Tubes de radiateur comportant des perturbateurs et radiateurs associés
L'invention concerne les radiateurs de chauffage de l'habitacle ou de refroidissement du moteur des véhicules automobiles .
Plus précisément, l'invention concerne un tube de radiateur pour le chauffage de l'habitacle ou le refroidissement du moteur des véhicules automobiles formé de deux grandes faces définissant la largeur du tube et deux petites faces définissant la hauteur du tube, les deux grandes faces et les deux petites faces délimitant un conduit de circulation pour un fluide, des perturbateurs étant formés au moins sur l'une des grandes faces du tube. La section intérieure du tube peut être séparée par une cloison centrale, formée d'une ou plusieurs épaisseurs de matière.
Elle concerne également un radiateur de ce type.
On connaît déjà de la publication EP 0 710 811 un radiateur de chauffage comportant un tel tube .
L'épaisseur de la matière utilisée pour former le tube est déterminée par deux contraintes principales. D'une part il est avantageux de réduire l'épaisseur, afin de réduire la masse engagée dans la fabrication du tube et d'obtenir un radiateur de chauffage le plus léger possible. Cela tend à diminuer la consommation de carburant lors de l'utilisation du véhicule incorporant ce radiateur de chauffage. D'autre part, la paroi du tube doit être suffisamment épaisse pour pouvoir y former les perturbateurs objet de l'invention, tout en satisfaisant les contraintes mécaniques et chimiques liées à l'utilisation du radiateur de chauffage incorporant un tel tube, dans le circuit de chauffage de l'habitacle d'un véhicule.
L'épaisseur de ce radiateur de chauffage formé à partir de tubes, correspond approximativement à la largeur des tubes. Il est avantageux de former un radiateur de chauffage présentant une faible épaisseur, afin de limiter la taille de l'appareil de climatisation où ce radiateur de chauffage est incorporé. Cela favorise la compacité du véhicule, ce qui favorise à son tour une diminution de la consommation de carburant de ce véhicule .
Les perturbateurs ont pour but de perturber l'écoulement du fluide de manière à augmenter les turbulences et à permettre ainsi un meilleur coefficient de transfert thermique. Toutefois, dans les radiateurs de chauffage actuellement connus, la répartition des perturbateurs n'est pas optimale. Les turbulences provoquées par les perturbateurs se traduisent par une chute de pression importante du fluide caloporteur de sorte que l'amélioration du coefficient de transfert thermique est faible en comparaison de l'augmentation de la chute de pression. En outre, si les perturbateurs ne sont pas bien répartis, des vitesses élevées du fluide peuvent être atteintes autour de ces derniers, ce qui peut conduire à des phénomènes d'érosion des tubes .
La présente invention a pour objet de fournir des tubes de radiateur dans lesquels la répartition des perturbateurs est optimisée de manière à améliorer les performances d'échanges thermiques en écoulement monophasique grâce à une augmentation du coefficient de transfert thermique.
Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que le diamètre hydraulique moyen du conduit de circulation est compris entre 1,4 mm et 3,3 mm.
Le diamètre hydraulique moyen d'un tube est défini comme égal à la moyenne, sur l'ensemble du tube, de quatre fois la section de passage du tube divisé par le périmètre de la section circonvenant l'écoulement du fluide.
Lorsque le tube est un tube droit, le diamètre hydraulique est de préférence compris entre 1,4 mm et 2,6 mm ; lorsqu'il s'agit d'un tube en U, le diamètre hydraulique est de préférence compris entre 1,5 mm et 3,3 mm.
Dans le cas d'un tube en U, celui-ci peut comporter un retour formé par une boîte collectrice.
Dans l'invention, le tube comporte de préférence deux canaux et constitue alors un tube dit "bi-canaux" .
La largeur du tube est choisie et elle est de préférence inférieure ou égale à 31 mm. En outre, le tube est avantageusement formé dans une matière ayant une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,35 mm.
