FR2608264A1

FR2608264A1 - Monotubular coaxial heat-exchanger

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Publication number: FR2608264A1
Application number: FR8617996A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-09
Filing date: 1986-12-09
Publication date: 1988-06-17
Also published as: FR2608264B3

Abstract

Monotubular coaxial heat-exchanger comprising a central exchanger-tube 1 through which flows the fluid to be heated or cooled, and a casing-tube 3 surrounding coaxially this exchanger-tube 1 so as to delimit, between these two tubes 1, 3, an annular space 2 in which flows a cooling fluid. These two tubes 1, 3 are centred by at least one spacer 8 having a general helical shape with a polygonal base, consisting of a succession of straight-line segments 9, 10, 11, etc., two successive straight-line segments 9, 10 being connected by a bend 12, each of these bends 12, 13, etc. bearing on the internal face of the casing-tube 3, while the central part of each straight-line segment 9, 10, 11, etc. bears, via a tangential point 14, 15, 16, etc., on the external face of the exchanger-tube 1.

Description

Echangeur coaxial monotubulaire. Monotubular coaxial exchanger.

La présente invention se rapporte à un échangeur coaxial monotubulaire pour fluide chargé ou non. Elle s'applique en particulier, en technique vinicole, au chauffage ou au refroidissement des moûts et du vin par échange avec un liquide réfrigérant, par détente ou condensation directes. The present invention relates to a monotubular coaxial exchanger for charged or uncharged fluid. It applies in particular, in wine-making technique, to the heating or cooling of musts and wine by exchange with a coolant, by direct expansion or condensation.

La figure 1 jointe représente schématiquement, en vue longitudinale avec coupe partielle, un échangeur coaxial monotubulaire de type connu. Il comporte un tube échangeur central 1 dans lequel passe le liquide à chauffer ou à refroidir, respectivement dans un sens ou dans l'autre selon le cas. Ce tube I est de diamètre suffisant pour laisser passer les éléments solides en suspension dans le fluide sans risquer de se boucher. Le fluide réfrigérant passe autour du tube échangeur 1, dans l'espace annulaire 2 ménagé entre un tube enveloppe 3, coaxial au tube 1 et de plus grand diamètre, et le tube échangeur 1. Figure 1 attached schematically shows, in longitudinal view with partial section, a monotubular coaxial exchanger of known type. It comprises a central exchanger tube 1 through which the liquid to be heated or cooled, respectively in one direction or the other as the case may be. This tube I is of sufficient diameter to allow the solid elements suspended in the fluid to pass without risking clogging. The refrigerant passes around the exchanger tube 1, in the annular space 2 formed between an envelope tube 3, coaxial with the tube 1 and of larger diameter, and the exchanger tube 1.

Afin de réduire l'encombrement de l'échangeur, I'ensemble des deux tubes 1,3 est enroulé selon une forme cylindrique, ou autre. I1 est alors nécessaire de prévoir, à intervalles réguliers, des pièces d'écartement 4 qui maintiennent à une valeur substantiellement constante espace annulaire 2. In order to reduce the size of the exchanger, the assembly of the two tubes 1, 3 is wound in a cylindrical or other shape. It is then necessary to provide, at regular intervals, spacers 4 which maintain the annular space 2 at a substantially constant value.

Sans ces pièces d'écartement, le caractère coaxial des deux tubes 1 et 3 pourrait être détruit par l'opération d'enroulement de l'échangeur, et ces deux tubes ne seraient plus centrés l'un par rapport à l'autre. Ces pièces d'écartement 4 sont habituellement constituées par des fils ou des bandes enroulées en hélice autour du tube 1, de dimensions transversales telles qu'ils occupent toute la largeur de l'espace 2, comme représenté au dessin.Without these spacers, the coaxial nature of the two tubes 1 and 3 could be destroyed by the winding operation of the exchanger, and these two tubes would no longer be centered relative to each other. These spacers 4 are usually formed by wires or bands wound helically around the tube 1, of transverse dimensions such that they occupy the entire width of the space 2, as shown in the drawing.

