FR3073611A1 - Tube pour echangeur de chaleur avec dispositif de perturbation de geometrie variable - Google Patents
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Abstract
Un tube pour échangeur de chaleur comprenant au moins un dispositif de perturbation (4) de l'écoulement d'un fluide apte à s'écouler dans le tube, le dispositif de perturbation (4) consistant en un enfoncement local d'une paroi du tube vers l'intérieur du tube et présentant la forme d'un chevron, le chevron comprenant au moins une première branche (44) et une deuxième branche (46) s'écartant depuis une pointe (48) vers une extrémité libre (440), caractérisé en ce qu'au moins un paramètre géométrique de la forme de chevron a une valeur qui évolue entre la pointe (48) et chacune des extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46). Application au domaine de l'automobile
Description
TUBE POUR ECHANGEUR DE CHALEUR AVEC DISPOSITIF DE PERTURBATION DE GEOMETRIE VARIABLE
Le domaine de la présente invention est celui des échangeurs de chaleur, notamment destinés à équiper les boucles de climatisation des véhicules automobiles ou à refroidir le moteur d’un véhicule.
Les échangeurs de chaleur équipant notamment les boucles de climatisation des véhicules sont agencés pour permettre la circulation adjacente en deux espaces séparés de deux fluides différents, de manière à réaliser un échange de chaleur entre les fluides sans les mélanger. Un type d’échangeur de chaleur utilisé entre autres dans le domaine automobile est l’échangeur à tubes, l’échangeur étant constitué d’un empilement de tubes brasés entre eux et agencés pour définir les espaces où circulent les fluides.
Au sein des échangeurs de chaleur et des circuits thermodynamiques auxquels ils sont rattachés, les fluides circulent en dissipant ou en absorbant de l’énergie thermique. L’efficacité des échangeurs de chaleur et des circuits thermodynamiques est principalement déterminée par les échanges thermiques entre les fluides les parcourant. 11 est donc recherché la conception d’échangeurs thermiques dans lesquels les échanges thermiques entre les fluides circulant en leur sein sont optimisés. Dans ce but, on peut notamment viser un brassage de chaque fluide au sein de l’espace dans lequel ce fluide circule, dans le but d’augmenter les échanges thermiques entre les fluides, et il est connu d’équiper les échangeurs de chaleur de dispositifs de perturbation de l’écoulement des fluides. On comprend que pour augmenter le brassage des fluides, il est possible d’augmenter le nombre de dispositifs de perturbation et on peut chercher ainsi à les rapprocher les uns des autres. Mais cette solution, si elle permet d’améliorer le brassage et la quantité d’échange thermique, ne répond pas de manière satisfaisante au problème mentionné d’optimiser les échanges thermiques car la multiplication des dispositifs de perturbation occasionne une perte de charge importante qui limite la circulation des fluides et donc l’efficacité de l’échangeur de chaleur.
Le but de la présente invention est donc de résoudre les inconvénients décrits cidessus en concevant un tube pour un échangeur de chaleur agencé pour améliorer l’échange thermique entre les fluides parcourant l’échangeur de chaleur, en limitant notamment les pertes de charge subies par ces fluides.
L'invention a donc pour objet un tube pour échangeur de chaleur comprenant au moins un dispositif de perturbation de l’écoulement d’un fluide apte à s’écouler dans le tube, le dispositif de perturbation consistant en un enfoncement local d’une paroi du tube vers l’intérieur du tube et présentant la forme d’un chevron, le chevron comprenant au moins deux branches s’écartant depuis une pointe vers une extrémité libre, caractérisé en ce qu’au moins un paramètre géométrique de la forme de chevron a une valeur qui évolue entre la pointe et chacune des extrémités libres des branches.
Cet agencement permet d’améliorer le phénomène de brassage, ce qui augmente les échanges thermiques entre les fluides, tout en offrant un bon compromis entre échanges thermiques et perte de charge, de façon à améliorer la performance et l’efficacité des échangeurs de chaleur.
Le tube selon l’invention comprend avantageusement l’une quelconque au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le paramètre géométrique qui évolue est la largeur de chacune des branches, la valeur de la largeur de chacune des branches à la pointe étant supérieure à la valeur de la largeur de chacune des extrémités libres des branches ;
- le paramètre géométrique qui évolue est l’angle formé entre les branches du chevron, la valeur de l’angle à la pointe étant inférieure à la valeur de l’angle aux extrémités libres des branches ;
- le paramètre géométrique qui évolue est la hauteur du chevron, la valeur de la hauteur à la pointe (48) étant supérieure à la valeur de la hauteur de chacune des extrémités libres des branches ;
- une hauteur est mesurée entre une face intérieure de la paroi du tube depuis laquelle s’étend le dispositif de perturbation et un sommet du dispositif de perturbation, selon une direction perpendiculaire à la paroi du tube ; le sommet du dispositif de perturbation est le point d’une section considérée le plus distant de la paroi du tube depuis laquelle le dispositif de perturbation s’étend ; ainsi, la hauteur de la pointe d’un dispositif de perturbation est mesurée entre la face intérieure de la paroi du tube et le sommet de la pointe du chevron du dispositif de perturbation, selon une direction perpendiculaire à la paroi du tube ; de même, la hauteur de l’extrémité libre d’une branche d’un dispositif de perturbation est mesurée entre la face intérieure de la paroi du tube et le sommet de l’extrémité libre de la branche considérée, selon une direction perpendiculaire à la paroi du tube ;
- le chevron est symétrique ; plus particulièrement, le chevron est symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à la paroi dont il est issu, passant par la pointe et parallèle à un sens d’écoulement du fluide au sein du tube ;
- les extrémités libres des branches d’un dispositif de perturbation sont alignées transversalement ; en d’autres termes, les extrémités libres des branches d’un dispositif de perturbation sont positionnées sur une ligne perpendiculaire à la direction d’écoulement du fluide ; dans cette disposition, l’écoulement du fluide venant impacter le chevron vient impacter en même temps les deux extrémités libres des branches d’un même dispositif de perturbation ;
