FR2876783A1 - Echangeur de chaleur pour refroidir un fluide refrigerant gazeux sous haute pression, module d'echange de chaleur comportant cet echangeur et procede de realisation de ce module - Google Patents
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Abstract
Echangeur de chaleur, en particulier pour refroidir un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression, comportant des premier (4) et deuxième (6) faisceaux de tubes (8) sensiblement parallèles entre eux et reliés à des collecteurs. Le premier faisceau (4) pénètre à ses deux extrémités une boîte collectrice (10) formant un collecteur d'entrée du fluide et une première boîte collectrice (12) intermédiaire, le deuxième faisceau (6) pénètre à ses deux extrémités une boîte collectrice (14) formant un collecteur de sortie du fluide et une deuxième boîte collectrice (16) intermédiaire. Les deux boîtes collectrices (12, 16) intermédiaires sont reliées par des moyens de liaison (20) pour former un collecteur intermédiaire, le collecteur intermédiaire permettant au fluide de passer du premier (4) vers le deuxième (6) faisceau. L'invention concerne également un module d'échange de chaleur comportant un tel échangeur de chaleur et un procédé de réalisation de ce module d'échange de chaleur.Application particulière aux refroidissement d'un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression d'un véhicule automobile.
Description
VTM1560.FRD
Echangeur de chaleur pour refroidir un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression, module d'échange de chaleur comportant cet échangeur et procédé de réalisation de ce module L'invention concerne un échangeur de chaleur, en particulier pour refroidir un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression. Elle concerne en particulier un tel échangeur comportant un premier et un deuxième faisceaux de tubes sensiblement parallèles entre eux et reliés à des collecteurs.
De tels échangeurs sont généralement utilisés dans le cadre du refroidissement de fluides réfrigérant gazeux sous haute pression d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, ils trouvent leur application dans le refroidissement de gaz de dioxyde de carbone dont la pression lors du fonctionnement de l'échangeur est généralement de l'ordre de 150 bars.
De tels échangeurs présentent des spécifications techniques très strictes afin de résister à la pression des fluides les traversant. Pour cette raison, les collecteurs de ces échangeurs présentent des diamètres internes réduits et des épaisseurs de parois élevées, et l'on est forcé de réaliser deux passes du fluide dans deux faisceaux différents pour le refroidir correctement.
Du fait de la taille réduite des collecteurs, les tubes des faisceaux ne peuvent plus être introduits radialement comme dans les collecteurs classiques. Au lieu de cela, on torsade légèrement leurs extrémités afin de les introduire dans le collecteur dans une direction qui s'exprime sensiblement selon un axe longitudinal de celui-ci.
De manière classique, les deux faisceaux sont reliés par un collecteur intermédiaire que pénètrent les tubes respectifs de chaque faisceau.
Pour le fonctionnement de l'échangeur, il est critique que les faisceaux soient isolés thermiquement l'un de l'autre. Il est par conséquent très compliqué d'assembler deux rangées de tubes torsadés sur le collecteur intermédiaire de manière indépendante.
Ce type d'échangeur est par ailleurs extrêmement difficile à intégrer à un module d'échange de chaleur. En effet, dans les modules d'échange de chaleur connus de l'art antérieur, notamment par FR 2 805 605, on a un échangeur principal (généralement un radiateur) muni d'ailettes cavalières saillantes, un échangeur secondaire venant se fixer sur les parties saillantes de ces ailettes. Dans le cas présent, la présence des deux faisceaux parallèles rend difficile voire impossible le montage d'un tel échangeur sur ces ailettes, car la pression sur le premier faisceau pour introduire l'échangeur dans les ailettes provoquerait un flambage de celui-ci et il viendrait en contact avec le deuxième faisceau, ce qui n'est pas acceptable.
L'invention vise à améliorer la situation.