Il s'ensuit que le réfrigérant parcourt, comme représenté par les flèches sur le dessin, un trajet hélicoldal pour traverser chacune des zones qui comporte une pièce d'écartement 4, ce qui a pour inconvénient de créer une perte de charge trop importante.It follows that the refrigerant travels, as shown by the arrows in the drawing, a helical path to pass through each of the zones which has a spacer 4, which has the drawback of creating an excessive pressure drop.

L'invention vise à pallier cet inconvénient, ainsi qu'à améliorer les caractéristiques mécaniques et d'échange thermique d'un échangeur coaxial monotubulaire. Ces résultats sont obtenus par le fait que le centrage des deux tubes coaxiaux, tube-échangeur et tube-enveloppe respectivement, est assuré par au moins une pièce d'écartement, comportant un seul morceau, de préférence substantiellement de même longueur que l'échangeur, ou plusieurs morceaux séparés axialement par des espaces. Cette pièce d'écartement a une allure générale d'hélice à base polygonale, constituée d'une succession de segments de droite filiformes, deux segments de droite successifs étant reliés par un pliage.Chacun de ces pliages vient prendre appui sur la face interne du tube enveloppe, tandis que la partie médiane de chaque segment de droite vient prendre appui, par un point de tangence, sur la face externe du tube échangeur. The invention aims to overcome this drawback, as well as to improve the mechanical and heat exchange characteristics of a monotubular coaxial exchanger. These results are obtained by the fact that the centering of the two coaxial tubes, tube-exchanger and tube-shell respectively, is ensured by at least one spacer, comprising a single piece, preferably substantially the same length as the exchanger. , or several pieces separated axially by spaces. This spacer has a general helix shape with a polygonal base, consisting of a succession of thread-like straight line segments, two successive straight line segments being connected by a fold. Each of these folds comes to bear on the internal face of the envelope tube, while the middle part of each straight line comes to bear, by a point of tangency, on the external face of the exchanger tube.

On obtient par exemple cette pièce d'écartement à partir d'un fil métallique déformable, rigide ou semi-rigide, que l'on met en forme, par exemple par roulage sur une barre à section polygonale, dans laquelle s'inscrit la section du tube-échangeur, de façon à obtenir une forme générale d'hélice à spires jointives, composée d'une succession de segments de droite reliés l'un à l'autre par un pliage. Cette hélice à base polygonale est ensuite glissée autour du tube échangeur tout en étant tendue axialement de façon à ce que les spires se disjoignent, pour donner par exemple un pas d'environ deux à trois fois le diamètre de ce tube échangeur.Les points-milieu des segments de droite viennent alors en tangence avec le tube échangeur, tandis que les pliages séparant ces segments de droite viennent en appui contre la paroi interne du tube-enveloppe, qui se trouve ainsi maintenu centré par rapport au tube-échangeur. This spacer is obtained for example from a deformable metal wire, rigid or semi-rigid, which is shaped, for example by rolling on a bar with polygonal section, in which the section is inscribed. of the exchanger tube, so as to obtain a general form of helix with contiguous turns, composed of a succession of straight segments connected to one another by a folding. This polygonal base propeller is then slid around the exchanger tube while being stretched axially so that the turns are disjoined, to give for example a pitch of about two to three times the diameter of this exchanger tube. middle of the straight segments then come into tangency with the exchanger tube, while the folds separating these straight segments come to bear against the internal wall of the tube-envelope, which is thus kept centered relative to the exchanger tube.

