FR3030707A1 - Ensemble de transfert de chaleur pour un echangeur de chaleur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ensemble (10) de transfert de chaleur adapté pour un échangeur de chaleur comprenant au moins un conduit (11) pour diriger un fluide selon une direction principale d'écoulement E, d'une première extrémité vers une deuxième extrémité dudit conduit (11), ledit ensemble (10) comprenant une pluralité d'ailettes (1) adaptées pour être positionnées entre les parois opposées dudit conduit (11) et améliorer le transfert de chaleur dudit fluide vers lesdites parois opposées selon une direction essentiellement perpendiculaire par rapport à ladite direction principale d'écoulement E, chacune desdites ailettes (1) comprenant un bord d'attaque adapté pour être positionné selon une direction opposée à ladite direction principale d'écoulement, l'ensemble (10) de transfert de chaleur étant caractérisé en ce que chaque ailette (1) est décalée par rapport à une ailette (1) adjacente, en amont et en aval, la pluralité des ailettes (1) étant positionnée pour former une succession d'ailettes ondulées et en ce que le bord d'attaque d'au moins une partie des ailettes (1) comprend une échancrure.
Description
ENSEMBLE DE TRANSFERT DE CHALEUR POUR UN ECHANGEUR DE CHALEUR Domaine de l'invention La présente invention concerne un échangeur de chaleur adapté pour être utilisé au sein d'un véhicule automobile. Plus spécifiquement, l'invention concerne un ensemble de transfert de chaleur comprenant une pluralité d'ailettes au sein dudit échangeur de chaleur pour améliorer le transfert de chaleur d'un fluide circulant dans l'échangeur de chaleur. Etat de la technique Dans l'art antérieur, différents types d'échangeurs de chaleur permettant l'échange entre un premier et un deuxième fluide sont divulgués. De tels échangeurs de chaleur peuvent être obtenus grâce à un empilement de plaques, mutuellement connectées afin que des plaques adjacentes puissent former, en combinaison les unes avec les autres, un conduit pour guider un fluide au sein d'un échange de chaleur.
Dans l'industrie automobile, il est connu d'utiliser des échangeurs de chaleur comprenant un empilement de plaques pour obtenir un échange de chaleur entre de l'air et de l'eau, ou entre de l'air et de l'air, par exemple dans les radiateurs. Il est également connu d'utiliser un refroidisseur d'air suralimenté pour s'assurer que l'air qui pénètre à l'intérieur du moteur du véhicule automobile est, après une première étape de compression, refroidi afin d'améliorer les performances dudit moteur. D'autres échangeurs de chaleur connus dans l'industrie automobile concernent des échangeurs de chaleur utilisés dans le but de refroidir les gaz d'échappement émis par le véhicule automobile.
Il existe une incitation constante visant à améliorer les performances thermiques des échangeurs de chaleur utilisés dans l'industrie automobile. L'optimisation du transfert « conducto-convectif » entre l'air et les parois des conduits à l'intérieur desquels l'air se déplace est une solution envisagée pour augmenter les performances thermiques desdits échangeurs de chaleur.
Dans l'art antérieur, il est connu d'effectuer ce transfert de chaleur entre l'air et les parois du conduit dans lequel l'air se déplace en utilisant des plaques métalliques, ou intercalaires, positionnées à l'intérieur dudit conduit Ainsi, lesdites plaques métalliques permettent d'augmenter le transfert de chaleur contenu dans l'air.
Les intercalaires peuvent être de type « persiennes » ou de type «à pas décalés » tels que divulgués dans l'art antérieur. Afin d'effectuer un transfert efficace de la chaleur contenue dans l'air vers l'intercalaire, il convient d'éviter la création de couches limites sur la surface des intercalaires. Les couches limites sont de fines couches d'air formant un isolant entre l'intercalaire et un flux d'air laminaire passant à proximité dudit intercalaire. Les intercalaires de type « persiennes » ou de type «à pas décalés » ont pour but d'interrompre le développement des couches limites à proximité de l'intercalaire et d'assurer un flux d'air de type « turbulent » grâce à leur fonction de turbulateur.
Cependant, les performances thermiques des échangeurs de chaleur utilisant ces types d'intercalaires ne sont pas toujours optimales. Par conséquent, il s'avère nécessaire d'améliorer la structure de tels éléments au sein d'un échangeur de chaleur.
Objet de l'invention L'ensemble composé d'une pluralité d'ailettes selon l'invention vise à améliorer les possibilités d'échange de chaleur entre un flux d'air et un dispositif de type « intercalaire » afin d'optimiser l'échange d'air entre un flux d'air et les parois d'un conduit à l'intérieur duquel l'air se déplace au sein d'un échangeur de chaleur.
