FR2596144A1 - SPIRAL HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un échangeur deThe present invention relates to a heat exchanger
chaleur spiralé et son procédé de fabrication. spiral heat and its manufacturing process.
nn connait déjà des échangeurs de chaleur qui comportent une virole cylindrique externe à l'intérieur de 5 laqueiie est logé un corps spiralé délimitant deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre et parcourues respectivement par les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange de chaleur. Un tel échanqeur est décrit, par exemple, dans la demande de brevet français N- 81 20153]fl déposé le 27 Octobre 1981 par le demandeur. Already known heat exchangers which comprise an outer cylindrical shell inside of which is housed a spiral body delimiting two spiral chambers interleaved one into the other and traversed respectively by the two fluids between which must s' perform the heat exchange. Such a heat exchanger is described, for example, in the French patent application N-81 20153] filed October 27, 1981 by the applicant.
Un tel échangeur, s'il apporte des avantages incontestabies par rapport aux échangeurs connus antérieurement, n'en présente pas moins certains inconvénients. En effet, le corps spiralé est réalisé par l'enroulement sur lui-même, 15 autour d'un axe transversal, d'un ensemble en sandwich formé de trois bandes de tôles superposées, b savoir deux tôles planes entre lesquelles est prise une tôle ondulée dont les ondulations s'étendent transversaiement,c'est-à-dire perpendicuiairement à la longueur des bandes. Ii est donc néces2n saire de faire appel à trois bandes de tôle distinctes pour constituer le corps spiralé. Par aiiieurs, les deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre sont délimitées d'une manière étanche, dans les faces frontales opposées de i'échangeur, en reliant entre eux, deux à deux, les bords 25 longitudinaux des spires, et ce par soudure. Comme la jonction par soudure ne concerne que les bords de deux tôles, ceci implique que chacune des tôles ait une épaisseur minimale qui est de 0,05 mm. Ii en résulte par conséquent une consommation importante de métal pour la réalisation d'un 0 tel échangeur. Enfin cet échangeur exige l'emploi d'une Such a heat exchanger, while providing undeniable advantages over prior art heat exchangers, nevertheless presents certain disadvantages. Indeed, the spiral body is formed by winding on itself, around a transverse axis, a sandwich assembly formed of three strips of superimposed sheets, ie two flat sheets between which is taken a sheet wavy whose corrugations extend transversely, that is to say perpendicularly to the length of the strips. It is therefore necessary to use three separate strips of metal to form the spiral body. In addition, the two spiral chambers interleaved one inside the other are delimited in a sealed manner, in the opposite end faces of the exchanger, by interconnecting, in pairs, the longitudinal edges of the turns, and this by welding. As the solder joint only concerns the edges of two sheets, this implies that each of the sheets has a minimum thickness of 0.05 mm. This results in a significant consumption of metal for the realization of such a heat exchanger. Finally this exchanger requires the use of a
virole externe dans laquelle est logé le corps spiralé, d'o un ajustaqe de ce corps spiralé à l'intérieur de la virole, ce qui entraîne souvent des difficultés si les dimensions ne concordent pas exactement et un temps de main d'oeuvre assez 35 important. outer shell in which is housed the spiral body, o o an adjustment of this spiral body inside the shell, which often causes difficulties if the dimensions do not match exactly and a time of manpower enough 35 important.