De toutes façons, I'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels
Figure 2 est une vue latérale partielle de la pièce d'écartement, avant sa mise en place
Figure 3 est une vue en bout de cette pièce, toujours avant sa mise en place
Figure 4 est une vue longitudinale partielle, avec coupe partielle, de cet échangeur avec sa pièce d'écartement ;
Figure 5 est une vue en coupe selon V-V de la figure 4.In any case, the invention will be well understood, and its advantages and other characteristics will emerge during the following description of a nonlimiting exemplary embodiment, with reference to the appended schematic drawings in which
Figure 2 is a partial side view of the spacer, before its installation
Figure 3 is an end view of this part, always before its installation
Figure 4 is a partial longitudinal view, with partial section, of this exchanger with its spacer;
Figure 5 is a sectional view along VV of Figure 4.

Sur la figure 4, on reconnaît le tube échangeur 1, qui est parcouru par le liquide, tel que du vin, à refroidir ou à réchauffer. Dans le cas du refroidissement par exemple, l'échangeur est à contre-courant, et le vin circule dans le tube 1 de la droite vers la gauche sur le dessin. Ce tube échangeur 1 est par exemple en acier inoxydable. Comme pour l'échangeur de la figure 1, le tube 1 est entouré par un tube-enveloppe 3, coaxial et de plus grand diamètre, définissant avec la paroi externe du tube 1 un espace annulaire 2 dans lequel circule le fluide réfrigérant, de la gauche vers la droite comme indiqué par les flèches.Ce fluide réfrigérant est amené dans l'espace 2 par une tête d'entrée 5 dont la sortie est composée d'une fraction de tube 6 emmanchée étroitement sur le tube 3, et donc coaxiale à celui-ci, et dont l'entrée est constituée par un tube 7, d'axe orthogonal à celui du tube 6 et débouchant dans ce dernîer de manière excentrée, voire même substantiellement tangentielle, pour imprimer d'emblée un mouvement de rotation tourbillonnaire, ou vortex, au fluide réfrigérant. In Figure 4, we recognize the exchanger tube 1, which is traversed by the liquid, such as wine, to be cooled or reheated. In the case of cooling for example, the exchanger is against the current, and the wine circulates in the tube 1 from right to left in the drawing. This exchanger tube 1 is for example made of stainless steel. As for the exchanger of FIG. 1, the tube 1 is surrounded by a jacket tube 3, coaxial and of larger diameter, defining with the external wall of the tube 1 an annular space 2 in which the refrigerant circulates, left to right as indicated by the arrows. This coolant is brought into space 2 by an inlet head 5, the outlet of which is made up of a fraction of tube 6 fitted tightly onto tube 3, and therefore coaxial with the latter, and the inlet of which is constituted by a tube 7, of axis orthogonal to that of the tube 6 and opening into the latter eccentrically, or even substantially tangentially, to immediately impart a vortex rotation movement, or vortex, with refrigerant.

Comme on le voit sur l'ensemble des figures 4 et 5, le maintien de l'écartement entre les tubes 2 et 3 est assuré par une pièce unique de maintien 8, qui est constituée par une hélice continue à base pentagonale (figure 5), composée de segments de droite successifs 9,10,11..., reliés chacun l'un à l'autre par un pliage 12,13.... As seen in all of Figures 4 and 5, maintaining the spacing between the tubes 2 and 3 is ensured by a single holding piece 8, which is constituted by a continuous propeller with a pentagonal base (Figure 5) , composed of successive line segments 9,10,11 ..., each connected to the other by a fold 12,13 ....

Chaque pliage 12,13, vient prendre appui sur la paroi interne du tube enveloppe 3, tandis que les points milieu 14,15,16..., de ces segments 9,10,11..., viennent s'appuyer contre la paroi externe du tube échangeur 1, auquel ces segments sont alors tangents. Each fold 12,13 comes to bear on the internal wall of the envelope tube 3, while the mid-points 14,15,16 ..., of these segments 9,10,11 ..., come to rest against the outer wall of the exchanger tube 1, to which these segments are then tangent.