- la valeur de la hauteur de la pointe est égale ou sensiblement égale à deux fois la valeur de la hauteur d’une extrémité libre d’une branche ;
- alternativement, la valeur de la hauteur de la pointe est égale ou sensiblement égale à la moitié de la valeur de la hauteur d’une extrémité libre d’une branche, la valeur de la largeur de chacune des branches à la pointe étant alors égale ou sensiblement égale à deux fois la valeur de la largeur d’une extrémité libre d’une branche ;
- la valeur de la hauteur de la pointe est égale ou sensiblement égale à la somme des valeurs de hauteur de chacune des extrémités libres d’une branche ;
- dans ce qui précède, et par la suite, « sensiblement égale » signifie ici que la valeur d’une hauteur de la pointe peut ne pas être deux fois supérieure à la valeur de la hauteur d’une extrémité libre d’une branche mais comprise dans une plage de valeurs entourant à 3% près la valeur représentative du double de la hauteur d’une extrémité libre d’une branche ; cette différence est notamment prévue pour prendre en compte les tolérances de fabrication du tube ou de l’un de ses éléments ;
- le passage entre la hauteur de la pointe et la hauteur différente de l’extrémité libre d’une branche se fait de manière progressive, c’est-à-dire que le passage de la pointe à l’extrémité libre d’une branche forme une rampe régulière ;
- le tube comprend une pluralité de dispositifs de perturbation pour lesquels la valeur de la hauteur de la pointe est supérieure à la valeur de la hauteur de chacune des extrémités libres des branches ;
- les dispositifs de perturbation sont agencés en série entre une première extrémité longitudinale du tube et une deuxième extrémité longitudinale du tube, au moins une des valeurs de hauteur augmentant d’un dispositif à l’autre de ladite série ;
- la première extrémité longitudinale du tube est une extrémité amont du tube, la deuxième extrémité longitudinale du tube étant une extrémité aval du tube, selon le sens de circulation du fluide au sein du tube ;
- les dispositifs de perturbation sont agencés en série entre une première extrémité longitudinale du tube et une deuxième extrémité longitudinale du tube, la valeur de la hauteur de la pointe et la valeur de la hauteur de chacune des extrémités libres des branches augmentant d’un dispositif à l’autre de ladite série ;
- un premier dispositif de perturbation est agencé dans un premier sens, un deuxième dispositif de perturbation étant agencé dans un deuxième sens opposé au premier sens, et dans lequel, un dispositif de perturbation étant défini par une surface d’attaque qui est la surface du dispositif de perturbation exposée la première au fluide s’écoulant au sein du tube, la surface d’attaque du premier dispositif de perturbation est égale à la surface d’attaque du deuxième dispositif de perturbation ;
- la surface d’attaque des dispositifs de perturbation augmente entre une première extrémité longitudinale du tube et une deuxième extrémité longitudinale du tube ;
- la valeur de la hauteur de la pointe est comprise entre 0,1 et 0,5 millimètres. Préférentiellement, la valeur de la hauteur de la pointe est comprise entre 0,3 et 0,5 millimètre, la valeur de l’extrémité libre d’une branche étant comprise entre 0,15 et 0,25 millimètre ;
- une branche étant défini par une longueur comprise entre 1,55 et 30 millimètres ; la longueur est mesurée depuis une première extrémité d’une branche jusqu’à une deuxième extrémité de la même branche rejoignant l’autre branche pour former la pointe ;
- la première branche du chevron présente la même longueur que la deuxième branche ;
- les branches du chevron de tous les dispositifs de perturbation ont la même longueur ;
- une branche du chevron formant le dispositif de perturbation est agencée selon un angle d’écartement par rapport à un sens d’écoulement du fluide compris entre 20 et 160° ;
- les deux branches du chevron formant le dispositif de perturbation sont agencées par rapport au sens d’écoulement du fluide selon le même angle ;
- les branches des chevrons formant les dispositifs de perturbation sont toutes disposées par rapport au sens d’écoulement du fluide selon le même angle ;
- l’angle selon lequel les branches des dispositifs de perturbation du tube sont disposées par rapport au sens d’écoulement du fluide diminue progressivement entre l’extrémité amont et l’extrémité aval ; l’extrémité amont et l’extrémité aval du tube sont identifiées par rapport au sens d’écoulement du fluide au sein du tube ; cette diminution peut être constante, la différence de l’angle entre deux chevrons consécutifs étant égale quels que soient les chevrons consécutifs concernés, ou être progressive, la diminution étant plus importante à mesure que l’on se rapproche de l’une ou de l’autre des extrémités du tube ;
- le dispositif de perturbation est défini par une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 millimètres ; l’épaisseur est mesurée entre un plan passant par le milieu de la branche au sommet du dispositif de perturbation et un plan parallèle passant par un bord de jonction du dispositif de perturbation avec la paroi du tube correspondante ;
- les chevrons de tous les dispositifs de perturbation ont la même épaisseur ;
- les dispositifs de perturbation sont disposés sur au moins une paroi du tube ;
- les dispositifs de perturbation sont disposés sur deux parois en regard du tube ;
- les dispositifs de perturbation sont agencés en alternance sur une paroi supérieure et sur une paroi inférieure opposée, en étant tous agencés à l’intérieur du canal défini entre ces deux parois ;
- le chevron formant le dispositif de perturbation agencé sur une première paroi est orienté dans un sens opposé à un sens dans lequel est orienté le chevron formant un dispositif de perturbation sur la deuxième paroi ;
- les dispositifs de perturbation sont alignés selon la direction longitudinale du tube en au moins deux lignes, un écartement entre deux lignes successives étant compris entre 1,5 et 30 millimètres ; l’écartement correspond à la distance entre deux lignes adjacentes de dispositifs de perturbation, agencées sur la même paroi du tube ; l’écartement entre deux lignes adjacentes se mesure entre la pointe d’un chevron formant un dispositif de perturbation d’une première ligne et la pointe d’un chevron formant un dispositif de perturbation de la deuxième ligne ; avantageusement, la distance interligne est comprise entre 3 et 5 millimètres ;