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un échangeur de chaleur spiralé de conception particulièrement simple, facile à fabriquer et d'un prix de revient relativement bas du fait de l'économie de matière réalisée. A cet effet, cet échangeur de chaleur comportant un corps spiralé délimitant deux chambres en spirale imbriquées l'une dans l'autre et parcourues respectivement par les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange de cha10 leur, ce corps comportant deux fiasques transversaux extrêmes de fermeture, est caractérisé en ce que les deux chambres en spirale sont délimitées par une seule et même tôie traversant diamétralement chaque fiasque d'extrémité,un premier tronçon de la tiôle issu d'une extrémité du diamètre des 15 flasques étant lisse tandis que le second tronçon, issu de l'extrémité opposée,porte des bossages assurant l'écartement mutuel des premier et second tronçons de tiôle une fois ceuxci enroulés conjointement en spirale, l'une des chambres en spirale étant délimitée entre une spire du second tronçon de 20 tiôle et la spire du premier tronçon de tiôle située L i'extérieur par rapport au précédent tandis que l'autre chambre en spirale est délimitée par cette spire du second tronçon de tôle et la spire du second tronçon de tôle située à i'intérieur par rapport au précédent,ies parties marginales 25 longitudinales du second tronçon de tôle portant les bossages sont déformés de manière à être adjacents aux parties marginales longitudinales du premier tronçon de tôle, un profilé en Il ouvert vers l'extérieur est enrouié en spirale entre les paires de parties marginales longitudinales des 3n premier et second tronçons de tôle de manière que ies deux ailes extrêmes de ce profilé soient respectivement adjacentes h deux paires de parties mrginales longitudinales des premier et second tronçons de tôle et ce profilé en U est soudé par ses ailes à ces parties marginales ionqitudinrra35 lies,si bien que la fermeture latérale de l'une des chambres en spirale est assurée par les bords longitudinaux adjacents et soudés des premier et second tronçons de tiôle et que la The present invention aims to remedy these drawbacks by providing a spiral heat exchanger design particularly simple, easy to manufacture and a relatively low cost due to the material savings achieved. For this purpose, this heat exchanger comprising a spiral body delimiting two spiral chambers interleaved one inside the other and traversed respectively by the two fluids between which the exchange of cells must take place, this body comprising two flasks. transverse extremes of closure, is characterized in that the two spiral chambers are delimited by one and the same piece diametrically crossing each end flask, a first section of the sheet coming from one end of the diameter of the flanges being smooth while that the second section, coming from the opposite end, carries bosses ensuring the mutual spacing of the first and second sections of tiole once these coiled spirally together, one of the spiral chambers being delimited between a turn of the second section of 20 tiole and the turn of the first section of tiole located L outward compared to the previous while the other room spi This turn is delimited by this turn of the second section of sheet metal and the turn of the second section of sheet metal situated in the interior with respect to the preceding one, the longitudinal marginal portions of the second section of sheet metal carrying the bosses are deformed so as to be adjacent to the longitudinal edge portions of the first sheet section, an outwardly open-to-outside profile 11 is spirally wound between the pairs of longitudinal edge portions of the first and second sheet sections so that the two end flanges of said section are respectively adjacent h two pairs of longitudinally longitudinal parts of the first and second sections of sheet metal and this U-profile is welded by its wings to these marginal portions ionqitudinrra3535, so that the lateral closure of one of the spiral chambers is provided by the edges longitudinals adjacent and welded first and second sections of tin and that the
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fermeture latérale de l'autre chambre en spirale est assurée par le profilé en U dont les ailes sont soudées aux bords lateral closure of the other spiral chamber is ensured by the U-profile whose wings are welded to the edges
des deux tronçons de tôle.two sections of sheet metal.
Suivant une autre caractéristique complémentaire de 5 l'invention, une tôle additionnelle formant chemise est soudée à proximité de l'extrémité d'un des tronçons de tiôle de manière à pouvoir entourer la dernière spire du corps spiralé, cette chemise étant soudée sur elle-même pour assurer le According to another additional feature of the invention, an additional sheet forming a liner is welded near the end of one of the tiole sections so as to be able to surround the last turn of the spiral body, this jacket being welded to it. even to ensure the
maintien du corps spiralé.maintaining the spiral body.
