WO2002090860A1 - Echangeur de chaleur pour gaz - Google Patents

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grid
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Inventor
José Luis GARCIA BERNAD
Original Assignee
Valeo Termico S.A.
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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for gases, of the type comprising a plurality of conduits mounted in parallel in which circulate the gases to be cooled as well as an inlet manifold interposed between the inlet gas manifold. and the entrance to these conduits.
  • the gases circulate via a series of parallel tubes or conduits, which during this circulation are cooled by heat exchange with a refrigerant which circulates outside the conduits through which the gases pass.
  • these exchangers can be in the form of a bundle of tubes arranged inside a box in which the refrigerant is circulated, or they can be produced by a series of parallel plates which constitute the heat exchange surfaces, so that the exhaust gases and the refrigerant circulate alternately in the conduits formed between two plates.
  • the gases supplying the tube bundle or the exchanger conduits arrive via an inlet pipe; since the diameter of the inlet pipe is smaller than the diameter of the housing and of the tube bundle of the exchanger, between the two is interposed an inlet manifold which widens by gradually.
  • the distance between the gas inlet pipe and the tube bundle is generally reduced in order to prevent the exchanger from occupying too large a space; this has the consequence that the distribution of the gases is not made uniformly between all the tubes of the exchanger bundle and that a significant proportion of these gases pass through the tubes situated in the center of the bundle and only a small part of the gas passes through the outermost tubes.
  • the object of the present invention is to provide a solution to the drawbacks mentioned above, by proposing a heat exchanger having the same dimensions as those of a conventional exchanger but offering improved power and thermal efficiency with at the same time a reduced cost.
  • the heat exchanger according to the invention is characterized in that in the inlet manifold is placed, for example fixed, a diffuser element.
  • the diffuser element may be perforated.
  • the diffuser element is substantially flat.
  • the diffuser element is arranged substantially perpendicular to the direction of circulation of the gases to be cooled.
  • the distribution of gas in the ducts of the exchanger becomes uniform, thus resulting in better efficiency of the device; at the same time, in practice, the integration of this element in the conventional type exchanger is very simple due to its configuration, and it does not cause a significant increase in its cost.
  • this exchanger is particularly suitable for cooling the exhaust gases of vehicles which are equipped with exhaust gas recirculation systems towards the intake (EGR, "Exhaust Gas Recycling”).
  • such a diffuser comprises a plate provided with a plurality orifices.
  • the plate orifices can be either circular or polygon-shaped, and their size can vary from 1 to 20 mm.
  • this diffuser comprises a grid; preferably, this grid will be produced from a wire of 0.2 to 3 mm and a grid pitch of between 1 and 10 mm.
  • Figure 1 schematically shows the inlet side of a heat exchanger of a bundle of tubes according to the invention.
  • FIGS 2 and 3 show two other embodiments of the exchanger diffuser.
  • the exchanger of Figure 1 consists of a housing 1 comprising a bundle of parallel tubes 2, intended for the passage of the gases to be cooled. Inside the housing 1, outside the tubes 2, a refrigerant circulates from the inlet 3 to an outlet (not shown).
  • the gases to be cooled enter the exchanger through an inlet pipe 4 and via an inlet manifold 5, which gradually widens.
  • the housing 1 is cylindrical and the inlet manifold 5 therefore has a frustoconical shape.
  • a flat and perforated diffuser element is placed in the exchanger, which consists in Figures 1 and 2 in a plate 6 provided with a plurality of circular orifices 7 evenly distributed.
  • the gas flow which circulates via the inlet pipe 4 is deflected by the plate 6, this having the effect of distributing it in all directions so that a greater proportion of fluid reaches the tubes located most at the periphery of the beam .
  • the perforated plate 6 can be placed at any point of the inlet manifold 5, that is to say, more or less close to the inlet of the tubes 2; there can be between 1 and 200 orifices 7 on the plate 6, everything depends on the size of the exchanger, and each of them can have a diameter between 1 and 20 mm, preferably between 6 and 8 mm.
  • the orifices 7 can be distributed in different ways on the plate 6, and can have the shape of a polygon rather than that of a circle. It is also possible to associate orifices of different shapes on the same plate, for example to provide a larger passage section in certain areas rather than in others.