- l’écartement entre deux lignes de dispositifs de perturbation est identique sur tout le tube, et plus particulièrement, l’écartement entre deux lignes adjacentes est constant de l’extrémité amont du tube à l’extrémité avale du tube ;
- l’écartement entre toutes les lignes est identique, c’est-à-dire que l’écartement entre deux lignes adjacentes est le même quelles que soient les lignes adjacentes considérées ;
- les dispositifs de perturbation d’au moins une première ligne sont agencés avec un décalage longitudinal par rapport aux dispositifs de perturbation d’au moins une deuxième ligne ;
- deux dispositifs de perturbation successifs d’une même ligne sont espacés d’un pas compris entre 1,5 et 30 millimètres ; le pas se mesure entre la pointe d’un chevron d’un premier dispositif de perturbation et la pointe d’un chevron d’un deuxième dispositif de perturbation adjacent du premier dispositif de perturbation ; avantageusement, le pas entre deux dispositifs de perturbation agencés consécutivement sur une même ligne est compris entre 5 et 10 millimètres ;
- le pas entre les chevrons d’une même ligne est identique pour chaque série de chevrons d’une même ligne ;
- le pas entre les chevrons augmente progressivement entre l’extrémité amont du tube et l’extrémité aval du tube ;
- le dispositif de perturbation est issu de matière avec le tube le portant ; en d’autres termes, le tube et le dispositif de perturbation sont fabriqués à partir du même bloc de matière, l’un ne pouvant être séparé de l’autre sans entraîner la destruction du tube ;
- le dispositif de perturbation est fabriqué par emboutissage, par estampage, ou par fabrication additive métallique ;
- le tube comporte une paroi intermédiaire divisant le conduit interne défini à l’intérieur du tube en deux sous-canaux ; les chevrons formant dispositifs de perturbation sont agencés sur l’un et l’autre des sous-canaux ; les chevrons sont agencés symétriquement, par rapport à la paroi intermédiaire, dans l’un et l’autre des sous-canaux.
L’invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes dont l’un au moins est conforme au tube décrit ci-dessus, les tubes définissant d’une part en interne un circuit de circulation pour un fluide apte à être perturbé sur son passage par la présence desdits chevrons formant dispositif de perturbation et définissant d’autre part entre eux un circuit de circulation pour de l’air. L’invention concerne enfin l’utilisation de cet échangeur de chaleur en tant que refroidisseur à air.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique, vue de face, d’un échangeur de chaleur constitué d’une pluralité de tubes selon l’invention,
- la figure 2 est une vue en perspective d’un tube selon l’invention,
- la figure 3 est une vue en coupe d’un tube selon l’invention, vue selon un plan perpendiculaire à la direction longitudinale du tube,
- la figure 4 est une vue de dessus d’un dispositif de perturbation équipant un tube selon l’invention,
- la figure 5 est une vue schématique de côté du dispositif de perturbation de la figure 4, légèrement en perspective pour rendre visible la branche opposée du chevron formant le dispositif de perturbation,
- la figure 6 est une vue en perspective, de dessus, d’un tube selon l’invention, la paroi inférieure du tube et les dispositifs de perturbation qui y sont ménagés, ainsi qu’une paroi intermédiaire ménagée entre les parois inférieure et supérieure étant représentés en traits fins par transparence,
- la figure 7 est une vue de dessus d’une face intérieure du tube, illustrant une variante d’agencement des dispositifs de perturbation sur une face du tube.
faut tout d’abord noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
Dans la suite de la description, les dénominations longitudinales, verticales ou transversales, dessus, dessous, devant, derrière se réfèrent à l’orientation de l’échangeur de chaleur selon l’invention. La direction longitudinale correspond à l'axe principal de l’échangeur de chaleur dans lequel sa plus grande dimension s’étend. La direction verticale correspondant au sens d’empilement des tubes constituant l’échangeur de chaleur, la direction transversale étant la direction perpendiculaire aux deux autres. Les directions longitudinale, transversale et verticale sont également visibles dans un trièdre L, V, T représenté sur les figures.
Les termes amont et aval s’apprécient par rapport à la direction d’écoulement du fluide circulant au sein du tube de l’invention.
La figure 1 montre un échangeur de chaleur 1 selon l’invention configuré pour équiper la face avant d’un véhicule, notamment pour un véhicule automobile, et pour permettre notamment un échange de calories entre deux fluides parmi lesquels à titre d’exemple un fluide et un flux d’air. L’échangeur de chaleur comprend une pluralité de tubes 2 selon l’invention, au sein desquels circule le fluide. Les tubes 2 sont disposés parallèlement les uns aux autres selon une direction d’empilement D, ici verticale, et délimitent une pluralité de conduits dans lesquels peut circuler le fluide.
L’espace entre deux tubes 2 selon l’invention successifs délimite un espace 10 où peut circuler un flux d’air en vue d’échanger des calories avec le fluide circulant dans les tubes 2. Afin d’augmenter les échanges thermiques entre le fluide et le flux d’air, des dissipateurs 8 en forme d’ailettes sont agencés dans l’espace où circule le flux d’air. Ces dissipateurs 8 ont pour rôle d’augmenter la surface de contact avec le flux d’air pour optimiser les échanges de chaleur entre fluide et flux d’air. Afin de faciliter la lecture de la figure 1 et l’empilement vertical des tubes, les dissipateurs 8 n’ont été représentés que partiellement, étant entendu qu’ils peuvent s’étendre sur toute la dimension longitudinale des tubes entre lesquels ces dissipateurs sont agencés.
Chaque tube 2 selon l’invention est connecté à un premier collecteur 12 et à un deuxième collecteur 14 par l’intermédiaire desquels le fluide est amené à circuler et à alimenter les tubes. Le premier collecteur 12 est agencé pour répartir le fluide entrant dans l’échangeur de chaleur 1 dans les différents tubes 2 constituant ledit échangeur. Le deuxième collecteur 14 est agencé pour collecter le fluide ayant traversé les tubes 2 pour le faire sortir hors de l’échangeur de chaleur 1. Les premier et deuxième collecteurs 12 et 14 sont opposés l’un à l’autre par rapport à l’empilement de tubes 2, chaque tube s’étendant longitudinalement de sorte à être relié à une première extrémité au premier collecteur et à une deuxième extrémité au deuxième collecteur.