Grâce à ces caractéristiques, on obtient une amélioration du coefficient de transfert thermique des tubes, ce qui permet une meilleure performance sans augmentation de surface. On réalise ainsi un gain de matière et un gain sur le nombre de tubes par radiateur.
La forme, les dimensions et la répartition des perturbateurs sont optimisées pour assurer une optimisation de la performance globale. Cette optimisation est faite en considérant la maximalisation de la puissance transmise et une inimisation de la chute de pression.
A cet effet, le rapport entre la surface des perturbateurs projetée sur la grande face, sur laquelle ces perturbateurs sont formés, et la surface totale de cette grande face est compris entre 0,05 et 0,25.
Le rapport entre la profondeur des perturbateurs et la hauteur intérieure du conduit de circulation est compris entre 0,25 et 0,5.
La longueur caractéristique des perturbateurs est comprise entre 2 et 6 mm. Si les perturbateurs sont circulaires, leur longueur caractéristique est égale à leur diamètre. S'ils ont une forme ovale, leur longueur caractéristique correspond à leur largeur.
Avantageusement, le rapport entre le pas des perturbateurs et leur longueur caractéristique est compris entre 2 et 4.
Le rapport entre le décalage des perturbateurs et leurs pas est compris entre - 0,125 et + 0,125.
Les mesures effectuées montrent qu'à caractéristique identique, un gain dans le transfert thermique pouvant atteindre 15 % est obtenu avec les tubes conformes à la présente invention vis-à-vis de tubes lisses.
L' invention concerne aussi les radiateurs qui comprennent au moins un tube tel que défini précédemment . Ces radiateurs peuvent constituer notamment un radiateur de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile ou un radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile.
Lorsque le véhicule est au ralenti, son moteur tourne à un régime compris entre 700 et 1000 tours par minute. Ce régime correspond à un écoulement laminaire dans les tubes . Le nombre de Reynolds est compris entre 500 et 1000 dans les tubes du radiateur. En régime laminaire, le gain de puissance thermique transmise par les tubes selon l'invention est d'environ 1 à 4 % en fonction des conditions de fonctionnement telles que la température et le débit d'air.
Lorsque le véhicule circule à une vitesse modérée, par exemple à 90 km par heure environ, son régime moteur est compris entre 2500 et 3500 tours par minute. Ce régime correspond à des nombres de Reynolds dans les tubes d'environ 1000 à 2000. Dans ces conditions, le gain de
puissance thermique transmise par les tubes est d'environ 5 à 10 %, selon les conditions de fonctionnement telles que la température et le débit d'air.
Enfin, lorsque le véhicule est utilisé dans des conditions intensives, son moteur tournant à une vitesse supérieure à 4000 tours par minute, le nombre de Reynolds dans les tubes est supérieur à 3000. Dans ces conditions, le gain de puissance thermique transmise par les tubes est d'environ 11 à 15 %.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :
La figure 1 est une vue partielle en perspective d'un radiateur à tube plat ;
La figure 2 est une vue en bout d'un tube de radiateur représenté sur la figure 1 ;
La figure 3 est une vue de détail montrant le profil* d'un perturbateur ;
La figure 4 est une vue de face d'une grande paroi du tube de la figure 2 ;
La figure 5a est une vue d'un exemple de réalisation d'un demi-tube dans lequel il n'y a pas de décalage entre les perturbateurs des deux faces et la figure 5b et une vue en coupe du demi tube de la figure 5a ;
La figure 6a représente une réalisation d'un demi-tube dans lequel le décalage entre les perturbateurs des deux faces est égal à plus ou moins 50 % et la figure 6b est une vue en coupe du demi-tube représenté sur la figure 6a ;
La figure 7 est une vue de détail qui illustre la diminution de contact entre les tubes et les ailettes engendrée par la présence des perturbateurs ;
La figure 8 représente les puissances thermiques réduites, transmises par des tubes avec et sans perturbateurs en fonction du diamètre hydraulique pour un tube à écoulement en I ;
La figure 9 représente les puissances thermiques réduites, transmises par des tubes avec et sans perturbateurs en fonction du diamètre hydraulique pour un tube à écoulement en U ;
La figure 10 représente la variation du rendement d'échange thermique en fonction de la surface converte par les perturbateurs ;
La figure 11 illustre les variations de la puissance échangée et de la chute de pression ;
La figure 12 illustre l'influence du décalage des perturbateurs par rapport au pas des perturbateurs, sur la puissance thermique transférée ; et
Les figures 13, 14 et 15 sont des vues en perspective de trois radiateurs comportant des tubes selon l'invention et ayant respectivement un écoulement en I (figure 13) ou un écoulement en U (figures 14 et 15) .