L'échangeur suivant l'invention offre l'avantage qu'il est très économique à fabriquer du fait qu'il est constitué à partir d'une seule tôle.enroulée en spirale. Par ailleurs, du fait de i'utilisation, pour la fermeture iatérale des chambres en spiraie, d'un profilé en U, on obtient, 15 dans les zones de jonction, par soudage, des bords des tronçons de tôle, quatre épaisseurs de tiôle adjacentes à savoir les deux parties marginales des premier et second tronçons de tôle et les deux ailes de deux profilés en U disposés de part et d'autre des deux tronçons de tôle, si 20 bien qu'il est possible d'utiliser des tôles ayant une The exchanger according to the invention offers the advantage that it is very economical to manufacture because it is made from a single sheet spiral wound. Furthermore, because of the use of a U-shaped profile for the lateral closure of the spider chambers, the edges of the sheet sections are obtained in the joining zones by welding, four thicknesses of sheet metal are obtained. adjacent, namely the two marginal portions of the first and second sections of sheet metal and the two wings of two U-shaped sections disposed on either side of the two sheet metal sections, so that it is possible to use sheets having a
épaisseur très faible, par exemple de l'ordre de 0,03 mm. very low thickness, for example of the order of 0.03 mm.
On décrira cil-après,è titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé- sur iequel: An embodiment of the present invention will be described hereinafter by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawing, in which:
La figure I est une demi-vue en coune axiale partielie d'un échangeur de chaieur suivant ilinvention. Figure I is a half-view in partial axial heat of a heat exchanger 1'ininvention.
La figure 2 est une vue en coupe transversale schématique de l'échangeur de la figure 1. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the exchanger of FIG. 1.
La figure 3 est une vue en coupe axiale partielle du 30 corps spiralé au cours de son enroulement. Figure 3 is a partial axial sectional view of the spiral body during its winding.
La figure 4 est une vue en élévation schématique illustrant la mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur suivant l'invention, avant le début FIG. 4 is a diagrammatic elevational view illustrating the implementation of the manufacturing method of the heat exchanger according to the invention, before the beginning
de l'enroulement en spirale.spiral winding.
La figure 5 est une vue en coupe transversale faite Figure 5 is a cross-sectional view taken
suivant la ligne V-V de la figure 4. along the line V-V of Figure 4.
La figure 6 est une vue en élévation schématique illustrant le procédé au cours de la phase d'enroulement du FIG. 6 is a diagrammatic elevational view illustrating the process during the winding phase of the
corps spiralé.spiral body.
L'échangeur de chaieur représenté sur les figures 1 5 à 3 comprend un corps spiralé 1 lequel est constitué par l'enroulement en spirale d'une seule et même bande de tô e 2 (figures 4 et 6). Cet enroulement en spirale est réalisé en engageant diamétralement les bords longitudinaux de la tôie 2,entre deux paires de mandrins 3 et 4 (figures 4 et 6) ies10 quels peuvent être entraînés en rotation dans le sens de la flèche f autour d'un axe transversal commun 5. Les deux mandrins 3 et 4 de chaque paire sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de rotation 5 de manière à délimiter entre elles une fente diamétrale dans laquelle passe la tôle 15 2. Ces mandrins 3 et 4 présentent par ailleurs une surface périphérique à section droite sensiblement en spirale ou ils ont encore la forme de gouttes d'huiie comme ii est indiqué en détail dans la demande de brevet français No 8] 20153 précitée. 