L’échangeur de chaleur 1 comprend par ailleurs des moyens de mise en relation de ces collecteurs avec un circuit du fluide extérieur à l’échangeur de chaleur 1 et ici non représenté. Le premier collecteur 12 est ainsi connecté à un premier embout de raccordement 16 par lequel le fluide peut entrer dans l’échangeur de chaleur 1, le deuxième collecteur 14 étant connecté à un deuxième embout de raccordement 18 par lequel le fluide peut sortir de l’échangeur de chaleur 1.
La figure 2 montre un tube 2 constitutif de l’invention. Ce tube 2, de section essentiellement rectangulaire, comprend une première extrémité longitudinale 20 du tube 2, qui est une extrémité amont, et une deuxième extrémité longitudinale 22 du tube 2, qui est une extrémité aval, l’amont et l’aval étant définis par rapport à un sens d’écoulement E du fluide au sein du tube 2. L’extrémité amont 20 du tube 2 est connectée au premier collecteur 12 et l’extrémité aval 22 est connectée au deuxième collecteur 14.
Le tube 2 selon l’invention est spécifique en ce qu’il comporte une pluralité de dispositifs de perturbation 4 de l’écoulement des fluides au sein de ce tube 2, formés respectivement par un enfoncement local d’une paroi du tube vers l’intérieur du tube, certains de ces dispositifs de perturbation étant visibles sur la figure 2. La forme et l’agencement particuliers des dispositifs de perturbation seront décrits plus en détails ciaprès.
Le tube 2 selon l’invention peut éventuellement comprendre au moins une nervure 24, agencée en travers du tube le long de sa direction d’allongement, par exemple lorsque le tube est réalisé par fabrication additive. La ou les nervures participent à augmenter la résistance mécanique du tube 2. Dans l’exemple illustré, le tube 2 comprend quatre nervures 24 disposées à intervalles réguliers, séparant le tube 2 en des portions de longueur égale. 11 convient de noter que les dispositifs de perturbations 4 sont préférentiellement agencés sur le tube 2 entre deux nervures 24.
La figure 3 illustre l’agencement de l’intérieur d’un tube 2 selon l’invention. Le tube 2 présente une forme de section sensiblement rectangulaire définie par deux grandes parois, parmi lesquelles une paroi inférieure 26 et une paroi supérieure 28, et deux parois de liaison agencées aux extrémités opposées de ces grandes parois et reliant respectivement une grande paroi à l’autre pour fermer le tube 2, parmi lesquelles une première paroi verticale 30 et une deuxième paroi verticale 32. Les deux grandes parois s’étendent dans un plan défini par la direction longitudinale et la direction transversale, et les parois de liaison prolongent verticalement les bords d’extrémités transversales des grandes parois, le tube étant ouvert à ses extrémités longitudinales pour permettre la circulation du fluide d’un collecteur à l’autre.
La paroi supérieure 28 s’étend principalement dans un plan parallèle au plan dans lequel s’étend principalement la paroi inférieure 26, et les parois de liaison verticales 30, 32, s’étendent selon des directions parallèles l’une de l’autre, étant entendu, tel que cela est visible sur la figure 3, que ces parois de liaison peuvent prendre pour des raisons de procédé de fabrication une forme de demi-cercle.
Cet ensemble de paroi délimite une section de passage du fluide. Le tube est ainsi caractérisé par un diamètre hydraulique compris entre 1,2 et 2 millimètres. Ce diamètre hydraulique est calculé en excluant la déformation aboutissant à la formation des dispositifs de perturbation.
Une paroi intermédiaire de liaison 34 relie la paroi supérieure 28 et la paroi inférieure 26 en séparant le tube 2 en deux sous-canaux, un premier sous-canal 36 et un deuxième sous-canal 38. La paroi intermédiaire de liaison 34 est avantageusement perpendiculaire aux grandes parois 26, 28. Cette paroi de liaison, intermédiaire en ce qu’elle est agencée à l’intérieur du tube entre les parois de liaison verticales 30, 32, est équidistante de la première paroi verticale 30 et de la deuxième paroi verticale 32. Le premier sous-canal 36 et le deuxième sous-canal 38 présentent ainsi des dimensions équivalentes, chaque sous-canal étant défini par les deux grandes parois 26, 28, la paroi intermédiaire de liaison 34, et soit la première paroi verticale 30 soit la deuxième paroi verticale 32.
Le tube 2 constitutif de l’invention présente une pluralité de dispositifs de perturbation 4. Les dispositifs de perturbation 4 s’étendent depuis la paroi du tube qui les porte, c’est-à-dire la paroi inférieure 26 et/ou la paroi supérieure 28, vers l’intérieur du tube 2, c’est-à-dire au moins partiellement en travers du conduit défini par le premier sous-canal 36 ou le deuxième sous-canal 38. Dans l’exemple illustré à la figure 3, pour le plan de coupe donné, des dispositifs de perturbation 4 s’étendent depuis la paroi supérieure 28 du tube 2 dans le premier sous-canal 36, et des dispositifs de perturbation s’étendent depuis la paroi inférieure 26 du tube 2 dans le deuxième sous-canal 38.
On va décrire plus particulièrement les dispositifs de perturbation s’étendant en saillie de la paroi supérieure 28 du tube 2, en notant à cet effet que la paroi supérieure 28 comprend une face intérieure 280, tournée vers l’intérieur du tube, et une face extérieure 282 tournée vers l’extérieur du tube.
convient de noter sur la figure 3 que les dispositifs de perturbation 4 sont disposés avec une alternance longitudinale, aussi bien pour deux dispositifs de perturbation agencés sur la paroi supérieure puis la paroi inférieure d’un même sous-canal, que pour deux dispositifs de perturbation agencés sur une même grande paroi pour déboucher dans le premier sous-canal puis dans le deuxième sous-canal.
