FR2560369A1

FR2560369A1 - Rib structure for ribbed tube heat exchanger

Info

Publication number: FR2560369A1
Application number: FR8405517A
Authority: FR
Inventors: Heinrich Schulze; Paul Paikert; Reinhard Marohn
Original assignee: Gea GmbH
Current assignee: Gea GmbH
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1984-04-06
Publication date: 1985-08-30
Also published as: JPH0368320B2; DE3406682A1; JPS60178293A; DE3406682C2; KR850007694A; IN161049B; FR2560369B1

Abstract

The heat exchanger, with a parallel tube (1) inserted through holes in plates (2) forming heat exchanging fins, circulates a fluid through the tubes and a gas or air over the plates. Each plate has a pattern of projections punched from it material, each projection being a curved strip, with side openings forming flow channels. These projections (3a,b,c,d) are arranged in concentric circles of different diameters and are all tapered in shape. The inlet sides of the projections overlap the outlet sides, forming a good flow pattern around the tubes.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLUSIEURS TUBES PARALLELES
MUNIS D'AILETTES
La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur comportant plusieurs tubes qui, en particulier de section ronde, à axes parallèles et parcourus intérieurement par un fluide, sont dotés extérieurement d'ailettes transversales distantes d'un mdme intervalle axial et présentant, en guide d'éléments directeurs d'un fluide parvenant perpendiculairement de l'extérieur dans les tubes, des moulures ou empreintes qui sont repoussées à l'écart de leurs plans dans la même direction, ont une section sensiblement semi-circulaire et sont prévues à côté des tubes et à distance de ces derniers par rapport au sens de I'écoulement du fluide extérieur, ces empreintes étant réalisées sous la forme de canaux de guidage deviant à force le fluide extérieur par leurs faces internes, et s'étendant à chaque fois parallèlement à la face externe de la paroi des tubes.HEAT EXCHANGER WITH MULTIPLE PARALLEL TUBES
FILLED WITH FINS
The present invention relates to a heat exchanger comprising several tubes which, in particular of round section, with parallel axes and internally traversed by a fluid, are provided externally with transverse fins distant by the same axial interval and having, as a guide of fluid directing elements arriving perpendicularly from the outside in the tubes, moldings or indentations which are pushed away from their planes in the same direction, have a substantially semi-circular section and are provided next to the tubes and at a distance from the latter relative to the direction of flow of the external fluid, these indentations being produced in the form of guide channels deviating by force from the external fluid by their internal faces, and each time extending parallel to the external face of the wall of the tubes.

Le brevet DE-C-496 733 décrit un échangeur de chaleur dans lequel des empreintes placées à côté des tubes et ne comportant pas d'orifices d'entrée et de sortie (donc ne constituant pas des canaux de guidage) dévient le fluide vers la région des tubes pour obtenir un meilleur transfert de chaleur. Dans ce cas, l'agencement des empreintes par rapport aux tubes est choisi de façon que ces empreintes réduisent la section de passage du fluide entre les ailettes dans les zones distantes davantage encore desdits tubes, si bien que, à cause de l'étranglement établi dans ces zones, le fluide s'écoulant entre les ailettes est dévié desdites zones d'étranglement vers les zones proches des tubes. Patent DE-C-496,733 describes a heat exchanger in which cavities placed next to the tubes and having no inlet and outlet openings (therefore not constituting guide channels) divert the fluid towards the tube area for better heat transfer. In this case, the arrangement of the indentations with respect to the tubes is chosen so that these indentations reduce the cross-section of the fluid passage between the fins in the areas further apart from said tubes, so that, because of the constriction established in these zones, the fluid flowing between the fins is diverted from said throttling zones towards the zones close to the tubes.