Ainsi, l'invention concerne un ensemble de transfert de chaleur adapté pour un échangeur de chaleur comprenant au moins un conduit pour diriger un fluide selon une direction principale d'écoulement, d'une première extrémité vers une deuxième extrémité dudit conduit, ledit ensemble comprenant une pluralité d'ailettes adaptées pour être positionnées entre les parois opposées dudit conduit et améliorer le transfert de chaleur dudit fluide vers lesdites parois opposées selon une direction essentiellement perpendiculaire par rapport à ladite direction principale d'écoulement, chacune desdites ailettes comprenant un bord d'attaque adapté pour être positionné selon une direction incidente par rapport à ladite direction principale d'écoulement, l'ensemble de transfert de chaleur étant caractérisé en ce que chaque ailette est décalée par rapport à une ailette adjacente, en amont et en aval, la pluralité des ailettes étant positionnée pour former une succession d'ailettes ondulées et dans lequel le bord d'attaque d'au moins une partie des ailettes est échancré.
L'effet technique produit par ledit ensemble de transfert de chaleur provient de l'application de trois techniques complémentaires dans le but d'améliorer l'échange de chaleur entre un fluide, tel que de l'air, et les différentes ailettes formant en combinaison un dispositif permettant de transférer de la chaleur vers les parois d'un conduit à l'intérieur duquel circule le fluide. La première technique concerne le placement, à pas décalés, des différentes ailettes. La présence d'une quantité déterminée d'ailettes permet de perturber l'écoulement principal du flux d'air et d'interrompre le développement des couches limites sur des parois adaptées pour permettre un échange de chaleur. La deuxième technique concerne l'obtention, avec les différentes ailettes, d'un cheminement allongé entre les deux extrémités du conduit à l'intérieur duquel circule un fluide. Les différentes ailettes sont positionnées pour former, en combinaison, une ondulation. En d'autres termes, le cheminement suivi par le flux d'air entre les extrémités de l'échangeur de chaleur n'est pas rectiligne. En effet, le cheminement suit l'ondulation imposée par la présence desdites ailettes. La troisième technique concerne la présence des bords d'attaque échancrés dont les échancrures permettre d'interrompre la création des couches limites. La présence desdites échancrures permet de développer des tourbillons longitudinaux afin de générer un écoulement secondaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque bord d'attaque des ailettes est échancré. Selon un mode de réalisation de l'invention, les ailettes sont positionnées afin que chaque ailette présente, de son bord d'attaque vers le bord opposé, un angle supérieur à 00 avec la direction principale d'écoulement du fluide.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'angle est compris entre 00 et 20°. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie des ailettes comprend un bord d'attaque pourvu d'une échancrure, ladite échancrure se présentant sous une forme triangulaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, la relation entre la hauteur (b) de l'échancrure, la forme (A)et la surface (S) de l'échancrure est donnée par : b = k .S Selon un deuxième aspect de l'invention, l'invention concerne une ailette pour l'ensemble de transfert de chaleur selon l'invention.
Selon un troisième aspect de l'invention, l'invention concerne un intercalaire adapté pour être positionné entre des faces opposées d'un conduit pour un fluide afin d'améliorer le transfert de chaleur d'un fluide se déplaçant à l'intérieur dudit conduit vers les parois de ce conduit, dans lequel l'intercalaire comprend au moins une première et une deuxième ailette.
Selon un quatrième aspect de l'invention, l'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant l'ensemble de transfert de chaleur selon l'invention.
Brève description des dessins Les but, objet et caractéristique de la présente invention ainsi que ses avantages apparaitront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous des modes de réalisation préférés d'un ensemble composé d'ailettes pour un échangeur de chaleur, faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 montre, de façon schématique, un premier mode de réalisation de l'ensemble de transfert de chaleur selon la présente invention, la figure 2 montre, de façon schématique, le positionnement des différentes ailettes de l'ensemble par rapport à la direction principale d'écoulement d'un fluide, la figure 3 montre, de façon schématique, un ensemble d'ailettes formant un intercalaire obtenu grâce à un processus de recourbement d'une plaque métallique, et la figure 4 montre en détail une échancrure située sur le bord d'attaque d'une ailette selon les figures 2 et 3.
Description détaillée des modes de réalisation La description ci-après a pour but d'exposer l'invention de manière suffisamment claire et complète, notamment à l'aide d'exemples, mais ne doit pas être considérée comme limitant l'étendue de la protection aux modes de réalisation particuliers et aux exemples présentés ci-après. La figure 1 montre un mode de réalisation d'un ensemble 10 de transfert de chaleur adapté pour être positionné à l'intérieur d'un conduit 11.
