FR2886392A1 - Echangeur de chaleur a tubes en forme de spirale helicoidale - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et a plus particulièrement pour objet un échangeur de chaleur comportant au moins un premier et un second tubes (1 ) superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale, et caractérisé en ce que ces premier et second tubes présentent entre eux un décalage angulaire d'angle theta.

Description

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et a

plus particulièrement pour objet un échangeur de chaleur du type comportant au moins un premier et un second tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale.

II existe deux types principaux d'échangeurs de chaleur utilisés dans l'industrie, à savoir les échangeurs à tubes et les échangeurs à plaques. Parmi les échangeurs à tubes, ceux, utilisant une calandre et un faisceau de tubes rectilignes solidarisés, à chacune de leurs extrémités, à une plaque tubulaire, sont très répandus.

io On connaît aussi le brevet FR 2840675 qui décrit un échangeur comportant des tubes possédant chacun au moins deux spires parallèles disposées, chacune, dans un même plan.

Dans le cadre d'essais d'un moteur, notamment d'un moteur d'avion, on utilise généralement une installation comportant des premiers moyens, disposés en amont du moteur et aptes à alimenter ce dernier en air à un débit, une température et une pression aptes à reproduire ceux que peut rencontrer l'avion dans son domaine de vol. L'installation comporte aussi des seconds moyens, disposés en aval du moteur et aptes, d'une part, à reproduire la pression que peut rencontrer l'aval du moteur dans le domaine de vol de l'avion, et, d'autre part, à refroidir les produits de zo combustion lors du fonctionnement du moteur.

Ce moteur est généralement implanté dans un caisson d'essais et le refroidissement consiste généralement, en l'introduction d'air de ventilation dans le caisson, ainsi qu'en un passage des gaz dans un réfrigérant primaire apte à refroidir les gaz jusqu'à une température inférieure ou égale à 500 C puis en un passage dans un réfrigérant secondaire dans lequel ils sont refroidis jusqu'à une température de 40 C environ. De plus, pour une question de tenue des matériaux constitutifs du réfrigérant primaire, de l'eau est injectée dans les gaz sortant du moteur afin de diminuer leur température en entrée du réfrigérant primaire.

Les seconds moyens comportent généralement au moins un compresseur et 3o le réfrigérant primaire est constitué par un échangeur de type tubes rectilignes/calandre. Cependant l'injection d'eau, destinée à diminuer la température des gaz à l'entrée de cet échangeur, produit de la corrosion au niveau des deux équipements précités. Pour résoudre, en partie cet inconvénient, un dévésiculeur est disposé en amont des compresseurs. Cependant un tel équipement ne peut être disposé en amont du réfrigérant primaire à cause de la température trop élevée des gaz.

De plus, les gaz à refroidir ne sont thermiquement pas homogènes. Ainsi il existe un dard axial extrêmement chaud correspondant aux gaz éjectés par le s moteur et des gaz périphériques beaucoup moins chaud autour du dard. De plus, compte tenu du diamètre important de la calandre, typiquement plusieurs mètres, une différence de température de l'ordre de la centaine de degré entre les gaz situés en haut et ceux situés en bas de l'échangeur. Ces différences de températures créent des contraintes thermiques importantes notamment au niveau des plaques io supportant les tubes qui se déforment et provoque des ruptures de tubes. Comme les tubes ne sont pas facilement accessibles, ni réparables, la seule solution consiste à boucher les tubes défectueux, donc à réduire l'échange, et ce, jusqu'à ce que l'échange global devienne insuffisant et qu'il soit alors nécessaire de remplacer l'échangeur. La durée d'indisponibilité de l'installation peut alors être très importante.

is Le but de l'invention est de résoudre les inconvénients précités en proposant un échangeur de chaleur permettant de refroidir des gaz extrêmement chauds sans nécessiter une injection d'eau préalable et permettant d'une part un brassage important des gaz et d'autre part une accessibilité accrue à chacun des tubes permettant éventuellement, lorsqu'un tube est endommagé, de le changer facilement et rapidement, quelle que soit sa position au sein du faisceau de tube.

La solution apportée est un échangeur de chaleur comportant au moins un premier et un second tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale, caractérisé en ce que ces premier et second tubes présentent entre eux un décalage angulaire d'angle 0.