Les empreintes connues constituent ainsi des obstacles,parce qu'elles doivent délibérément provoquer un étranglement entre les tubes. Cependant, cet étranglement a pour effet que chaque déviation du fluide extérieur est obérée par des pertes de pression considérables, c'est-àdire des pertes d'énergie. Une autre conséquence réside dans le fait qu'iL est donne naissance, derrière les zones d'étranglement, à de nouveaux espaces morts inutilisés pour la circulation, ainsi qu'à des zones dans lesquelles des tourbillons peuvent se produire. I1 en résulte obligatoirement un moins bon transfert de chaleur de l'un à l'autre des fluides. Known fingerprints thus constitute obstacles, because they must deliberately cause a constriction between the tubes. However, this throttling has the effect that each deflection of the external fluid is affected by considerable pressure losses, that is to say energy losses. Another consequence lies in the fact that iL is giving rise, behind the bottlenecks, to new dead spaces unused for circulation, as well as to zones in which vortices can occur. I1 necessarily results in a less good transfer of heat from one to the other of the fluids.

Le brevet DE-C-2 809 143 décrit un échangeur thermique du type précité, dans lequel les empreintes ne sont pas réalisées de façon à provoquer des zones d'étranglement comme dans le brevet susmentionné DE-C-496-733, mais présentent en revanche la forme de canaux de guidage causant non pas un étranglement du fluide en circulation, mais seulement une déviation de ce fluide de manière à répartir celui-ci le plus optimalement possible au voisinage des tubes. Cet échangeur de chaleur s'est imposé dans la pratique.La particularité de cet échangeur connu selon ledit brevet DE-C-2 809 143 consiste en ce que quatre empreintes formant des canaux de guidage sont associées à chaque tube sur chaque ailette transversale, les axes longitudinaux des canaux de guidage se trouvant sensiblement sur une circonférence de rayon donné entourant l'axe longitudinal de chaque tube. Le fluide qui pénètre dans les orifices d'entrée desdits canaux de guidage du cté situé en amont traverse de part en part les empreintes antérieures par rapport à la direction de l'écoulement, il sort par leurs orifices de sortie, puis le fluide évacué par un orifice de sortie parvient pour l'essentiel dans l'orifice d'entrée du canal de guidage situé en aval. Patent DE-C-2 809 143 describes a heat exchanger of the aforementioned type, in which the impressions are not made so as to cause bottlenecks as in the aforementioned patent DE-C-496-733, but have in however the form of guide channels causing not a constriction of the circulating fluid, but only a deviation of this fluid so as to distribute it as optimally as possible in the vicinity of the tubes. This heat exchanger has imposed itself in practice. The particularity of this known exchanger according to said patent DE-C-2 809 143 consists in that four indentations forming guide channels are associated with each tube on each transverse fin, the longitudinal axes of the guide channels lying substantially on a circumference of given radius surrounding the longitudinal axis of each tube. The fluid which penetrates into the inlet orifices of said guide channels of the upstream side passes right through the anterior impressions relative to the direction of flow, it exits through their outlet orifices, then the fluid evacuated by an outlet orifice mainly reaches the inlet orifice of the guide channel located downstream.

En d'autres termes, deux empreintes successives de longueur considérable sont disposées sur chacun des côtés respectifs d'un tube et la masse du fluide pénétrant dans la première empreinte est pour l'essentiel identique à la masse qui sort par l'empreinte placée en aval de l'empreinte précitée.In other words, two successive impressions of considerable length are placed on each of the respective sides of a tube and the mass of the fluid entering the first impression is essentially identical to the mass that leaves through the impression placed in downstream of the aforementioned footprint.

L'invention a pour objet de perfectionner un échangeur de chaleur du type susmentionné, de manière à obtenir, sans pratiquement aucune formation de tourbillons, un effet de refroidissement amélioré par rapport à celui de ltéchan- geur connu. The object of the invention is to improve a heat exchanger of the above-mentioned type, so as to obtain, without practically any formation of vortices, an improved cooling effect compared to that of the known exchanger.