  • the thickness of the plate can vary between 0.5 mm and 3 mm approximately.
  • the diffuser 6 could consist of a grid 6 ', as shown in Figure 3, in place of the perforated plate.
  • the grid 6 ′ can be made of steel wire 8 whose diameter is between 0.2 mm and 6 mm and have a grid pitch between 1 and 10 mm; the step of grid is defined as the distance from one wire to another, that is to say the dimension of each hole in the grid.
  • the grid 6 has the same function as the plate 6: it distributes the gas flow so that it reaches all the tubes of the bundle in the same proportion.
  • the diffuser whether it is a perforated plate 6 or a grid 6 ′, is fixed to the inlet manifold 5, preferably by a few solder points, although it is possible to stick with a suitable adhesive or weld it with a supply of solder material. In some cases, it may be possible to manufacture the inlet manifold 5 directly with the diffuser 6,6 ', for example by molding.
  • the test was carried out with an exchanger with a shell diameter of 54 mm (case diameter), with a stainless steel diffuser 45 mm in diameter and 1 mm thick, placed 8 mm from the inlet. of the tube bundle.
  • the results of the test are shown in the following table.

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Abstract

Il comprend une pluralité de conduits parallèles (2) dans lesquels circulent les gaz à refroidir et une boîte collectric d'entrée (5) interposée entre une tubulure d'entrée (4) des gaz et l'entrée desdits conduits (2); caractérisé en ce qu'un élément diffuseur (6, 6') perforé et sensiblement plat est placé dans la boîte collectric d'entrée (5) et disposé sensiblement perpendiculairement au sens de circulation des gaz à refroidir. L'élément diffuseur peut être soit une plaque, soit une grille. L'élément diffuseur permet un meilleur rendement de l'appareil sans pour autant augmenter son prix et ses dimensions.

Description

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur pour les gaz, du type comprenant une pluralité de conduits montés en parallèle dans lesquels circulent les gaz devant être refroidis ainsi qu'une boîte collectrice d' entrée interposée entre la tubulure d' entrée des gaz et l'entrée de ces conduits.
Pour certains échangeurs de chaleur adaptés au refroidissement des gaz, par exemple ceux utilisés dans les systèmes de recirculation des gaz d'échappement vers l'admission d'un moteur à explosion, les deux milieux qui échangent de la chaleur sont séparés par une paroi.
Plus particulièrement, les gaz circulent via une série de tubes ou de conduits parallèles, qui au cours de cette circulation sont refroidis par échange thermique avec un réfrigérant qui circule à l'extérieur des conduits dans lesquels passe les gaz.
Il est connu de réaliser ces échangeurs suivant plusieurs configurations : par exemple ils peuvent se présenter sous la forme d'un faisceau de tubes disposés à l'intérieur d'un boîtier dans lequel on fait circuler le réfrigérant, ou bien ils peuvent être réalisés par une série de plaques parallèles qui constituent les surfaces d'échange de chaleur, de façon que les gaz d'échappement et le réfrigérant circulent alternativement dans les conduits formés entre deux plaques.
Les gaz alimentant le faisceau de tubes ou les conduits de l' échangeur arrivent par une tubulure d'entrée; étant donné que le diamètre de la tubulure d'entrée est inférieur au diamètre du boîtier et du faisceau de tubes de l' échangeur, entre les deux est interposée une boîte collectrice d'entrée qui s'élargit de manière progressive.
La distance entre la tubulure d'entrée des gaz et le faisceau de tubes est en général réduite afin d' éviter que l' échangeur n'occupe un espace trop important; ceci a pour conséquence que la répartition des gaz n'est pas faite de manière uniforme entre tous les tubes du faisceau de l' échangeur et qu'une proportion importante de ces gaz traverse les tubes situés au centre du faisceau et seulement une petite partie des gaz traverse les tubes les plus en périphérie.
Cette distribution non uniforme du fluide gazeux nuit clairement à la puissance et au rendement thermique de l' échangeur.
