FR2563619A1

FR2563619A1 - Method for cooling various fluids by means of air which may be under icing conditions, exchanger making use of this method and its application to the air conditioning of aircraft

Info

Publication number: FR2563619A1
Application number: FR8406711A
Authority: FR
Inventors: Pierre Carpentier
Original assignee: CONST AERO NAVALES
Current assignee: CONST AERO NAVALES
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1984-04-27
Publication date: 1985-10-31
Also published as: FR2563619B1

Abstract

The heat exchanger, for implementing the method, comprises in a casing 4 pipes 3 in which a fluid to be cooled circulates, these pipes being separated in the flow direction of the cooling fluid by a dimension which is greater than the dimension for which an ice bridge may form between two consecutive pipes when the cold circulating air is under icing atmospheric conditions.

Description

La présente invention concerne un nouveau procédé pour le refroidissement d'air comprimé au moyen d'air atmosphérique pouvant se trouver dans des conditions pour lesquelles un givrage peut se produire. The present invention relates to a new method for cooling compressed air by means of atmospheric air which may be in conditions for which icing can occur.

Des conditions de givrage se rencontrent fréquemment en aéronefs lorsque la température atmosphérique est basse et que l'atmosphère est humide. Icing conditions are frequently encountered in aircraft when the atmospheric temperature is low and the atmosphere is humid.

Dans certaines applications, on est conduit à utiliser l'air atmosphérique pour le refroidissement d'autres fluides, notamment d'air de climatisation préalablement comprimé et se trouvant, par conséquent, à une température élevée. In certain applications, it is necessary to use atmospheric air for cooling other fluids, in particular air conditioning air previously compressed and being, therefore, at a high temperature.

Pour permettre ce refroidissement, on utilise le plus souvent des échangeurs à plaques dans lesquels l'air chaud suit un trajet à 900 par rapport à l'air froid en passant dans des cannaux parallèles qui comportent souvent des dissipateurs secondaires. To allow this cooling, plate exchangers are most often used in which the hot air follows a path at 900 with respect to the cold air passing through parallel channels which often have secondary dissipators.

Certains échangeurs de ce type sont munis sur leur face frontale de résistances de chauffage qui sont mises sous tension lorsqu'un givrage prend naissance. Certain exchangers of this type are provided on their front face with heating resistors which are energized when an icing occurs.

Il a été proposé également de prévoir deux éléments échangeurs à plaques séparés l'un de l'autre par un canal large de sorte qu'en cas de givrage des éléments échangeurs l'air froid est dérivé par le canal large.It has also been proposed to provide two exchanger elements with plates separated from each other by a wide channel so that in the event of icing of the exchanger elements the cold air is diverted by the wide channel.

La technique antérieure a également fait connaître une disposition dans laquelle des conduits sont prévus sur la face frontale du circuit air froid, ces conduits étant parcourus par de l'air chaud, de sorte que les tubes de l'échangeur proprement dit sont, de cette façon, maintenus à une température supérieure à celle pour laquelle le givrage peut être produit. The prior art has also made known an arrangement in which conduits are provided on the front face of the cold air circuit, these conduits being traversed by hot air, so that the tubes of the exchanger proper are, of this way, kept at a temperature higher than that for which icing can be produced.

Les réalisations exposées ci-dessus conduisent soit à des échangeurs encombrants, soit à des échangeurs qui consomment occasionnellement une énergie pouvant être importante. The embodiments described above lead either to bulky exchangers, or to exchangers which occasionally consume energy which can be significant.

L'invention résout le problème exposé tout en éliminant les inconvénients provenant des réalisations connues. The invention solves the problem exposed while eliminating the drawbacks arising from known embodiments.