Un tel décalage angulaire permet de donner au fluide circulant autour des tubes une trajectoire hélicoïdale.

Selon une caractéristique particulière, un échangeur selon l'invention comporte au moins un premier et un second tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale d'axe respectif OX1, OX2, et est caractérisé en ce que l'axe du premier tube est, au niveau de l'axe OX1 orienté selon une première direction tandis que l'axe du second tube est, au niveau de l'axe OX21 orienté selon une seconde direction, ces première et seconde directions, rapportées dans un même plan YOZ, présentant entre-elles un angle O. Selon une autre caractéristique particulière, les axes OX1, OX2, sont confondus en un même axe OX.

Selon une autre caractéristique, l'angle 6 du décalage angulaire est compris entre 5 et 15 .

Selon une caractéristique particulière permettant, lors de son utilisation, d'homogénéiser la température des gaz chauds passant coté calandre, le faisceau de tubes de l'échangeur comporte N tubes décalés les uns par rapport aux autres de sorte à former une hélice.

io Selon une autre caractéristique, un échangeur selon l'invention comporte au moins l'une des caractéristiques suivantes: le faisceau de tubes comporte N tubes décalés les uns par rapport aux autres de sorte à former une hélice, au moins deux tubes de composition différente, une calandre d'axe de révolution OX, la projection des tubes dans un plan YOZ perpendiculaire à l'axe de la calandre étant égale à la section interne de la calandre, - une calandre possédant une chemise comportant au moins deux ouvertures et apte à permettre le passage d'un fluide de refroidissement.

- une calandre possédant un axe de révolution et au moins un premier et un second tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale, caractérisé en ce que les axes des dites spirales hélicoïdales sont confondus avec l'axe de révolution de la calandre.

chaque tube comporte au moins deux spirales hélicoïdales solidaires l'une de l'autre par l'une de leurs extrémités, par exemple par leur extrémité centrale.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description de deux variantes de réalisation de l'invention et au regard des figures annexées parmi lesquelles: - La figure 1 présente un schéma d'une vue de face d'un tube selon l'invention, - la figure 2 montre un schéma d'un faisceau de tubes selon l'invention, - la figure 3 présente un schéma, selon une coupe A-A de la figure 1, de la jonction des éléments en spirale d'un tube, la figure 4 montre un tube selon l'invention comportant des ailettes, - la figure 5a présente un schéma d'une vue de face d'un faisceau de tubes selon l'invention, et la figure 5b un schéma simplifié et amplifié du décalage angulaire entre deux tubes superposés successifs, - Les figures 6 et 7 montrent deux schémas, le premier étant une vue de face et l'autre une vue de côté du faisceau de tubes intégré à io l'intérieur d'une calandre afin de former un échangeur de chaleur.

- Les figures 8 et 9 présentent une autre variante de réalisation de l'invention dans laquelle un faisceau est constitué de tubes ayant, en partie, la forme d'une spirale hélicoïdale.

is La figure 1 présente un schéma d'une vue de face d'un tube selon l'invention. Ce tube 1 comporte deux éléments tubulaires 2 et 3, chacun de ces éléments ayant la forme d'une spirale comportant une extrémité centrale, respectivement 42 et 43 et une extrémité périphérique, respectivement 52 et 53, ces extrémités périphériques étant elles-mêmes prolongées par des éléments tubulaires rectilignes, respectivement 62 et 63. Les éléments tubulaires 2,3, 62 et 63 ont le même diamètre et les éléments 2 et 3 sont solidaires l'un de l'autre via leurs extrémités centrales 42 et 43. Dans cet exemple de réalisation les éléments 2 et 3 sont identiques mais positionnés, avant leur solidarisation, de sorte que l'élément 3 ait subit une rotation d'un angle a de 180 degrés par rapport à l'élément 2. Ainsi, une partie 7 de l'élément 2 comportant l'extrémité centrale 42 et une partie 8 de l'élément 3 comportant l'extrémité centrale 43 forment un S inversé. Pour simplifier la fabrication des éléments de tube 2 et 3, chacun de ces derniers est constitué par au moins deux arcs de cercle de 180 degrés. En l'occurrence, chacun des éléments de tube 2 et 3 comprend deux arcs de cercle, respectivement 21, 22 et 31,32 de 180 degrés chacun ainsi qu'un arc de cercle, respectivement 23 et 33, de 90 degrés et d'une partie rectiligne, respectivement 62 et 63.