Conformément à l'invention, dans un échangeur de chaleur du type évoqué, cet objet est atteint par le fait que ledit échangeur comporte plusieurs moulures ou empreintes distantes d'intervalles radiaux différents par rapport à un tube associé ; et par le fait que, en observant dans le sens de l'écoulement, les orifices d'entrée élaborés à la face frontale d'au moins quelques-unes desdites empreintes coïncident avec les orifices de sortie d'empreintes adjacentes. According to the invention, in a heat exchanger of the type mentioned, this object is achieved by the fact that said exchanger comprises several moldings or cavities distant from different radial intervals relative to an associated tube; and by the fact that, observing in the direction of flow, the inlet orifices produced on the front face of at least some of said imprints coincide with the adjacent imprint outlet orifices.

Par conséquent, dans l'échangeur thermique conformément à l'invention, on a prévu plusieurs empreintes (c'est-a-dire canaux de guidage) mutuellement décalées dans le sens de l'écoulement. Cet agencement décalé des empreintes permet d'obtenir une répartition et une déviation multiples du fluide passant en regard du tube. Ce fluide est par conséquent délivré aux tubes avec un meilleur brassage, ce qui permet d'atteindre un transfert de chaleur accru. Therefore, in the heat exchanger according to the invention, there are provided several indentations (that is to say guide channels) mutually offset in the direction of flow. This offset arrangement of the imprints makes it possible to obtain a multiple distribution and deflection of the fluid passing opposite the tube. This fluid is therefore delivered to the tubes with better mixing, which makes it possible to achieve increased heat transfer.

Selon une autre forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, deux groupes d'empreintes peuvent être associés à chaque tube ; les empreintes de l'un de ces groupes peuvent être approximativement disposées,par leurs axes longitudinaux,sur un cercle de rayon donné entourant l'axe du tube ; les empreintes de l'autre groupe peuvent se trouver par leurs axes longitudinaux sur deux cercles entourant l'axe du tube et présentant des rayons respectivement supérieur et inférieur à celui du cercle précité ; et une paire respective d'empreintes de l'autre groupe peut être intercalée, par rapport à la direction circonférentielle, entre deux empreintes du premier groupe.Une autre forme de réalisation de l'invention particulièrement favorable et pouvant faire l'objet d'une revendication particulière de protection est caractérisée par le fait qu'au moins un nombre partiel d'empreintes, et de préférence toutes les empreintes, peuvent être de configuration tronconique avec décroissance de section dans le sens de l'écoulement. Grâce à cette conformation tronconique des empreintes réalisées en tant que canaux de guidage, le fluide affluant d'un coté des ailettes est refoulé, par la réduction de section des canaux de guidage individuels, à la face postérieure de l'ailette transversale considérée de l'échangeur thermique. According to another particularly advantageous embodiment of the invention, two groups of imprints can be associated with each tube; the imprints of one of these groups can be approximately arranged, by their longitudinal axes, on a circle of given radius surrounding the axis of the tube; the imprints of the other group can be found by their longitudinal axes on two circles surrounding the axis of the tube and having radii respectively greater and less than that of the aforementioned circle; and a respective pair of imprints of the other group can be inserted, with respect to the circumferential direction, between two imprints of the first group. Another particularly advantageous embodiment of the invention which can be the subject of a particular protection claim is characterized in that at least a partial number of indentations, and preferably all of the indentations, can be of frustoconical configuration with decreasing section in the direction of flow. Thanks to this frustoconical conformation of the impressions made as guide channels, the fluid flowing from one side of the fins is discharged, by the reduction in cross-section of the individual guide channels, to the rear face of the transverse fin considered from l 'heat exchanger.

On engendre de la sorte dans le système d'échange thermique des écoulements transversaux qui, par expérience, exercent des influences positives sur le transfert de chaleur.In this way, transverse flows are generated in the heat exchange system which, by experience, exert positive influences on heat transfer.