Conformément à l'invention, le procédé pour le refroidissement d'un gaz chaud, notamment de l'air comprimé par un gaz froid, notamment de l'air atmosphérique dans lequel on fait circuler l'air chaud à l'inté- rieur d'un faisceau de tubes à l'extérieur desquels on fait circuler l'air froid, les tubes s'étendant suivant des rangées frontales successives sensiblement perpen diculaires à la direction de déplacement de l'air froid, est caractérisé en ce qu on prévoit le pas XL séparant les tubes des différentes rangées frontales plus petit quelle pas XT séparant les tubes des rangées successives. According to the invention, the process for cooling a hot gas, in particular air compressed by a cold gas, in particular atmospheric air in which the hot air is circulated inside '' a bundle of tubes outside of which cold air is circulated, the tubes extending in successive front rows substantially perpendicular to the direction of movement of the cold air, is characterized in that the XL step separating the tubes of the different front rows smaller than XT step separating the tubes of the successive rows.

Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé comporte dans une enveloppe des tubes de circulation d'un fluide à refroidir, ces tubes étant séparés dans le sens de l'écoulement du fluide de refroidissement par une mesure supérieure à la mesure pour laquelle un pont de glace peut s'établir entre deux tubes consécutifs lorsque l'air froid de circulation se trouve dans des conditions atmosphériques de givrage. According to another characteristic of the invention, the heat exchanger for implementing the method comprises in an envelope circulation tubes for a fluid to be cooled, these tubes being separated in the direction of flow of the fluid cooling by a measure greater than the measure for which an ice bridge can be established between two consecutive tubes when the cold circulating air is in atmospheric icing conditions.

Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Various other characteristics of the invention will also emerge from the detailed description which follows.

Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. An embodiment of the object of the invention is shown, by way of nonlimiting example, in the accompanying drawing.

La fig. 1 est une vue en plan en partie en coupe d'un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation conforme à l'invention. Fig. 1 is a plan view partly in section of a heat exchanger according to an embodiment according to the invention.

La fig. 2 est une élévation schématique explicative vue selon une ligne II-II de la fig. 1. Fig. 2 is an explanatory schematic elevation seen along a line II-II of FIG. 1.

La fig. 3 est une coupe, à plus grande échelle, d'un détail de réalisation d'un tube. Fig. 3 is a section, on a larger scale, of a detail of embodiment of a tube.

L'échangeur selon la fig. 1 comporte des collecteurs 1 et 2 dans lesquels sont fixées, notamment par dudgeonnage, les extrémités de tubes 3. Les collecteurs 1 et 2 sont reliés entre eux par des plaques 4 pour constituer un boîtier dans lequel s'étendent les tubes 3. L'intérieur des tubes 3 est destiné à être parcouru par un gaz chaud, par exemple de l'air chaud comprimé conduit par des embases 5, 6 disposées de part et d'autre des collecteurs 1 et 2 et par exemple fixés sur ceux-ci par des boulons 7 traversant des brides 8. The exchanger according to fig. 1 comprises collectors 1 and 2 in which the ends of the tubes are fixed, in particular by expansion, the collectors 1 and 2 are connected together by plates 4 to form a housing in which the tubes 3 extend. inside the tubes 3 is intended to be traversed by a hot gas, for example compressed hot air led by bases 5, 6 arranged on either side of the collectors 1 and 2 and for example fixed on these by bolts 7 passing through flanges 8.

De façon analogue, des boîtes à air froid 9 et 10 sont fixées sur les côtés libres des collecteurs 1 et 2 pour permettre la circulation de l'air froid, par exemple l'air atmosphérique dans le sens de la flèche f1. Similarly, cold air boxes 9 and 10 are fixed on the free sides of the collectors 1 and 2 to allow the circulation of cold air, for example atmospheric air in the direction of arrow f1.

Les tubes 3 sont, de préférence, des tubes en alliage léger présentant une section circulaire comme illustré par la fig. 2, ou des tubes dits à picots comme illustré par la fig. 3, c'est-à-dire des tubes de section circulaire présentant, de place en place, des bossettes concaves 11 destinées à perturber l'air chaud qui s'écoule à l'intérieur des tubes pour améliorer l'échange thermique avec 1air Froid circulant à l'exté- rieur des tubes. The tubes 3 are preferably light alloy tubes having a circular section as illustrated in FIG. 2, or so-called spiked tubes as illustrated in FIG. 3, that is to say tubes of circular section having, from place to place, concave bosses 11 intended to disturb the hot air which flows inside the tubes to improve the heat exchange with 1air Cold circulating outside the tubes.