Un moyen commode pour obtenir l'hélice d'écartement 8 est schématisé sur les figures 2 à 4. A partir d'un fil métallique déformable, rigide ou semi-rigide, on met tout d'abord en forme ce fil par roulage sur une barre à section carrée (non représentée), dont le côté a est légèrement supérieur au diamètre intérieur D du tube-enveloppe 3, pour obtenir une première hélice 17 à base carrée et à spires jointives. Cette hélice 17 est ensuite introduite autour du tube 1 et tendue axialement de façon à ce que les spires se disjoignent, pour donner un pas de deux à trois fois le diamètre du tube échangeur 1. On obtient ainsi l'hélice 8, à base pentagonale, de surface de base inférieure à celle de l'hélice 17 et qui vient s'inscrire étroitement, par les points de contact 12,13..., dans le tube 3, tandis qu'elle s'appuie fermement sur la paroi externe du tube 1 par les points de tangence 14,15,16.... A convenient means for obtaining the spacing propeller 8 is shown diagrammatically in FIGS. 2 to 4. From a deformable, rigid or semi-rigid metal wire, this wire is first of all shaped by rolling on a bar with square section (not shown), the side a of which is slightly greater than the internal diameter D of the tube-casing 3, to obtain a first propeller 17 with square base and contiguous turns. This propeller 17 is then introduced around the tube 1 and tensioned axially so that the turns are disjoined, to give a pitch of two to three times the diameter of the exchanger tube 1. This gives propeller 8, with a pentagonal base , with a base surface smaller than that of the propeller 17 and which fits closely, through the contact points 12,13 ..., in the tube 3, while it rests firmly on the external wall of tube 1 by the points of tangency 14,15,16 ....

Pour fixer l'hélice 8, on pratique avantageusement par endroits, par exemple tous les deux ou trois mètres, un point de fixation par brasure ou autre aux endroits de tangence 14,15,16.... To fix the propeller 8, advantageously in places, for example every two or three meters, a fixing point by brazing or other at the places of tangency 14,15,16 ...

Une partie du fluide réfrigérant peut alors passer tout droit dans les espaces laissés libres 18,19,..., comme indiqué par les flèches sur la figure 1, ce qui limite la perte de charge à une valeur acceptable. Part of the refrigerant can then go straight into the spaces left free 18,19, ..., as indicated by the arrows in Figure 1, which limits the pressure drop to an acceptable value.

Grâce à l'hélice polygonale 8, les deux tubes 1 et 3 sont centrés l'un par rapport à l'autre de manière souple, de telle sorte que les déformations de section du tube-enveloppe 3 lors de son roulage n'entraînent pas de marquage du tube intérieur 1, ce qui provoquerait des plis dans celui-ci : L'espace annulaire 2 n'est en effet à aucun endroit totalement occupé par le fil métallique et celui-ci, n'agissant que par appui en certains points, peut aisément se déformer. Thanks to the polygonal propeller 8, the two tubes 1 and 3 are centered relative to each other in a flexible manner, so that the deformations in cross-section of the tube-envelope 3 during its rolling do not cause marking the inner tube 1, which would cause folds in it: The annular space 2 is in fact at no place totally occupied by the metal wire and the latter, acting only by pressing at certain points , can easily deform.

La forme générale hélicoîdale du fil métallique agit comme un turbulateur qui entraîne le liquide réfrigérant en rotation, ce qui a pour effet d'augmenter sa vitesse, donc le coefficient d'échange thermique, ainsi que de mieux le répartir sur la périphérie du tube échangeur 1, ce qui est particulièrement important dans le cas d'un fluide réfrigérant diphasique, tel qu'un réfrigérant chlorofluoré utilisé en détente ou condensation directes. The general helical shape of the metal wire acts as a turbulator which drives the cooling liquid in rotation, which has the effect of increasing its speed, therefore the heat exchange coefficient, as well as better distributing it over the periphery of the exchanger tube. 1, which is particularly important in the case of a two-phase refrigerant, such as a chlorofluorinated refrigerant used in direct expansion or condensation.