L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une vue schématique en plan,observée dans la direction des axes des tubes, d'une partie d'un échangeur thermique à tubes munis d'ailettes selon l'art antérieur ;
la figure 2 est une vue schématique en plan, dans la direction des axes des tubes, d'une partie d'un échangeur de chaleur à tubes munis d'ailettes conformément à l'invention ; et
la figure 3 est une vue fragmentaire en perspective avec arrachement partiel d'une partie d'un échangeur de chaleur à tubes munis d'ailettes, correspondant au détail repéré parîlîsur la figure 2. The invention will now be described in more detail by way of non-limiting examples, with reference to the appended drawings in which
Figure 1 is a schematic plan view, observed in the direction of the axes of the tubes, of a part of a tube heat exchanger provided with fins according to the prior art;
Figure 2 is a schematic plan view, in the direction of the axes of the tubes, of a part of a tube heat exchanger provided with fins according to the invention; and
FIG. 3 is a fragmentary perspective view with partial cutaway of a part of a tube heat exchanger provided with fins, corresponding to the detail identified in FIG. 2.

Les parties d'échangeurs thermiques à tubes munis d'ailettes, illustrées sur la figure 1 et sur les figures 2 et 3, respectivement, comportent à chaque fois cinq tubes 1 agencés en deux rangées successives. Les axes de ces tubes 1 juxtaposés et décalés sont parallèles. Les espacements entre les tubes individuels 1 sont égaux à chaque endroit. Les tubes 1 ont des sections interne et externe circulaires. Des ailettes carrées 2, enfilées sur les tubes 1 dans des plans perpendiculaires aux axes longitudinaux desdits tubes, sont distantes mutuellement d'un même espacement. Ces ailettes 2 sont fixées aux tubes 1, de préférence par brasage, en étant de toutes parts en bon contact thermoconducteur avec la face externe de la paroi de chaque tube. De plus, les ailettes 2 sont maintenues distantes les unes des autres de manière connue par des organes d'espacement (non représentés). The parts of tube heat exchangers provided with fins, illustrated in FIG. 1 and in FIGS. 2 and 3, respectively, each comprise five tubes 1 arranged in two successive rows. The axes of these juxtaposed and offset tubes 1 are parallel. The spacings between the individual tubes 1 are equal at each location. The tubes 1 have circular internal and external sections. Square fins 2, threaded on the tubes 1 in planes perpendicular to the longitudinal axes of said tubes, are mutually spaced by the same spacing. These fins 2 are fixed to the tubes 1, preferably by soldering, being on all sides in good thermoconductive contact with the external face of the wall of each tube. In addition, the fins 2 are kept spaced from each other in a known manner by spacers (not shown).

Les tubes 1 sont parcourus par un fluide extérieur dans la direction de flèches S perpendiculairement aux axes desdits tubes, cependant qu'un fluide intérieur en relation d'échange thermique avec ledit fluide extérieur se trouve dans l'espace interne des tubes. Le fluide extérieur peut consister, par exemple, en un agent gazeux de refroidissement. The tubes 1 are traversed by an external fluid in the direction of arrows S perpendicular to the axes of said tubes, while an internal fluid in heat exchange relation with said external fluid is located in the internal space of the tubes. The external fluid may consist, for example, of a gaseous cooling agent.

Dans l'agencement selon la figure 1, les ailettes 2 de l'échangeur à tubes à ailettes sont intégralement planes. Comme le met en évidence cette figure 1, il est formé derrière les tubes 1 des espaces morts ou inutili sués, à cause desquels une grande région circonférenLielle desdits tubes 1 échappe au transfert de chaleur. In the arrangement according to FIG. 1, the fins 2 of the fin tube exchanger are completely flat. As shown in this Figure 1, it is formed behind the tubes 1 dead or useless sweat spaces, because of which a large circumferential region of said tubes 1 escapes heat transfer.

Conformément aux figures 2 et 3,des moulures ou empreintes 3a, 3b et 3c formant des canaux de guidage du fluide extérieur sont élaborées par repoussage dans les ailettes 2. In accordance with FIGS. 2 and 3, moldings or indentations 3a, 3b and 3c forming guide channels for the external fluid are produced by pushing back in the fins 2.