2q Suivant l'invention, la bande de tiôle 2 comprend un premier tronçon lisse 2a situé du côté des mandrins d'enrouiement 3, 4, sur la figure 4. Le second tronçon 2h de la bande 2 oui est situé à gauche des mandrins 3, 4, présente, sur sa surface supérieure et sur ia plus grande partie de 25 sssa longueur, des bossages 2c destinés i constituer des The heat exchanger shown in FIGS. 1 to 3 comprises a spiral body 1 which is constituted by the spiral winding of a single strip of sheet 2 (FIGS. 4 and 6). This spiral winding is achieved by diametrically engaging the longitudinal edges of the plate 2, between two pairs of mandrels 3 and 4 (FIGS. 4 and 6) which can be rotated in the direction of the arrow f about an axis The two mandrels 3 and 4 of each pair are arranged symmetrically with respect to the axis of rotation 5 so as to delimit between them a diametrical slot through which the sheet 15 passes. These mandrels 3 and 4 also have a peripheral surface with a substantially spiral cross-section or they are still in the form of drops of oil, as is detailed in French Patent Application No. 8] 20153 mentioned above. According to the invention, the steel strip 2 comprises a first smooth section 2a situated on the side of the cold-drawing mandrels 3, 4, in FIG. 4. The second section 2h of the strip 2 is located to the left of the mandrels 3 , 4, has, on its upper surface and for the greater part of 25 sssa length, bosses 2c intended to constitute
entretoises entre les différentes spires. Le second tronçon 2h présente également, dans sa partie proche des mandrins 3, 4, et correspondant à un développement de la périphérie de ces mandrins sur 18n", des bossssages 2d sur sa surface 30 inférieure. spacers between the different turns. The second section 2h also has, in its close part of the mandrels 3, 4, and corresponding to a development of the periphery of these mandrels on 18n "bosses 2d on its lower surface.
Pour la formation du corps spiralé, on entraîne en rotation les deux paires de mandrins opposés 3, 4 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ( flèche f), la bande 2 étant disposée à plat ainsi qu'il est représenté sur 35 la figure 4. Le premier tronçon de bande 2a qui s'étend au-delà des paires de mandrins 3, 4, est laissé libre tandis que le second tronçon opposé 2b est soumis, pendant i'enroulement, à un effort de traction F qui peut être égal par For the formation of the spiral body, the two opposite pairs of mandrels 3, 4 are rotated in the anticlockwise direction (arrow f), the strip 2 being disposed flat as shown on FIG. FIG. 4. The first strip section 2a which extends beyond the pairs of mandrels 3, 4 is left free whereas the second opposite section 2b is subjected, during winding, to a tensile force F which can be equal by
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exemplte 4 nOO N. Lors de cet enroulement, les premiers bossages inférieurs 2d se trouvent alors être tournés vers l'extérieur, tandis que les bossages supérieurs suivants 2c example 4 nOO N. During this winding, the first lower bosses 2d are then turned outwards, while the next upper bosses 2c
sont tournés vers l'intérieur.are turned inward.
Pour assurer l'écartement des bords longitudinaux des tronçons de tôle et la fermeture des deux chambres en spirale délimitées par ces tronçons, on dispose, avant de commencer i'enrouiement, au-dessus de chaque partie marqinaie longitudinale du second tronçon de tiôle 23b, un profilé In en U 6, en tôle mince, de manière que chacun de ces profilés 6 soit soudé, à son extrémité 6a, sur la face supérieure du second tronçon de tôle 2b, à proximité immédiate de son bord longitudinai et dans la zone située entre ies bossages supérieurs 2c et ies bossages inférieurs 2d. Chaque profilé 15 6 h section en U est ouvert vers l'extérieur et il est soumis, pendant l'opération d'enroulement, à un effort de traction F1 qui est aussi égal à 4 000 N par exemple. Ainsi, au cours de i'enrouiement du corps spiralé, le profilé 6 forme une entretoise en spirale interposée entre les bords longi20 tudinaux des deux tronçons de tôle 2a et 2b et il assure la fermeture de l'une des chambres indiquée par A sur ia figure 3. Cette chambre A est délimitée entre une spire du second tronçon de bande 2b et la spire du premier tronçon de bande de tiôle lisse 2a qui se trouve