La figure 4 illustre plus en détail la forme d’un dispositif de perturbation 4 selon l’invention. Le dispositif de perturbation 4 présente la forme d’un chevron 43, c’est-à-dire qu’il présente une forme de « V » lorsqu’il est vu de dessus. Le chevron 43 comprend ainsi deux branches, une première branche 44 et une deuxième branche 46, correspondant aux deux branches du « V », les deux branches du chevron 43 se rejoignant en une pointe 48. Chaque branche comprend une extrémité libre et une deuxième extrémité opposée à l’extrémité libre, les deuxièmes extrémités des branches étant en contact l’une de l’autre de manière à former la pointe 48 du chevron 43.
Tel que cela est visible sur les figures 3 et 4 notamment, le dispositif de perturbation 4 présente une forme évasée à sa base, le dispositif de perturbation 4 présente une forme évasée à sa base, de sorte que le dispositif de perturbation va en s’agrandissant du sommet 40 à sa base formée ici par la paroi supérieure 28 du tube 2, cet évasement étant notamment dimensionné par les contraintes de process de fabrication. Les dimensions de la première branche et de la deuxième branche formant le « V » du chevron sont définies au niveau du sommet 40 du dispositif de perturbation. Le sommet 40 du dispositif de perturbation 4 est le point du dispositif de perturbation 4 le plus éloigné de la paroi qui porte le dispositif de perturbation 4, étant entendu qu’il est également le point du dispositif de perturbation 4 le plus à l’intérieur du tube et du sous-canal 36, 38 correspondant.
Au niveau du sommet 40 du dispositif de perturbation, la longueur d’une branche est mesurée entre la première extrémité de la branche et la deuxième extrémité de la branche. Ainsi, une première longueur 444 de la première branche 44 est mesurée entre une extrémité libre 440 de la première branche 44 et une deuxième extrémité 442 de la première branche 44. Une deuxième longueur 464 de la deuxième branche 46 est mesurée entre une extrémité libre 460 de la deuxième branche 46 et une deuxième extrémité 462 de la deuxième branche 46.
Une branche du dispositif de perturbation selon l’invention a une longueur comprise entre 1,55 millimètre et 30 millimètres. Dans l’exemple exposé ici, la première longueur 444 de la première branche 44 est égale à la deuxième longueur 464 de la deuxième branche 46, étant entendu que ces longueurs pourraient être différentes l’une de l’autre.
Par ailleurs, une épaisseur 50 du dispositif de perturbation 4 est mesurée entre un plan perpendiculaire à la paroi du tube correspondante, ici la paroi supérieure 28, et passant par le milieu de la branche au sommet du dispositif de perturbation, et un plan parallèle passant par un bord de jonction 52 du dispositif de perturbation 4 avec la paroi du tube correspondante. Une branche du dispositif de perturbation selon l’invention peut notamment avoir une épaisseur 50 comprise entre 0,5 et 5 millimètres. Dans l’exemple illustré, l’épaisseur 50 de la première branche 44 est égale à l’épaisseur 50 de la deuxième branche 46, étant entendu que ces épaisseurs pourraient être différentes l’une de l’autre.
La figure 4 illustre en outre l’angle d’ouverture d’un dispositif de perturbation selon l’invention, avec un angle 54, 56 défini entre une branche du chevron et une droite définie par le sens d’écoulement E. Selon l’orientation que l’on souhaite donner au chevron par rapport au sens d’écoulement du fluide, tel que cela sera décrit ci-après, cet angle peut être compris entre 20° et 160°. Dans l’exemple illustré, la première branche 44 et la deuxième branche 46 sont disposées par rapport au sens d’écoulement E du fluide avec un angle égal, ici égal à 60°, étant entendu que les angles pourraient présenter des valeurs différentes créant une dissymétrie du dispositif de perturbation.
Selon l’invention, le tube comprend au moins un dispositif de perturbation (4) consistant en un enfoncement local d’une paroi du tube vers l’intérieur du tube (42) et présentant la forme d’un chevron (43), laquelle forme de chevron ayant un paramètre géométrique avec une valeur qui évolue entre la pointe (48) et chacune des extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46). Ce paramètre géométrique qui évolue le long de la forme de chevron peut être notamment :
la largeur de chacune des branches, la valeur de la largeur de chacune des branches à la pointe (48) étant supérieure à la valeur de la largeur de chacune des extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46) ; et/ou l’angle formé entre les branches du chevron, la valeur de l’angle à la pointe (48) étant inférieure à la valeur de l’angle aux extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46) ; et/ou la hauteur du chevron, la valeur de la hauteur à la pointe (48) étant supérieure à la valeur de la hauteur (424) de chacune des extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46).
La figure 5 illustre plus particulièrement les caractéristiques relatives à la hauteur d’un dispositif de perturbation 4.
Une hauteur du dispositif de perturbation 4 est mesurée entre la face intérieure 280 de la paroi du tube 2, depuis laquelle s’étend le dispositif de perturbation 4, et un sommet qui s’étend en saillie de la face intérieure 280, la hauteur étant mesurée selon une direction perpendiculaire à la face intérieure 280 de la paroi.
Selon l’invention, la hauteur du dispositif de perturbation 4 n’est pas égale en tout point du dispositif de perturbation 4. Plus particulièrement, la hauteur du dispositif de perturbation 4 est variable en ce que, au niveau de sa pointe 48, la hauteur présente une valeur différente de la valeur de hauteur du dispositif de perturbation 4 au niveau de l’extrémité libre 440, 460 d’au moins une branche 44, 46.
Tel qu’illustré sur la figure 5, une hauteur 420 de la pointe 48 est mesurée entre la face intérieure 280 de la paroi du tube 2 et un sommet 422 de la pointe 48, selon une direction perpendiculaire à la face intérieure 280 de la paroi. Et une hauteur 424 d’une extrémité libre 440, 460 d’une branche 44, 46 est mesurée entre la face intérieure 280 de la paroi du tube 2 et un sommet 426 de l’extrémité libre 440, 460 d’une branche 44, 46, selon une direction perpendiculaire à la face intérieure 280 de la paroi.