Des échangeurs du genre décrit ci-dessus sont utilisés dans différentes applications, notamment pour le refroidissement de l'air chaud de suralimentation de moteurs ou pour le refroidissement de l'air de clima tisation de véhicules aériens. Exchangers of the kind described above are used in various applications, in particular for cooling the hot air for boosting engines or for cooling the air for air conditioning of air vehicles.

Selon une caractéristique importante de l'inven tion, si on exprime par d le diamètre des tubes 3, on dispose les tubes en rangées parallèles A, B, ... X, Y s'étendant suivant des plans perpendiculaires au sens d'écoulement de l'air froid figuré par la flèche 1 et suivant des rangées parallèles I, Il ... N s'étendant dans des plans parallèles au sens d'écoulement de l'air froid figuré par la flèche f
Si on exprime par d le diamètre des tubes, le pas XL entre les tubes des rangées I, II est compris entre 1,15 et 2 d et de préférence entre 1,25 et 1,50 d, le pas étant compté, comme le montre la fig.2, entre les axes géométriques des tubes. Par ailleurs, le pas XT entre les tubes de deux rangées consécutives A, B, etc...According to an important characteristic of the invention, if the diameter of the tubes 3 is expressed by d, the tubes are arranged in parallel rows A, B, ... X, Y extending along planes perpendicular to the direction of flow cold air shown by arrow 1 and in parallel rows I, Il ... N extending in planes parallel to the direction of flow of cold air shown by arrow f
If the diameter of the tubes is expressed by d, the step XL between the tubes of rows I, II is between 1.15 and 2 d and preferably between 1.25 and 1.50 d, the step being counted, as the shows fig. 2, between the geometric axes of the tubes. Furthermore, the pitch XT between the tubes of two consecutive rows A, B, etc.

est compris entre 1,5 d et 3 d et de préférence entre 1,8 et 2,2 d.is between 1.5 d and 3 d and preferably between 1.8 and 2.2 d.

Les mesures ci-dessus permettent d'utiliser l'échangeur dans des conditions atmosphériques très diverses et notamment dans des conditions pouvant entraîner le givrage des tubes. En effet, si du givre tend à se déposer sur la première rangée A s'étendant perpendiculairement à la direction f1 figurant le sens d'écoulement de l'air froid, il se produit alors un moins bon échange thermique entre l'air chaud circulant à l'intérieur des tubes de cette rangée et l'air froid circulant selon la flèche fl.I1 résulte de cela que le givre en contact avec la paroi du tube fond, la pellicule liquide faisant alors que le givre est poussé vers l'arrière du tube du fait de l'écoulement de l'air froid suivant la flèche f mais la partie arrière du tube qui est ronde constitue une zone perturbée aérodynamiquement, ce qui empêche le givre d'adhérer à la paroi et compte tenu que le pas d est plus grand que le pas XL, on élimine le risque de création d'un pont de glace entre les tubes constituant la première rangée frontale A et les tubes de la ou des rangées suivantes B... The above measures make it possible to use the exchanger under very diverse atmospheric conditions and in particular under conditions which can cause icing of the tubes. Indeed, if frost tends to settle on the first row A extending perpendicular to the direction f1 representing the direction of flow of the cold air, then there is a less good heat exchange between the hot circulating air inside the tubes of this row and the cold air circulating according to arrow fl.I1 results from this that the frost in contact with the wall of the tube melts, the liquid film making then that the frost is pushed backwards of the tube due to the flow of cold air along arrow f but the rear part of the tube which is round constitutes an aerodynamically disturbed zone, which prevents the frost from adhering to the wall and taking into account that the pitch d is larger than the XL pitch, the risk of creating an ice bridge is eliminated between the tubes constituting the first front row A and the tubes of the next row or rows B ...