à l'extérieur. La seconde 25 chambre B est, elie, délimitée par la même spire du second tronçon de bande de tôle 2b portant les bossaqes 2c tournés vers l'axe d'enroulement et la spire du premier tronçon de bande de tôle lisse se trouvant à l'intérieur et qui est To ensure the spacing of the longitudinal edges of the sheet metal sections and the closure of the two spiral chambers delimited by these sections, it is possible, before beginning the jamming, above each longitudinal metal part of the second sheet metal section 23b, a profile In in U 6, thin sheet, so that each of these profiles 6 is welded, at its end 6a, on the upper face of the second sheet metal section 2b, in the immediate vicinity of its longitudinal edge and in the zone located between the upper bosses 2c and the lower bosses 2d. Each section 6 6h U-section is open to the outside and is subjected, during the winding operation, to a tensile force F1 which is also equal to 4000 N for example. Thus, during the wounding of the spiral body, the profile 6 forms a spiral spacer interposed between the longitudinal edges of the two sheet metal portions 2a and 2b and it closes one of the chambers indicated by A on ia. Figure 3. This chamber A is delimited between a turn of the second strip section 2b and the turn of the first section of smooth sheet metal strip 2a which is outside. The second chamber B is, elie, delimited by the same turn of the second section of sheet metal strip 2b bearing the bosses 2c facing the winding axis and the turn of the first section of smooth sheet metal strip at the inside and that is
appliqué contre et maintenu par ies bosssages 2c. applied against and maintained by bosses 2c.
Pour assurer la fermeture latérale de la seconde chambre B on prévoit, pendant ia phase d'enroulement, d'assurer une déformation du bord de l'un des tronçons de tôle, en l'occurrence du secondtronçon 2b portant les bossages 2c, de manière h rapprocher ce bord de celui du premier tronçon 35 de tiôle lisse 2a et de le rendre adjacent comme ii est représenté sur la figure 3. A cet effet, pour obtenir cette déformation, on loge à i'intérieur du profilé en U 6 un jonc 7 en matière souple mais incompressible qui maintient le profilé 6 sa forme originelle pendant tout le processus d'enroulement en spirale, maigré les efforts de traction F et Fi. Du fait de i'incompressibilité du jonc 7, ce dernier provoque un écrasement de la partie marginaie adjacente du 5 tronçon de tiôle 2b lequel est alors déformé et vient au contact de la partie marginale correspondante de l'autre To ensure the lateral closure of the second chamber B, during the winding phase it is provided to deform the edge of one of the sheet metal sections, in this case the second section 2b carrying the bosses 2c so as to h bring this edge to that of the first section 35 smooth sheet 2a and make it adjacent as it is shown in Figure 3. For this purpose, to obtain this deformation, is housed inside the U-shaped section 6 a rod 7 in flexible but incompressible material that maintains the profile 6 its original shape during the entire spiral winding process, leaned tensile forces F and Fi. Due to the incompressibility of the ring 7, the latter causes a crushing of the adjacent marginaie part of the sheet metal section 2b which is then deformed and comes into contact with the corresponding marginal part of the other
tronçon de tiôle lisse 2a.section smooth sheet 2a.
Pour achever la fabrication du corps spiralé, on To complete the manufacture of the spiral body,
soude au second tronçon de tôle 2b,à proximité de son extré10 mité, ie long d'un cordon de soudure transversal 9, un morceau de tôl61e 8 destiné à constituer une chemise externe. welded to the second section of sheet 2b, near its end, along a transverse weld bead 9, a piece of sheet 8 to form an outer sleeve.
Cette chemise 8 a une lonnueur ur peu supérieure au déveioppement du corps spiralé une fois ce dernier constitué. This shirt 8 has a lonnueur ur little superior to the deveioppement of the spiral body once it is constituted.