Certaines solutions tendant à augmenter le rendement de tels échangeurs ont déjà été étudiées, certaines incluant des déflecteurs présentant la forme d'une cloche située dans la boîte collectrice d'entrée de l' échangeur, lesquels tendent à orienter le fluide vers la périphérie du faisceau de tubes de l' échangeur.
Ces systèmes améliorent en effet le rendement de l' échangeur, mais ils augmentent son coût à cause de la difficulté à produire les déflecteurs et à les intégrer dans l' échangeur .
Le but de la présente invention est d'apporter une solution aux inconvénients mentionnés ci-dessus, en proposant un échangeur de chaleur présentant les mêmes dimensions que celles d'un échangeur conventionnel mais offrant une puissance et un rendement thermique amélioré avec en même temps un coût réduit .
L' échangeur de chaleur selon l'invention se caractérise par le fait que dans la boîte collectrice d'entrée est placé, par exemple fixé, un élément diffuseur.
Conformément à l'invention, l'élément diffuseur pourra être perforé.
Dans une forme de réalisation préférentielle, l'élément diffuseur est sensiblement plat.
Avantageusement, l'élément diffuseur est disposé sensiblement perpendiculairement au sens de circulation des gaz à refroidir.
Grâce à la présence de l'élément diffuseur plat et perforé, la distribution de gaz dans les conduits de l' échangeur devient uniforme, entraînant ainsi un meilleur rendement de l'appareil; en même temps, dans la pratique, l'intégration de cet élément dans l' échangeur de type classique est très simple de par sa configuration, et il ne provoque pas d'augmentation significative de son coût.
Un autre avantage à souligner est que les dimensions de l' échangeur ne changent pas, c'est-à-dire qu' on parvient à une meilleure distribution du fluide sans avoir à recourir à des boîtes collectrices d'entrée plus longues et qui occupent plus d'espace.
Pour cette raison, cet échangeur est particulièrement approprié pour le refroidissement des gaz d' échappement de véhicules qui sont équipés de systèmes de recirculation des gaz d'échappement vers l'admission (EGR, "Exhaust Gas Recycling").
Dans un premier mode de réalisation, un tel diffuseur comprend une plaque munie d'une pluralité d' orifices .
Les orifices de la plaque peuvent être soit circulaires soit en forme de polygone, et leur dimension peut varier de 1 à 20 mm.
Dans un second mode de réalisation, ce diffuseur comprend une grille; de préférence, cette grille sera réalisée à partir d'un fil de 0,2 à 3 mm et d'un pas de grille compris entre 1 et 10 mm.
Afin de mieux comprendre ce qui vient d' être exposé, des figures sont annexées qui permettent de manière schématique et à titre illustratif, de présenter un cas pratique de réalisation. Sur ces figures :
la figure 1 représente schématiquement le coté entrée d'un échangeur de chaleur d'un faisceau de tubes selon l'invention; et
les figures 2 et 3 représentent deux autres modes de réalisation du diffuseur de l' échangeur.
L' échangeur de la figure 1 est constitué d'un boîtier 1 comprenant un faisceau de tubes 2 parallèles, destiné au passage des gaz à refroidir. A l'intérieur du boîtier 1, à l'extérieur des tubes 2, circule un réfrigérant depuis l'entrée 3 jusqu'à une sortie (non représentée) .
Les gaz à refroidir entrent dans l' échangeur par une tubulure d'entrée 4 et via une boîte collectrice d'entrée 5, qui s'élargit progressivement. Dans le mode de réalisation représenté, le boîtier 1 est cylindrique et la boîte collectrice d'entrée 5 a de ce fait une forme tronconique. Conformément à l'invention, dans la boîte collectrice d'entrée 5, un élément diffuseur plan et perforé est placé dans l' échangeur, lequel consiste sur les figures 1 et 2 en une plaque 6 munie d'une pluralité d'orifices circulaires 7 répartis de manière régulière.
Le flux de gaz qui circule via la tubulure d'entrée 4 est dévié par la plaque 6, ceci ayant pour effet de le répartir dans toutes les directions afin qu'une plus grande proportion de fluide atteigne les tubes situés le plus en périphérie du faisceau.