A titre d'exemple, le conduit 11 fait partie d'un échangeur de chaleur dans lequel une pluralité de conduits 11 sont positionnés en alternance avec des conduits destinés à permettre l'écoulement d'un deuxième fluide, par exemple un fluide sous la forme d'eau ou tout autre fluide, par exemple gazeux tel que de l'air. Par ailleurs, l'ensemble 10 de transfert de chaleur est particulièrement adapté pour un échangeur de chaleur à empilement de plaques. Le conduit 1 comprend une paroi latérale 12, une paroi supérieure 13 et une paroi intérieure (non montrée).
L'ensemble 10 de transfert de chaleur est adapté pour être en contact avec la paroi inférieure (non montrée) et la paroi supérieure 13. L'ensemble 10 de transfert de chaleur est particulièrement adapté pour permettre l'écoulement de l'air à l'intérieur du conduit 11, d'une première extrémité vers une deuxième extrémité dudit conduit 11. L'ensemble 10 de transfert de chaleur comprend des ailettes positionnées selon des rangées A, B, C. La surface principale desdites ailettes est positionnée selon une direction essentiellement perpendiculaire par rapport à la direction principale d'écoulement E du fluide dans le conduit 11. Les ailettes sont de forme identique. Comme montré sur la figure 2, les ailettes de la rangée A et les ailettes de la rangée suivante B sont positionnées de sorte que chaque ailette de la rangée A forme un angle avec l'ailette adjacente de la rangée B.
La figure 2 montre une vue de dessus, des rangées A, B, C telles que montrées en perspective sur la figure 1. Comme montré sur la figure 2, les ailettes de la rangée A et les ailettes de la rangée suivante B sont positionnées de sorte que chaque ailette de la rangée A forme un angle avec l'ailette adjacente de la rangée B. La rangée A comprend une pluralité d'ailettes 1, 2, 3, 4 positionnées de façon essentiellement parallèle entre elles et formant un angle supérieur à 00 avec la direction principale d'écoulement E. La rangée B comprend des ailettes 21, 22, 23, positionnées de façon essentiellement parallèle entre elles et formant un angle supérieur à 00, avec la direction principale d'écoulement E. La rangée C comprend des ailettes 31, 32, 33, positionnées de façon essentiellement parallèle entre elles et formant un angle supérieur à 00, avec la direction principale d'écoulement E Les ailettes des rangées A sont essentiellement parallèles aux ailettes de la rangée B. Les ailettes de la rangée B, positionnées de façon angulaire par rapport à la direction principale d'écoulement E, sont orientées selon une direction opposée à la direction des ailettes des rangées A et C. Chaque ailette 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 comprend un bord d'attaque et un bord opposé. Dans la figure 2, pour des raisons de clarté, seul le bord d'attaque 51 et le bord opposé 52 sont indiqués pour l'ailette 1. Comme indiqué sur la figure 2, les différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 sont positionnées de manière à ce que l'ensemble des bords d'attaque produise une influence maximale sur l'orientation de l'air qui circule à l'intérieur des rangées A, B, C. Les ailettes 21, 22, 23 de la rangée B sont arrangées selon un pas décalé AB par rapport aux ailettes 1, 2, 3, 4 de la rangée B et les ailettes 31, 32, 33 sont arrangées selon un pas décalé BC par rapport aux ailettes 21, 22, 23 de la rangée B. Ainsi, l'impact du flux d'air sur les bords d'attaque 51 des ailettes ainsi arrangées est optimal. De plus, les ailettes 1, 2, 3, 21, 22, 23, 31, 32, 33 des rangées A, B, C forment, en combinaison et dans la direction principale d'écoulement E, une ondulation, de telle sorte que l'écoulement principal à l'intérieur du conduit 11 subit des variations de direction successives. La figure 3 montre un vue en perspective des ailettes 1, 2 de la rangée A. Sur la figure 3, le bord d'attaque 51 de l'ailette 1 est pourvu d'une échancrure 53. La présence de ladite échancrure 53, réalisée sur les différents bords d'attaque 51 des différentes ailettes de l'ensemble selon l'invention, permet de générer des structures tourbillonnaires secondaires longitudinales. Grâce au positionnement décalé desdites différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33, le développement des couches limites thermiques et dynamiques sur les surfaces des différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 est limité. Ainsi, comme montré sur les figures 1, 2, 3, l'écoulement principal du fluide à l'intérieur du conduit 11 est modifié grâce à la forme et au positionnement des différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 de l'ensemble 10 de transfert de chaleur selon l'invention. Grâce au positionnement décalé desdites différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33, le développement des couches limites thermiques et dynamiques sur les surfaces des différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 est limité. Les différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 étant positionnées pour former une ondulation, ce positionnement a pour effet d'allonger la trajectoire des particules du fluide et d'amincir les couches limites produites sur lesdites différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33. De plus, la présence des échancrures 53 sur les différents bords d'attaque des ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 a pour effet la production de tourbillons secondaires. La présence simultanée de l'ondulation, des échancrures et du pas décalé améliore de manière efficace le contact thermique entre le fluide présent à l'intérieur du conduit 11 et les ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33. Ainsi, le transfert de chaleur ou l'échange de chaleur entre ledit fluide et les différentes ailettes 1, 2, 3, 4, 21, 22, 23, 31, 32, 33 de l'ensemble 10 de transfert de chaleur selon l'invention est optimisé. Selon la figure 3, l'ensemble des ailettes 1, 2, 3, 4 est assemblé au moyen d'éléments de connexion 61, 62, 63. L'élément de connexion 61 est adapté pour connecter la partie supérieure des ailettes 1 et 2. L'élément de connexion 62 est adapté pour connecter la partie inférieure des ailettes 2 et 3. L'élément 63 est, quant à lui, adapté pour connecter la partie supérieure des ailettes 3 et 4.