La valeur de la hauteur 420 de la pointe 48 est comprise entre 0,1 millimètre et 0,5 millimètre. Avantageusement, la valeur de la hauteur 420 de la pointe 48 est comprise entre 0,3 et 0,5 millimètres. La hauteur 424 d’une extrémité libre 440, 460 d’une branche 44, 46 est égale ou essentiellement égale à la moitié de la valeur de la hauteur 420 de la pointe 48. A ce titre, la valeur de la hauteur 424 d’une extrémité libre 440, 460 d’une branche 44, 46 est comprise entre 0,05 et 0,25 millimètres. De la sorte, la hauteur du dispositif de perturbation au niveau de sa pointe présente une valeur supérieure à la valeur de hauteur du dispositif de perturbation 4 au niveau de chacune des extrémités libres 440, 460 des branches 44, 46. Plus particulièrement, la hauteur variable du dispositif de perturbation peut être avantageusement telle que la hauteur du dispositif de perturbation au niveau de sa pointe est égale à la somme des valeurs de hauteur du dispositif de perturbation 4 au niveau de chacune des extrémités libres 440, 460 des branches 44, 46.
La transition entre le sommet 422 de la pointe 48 et le sommet 426 d’une extrémité libre 440, 460 d’une branche 44, 46 est faite par une rampe 428 régulière. Par régulière, on entend que la rampe 428 décrit une ligne droite entre le sommet 422 de la pointe 48 et le sommet 426 d’une extrémité libre 440, 460 d’une branche 44, 46.
Tel que cela a été précisé précédemment, un dispositif de perturbation 4 est agencé dans un canal de circulation de fluide dans le tube pour perturber le fluide et on peut de la sorte définir sur ce dispositif de perturbation une surface d’attaque et une surface de fuite, la surface d’attaque étant la surface du dispositif de perturbation 4 exposée la première au fluide s’écoulant au sein du tube 2 et la surface de fuite étant la surface opposé selon le sens d’écoulement du fluide.
En fonction de son orientation dans le tube 2, la surface d’attaque du dispositif de perturbation 4 est soit une première surface 430 continue , définie par la surface évasée autour de la pointe lorsque cette pointe 48 du dispositif de perturbation 4 est agencée en amont du dispositif de perturbation 4 par rapport au sens d’écoulement du fluide au sein du tube 2, soit une deuxième surface 432 discontinue définie par la somme des surfaces évasées autour des extrémités libres des branches lorsque ces extrémités libres sont agencées en amont du dispositif de perturbation 4 par rapport au sens d’écoulement du fluide au sein du tube 2.
Pour un dispositif de perturbation 4 considéré, la première surface 430 continue, formant surface d’attaque ou surface de fuite selon l’orientation du dispositif de perturbation dans le tube, présente une superficie de valeur égale à la valeur de la superficie de la deuxième surface 432 discontinue, obtenue par la somme des superficies de chacune des surfaces définies autour d’une extrémité libre 440, 460 de branche du dispositif de perturbation 4. En d’autres termes, l’étendue de la surface d’attaque d’un dispositifde perturbation 4 est la même que l’étendue de la surface de fuite de ce dispositifde perturbation, et donc la surface d’attaque reste la même quelle que soit l’orientationdu dispositif de perturbation par rapport au sens d’écoulement du fluide au sein du tube 2.
De la sorte, on peut prévoir une pluralité de dispositifs de perturbation dans le canal de circulation de fluide formé à l’intérieur du tube, de sorte qu’un premier dispositif de perturbation soit agencé dans le tube dans un premier sens, par exemple dans le sens d’écoulement du fluide avec les extrémités libres des branches situées en amont et atteintes en premier par le fluide et avec la pointe située en aval, et qu’un deuxième dispositif de perturbation soit agencé dans un deuxième sens opposé au premier sens, et de sorte que la surface d’attaque du premier dispositif de perturbation est égale à la surface d’attaque du deuxième dispositif de perturbation.
en résulte une homogénéité dans la perturbation de l’écoulement qui permet d’assurer un échange de chaleur homogène et donc efficace.
La figure 6 illustre l’agencement de l’intérieur d’un tube 2 selon l’invention, en vue de dessus rendant visible la paroi supérieure 28 du tube et les dispositifs de perturbation 4 qui y sont disposés. Afin de faciliter la compréhension de l’agencement de ces dispositifs de perturbation, il a également été représenté sur cette figure 6, en transparence car masqués par la paroi supérieure 28, la paroi inférieure 26 et les dispositifs de perturbation 4 qui y sont disposés, ainsi que la paroi intermédiaire 34. De la sorte, sur cette figure 6, les dispositifs de perturbation agencés sur la paroi inférieure 26 sont dessinés en traits fins tandis que les dispositifs de perturbation agencés sur la paroi supérieure 28 sont dessinés en traits épais.
Quelle que soit la paroi sur laquelle les dispositifs de perturbation 4 sont agencés, les dispositifs de perturbation 4 s’étendent vers l’intérieur du tube 2 et en travers de la circulation de fluide dans l’un ou l’autre des sous-canaux 36, 38.
Longitudinalement, c’est-à-dire le long du sens d’écoulement E du fluide à l’intérieur du tube, et plus particulièrement à l’intérieur d’un sous-canal, les dispositifs de perturbation sont dans l’exemple illustré alternés sur la paroi supérieure 28 et la paroi inférieure 26. Le fluide est ainsi amené à être brassé par un dispositif de perturbation ménagé en saillie de la paroi supérieure, et donc être dirigé vers la paroi inférieure, pour y rencontrer ensuite le dispositif de perturbation suivant, ménagé en saillie de cette paroi inférieure.