La plaque perforée 6 peut être placée en n' importe quel point de la boîte collectrice d'entrée 5, c'est-à- dire, plus ou moins près de l'entrée des tubes 2; il peut y avoir entre 1 et 200 orifices 7 sur la plaque 6, tout dépend de la taille de l' échangeur, et chacun d'entre eux peut avoir un diamètre entre 1 et 20 mm, de préférence entre 6 et 8 mm. Les orifices 7 peuvent être répartis de différentes manières sur la plaque 6, et peuvent avoir la forme d'un polygone plutôt que celle d'un cercle. Il est également possible d' associer des orifices de formes différentes sur une même plaque, par exemple pour fournir une section de passage plus importante dans certaines zones plutôt que dans d'autres.
L'épaisseur de la plaque peut varier entre 0,5 mm et 3 mm environ.
Dans une autre forme de réalisation, le diffuseur 6 pourrait être constitué d'une grille 6', tel que représenté sur la figure 3, à la place de la plaque perforée. La grille 6' peut être fabriquée en fil d'acier 8 dont le diamètre est compris entre 0,2 mm et 6 mm et avoir un pas de grille compris entre 1 et 10 mm; le pas de grille se définit comme la distance d'un fil à un autre, c'est-à-dire la dimension de chacun des trous de la grille.
La grille 6' a la même fonction que la plaque 6 : elle distribue le flux de gaz pour qu' il atteigne tous les tubes du faisceau dans une même proportion.
Le diffuseur, qu'il s'agisse d'une plaque perforée 6 ou d'une grille 6', se fixe à la boîte collectrice d'entrée 5, de préférence par quelques points de soudure, bien qu'il soit possible de le coller avec un adhésif approprié ou de le souder grâce à un apport de matériau de soudure. Dans certains cas, il pourra être possible de fabriquer la boîte collectrice d' entrée 5 directement avec le diffuseur 6,6', par exemple par moulage.
Afin de déterminer le comportement des échangeurs selon l'invention et l'influence du diffuseur, on a procédé à une série de tests avec un échangeur du même type que celui présenté sur la figure 1.
On a testé la puissance de cet appareil sans le diffuseur, avec une plaque perforée et avec une grille. On a comparé, pour différentes configurations du diffuseur, la montée en puissance et la perte de charge des gaz par rapport à ce même échangeur sans diffuseur.
L'essai a été réalisé avec un échangeur d'un diamètre de virole de 54 mm (diamètre du boîtier) , avec un diffuseur en acier inoxydable de 45 mm de diamètre et 1 mm d'épaisseur, placé à 8 mm de l'entrée du faisceau de tubes. Les résultats de l'essai sont repris dans le tableau suivant.
Figure imgf000009_0001
Comme on peut l'observer, dans tous les cas l'introduction d'un diffuseur selon à l'invention permet d'augmenter la puissance de l' échangeur, de plus la grille est particulièrement bien adaptée pour réduire au minimum la perte de charge des gaz.
Bien qu' il soit décrit et représenté un mode particulier de réalisation de la présente invention, il est évident que le spécialiste en la matière pourra introduire des variantes ou des modifications, ou remplacer certains détails par d'autres techniquement équivalents, sans toutefois sortir du cadre général de l'invention telle que revendiquée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Échangeur de chaleur pour des gaz comprenant une pluralité de conduits parallèles (2) dans lesquels circulent des gaz à refroidir et une boîte collectrice d'entrée (5) interposée entre une tubulure d'entrée (4) des gaz et l'entrée desdits conduits (2), caractérisé en ce qu'un élément diffuseur (6,6') est placé dans la boîte collectrice d'entrée (5).
2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément diffuseur est perforé.
3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément diffuseur est sensiblement plat.
4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément diffuseur est disposé sensiblement perpendiculairement au sens de circulation des gaz à refroidir.
5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément diffuseur comprend une plaque (6) avec une pluralité d' orifices (7) .
6. Échangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les orifices (7) de la plaque (6) sont circulaires ou polygonaux, et de dimension comprise entre 1 et 20 mm.
7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications l à 4, caractérisé en ce que l'élément diffuseur comprend une grille (6').
8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la grille (6') est formée à partir d'un fil (8) de diamètre 0,2 à 3 mm, et que le pas de grille est compris entre 1 et 10 mm.
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