Le mélange de circulation axiale et de circulation hélicoldale facilite le passage à l'écoulement turbulent, seul capable de donner de bons coefficients d'échange. A cet effet il est avantageux d'imprimer d'emblée un mouvement de rotation au fluide réfrigérant incident grâce à l'alimentation tangentielle décrite ci-dessus. D'une manière générale en utilisation en évaporateur, on constate que la partie gazeuse circule axiale ment tandis que seule la partie liquide subit un effet hélicoldal. The mixture of axial circulation and helical circulation facilitates the transition to turbulent flow, the only one capable of giving good exchange coefficients. To this end, it is advantageous to immediately impart a rotational movement to the incident refrigerant thanks to the tangential supply described above. In general, in use in an evaporator, it is found that the gaseous part circulates axially while only the liquid part undergoes a helical effect.

Le caractère continu de l'hélice 8 est intéressant non seulement du point de vue de la continuité du soutien mécanique, mais aussi parce qu'il présente l'avantage de permettre éventuellement la remontée de liquide vers le haut du tube-échangeur, ce qui n'était pas possible antérieurement. The continuous nature of the propeller 8 is advantageous not only from the point of view of the continuity of the mechanical support, but also because it has the advantage of possibly allowing the liquid to rise to the top of the exchanger tube, which was not possible previously.

L'invention n'est bien entendu pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Par exemple, l'hélice 8 pourrait, tout en gardant sa forme, être discontinue comme c'était le cas antérieurement, c'est-à-dire être constituée de plusieurs morceaux séparés axialement par des espaces. Dans le même ordre d'idées, L'hélice 8, qui a préférentiellement la même longueur que l'échangeur, c'est-à-dire que le tube I ou le tube 3, pourrait être légèrement plus courte. The invention is of course not limited to the embodiment which has just been described. For example, the propeller 8 could, while retaining its shape, be discontinuous as was the case previously, that is to say be made up of several pieces separated axially by spaces. In the same vein, The propeller 8, which preferably has the same length as the exchanger, that is to say that the tube I or the tube 3, could be slightly shorter.

Claims

1. Monotubular coaxial exchanger comprising a central exchanger tube (1) traversed by the fluid to be heated or cooled, and a jacket tube (3) coaxially surrounding this exchanger tube (1) so as to delimit, between these two tubes (1,3), an annular space (2) in which a coolant circulates, characterized in that the centering of these two tubes (1,3) is ensured by at least one spacer (8) having a shape general propeller with a polygonal base, consisting of a succession of line segments (9,10,11, ...), two successive line segments (9,10) being connected by a folding (12), each of these folds (12, 13, ...) coming to bear on the internal face of the tube-envelope (3), while the middle part of each line segment (9, 10, 11 ...) comes to bear, by a point of tangency (14,15,16, ...), on the external face of the exchanger tube (1).

2. Exchanger according to claim 1, characterized in that the pitch of the propeller (8) is of the order of two to three times the diameter of the exchanger tube (1).

3. Exchanger according to claim 1 or claim 2, characterized in that the propeller (8) is continuous and at substantially the same length as the exchanger.

4. Exchanger according to claim 3, characterized in that this propeller (8) is slightly shorter than the exchanger.

5. Exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is equipped with an inlet (7) of refrigerant which is sufficiently tangential to immediately impart to it a vortex rotation movement.

6. Exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the element 8 is fixed in places to the exchanger tube (I) at points of tangency (14,15,16, ...).

7. Exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spacer (8) is obtained and put in place starting from a deformable metal wire, rigid or semi-rigid, which is put in shape so as to obtain a first general shape (17) of helix with contiguous turns, of polygonal section in which the section of the tube-envelope (3) is inscribed, and then by introducing this first propeller (17) around the tube exchanger (1) while tensioning it axially so that the turns disjoin.