Comme montré sur la figure 2 qui présente un faisceau 19 de tubes selon l'invention, les éléments 2 et 3 ne sont pas disposés dans un même plan, ou dans des plans parallèles comme figurés par exemple dans le brevet FR 2840675. En effet, chacun des éléments 2 et 3 a la forme d'une spirale hélicoïdale, et plus particulièrement, ils suivent une courbe loxodromique. En outre, comme montré sur la figure 3 qui présente un schéma de la jonction des éléments 2 et 3 selon la coupe A-A, l'axe de rotation 9 de l'élément tubulaire 2 et l'axe de rotation 10 de l'élément tubulaire 3 font entre eux un angle 13 non nul.

Comme montré sur la figure 4, un tube selon l'invention peut comporter des ailettes 11 de forme annulaire. Dans cet exemple de réalisation, les ailettes ont un diamètre égal à environ deux fois celui du tube 1 et sont soudées sur ce dernier et réparties tout au long des éléments 2 et 3 du tube 1. Leur épaisseur est de l'ordre du io millimètre. Leur fonction, au sein d'un échangeur de chaleur, est d'accroître la surface d'échange thermique entre les fluides circulant à l'intérieur et à l'extérieur des tubes.

Par ailleurs comme montré sur les figures 2 et 5a, le faisceau 19 de tubes selon l'invention comporte une série de tubes 1 identiques disposés, les uns derrière is les autres et de sorte que l'axe OX de l'hélice de chacun des tubes 1 soit commun à tous les tubes. Toutefois, afin de donner un mouvement hélicoïdal au fluide circulant autour des tubes, ces derniers, qui sont superposés selon l'axe OX, sont aussi successivement décalés, dans un plan perpendiculaire à l'axe OX et toujours dans le même sens, d'un angle de 180/N degrés, ou N est le nombre de tubes par pas P de l'hélice formée par le faisceau 19 de tubes 1. La figure 5b présente une illustration simplifiée et amplifiée de ce décalage angulaire. Seule la partie centrale de deux tubes successifs 21 et 22 du faisceau 19 y figure. Ces tubes sont disposés selon le même axe OX qui correspond à l'axe de la spire du tube 21 et à celui de la spire du tube 22. Au niveau de cet axe OX, l'axe du tube 21 est orienté selon une première direction OY21 tandis que celui du tube suivant 22 est orienté selon une seconde direction OY22, ces directions faisant entre-elles un angle 9 correspondant au décalage angulaire entre les deux tubes successifs 21 et 22. Sur la figure 5a, on constate que N est égal à 18 et que le décalage angulaire 6 entre deux tubes successifs est donc, dans ce mode de réalisation de l'invention, de l'ordre de 10 degrés. Ainsi, le maître couple des tubes, à savoir leur projection dans un plan YOZ perpendiculaire à l'axe OX correspond, comme montré sur la figure 6, à la section totale interne délimitée par la calandre 12. En d'autres termes, la section des tubes 1 du faisceau 19 vue par le fluide est, comme montré sur les figures 5a et 6, égale à la section interne de la calandre 12.

De plus, comme montré sur la figure 2, les tubes 1 sont juxtaposés de sorte que deux tubes successifs sont, tout ou partie en contact ou quasiment en contact.

s Ainsi, la section de passage moyenne d'un fluide autour des tubes 1 est, tout au long du faisceau, sensiblement identique et égale à la section de passage d'un tube, ce qui limite les pertes de charge au sein du faisceau 19.

Les figures 6 et 7 montrent deux schémas, le premier étant une vue de face et l'autre une vue de côté du faisceau de tubes 1 intégré à l'intérieur d'une calandre io afin de former un échangeur de chaleur.