Elle propose à cet effet un échangeur de chaleur, en particulier pour refroidir un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression, comportant des premier et deuxième faisceaux de tubes sensiblement parallèles entre eux et reliés à des collecteurs, dans lequel le premier faisceau pénètre à ses deux extrémités une boîte collectrice formant un collecteur d'entrée du fluide et une première boîte collectrice intermé- diaire, le deuxième faisceau pénètre à ses deux extrémités une boîte collectrice formant un collecteur de sortie du fluide et une deuxième boîte collectrice intermédiaire, et en ce que les deux boîtes collectrices intermédiaires sont reliées par des moyens de liaison pour former un collecteur intermédiaire, le collecteur intermédiaire permettant au fluide de passer du premier vers le deuxième faisceau.
Un tel échangeur est particulièrement avantageux en ce que les tubes de chaque faisceau peuvent venir se fixer de manière indépendante sur le collecteur intermédiaire, puisque celui-ci est dédoublé en deux boîtes collectrices indépendantes. Cela permet notamment des économies non négligeables en termes de temps d'assemblage, tout en permettant l'utilisation d'échangeurs classiques pour former un échangeur selon l'invention. En effet, il suffit de les relier par des moyens de liaison deux échangeurs classiques.
Avantageusement, les boîtes collectrices ont un diamètre interne inférieur à une dimension transversale des tubes pour supporter la pression du fluide sortant des tubes, lesquels tubes sont plats et sont torsadés à leurs extrémités, de sorte que celles-ci s'expriment sensiblement selon un axe longitudinal de chaque boîte collectrice.
Dans une première variante les moyens de liaison sont formés par un conduit. Dans une seconde variante, les moyens de liaison sont formés par une bride d'entrée/de sortie respective des première et deuxième boîtes collectrices intermé- diaires, les deux boîtes collectrices intermédiaires étant disposées de telle sorte que les brides sont en regard l'une de l'autre.
Ces deux variantes de réalisation de l'invention permettent d'offrir des moyens de liaison variés pour les échangeurs de chaleur de l'invention, et d'offrir ainsi une variété de technologies pour les fabriquer.
Avantageusement, les tubes des deux faisceaux sont reçus, l'un à la suite de l'autre, dans des ouvertures pratiquées dans des ailettes que comporte l'échangeur de chaleur, et les faisceaux sont identiques, des saillies que comportent les ailettes étant rabattues sur les tubes du faisceau introduit en dernier pour maintenir les ailettes par rapport aux faisceaux.
En variante les ouvertures des ailettes présentent au moins deux régions de largeur différente, et les tubes d'un des faisceaux sont sensiblement plus épais que ceux de l'autre faisceau, de sorte qu'un faisceau vient en place dans la région de largeur la plus faible et l'autre faisceau vient en place dans une région de largeur plus importante.
De tels échangeurs présentent des moyens de maintien des faisceaux, l'un par rapport à l'autre, non seulement grâce aux moyens de liaison, mais également grâce aux ailettes de l'échangeur.
L'invention vise également un module d'échange de chaleur comportant un échangeur selon l'invention, ainsi qu'un procédé de réalisation d'un tel module.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus avant à la lecture de la description qui suit à titre illustratif et non limitatif des figures des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un 20 échangeur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective du détail II de la figure 1; - la figure 3 est une vue de côté schématique d'une variante de l'échangeur de la figure 1; - la figure 4 est une vue en plan schématique partielle d'une ailette d'une variante de l'invention; et - la figure 5 est une vue en perspective éclatée d'un module d'échange de chaleur selon l'invention.
La figure 1 représente une vue en perspective éclatée d'un 35 échangeur selon l'invention.
L'échangeur 2 comporte un premier faisceau 4 et un deuxième faisceau 6 de tubes 8. Le premier faisceau 4 pénètre, à l'extrémité des tubes 8, une boîte collectrice 10 et une boîte collectrice intermédiaire 12. De la même manière le deuxième faisceau 6 de tubes 8 pénètre une boîte collectrice 14 et une boîte collectrice intermédiaire 16. Chacune des boîtes 10, 12, 14 et 16 comporte une bride respective 18.