On a représenté sur la figure 1 une vue partielle en perspective d'un radiateur. Il est réalisé à partir de tubes 1 aplatis en tôle pliée et brasée. La tôle est de préférence en aluminium ou en alliage à base d'aluminium. Chaque tube 1 est constitué d'une bande métallique repliée de manière à former l'enveloppe de deux canaux parallèles 2 et 3. Il s'agit alors d'un tube dit wbi-canaux" . Les canaux 2 et 3
sont séparés par une entretoise 4 réalisée par le repliement à 90° de la bande de tôle vers l'intérieur du tube. Les tubes 1 ont leurs extrémités engagées dans des fentes 5 d' au moins une plaque collectrice 6 (une seule plaque étant représentée) sur laquelle est montée une boîte collectrice d'extrémité du radiateur. Lors du montage, des ailettes de refroidissement 7, réalisées en tôle ondulée, sont intercalées entre les tubes 1.
On a représenté sur la figure 2 une vue en bout- d'un tube 1 du radiateur représenté sur la figure 1. Comme on l'a exposé précédemment, le volume intérieur du tube 1 est divisé en deux canaux parallèles 2 et 3 par une entretoise médiane 4 formée par la réunion de deux parois 4a et 4b qui constituent respectivement les deux bords de la tôle dont est issu le tube. Chacun des deux canaux 2 et 3 possède une forme générale rectangulaire constituée de deux grandes parois rectilignes 8 parallèles l'une à l'autre et deux petites parois rectilignes 10 également parallèles l'une à l'autre. Pour chacun des canaux 2 et 3, l'une des petites parois se confond avec les parois 4a et 4b. Ainsi, la largeur totale D du tube 1 est égale à deux fois la largeur d d'une grande paroi 8 (dans cet exemple de réalisation les largeurs des canaux 2 et 3 sont égales) . A titre d'exemple, la largeur du tube peut être inférieure ou égale à 31 mm et l'épaisseur de sa matière constitutive, c'est à dire de la tôle, comprise entre 0,15 et 0,35 mm.
En variante de réalisation, le tube 1 pourrait ne comporter aucune entretoise interne. Le volume intérieur du tube serait ainsi constitué par un canal de circulation unique. Dans ce cas, la largeur D du tube 1 serait égale à la largeur du canal de circulation, c'est-à-dire à la largeur de chacune des deux grandes faces parallèles 8. Dans une autre variante encore, le tube 1 pourrait comporter plus de deux canaux de circulation, par exemple trois ou davantage. Dans ce cas, la largeur totale du tube serait égale à trois fois ou plus de trois fois l'a largeur de chacun des canaux.
Les petites faces 10 délimitent, pour chaque canal 2 et 3, un conduit de circulation de hauteur intérieure i.
Des perturbateurs 12 sont formés sur chacune des grandes faces 8 des canaux 2 et 3. Toutefois, les perturbateurs 12 pourraient n'être prévus que sur l'une des faces 8 des canaux 2 et 3 ou encore, les perturbateurs 12 pourraient n'être prévus que dans l'un seulement des canaux 2 et 3. Les perturbateurs 12 sont réalisés par une déformation vers l'intérieur de la paroi du tube 1, par exemple au moyen de galets.
On a représenté sur la figure 3 une vue de détail à échelle agrandie d'un perturbateur 12. On désigne par la lettre p la profondeur du perturbateur, c'est-à-dire la distance séparant la face intérieure de la paroi 8, sur laquelle ce perturbateur est formé, du sommet du perturbateur. Le rapport entre la profondeur p des perturbateurs 12 et la hauteur intérieure i du conduit de circulation est avantageusement compris entre 0,25 et 0,5.