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble 10 de transfert de chaleur composé des ailettes 1, 2, 3, 4 et des éléments de connexion 61, 62, 63 est obtenu à l'aide d'un processus de recourbement d'une plaque métallique. Les différents éléments 1, 61, 2, 62, 3, 63, 4 forment, selon la présente invention, un intercalaire.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble 10 de transfert de chaleur selon la figure 1 peut être obtenu à l'aide d'un positionnement successif d'intercalaires. Afin d'influencer de manière optimale le déplacement du fluide à l'intérieur du conduit 11 selon la figure 1, l'échancrure 53 présente une forme particulière. La figure 4 montre l'ailette 1, avec son bord d'attaque 51 et son bord opposé 52. L'échancrure 53 est visible dans le bord d'attaque 51. L'échancrure 53 est symétrique par rapport à la ligne de symétrie 70 telle que montrée sur la figure 4. L'échancrure 53 présente une forme triangulaire. L'optimisation de l'influence sur la circulation du fluide à l'intérieur du conduit 11 requiert d'imposer les contraintes suivantes à la forme de l'échancrure 53 : Surface constante de l'échancrure : S dont la valeur appartient à l'intervalle [0 ;2] en millimètre carré (mm2) Paramètres définissant la forme de l'échancrure : A = 2b/c c=J4. f Les valeurs de A appartiennent à l'intervalle [0.75 ;5] en degré (°) Les valeurs de 13 appartiennent à l'intervalle [0.15] en degré (°)
Claims (3)
- REVENDICATIONS1. Ensemble (10) de transfert de chaleur adapté pour un échangeur de chaleur comprenant au moins un conduit (11) pour diriger un fluide selon une direction principale d'écoulement E, d'une première extrémité vers une deuxième extrémité dudit conduit (11), ledit ensemble (10) comprenant une pluralité d'ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) adaptées pour être positionnées entre les parois opposées dudit conduit (11) et améliorer le transfert de chaleur dudit fluide vers lesdites parois opposées selon une direction essentiellement perpendiculaire par rapport à ladite direction principale d'écoulement E, chacune desdites ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) comprenant un bord d'attaque (51) adapté pour être positionné selon une direction opposée à ladite direction principale d'écoulement, l'ensemble (10) de transfert de chaleur étant caractérisé en ce que chaque ailette (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) est décalée par rapport à une ailette (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) adjacente, en amont et en aval, la pluralité des ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) étant positionnée pour former une succession d'ailettes ondulées et en ce que le bord d'attaque (51) d'au moins une partie des ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) comprend une échancrure.
- 2. Ensemble (10) de transfert de chaleur selon la revendication 1, dans lequel chaque bord d'attaque (51) des ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) comprend une échancrure.
- 3. Ensemble (10) de transfert de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) sont positionnées afin que chaque ailette (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) présente, de son bord d'attaque (51) vers le bord opposé, un angle supérieur à 00 avec la direction principale d'écoulement du fluide E.4. 5. 6. 7. 8. 9. 11 Ensemble (10) de transfert de chaleur selon la revendication 3, dans lequel l'angle est compris entre 00 et 20°. Ensemble (10) de transfert de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel cette au moins une partie des ailettes (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) comprend un bord d'attaque (51) pourvu d'une échancrure, ladite échancrure (53) se présentant sous une forme triangulaire. Ensemble (10) de transfert de chaleur selon la revendication 5, dans lequel la relation entre la hauteur (b) de l'échancrure (53), la forme (A) et la surface (S) de l'échancrure (53) est donnée par b = Ailette (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) pour l'ensemble (10) de transfert de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6. Intercalaire adapté pour être positionné entre des faces opposées d'un conduit (11) pour un fluide afin d'améliorer le transfert de chaleur d'un fluide se déplaçant à l'intérieur dudit conduit (11) vers les parois dudit conduit (11), dans lequel l'intercalaire comprend au moins une première et une deuxième ailette (1, 2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) selon la revendication 7. Echangeur de chaleur comprenant l'ensemble (10) de transfert de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6.
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