Comme le montre la partie supérieure de droite de la figure 2, les empreintes 3a, 3b, et 3c entourant un tube respectif 1 se trouvent par leurs axes médians longitudinaux sur des cercles concentriques à l'axe du tube-l considéré. Dans cette forme de réalisation, trois cercles de rayons différents sont spécifiquement délimités, c'està-dire un cercle moyen de rayon R1, un grand cercle de rayon R1 + ARa, ainsi qu'un petit cercle de rayon R1 - 'Ri. As shown in the upper right-hand part of FIG. 2, the indentations 3a, 3b, and 3c surrounding a respective tube 1 are located by their longitudinal median axes on circles concentric with the axis of the tube-l considered. In this embodiment, three circles of different radii are specifically delimited, that is to say an average circle of radius R1, a large circle of radius R1 + ARa, as well as a small circle of radius R1 - 'Ri.

On peut constater que les empreintes 3a sont disposées par leurs axes longitudinaux sur le cercle de rayon R1 et forment ainsi un premier groupe d'empreintes. Les empreintes 3b et 3c se trouvent respectivement sur le grand cercle de rayon R1 + ARa et sur le petit cercle de rayon
R1 - Art. Ces empreintes 3b et 3c constituent un second groupe d'empreintes.It can be seen that the imprints 3a are arranged by their longitudinal axes on the circle of radius R1 and thus form a first group of imprints. The imprints 3b and 3c are respectively on the large circle of radius R1 + ARa and on the small circle of radius
R1 - Art. These imprints 3b and 3c constitute a second group of imprints.

Comme il ressort en outre des fi-gures 2 et 3, une paire considérée d'empreintes 3b et 3c du grand cercle (cercle externe) et du petit cercle (cercle interne), respectivement, est intercalée entre deux empreintes 3a du premier groupe (cercle moyen) distantes l'une de l'autre dans la direction périphérique. La figure 3 illustre par ailleurs des empreintes supplémentaires 3d disséminées qui couvrent les zones de transition. As is further apparent from FIGS. 2 and 3, a considered pair of imprints 3b and 3c of the large circle (outer circle) and of the smaller circle (inner circle), respectively, is interposed between two imprints 3a of the first group ( middle circle) distant from each other in the peripheral direction. FIG. 3 also illustrates additional scattered 3d footprints which cover the transition zones.

Comme indiqué sur la figure 2, le fluide pénétrant dans la partie de l'échangeur thermique dans la direction des fleches S s'écoule en longeant les lignes en pointillés pour parvenir en partie dans les empreintes 3a, 3b et 3c à travers les canaux de guidage, et pour passer partiellement en regard desdites empreintes 3a, 3b et 3c ; lorsque le fluide s'écoule d'un bout à l'autre de la partie de l'échangeur de chaleur, ce fluide est soumis à une répartition et à un brassage, si bien que les surfaces externes des tubes 1 viennent toujours au contact d'un fluide re nouvelé et que, par conséquent, il se produit un transfert optimal de chaleur entre le fluide situé à I'extérieur des tubes 1 et le fluide renfermé par ces tubes 1. As shown in Figure 2, the fluid entering the part of the heat exchanger in the direction of the arrows S flows along the dotted lines to reach partly in the imprints 3a, 3b and 3c through the channels of guide, and to pass partially opposite said imprints 3a, 3b and 3c; when the fluid flows from one end to the other of the part of the heat exchanger, this fluid is subjected to a distribution and a mixing, so that the external surfaces of the tubes 1 always come into contact with 'a fluid re new and that, therefore, there is an optimal transfer of heat between the fluid located outside the tubes 1 and the fluid enclosed by these tubes 1.

Comme on le voit dans la partie inférieure de droite de la figure 2, il est prévu, par exemple à la transition entre une empreinte 3a et une empreinte 3c, une zone de coïncidence 4 qui indique qu'une partie du fluide sortant de l'empreinte 3a pénètre dans l'empreinte 3c associée en aval. As seen in the lower right-hand part of FIG. 2, there is provided, for example at the transition between an imprint 3a and an imprint 3c, a coincidence zone 4 which indicates that part of the fluid leaving the footprint 3a enters the associated footprint 3c downstream.