Les deux faisceaux 4 et 6 sont sensiblement parallèles et de dimension sensiblement égale et sont composés de tubes plats. Les boîtes 10, 12, 14 et 16 sont, quant à elles, de forme générale tubulaire.
Le fonctionnement de l'échangeur 2 est assuré en reliant les brides 18 des deux boîtes collectrices intermédiaires 12 et 16 par un tuyau 20. L'échangeur 2 présente alors trois collecteurs: un collecteur d'entrée formé par la bride 10 par lequel le fluide pénètre comme indiqué par la flèche E, un collecteur intermédiaire 17 formé par la réunion des deux boîtes collectrices intermédiaires 12 et 16 reliées par un tuyau 20, et un collecteur de sortie formé par la boîte collectrice 14 par lequel sort le fluide après son passage dans l'échangeur 2 comme indiqué par la flèche S. La figure 2 montre un agrandissement schématique du détail II de la figure 1. On a illustré particulièrement sur cette figure la connexion entre les tubes 8 du premier faisceau 4 et la boîte collectrice intermédiaire 12.
Comme on peut le voir sur cette figure, les tubes comportent des extrémités 22 qui sont introduites dans une pluralité de trous 24 de la boîte collectrice intermédiaire 12. Les trous 24 sont réalisés sensiblement selon un axe XX longitudinal de la boîte collectrice 12 et dont la taille correspond à celle des extrémités 22.
Les extrémités 22 des tubes 8 sont sensiblement orthogonales 35 à un corps 26 qu'ils comportent, et ces deux parties sont reliées par une portion torsadée 28.
La raison pour laquelle ces tubes sont ainsi fixés est que, en raison de la pression du fluide qui traverse l'échangeur, le diamètre interne des boîtes collectrices a du être réduit pour augmenter leur épaisseur et leur permettre de résister à la pression. Par conséquent, leur diamètre interne est inférieur à la dimension transversale des tubes, et on ne peut plus insérer ces derniers de manière radiale comme il est classique de le faire.
On notera que l'introduction de tubes d'une telle manière dans une boîte collectrice est relativement simple tant que l'on a une seule rangée. L'introduction d'une deuxième rangée de tubes poserait des problèmes considérables.
La figure 3 montre une vue de côté schématique d'une variante de l'échangeur 2 dans lequel les brides des boîtes collectri- ces 12 et 16 sont reliées directement entre elles en étant placées en face l'une de l'autre et maintenues à l'aide d'un système vis/écrou. Cette réunion forme le collecteur intermédiaire 17.
Cette solution est avantageuse pour réduire le coût de fabrication de certains échangeurs ainsi que leur temps d'assemblage.
La figure 4 montre une vue en plan schématique partielle 25 d'une ailette d'une variante d'un échangeur selon l'invention.
Dans cette variante, les tubes 81 du faisceau 4 sont sensiblement plus petits que les tubes 80 du faisceau 6.
L'ailette 40 est une feuille de tôle percée d'une multiplicité d'ouvertures 42 entre lesquelles sont disposées des persiennes 44 pour favoriser l'échange de chaleur.
Les tubes 81 et 80 sont destinés à être insérés dans les ouvertures 42. Ces ouvertures comportent deux régions. Une première région 46 présente une largeur inférieure à une deuxième région 48, ces deux régions ayant des largeurs sensiblement correspondantes respectivement à celles des tubes 81 et 80. Afin de faciliter l'insertion, ces deux régions sont reliées par une région intermédiaire 50 qui permet au tube 81 de s'insérer selon la direction désignée par la flèche I et d'être dirigé automatiquement.
L'insertion des tubes 80 et 81 se fait en force. Leur maintien peut être également ainsi assuré. Il est également envisageable d'utiliser des saillies 52 de l'ailette 40 et de les rabattre sur le tube 80 une fois celui-ci en place.