La calandre 12 est disposée autour des éléments en spirale 2 et 3 des tubes 1 et les éléments tubulaires rectilignes 62 et 63 traversent la calandre 12 et sont, éventuellement soudés à cette dernière. Chacune des extrémités libres des éléments tubulaires rectilignes 62 est reliée et fixée, par brides 13, à un tube 14 d'alimentation is en fluide tandis que chacune des extrémités libres des éléments tubulaires rectilignes 63 est reliée à un tube 15 de retour dudit fluide. En outre, une vanne 16 est disposée sur chacun des éléments tubulaires rectilignes 62 et 63, à l'extérieur de la calandre 12. Ainsi, en cas de fuite sur l'un des tubes, ce tube peut être isolé en fermant lesdites vannes. Par la suite, ce tube peut être enlevé en désolidarisant d'une part les éléments tubulaires rectilignes 62 et 63 de la calandre et, d'autre part, les brides 13. Les tubes 14 et 15 d'alimentation et de retour ont, en partie, à savoir à la jonction avec les tubes 1, une forme hélicoïdale.

Le fonctionnement d'un échangeur selon la figure 6, dans le cadre du refroidissement des gaz chauds expulsés par un moteur d'avion peut être le suivant.

Les tubes 1 sont alimentés en eau par le tube 14. Après avoir circulé dans les tubes 1, l'eau est collectée par le tube de retour 15. Les gaz chauds, ainsi que des gaz de ventilation entraînés par ces derniers, sont dirigés vers l'entrée de l'échangeur, à savoir à l'intérieur de la calandre 12. La disposition des tubes 1 à l'intérieur du faisceau donne un mouvement hélicoïdal favorisant l'homogénéisation de la température des gaz tout en assurant un refroidissement efficace grâce aux tubes 1 et aux ailettes 11 associées. Comme le mouvement hélicoïdal n'est pas obtenu dès l'entrée, les tubes situés du côté de l'entrée des gaz chauds assurent la plus grande part de l'homogénéisation de la température des gaz chauds. Il est donc préférable de choisir, pour ces tubes, un matériau apte à résister à la température, comme de l'aluminium, même si le coefficient de conduction thermique n'est pas très élevé, tandis que pour les tubes situés au milieu ou en sortie de l'échangeur, le choix d'un matériau thermiquement bon conducteur, comme de l'inox, est à privilégier.

Comme il n'y a plus, comme dans un échangeur à tube classique, de plaque tubulaire subissant des gradients thermiques importants aptes à endommager les tubes, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'eau pour refroidir les gaz chauds provenant du moteur et, par conséquent, il n'est plus nécessaire d'utiliser un dévésiculeur en amont des compresseurs. De plus, la corrosion est quasiment totalement supprimée au niveau de l'échangeur.

io Les figures 8 et 9 présentent une autre variante de réalisation de l'invention dans laquelle un faisceau est constitué de tubes ayant, en partie, la forme d'une spirale hélicoïdale.

Ces tubes 21, dont seulement trois sont représentés sur la figure 8 pour un souci de clarté, comportent chacun huit spires et une extrémité périphérique 22 reliée à un élément tubulaire rectiligne 23 dont l'extrémité 24 est reliée à un tube 25 d'alimentation en fluide. L'extrémité centrale 26 des tubes 21 est reliée à un tube 27 de retour dudit fluide, ce tube étant disposé selon l'axe de la spirale hélicoïdale.

Comme les tubes ont principalement une forme de spirale hélicoïdale, les tubes sont imbriqués de sorte qu'une partie des spires des tubes 212 et 213 sont à l'intérieur d'une partie des spires des tubes respectifs, 211 et 212, une partie moindre du tube 213 étant aussi à l'intérieur du tube 211. Cette imbrication permet l'obtention d'un faisceau compact de tubes.

La partie en spirale hélicoïdale de chacun des tubes 21 est disposée à l'intérieur d'une calandre 28 tandis que la partie tubulaire rectiligne 23 traverse cette 25 dernière.

Le fonctionnement d'un échangeur selon la figure 8, dans le cadre du refroidissement des gaz chauds expulsés par un moteur d'avion peut être le suivant.

Les tubes 21 sont alimentés en eau par le tube 25. Après avoir circulé dans les tubes 1, l'eau est collectée par le tube de retour 27. Les gaz chauds, ainsi que des gaz de ventilation entraînés par ces derniers, sont dirigés vers l'entrée de l'échangeur, à savoir à l'intérieur de la calandre 28. La disposition des tubes 21 favorise le brassage des gaz donc leur homogénéisation, en composition et en température, et la position médiane du tube de retour de l'eau 27 participe au refroidissement des gaz.