Les mêmes conditions s'appliquent également à la transition entre une empreinte 3a et une empreinte 3b ou bien entre les empreintes 3b, 3c et une empreinte 3a, respectivement.The same conditions also apply to the transition between an imprint 3a and an imprint 3b or between the imprints 3b, 3c and an imprint 3a, respectively.

Comme il ressort de la figure 3, les empreintes 3a, 3b et 3c servant de canaux de guidage sont de configuration tronconique avec décroissance de section dans la direction S de l'écoulement , c'est-à-dire qu'un orifice respectif d'entrée 5a d'une empreinte 3a, 3b ou 3c possède une section plus grande que celle d'un orifice de sortie 5b de ladite empreinte 3a, 3b ou 3c. Lorsque le fluide en écoulement pénètre dans l'orifice d'entrée 5a, il est refoule vers la face postérieure de l'ailette 2 lorsqu'il parcourt l'empreinte 3a, 3b ou 3c. Cela donne naissance, dans la partie de l'échangeur thermique, à un écoulement transversal qui améliore davantage encore le transfert de chaleur entre le fluide extérieur et le fluide logé dans les tubes 1. As can be seen in FIG. 3, the indentations 3a, 3b and 3c serving as guide channels are of frustoconical configuration with decreasing section in the direction S of the flow, that is to say that a respective orifice d 'inlet 5a of a footprint 3a, 3b or 3c has a larger section than that of an outlet orifice 5b of said footprint 3a, 3b or 3c. When the flowing fluid enters the inlet orifice 5a, it is discharged towards the rear face of the fin 2 when it traverses the imprint 3a, 3b or 3c. This gives rise, in the part of the heat exchanger, to a transverse flow which further improves the heat transfer between the external fluid and the fluid housed in the tubes 1.

La diminution de section des empreintes 3a, 3b et 3c selon la figure 3 peut être linéaire, ou bien encore non linéaire. The reduction in section of the imprints 3a, 3b and 3c according to FIG. 3 can be linear, or even non-linear.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportees à l'échangeur thermique décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. It goes without saying that many modifications can be made to the heat exchanger described and shown, without departing from the scope of the invention.

Claims

1. Heat exchanger comprising several tubes which, in particular of round section, with parallel axes and internally traversed by a fluid, are provided externally with transverse fins distant from the same axial interval and having, as guiding elements d '' a fluid arriving perpendicularly from the expander around the tubes of the moldings or impressions which are pushed away from their planes in the same direction, have a substantially semi-circular section and are provided next to the tubes and at a distance from these latter relative to the direction of flow of the external fluid, these cavities being produced in the form of guide channels forcibly deflecting the external fluid by their internal faces, and each time extending parallel to the external face of the wall tubes, exchanger characterized in that it comprises several moldings or indentations (3a, 3b, 3c) distant from different radial intervals with respect to an associated tube (1 ); and by the fact that, observing in the direction of flow, the inlet orifices (5a) formed on the front face of at least some of said indentations (3a, 3b, 3c) coincide with the orifices of exit (5b) of adjacent prints (3a, 3b, 3c).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that two groups of cavities (3a, 3b, 3c) are associated with each tube (1); by the fact that the imprints (3a) of one of these groups are approximately arranged, by their longitudinal axes, on a circle of radius R1 surrounding the axis of the tube; by the fact that the imprints (3b, 3c) of the other group are located by their longitudinal axes on two circles surrounding the axis of said tube and having the respective radial values R1 + AR a and R1 - AR-. ; and by the fact that a respective pair of imprints (3b, 3c) of said other group is interposed, with respect to the circumferential direction, between two imprints (3a) of said first group.

3. Heat exchanger according to one of claims 1 and 2, characterized in that at least a partial number of cavities (3a, 3b, 3c), and preferably all of said cavities (3a, 3b, 3c) , have a frustoconical configuration with decreasing section in the direction of flow.