Lorsque l'échangeur est utilisé dans des conditions à très grand risque de givrage, il est avantageux de prévoir au moins une rangée de tubes A1 (fig. 1) qui débouchent dans une chambre 12 d'amenée d'air chaud. Les tubes A1 présentent des perforations 13, de sorte qu'il devient possible d'injecter dans la veine d'air froid une certaine quantité d'air chaud ou d'un autre gaz, cette injection étant commandée en fonction de différents paramètres, par exemple si l'air chaud n'est pas refroidi en dessous d'un seuil déterminé ou bien s'il se produit dans le circuit d'air froid une perte de charge supérieure à un seuil également déterminé. Il est possible également d'effectuer l'injection d'air chaud à des intervalles réguliers dans le temps. When the exchanger is used in conditions with a very high risk of icing, it is advantageous to provide at least one row of tubes A1 (fig. 1) which open out into a chamber 12 for supplying hot air. The tubes A1 have perforations 13, so that it becomes possible to inject a certain amount of hot air or another gas into the stream of cold air, this injection being controlled as a function of different parameters, by example if the hot air is not cooled below a determined threshold or if there is a pressure drop in the cold air circuit greater than a determined threshold. It is also possible to inject hot air at regular intervals over time.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation, représenté et décrit en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, les tubes d'injection d'air chaud ou d'un autre fluide peuvent etre remplacés par des organes équivalents par exemple des buses portées soit par les collecteurs, soit par les botes à air froid et il est possible également de prévoir un ou plusieurs conduits menant directement aux boîtes à air froid. The invention is not limited to the embodiment, shown and described in detail, because various modifications can be made without departing from its scope. In particular, the tubes for injecting hot air or another fluid can be replaced by equivalent members, for example nozzles carried either by the collectors or by the cold air chambers and it is also possible to provide a or several conduits leading directly to the cold air boxes.

Claims

1 - Method for cooling a hot gas, in particular air compressed by a cold gas, in particular atmospheric air, in which hot air is circulated inside a bundle of tubes to outside of which the cold air is made to circulate, the tubes extending in successive front rows substantially perpendicular to the direction of movement of the cold air, characterized in that the pitch X separating the tubes from the

L different front rows smaller than the pitch XT separating the tubes from successive rows.

2 - Process according to claim 1, characterized in that the pitch separating the tubes from each of the rows I, II ... N is chosen so that it is between 1.15 and 2 d, preferably 1.25 d and 1.50 d, d being the diameter of each tube and the pitch being taken between the geometric axes of two consecutive tubes.

3 - Method according to one of claims 1 and 2, characterized in that one chooses the pitch of the tubes of successive rows A, B ... X, Y so that it is between 1.5 and 3 d preferably between 1.8 and 2.2 d, d being the diameter of each tube and the pitch being the distance separating the geometric axis of two consecutive tubes.

4 - Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tubes are round tubes.

5 - Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the tubes are spike tubes.

6 - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the tubes are fixed between two collectors (1, -2) forming an envelope with plates (4) fixed on two sides of said collectors which are provided, on the one hand, bases (5, 6) for supplying hot air inside the tubes and cold air boxes (9, 10) respectively fixed to the collectors (1, 2).

7 - Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises, additionally, means for injecting at least periodically a hot fluid to the first front row (A) of tubes.

8 - Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the injection means consist of at least one tube (A1) comprising blowing perforations (13), the tube (A1) opening into a chamber hot fluid supply (12).

9 - Heat exchanger for implementing the method according to at least one of the preceding claims, comprising in an envelope circulation tubes of a fluid to be cooled, these tubes being separated in the direction of flow of the fluid cooling by a measure greater than the measure for which an ice bridge can be established between two consecutive tubes when the cold circulating air is in atmospheric icing conditions.

10 - The application of the method and the exchanger of one of claims 1 to 9 to the cooling of air conditioning air for aircraft.