une concentration.

15. - Convertisseur solaire comportant un réflecteur en forme de pavillon (P) conique d'ouverture 600 environ pouvant tourner autour d'un axe verticaux, et un tube convertisseur dont l'axe du pavillon décrivant un plan horizontal, caractdrisk en ce que ce tube convertisseur est réalisé selon la revendication 2 des ailettes de métal conducteur bruni étant enroulées en spires autour de son tube extérieur (T).

16. - Convertisseur selon la revendication 15, caractérisé en ce que le réflecteur conique est fermé par une paroi transparente d'une manière suffisamment étanche pour que l'on puisse réaliser un vide relatif autour du tube convertisseur.

17. - A titre d'application, un réservoir multiéchangeur d'axe horizontal comportant dans une enceinte fermée (V), un réseau de tubes calo-porteurs (4) et un réseau de tubes calo-receveurs (x) et un fluide de transfert, caractdrisd en ce que certains ou tous ces tubes sont réalisés selon la revendication 4.