De telles ailettes permettent donc d'assurer le maintien relatif des tubes 80 et 81 autrement que par les moyens de liaison formés par le tube 20 ou par la liaison directe des deux brides 18, ainsi que le maintien général des deux faisceaux par rapport aux ailettes.
L'échangeur selon l'invention est particulièrement intéressant lorsqu'on cherche à l'intégrer dans un module d'échange de chaleur. Ainsi, la figure 5 représente un module d'échange de chaleur 60 comportant un échangeur de chaleur 2 selon l'invention.
Cet échangeur comporte un échangeur principal 62 qui est un radiateur qui comporte des ailettes 64 saillantes sur lesquelles on vient fixer l'échangeur 2. L'échangeur selon l'invention est particulièrement intéressant en ce qu'on peut dans un premier temps venir fixer le premier faisceau 4 sur la partie saillante des ailettes 64 puis dans un second temps venir fixer le deuxième faisceau 6 sur ces mêmes parties saillantes des ailettes 64 et enfin relier les brides 18 des boîtes collectrices intermédiaires 12 et 16 pour former le collecteur intermédiaire à l'aide du tuyau 20. Les parties saillantes des ailettes 64 sont similaires aux ailettes 40 représentées sur la figure 4.
Ce faisant, on évite toute possibilité de flambage d'un des deux faisceaux et par conséquent tout contact entre ceux-ci, et l'on réalise ainsi un module d'échange de chaleur comportant un échangeur de chaleur pour refroidir des fluides réfrigérants gazeux sous haute pression particulièrement efficaces et faciles à produire et à assembler comme on l'a vu précédemment.
L'invention n'est pas limitée à la description des formes de réalisation données à titre illustratif et non limitatif ci-dessus, mais elle englobe toutes les variantes que l'homme du métier saura envisager, notamment à la lecture des revendications en annexe ci-après.
Claims (15)
1. Echangeur de chaleur, en particulier pour refroidir un fluide réfrigérant gazeux sous haute pression, comportant des premier (4) et deuxième (6) faisceaux de tubes (8) sensible- ment parallèles entre eux et reliés à des collecteurs, caractérisé en ce le premier faisceau (4) pénètre à ses deux extrémités une boîte collectrice (10) formant un collecteur d'entrée du fluide et une première boîte collectrice (12) intermédiaire, le deuxième faisceau (6) pénètre à ses deux extrémités une boîte collectrice (14) formant un collecteur de sortie du fluide et une deuxième boîte collectrice (16) intermédiaire, et en ce que les deux boîtes collectrices (12, 16) intermédiaires sont reliées par des moyens de liai-son (20, 30) pour former un collecteur (17) intermédiaire, le collecteur (17) intermédiaire permettant au fluide de passer du premier (4) vers le deuxième (6) faisceau.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (10, 12, 14, 16) ont un diamètre interne inférieur à une dimension transversale des tubes (8) pour supporter la pression du fluide sortant des tubes (8).
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes (8) sont plats et sont torsadés à leurs extrémités (22), de sorte que celles-ci s'expriment sensiblement selon un axe longitudinal (XX) de chaque boîte collectrice (10, 12, 14, 16).
4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison (20) sont formés par un conduit.
5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison (30) sont formés par une bride (18) d'entrée/de sortie respective des première (12) et deuxième (16) boîtes collectrices intermédiaires, les deux boîtes collectrices intermédiaires (12, 16) étant disposées de telle sorte que les brides (18) sont en regard l'une de l'autre.
6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux faisceaux (4, 6) sont de dimensions sensiblement égales.
7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (10, 12, 14, 10 16) sont de dimensions sensiblement égales.
8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (10, 12, 14, 16) sont tubulaires.
9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes (8) des deux faisceaux (4, 6) sont reçus, un faisceau (6) à la suite de l'autre (4), dans des ouvertures (42) pratiquées dans des ailettes (40) que comporte l'échangeur de chaleur.