Les dispositifs de perturbation 4 selon l’invention sont agencés en saillie d’une paroi du tube selon une orientation qui peut être fonction du sens d’écoulement E, matérialisé par une flèche notamment sur la figure 4. Afin d’améliorer le brassage du fluide à l’intérieur du sous-canal correspondant, les dispositifs de perturbation ménagés en saillie de la paroi inférieure 26 sont disposés dans un premier sens et les dispositifs de perturbation ménagés en saillie de la paroi supérieure 28 sont disposés dans un deuxième sens opposé au premier sens. En d’autres termes, les chevrons formant les dispositifs de perturbation ménagés en saillie de la paroi inférieure 26 pointent vers l’extrémité aval 22 du tube 2, de sorte que leur pointe 48 est atteinte en dernier par le fluide traversant le sous-canal dans lequel dépasse le dispositif de perturbation, tandis que les chevrons formant les dispositifs de perturbation ménagés en saillie de la paroi supérieure 28 pointent vers l’extrémité amont 20 du tube 2, de sorte que leur pointe 48 est atteinte en premier par le fluide traversant le sous-canal dans lequel dépasse le dispositif de perturbation.
en résulte une double alternance dans la disposition des chevrons formant les dispositifs de refroidissement le long d’un même sous-canal. Le long du sens d’écoulement du fluide, un premier chevron est ménagé en saillie d’une première des grandes parois, dans un premier sens, puis un deuxième chevron est ménagé en saillie de la deuxième des grandes parois, dans un deuxième sens, puis un troisième chevron est ménagé en saillie de nouveau de la première des grandes parois, dans un premier sens, etc...
On comprend que cette double alternance participe au brassage du fluide à l’intérieur du sous-canal sans pour autant générer de perte de charge. Le cas échéant, il pourrait être choisi d’orienter tous les chevrons, aussi bien ceux ménagés en saillie de la paroi inférieure que ceux ménagés en saillie de la paroi supérieure, dans le même sens de circulation du fluide.
La figure 7 illustre une variante d’agencement des dispositifs de perturbation 4 sur le tube 2 selon l’invention.
Les dispositifs de perturbation 4 sont alignés selon la direction longitudinale L du tube 2 en trois lignes 80, alors qu’ils étaient agencés en deux lignes par sous-canaux dans l’agencement illustré sur la figure 6 par exemple. Deux lignes 80 adjacentes sont séparées par un interligne 82, mesurée entre une première ligne 84 et une deuxième ligne 86 selon une direction perpendiculaire à la première ligne 84. L’écartement de deux lignes adjacentes, correspondant à la valeur de cette distance interligne 82, est compris entre 1,5 et 30 millimètres. Avantageusement, la distance interligne 82 a une valeur comprise entre 3 et 5 millimètres. Dans l’exemple décrit ici, l’écartement est identique entre chacune des lignes de dispositifs de perturbation adjacentes.
Les dispositifs de perturbation 4 sont agencés en série dans chacune des lignes 80 avec un pas 90 entre chaque dispositif de perturbation d’une même ligne qui est ici compris entre 1.5 et 30 millimètres. Avantageusement, le pas 90 a une valeur comprise entre 5 et 10 millimètres. Le pas est mesuré entre la pointe 48 de deux chevrons successifs d’une même ligne. Dans l’exemple décrit ici, le pas 90 est identique sur toute la ligne 80. La présence d’un pas identique entre des chevrons successifs d’une même ligne de dispositifs de distribution est notamment applicable aux agencements de chevrons décrits précédemment.
Les dispositifs de perturbation 4 d’une première ligne 84 sont décalés longitudinalement par rapport aux dispositifs de perturbation 4 d’une deuxième ligne 86 immédiatement voisine. Dans cette disposition, une section du tube 2 comprend un unique dispositif de perturbation 4. Une section du tube 2 est une section transversale du tube, c’est-à-dire s’étendant entre un premier plan perpendiculaire à la direction d’écoulement du fluide le long du tube, et un deuxième plan perpendiculaire à la direction d’écoulement du fluide et parallèle au premier plan. Une distance séparant les deux plans est au moins égale à
Les dispositifs de perturbation 4 de deux lignes adjacentes ne sont pas alignés, au moins un dispositif de perturbation 4 d’une première ligne 84 étant agencé par rapport à un autre dispositif de perturbation d’une deuxième ligne 84 avec un décalage longitudinal 96. Ce décalage longitudinal 96 est mesuré entre un premier plan transversal passant par la pointe 48 d’un chevron agencé en n-ième d’une première ligne 84 de dispositifs de perturbation 4 et un deuxième plan transversal passant la pointe 48 d’un chevron agencé en n-ième d’une deuxième ligne 84 de dispositifs de perturbation 4 immédiatement voisine. Le décalage longitudinal 96 est d’au moins la valeur du pas 90 pour une ligne de dispositifs de perturbation.
Les valeurs données aussi bien pour le dimensionnement et l’orientation des chevrons, que pour l’écartement et le positionnement des chevrons entre eux, permettent l’obtention d’une circulation de fluide suffisamment perturbée pour faciliter les échanges thermiques avec l’air, mais dans des proportions minimisant les pertes de charge. Ces valeurs pourraient le cas échéant être différentes de celles prescrites dès lors que la présence de ces chevrons dans le tube permet la mise en forme souhaitée du flux de fluide à l’intérieur du tube.
Le tube 2 selon l’invention est fabriqué à partir d’une feuille d’un matériau agencé pour autoriser des échanges thermiques suffisant pour permettre à l’échangeur de chaleur 1 de remplir son rôle. 11 peut notamment s’agir d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium.
Les dispositifs de perturbation 4 sont emboutis, estampés sur la matrice définie par la feuille, avant que celle-ci ne soit pliée pour donner le tube 2 selon l’invention. Le tube 2 est ensuite brasé, seul ou avec d’autres tubes 2 identiques, afin de figer la forme définitive. Les dissipateurs 8 peuvent également être brasés aux tubes 2 pendant cette opération, ou être rapportés au cours d’une étape ultérieure. L’échangeur de chaleur 1 peut ensuite être monté en reliant les tubes 2 au premier collecteur 12, au deuxième collecteur 14, au premier manchon 16 et au deuxième manchon 18, puis relié à un circuit de fluide.
Comme expliqué ci-dessus, d’autres procédés de fabrication peuvent être employés. On pourrait par exemple envisager que le tube 2 selon l’invention puisse être fabriqué par un procédé de fabrication additive.