Par conséquent, lorsqu'on a formé la dernière spire du pre15 mier tronçon de tiôle lisse 2a, on soude ensemble i'extrémité Consequently, when the last turn of the first smooth-section portion 2a has been formed, the end-piece is welded together at the end.
de ce premier tronçon 2a et la partie extrême du second tronçon de tiôle 2b puis on achève l'enroulement en continuant àfaire tourner les mandrins 3, 4 dans ie même sens de la flèche f, de manière à enrouler complètement la chemise 2 Oexterne 8 autour des deux tronçons 2a, 2b enroulés en spiraie et imbriqués l'un dans l'autre. On soude alors la chemise extérieure sur elle-même, en formant un cordon de soudure n10 (fiqure 2). of this first section 2a and the end portion of the second section of sheet 2b and then the winding is completed by continuing to turn the mandrels 3, 4 in the same direction of the arrow f, so as to completely wind the jacket 2 Oextern 8 around two sections 2a, 2b wound spiraie and nested one inside the other. The outer jacket is then welded to itself, forming a weld n10 (FIG. 2).
Une fois le corps spiralé ainsi réalisé et enfermé 25 dans ia chemise extérieure 10 soudée sur elle-même, on eniève les joncs 7 loqés dans les profilés latéraux en U 6 enroulés en spirale. fn sépare le corps spiralé des mandrins d'enroulement 3, 4 et on place dans les ouvertures laissées par celle-ci des flasoues d'extrémité de même forme, tels 30 que ie flasque il (Figure 1). On pionqe ensuite chaque face frontale de i'échangeur ainsi obtenu dans un bain d'étain en fusion. Une fois l'échangeur sorti du bain, on obtient des soudures 11 parfaitement étanches et qui assemblent entre elles quatre épaisseurs de tôle à savoir les deux bords 35 adjacents des deux tronçons de tiôle 2a, 2b et les deux ailes des deux profilés 6 situées de part et d'autre de chaque paire de ses bords. Du fait de cette jonction de quatre épaisseurs de tôle il est possible de réduire l'épaisseur de la tiôle utilisée pour former l'échangeur'. nn peut par exempie utiliser une tôle de n,03 mm d'épaisseur au lieu de 0,n5 mm comme cela est le cas dans les échangeurs connus jusqu'à ce jour. On réalise ainsi une économie sensible de matière et on abaisse le prix de revient de l'échangeur obtenu. Once the spiral body thus formed and enclosed in the outer jacket 10 welded to itself, the rods 7 are loosed in spiral-wound U-shaped side sections. The spiral body of the winding mandrels 3, 4 is separated and the end openings of the same shape, such as the flange 11 (FIG. 1), are placed in the openings left by the winding mandrels. Next, each end face of the exchanger thus obtained is pionqed in a bath of molten tin. Once the exchanger has been removed from the bath, perfectly sealed seals 11 are obtained which join together four thicknesses of sheet metal, namely the two adjacent edges 35 of the two sheet metal sections 2a, 2b and the two wings of the two sections 6 located in each case. on each side of each pair of its edges. Because of this junction of four thicknesses of sheet metal it is possible to reduce the thickness of the sheet used to form the exchanger. For example, it is possible to use a sheet of thickness 0.03 mm instead of 0.15 mm, as is the case in the heat exchangers known up to now. A material economy of material is thus achieved and the cost price of the exchanger obtained is lowered.
D'après la description qui précède on voit que l'échangeur suivant l'invention est pratiquement réalisé en totalité sur la même machine qui assure l'enroulement en spirale. En effet la chemise externe 8 est mise en place et 10 assemblée par soudage, ê la fin de l'enroulement en spirale. From the foregoing description it can be seen that the exchanger according to the invention is practically entirely made on the same machine which provides the spiral winding. In fact, the outer jacket 8 is put in place and assembled by welding, at the end of the spiral winding.
nn évite ainsi d'avoir à faire appel à une virole cylindrique additionnelle recevant le corps spiralé proprement dit et or, réalise ainsi une économie importante de main d'oeuvre lors de la fabrication de l'échangeur.]5 This avoids having to use an additional cylindrical shell receiving the spiral body itself and gold, thus achieving a significant saving of labor during the manufacture of the exchanger.]
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