Comme il n'y a plus, comme dans un échangeur à tube classique, de plaque tubulaire subissant un gradient de température important et qu'il est en outre possible de choisir la composition des tubes en fonction de leur position dans le faisceau, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'eau pour refroidir les gaz chauds provenant du moteur et, par conséquent, il n'est plus nécessaire d'utiliser un dévésiculeur en amont des compresseurs et la corrosion est quasiment totalement supprimée. Pour ce qui est de la maintenance des tubes, on constate que ce sont les tubes situés du coté de l'entrée des gaz chauds qui sont le plus sujet à la fatigue et qui se dégradent beaucoup plus rapidement que les autres. Aussi, le remplacement to des tubes concernera essentiellement ces premiers tubes qui sont facilement accessible depuis l'entrée de l'échangeur et peuvent ainsi facilement être remplacés.

De nombreuses modifications peuvent être apportées aux variantes de réalisation précédemment décrites sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le décalage angulaire peut aussi bien être dans le sens des aiguilles d'une montre que dans le sens trigonométrique. De plus, chaque tube peut avoir une forme différente de celles décrites précédemment, pourvu qu'elle soit en spirale hélicoïdale. De plus les tubes peuvent ou non être décalées en rotation les uns par rapport aux autres et la calandre peut éventuellement comporter un chemisage apte à permettre la circulation d'un fluide à l'intérieur. Les tubes d'alimentation et de retour peuvent aussi être disposés au niveau de l'axe des spires et les deux éléments en spirale être reliés par leur extrémité périphérique. Il est bien évident aussi que l'utilisation d'un échangeur selon l'invention n'est nullement limitée aux installations d'essais.

Pour ce qui est de la composition des tubes, on peut prévoir un faisceau comportant des tubes de composition différente en fonction de leur position suivant l'axe de l'échangeur. Ainsi, il peut comporter des premiers tubes, côté entrée des gaz chaud côté calandre, présentant une résistance mécanique élevée à la température des gaz, par exemple en inox, et des seconds tubes dans le reste de l'échangeur réalisés en un matériau, par exemple le cuivre, présentant une conductibilité thermique élevée et une résistance mécanique moindre à température élevée. Par ailleurs, au niveau de la superposition des tubes, deux tubes successifs peuvent être, au niveau de l'axe OX, accolés ou séparés par une distance préférablement faible, c'est-à-dire inférieure au diamètre des tubes.

Claims (10)

Revendications

1. Echangeur de chaleur comportant au moins un premier et un second tubes (1, 21, 22) superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale, caractérisé en ce que ces premier et second tubes présentent entre eux un décalage angulaire d'angle O.

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comportant au moins un premier et un second tubes (1, 21, 22) superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale d'axe respectif OX1, OX2, caractérisé w en ce que l'axe du premier tube 21 est, au niveau de l'axe OX1 orienté selon une première direction OY21 tandis que l'axe du second tube 22 est, au niveau de l'axe OX21 orienté selon une seconde direction OY21, ces première et seconde directions, rapportées dans un même plan YOZ, présentant entre-elles un angle O.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les axes OX1, OX2, sont confondus en un même axe OX.

4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle 6 du décalage angulaire est compris entre 5 et 15 .

5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un faisceau (19) de tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale, caractérisé en ce que ce faisceau (19) de tubes comporte N tubes décalés les uns par rapport aux autres de sorte à former une hélice.

6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins des premiers tubes et des seconds tubes (1, 21, 22) de composition différente en fonction de leur position suivant l'axe de l'échangeur.

7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant une calandre et caractérisé en ce que la projection des tubes dans un plan YOZ perpendiculaire à l'axe de la calandre est égale à la section interne de la calandre. io

8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant une calandre et caractérisé en ce que cette calandre comporte une chemise comportant au moins deux ouvertures et apte à permettre le passage d'un fluide de refroidissement.

9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant une calandre possédant un axe de révolution et au moins un premier et un second tubes (1, 21, 22) superposés et ayant chacun, au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale, caractérisé en ce que les axes des dites spirales hélicoïdales sont confondus avec l'axe de révolution de la io calandre.

10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque tube (1, 21, 22) comporte au moins deux spirales hélicoïdales (2 et 3) solidaires l'une de l'autre par l'une de leurs extrémités, par exemple par leur extrémité centrale (42; 43).