10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les faisceaux (4, 6) sont identiques, des saillies (52) que comportent les ailettes (40) étant rabattues sur les tubes (8) du faisceau (6) introduit en dernier pour maintenir les ailettes (40) par rapport aux faisceaux (4, 6).
11. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caracté- risé en ce que les ouvertures (42) des ailettes (40) présentent au moins deux régions de largeur différente, et en ce que les tubes (80) d'un (6) des faisceaux sont sensiblement plus épais que ceux (81) de l'autre faisceau (4), de sorte qu'un faisceau (4) vient en place dans la région de largeur la plus faible (46) et l'autre faisceau (6) vient en place dans une région de largeur plus importante (48).
12. Module d'échange de chaleur, comportant un échangeur principal (62) et au moins un échangeur secondaire (2) comportant chacun un corps généralement plan muni de tubes (8) de circulation de fluide, et comprenant en outre des ailettes (64) de refroidissement, l'échangeur secondaire (2) étant fixé sur l'échangeur principal (62) de sorte qu'un même flux d'air puisse traverser les corps respectifs desdits échangeurs, caractérisé en ce qu'au moins un échangeur secondaire (2) est selon l'une des revendications 1 à 8, et en ce que les ailettes (64) sont communes à l'échangeur principal (62) et à au moins un échangeur secondaire (2), lesdites ailettes (64) étant montées sur les tubes (8) de circulation de l'échangeur principal (62) et faisant saillie de cet échangeur sensiblement perpendiculairement au plan de ce dernier.
13. Module d'échange de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les ailettes (64) comportent des ouvertures (42) pour recevoir les tubes d'au moins un échangeur secondaire (2) selon l'une des revendications 1 à 8, lesquelles ailettes (64) présentent en outre des moyens de blocage (52) rabattus sur les tubes (8) de l'échangeur secondaire (2) une fois celui-ci reçu dans les ouvertures (42).
14. Module d'échange de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les ailettes (64) comportent des ouvertures (42) pour recevoir les tubes d'au moins un échangeur secondaire selon l'une des revendications 1 à 8, lesquelles présentent au moins deux régions de largeur différente, les tubes (80) d'un des faisceaux (6) d'au moins un échangeur secondaire (2) selon l'une des revendications 1 à 8 étant sensiblement plus épais que ceux (81) de l'autre faisceau (4), de sorte qu'un faisceau (4) vient en place dans la région de largeur la plus faible (46) et l'autre faisceau (6) vient en place dans une région de largeur plus importante (48).
15. Procédé de réalisation d'un module d'échange de chaleur selon l'une des revendications 12 à 14, comportant un échangeur principal (62) et un échangeur secondaire (2) comportant chacun un corps généralement plan muni de tubes (8) de circulation de fluide, et comprenant en outre des ailettes (64) de refroidissement, l'échangeur secondaire (2) étant fixé sur l'échangeur principal (62) de sorte qu'un même flux d'air puisse traverser les corps respectifs desdits échangeurs, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à fournir au moins un échangeur secondaire selon l'une des revendications 1 à 8, sans ailettes et sans relier les boîtes collectrices intermédiaires (12, 16) formant le collecteur intermédiaire, à réaliser l'échangeur principal (62) avec des ailettes (64) faisant saillie de cet échangeur sensiblement perpendiculairement au plan de ce dernier, les parties des ailettes en saillie comportant des ouvertures de réception des tubes de circulation de fluide de l'échangeur secondaire, monter un premier faisceau (4) que comporte l'échangeur secondaire (2) en engageant ses tubes (8) de circulation de fluide dans lesdites ouvertures, monter un deuxième faisceau (6) de la même manière derrière le premier faisceau (4), bloquer l'échangeur secondaire (2) dans cette position et relier les deux boîtes collectrices (12, 16) intermédiaires de l'échangeur secondaire (2) pour former le collecteur intermédiaire.
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