Le fluide est un liquide caloporteur ou un mélange entre un ou plusieurs liquides caloporteurs et un ou plusieurs autres fluides, le ou les liquides caloporteurs étant sélectionnés parmi les liquides caloporteurs autorisés et adaptés à l’usage qui en est fait. Le ou les liquides caloporteurs peuvent notamment être de l’eau, de l’eau déionisée, un mélange de glycol et d’eau.
L’échangeur de chaleur 1 ainsi agencé est apte à fonctionner selon l’exemple suivant. Cet exemple n’est pas limitatif, d’autres fonctionnements peuvent être envisagés.
Le fluide circule au sein des tubes 2 formant l’échangeur de chaleur 1. Plus particulièrement, le fluide est admis dans le premier collecteur 12 via le premier manchon 16, le premier manchon 16 étant relié au circuit de fluide extérieur à l’échangeur de chaleur 1. A partir du premier collecteur 12, le fluide est réparti et circule au sein des différents tubes 2 de l’invention, et dans les cas illustrés où une paroi intermédiaire est ménagée à l’intérieur du tube, au sein des différents sous-canaux formés dans chacun de ces tubes. Le fluide circulant entre l’extrémité amont 20 et l’extrémité avale 22 des tubes 2 va être brassé par les dispositifs de perturbation 4 disposés au sein des tubes 2. Après sa circulation le long des tubes 2, le fluide est collecté dans le deuxième collecteur 14, puis envoyé dans le circuit extérieur par le biais du deuxième manchon 18.
D’autre part, un flux d’air circule dans l’espace 10 entre les tubes 2 de l’échangeur de chaleur 1. Le fluide va échanger des calories avec le flux d’air via les parois du tube 2 et les dissipateurs 8 agencés dans l’espace 10 entre les tubes 2.
Ainsi, dans un exemple de fonctionnement de l’échangeur de chaleur 1 agencé pour refroidir le fluide circulant dans l’échangeur de chaleur 1, le fluide circulant au sein des tubes 2 va transférer des calories aux parois du tube 2 puis aux dissipateurs 8 agencés en contact des parois du tube 2, de sorte que le flux d’air, au contact des dissipateurs 8, puisse absorber la chaleur diffusée par les dissipateurs 8, élevant ainsi sa température.
La description qui précède explique clairement comment l’invention permet d’atteindre les objectifs qu’elle s’est fixé et notamment de proposer un tube pour échangeur de chaleur comprenant au moins un dispositif de perturbation dont la forme, l’agencement sur les parois et l’orientation selon le sens d’écoulement du fluide dans ce tube permet de générer d’importantes perturbations de ce fluide pour augmenter la quantité d’échange de chaleur sans toutefois générer de pertes de charges importantes, en présentant des dispositifs de perturbation qui prennent respectivement la forme d’un chevron.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’ensemble de conduits de circulation ou à l’échangeur de chaleur qui viennent d’être décrits à titre d’exemple non limitatif, dès lors que l’on met en œuvre un dispositif de perturbation présentant la forme d’un chevron.
En tout état de cause, l’invention ne saurait se limiter au mode de réalisation spécifiquement décrit dans ce document, et s’étend en particulier à tous moyens équivalents et à toute combinaison techniquement opérante de ces moyens.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Tube (2) pour échangeur de chaleur comprenant au moins un dispositif de perturbation (4) de l’écoulement d’un fluide apte à s’écouler dans le tube (2), le dispositif de perturbation (4) consistant en un enfoncement local d’une paroi du tube vers l’intérieur du tube (42) et présentant la forme d’un chevron (43), le chevron (43) comprenant au moins une première branche (44) et une deuxième branche (46) s’écartant depuis une pointe (48) vers une extrémité libre (440, 460), caractérisé en ce qu’au moins un paramètre géométrique de la forme de chevron a une valeur qui évolue entre la pointe (48) et chacune des extrémités fibres (440, 460) des branches (44, 46).
- 2. Tube (2) selon la revendication précédente, dans lequel ledit au moins un paramètre géométrique qui évolue est la largeur de chacune des branches, la valeur de la largeur de chacune des branches à la pointe (48) étant supérieure à la valeur de la largeur de chacune des extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46).
- 3. Tube (2) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un paramètre géométrique qui évolue est l’angle formé entre les branches du chevron, la valeur de l’angle à la pointe (48) étant inférieure à la valeur de l’angle aux extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46).
- 4. Tube (2) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un paramètre géométrique qui évolue est la hauteur du chevron, la valeur de la hauteur à la pointe (48) étant supérieure à la valeur de la hauteur (424) de chacune des extrémités libres (440, 460) des branches (44, 46)·
- 5. Tube (2) selon la revendication précédente, dans lequel la valeur de la hauteur (420) de la pointe (48) est égale ou sensiblement égale à deux fois la valeur de la hauteur (424) d’une extrémité libre (440, 460) d’une branche (44, 46).
- 6. Tube (2) selon la revendication 4, dans lequel la valeur de la hauteur (420) de la pointe (48) est égale ou sensiblement égale à la somme des valeurs de hauteur (424) de chacune des extrémités libres (440, 460) d’une branche (44, 46).
- 7. Tube (2) selon la revendication précédente, dans lequel les dispositifs de perturbation (4) sont agencés en série entre une première extrémité longitudinale (20) du tube (2) et une deuxième extrémité longitudinale (22) du tube (2), au moins une des valeurs de hauteur (420, 424) augmentant d’un dispositif de perturbation (4) à l’autre de ladite série.
- 8. Tube (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la hauteur (420) de la pointe (48) est comprise entre 0,1 et 0,5 millimètres.
- 9. Tube (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les dispositifs de perturbation (4) sont alignés selon la direction longitudinale du tube (2) en au moins deux lignes (80), les dispositifs de perturbation d’au moins une première ligne (84) étant agencés avec un décalage longitudinal (96) par rapport aux dispositifs de perturbation (4) d’au moins une deuxième ligne (86).
- 10. Echangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes (2) dont l’un au moins est selon l’une quelconque des revendications précédentes, les tubes définissant d’une part en interne un circuit de circulation pour un fluide apte à être perturbé sur son passage par la présence desdits chevrons formant dispositif de perturbation et définissant d’autre part entre eux un circuit de circulation pour de l’air.
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