On a représenté sur la figure 4 une vue de face du tube 1 représenté sur les igures 2 et 3. Les canaux 2 et 3 peuvent définir une circulation en U du fluide caloporteur, comme schématisé par les flèches 13, 14 et 15. Dans cette réalisation, le fluide circule en sens inverse dans les canaux 2 et 3. Au contraire, dans une autre réalisation, le fluide peut circuler dans le même sens dans les canaux 2 et 3 (circulation à co-courant) comme schématisé par la flèche 13 et par la flèche 16 représentée en traits interrompus.
Comme on peut le constater, les perturbateurs 12 sont régulièrement répartis sur la surface de chacune des grandes faces 8 des canaux de circulation 2 et 3. Ils sont disposés en quinconce (afin de simplifier la représentation on a montré seulement deux rangées de perturbateurs par canal) .
Le pas d'espacement des perturbateurs est régulier. Il est désigné par la référence e.
Les figures 5a, 5b, 6a et 6b illustrent la relation entre les perturbateurs formés sur l'une des grandes faces 8 de chacun des canaux 2 et 3 et les perturbateurs formés sur l'autre grande face 8 de chacun de ces canaux.
Les figures 5a et 6a sont des vues de face schématique d'un demi tube 1, tandis que les figures 5b et 6b sont des vues en section transversale des demi-tubes des figures 5a et 6a respectivement. Sur ces figures on a désigné par les références 12x les perturbateurs formés sur la grande face supérieure 8 (selon les figures 5b et 6b) et par la référence 122 les perturbateurs formés sur la grande face 8 inférieure (selon les figures 5b et 6b) . Comme on l'a exposé précédemment, le pas d'espacement des perturbateurs 12**. de la face supérieure 8 est désigné par la référence e et, de même, le pas d'espacement des perturbateurs 122 situés sur la face inférieure 8 est également désigné par cette même référence, le pas d'espacement des perturbateurs étant égal sur chacune des deux f ces 8.
Sur les figures 5a et 5b, les perturbateurs 12*-. sont situés au même niveau, dans un plan de coupe transversale du tube
1, que les perturbateurs 122 de la face 8 inférieure. En d'autres termes, le décalage entre un perturbateur 12x de la face supérieure 8 et le perturbateur 122 situé en regard sur la face intérieure, est égal à 0. Au contraire, selon les figures 6a et 6b, les perturbateurs 122 formés sur la face 8 inférieure sont situés entre les perturbateurs 12;*. formés sur la face 8 supérieure. On désigne par la lettre f le décalage séparant les perturbateurs 12ι et les perturbateurs 122, Le décalage f peut être exprimé en pourcentage du pas d'espacement e des perturbateurs. Il peut être compris entre
0 % de ce pas d'espacement (figures 5a et 5b) et plus ou moins 50 % du pas d'espacement e (figures 6a et 6b) .
La figure 7 est une vue de détail qui représente le contact des ailettes de refroidissement 7 (intercalaires ondulés) avec la paroi extérieure des tubes 1. Comme on le constate, la présence des perturbateurs 12 a pour effet de réduire la surface de contact entre les génératrices des intercalaires ondulés et le tube 1. En effet, les perturbateurs 12 constituant une déformation vers l'intérieur de la paroi du tube, le contact thermique ne s'établit pas entre la paroi du tube et l'ailette 7 au niveau des perturbateurs. Sur la figure 7, on a désigné par la référence 7a une ondulation particulière de l'intercalaire ondulé qui n'est pas en contact avec la paroi du tube 1 par suite de la présence du perturbateur 12a. En conséquence, la densité des perturbateurs 12 doit être choisie judicieusement de façon à ne pas diminuer de manière trop importante le contact thermique entre les ailettes de refroidissement et les tubes .
On a représenté sur la figure 8 l'évolution de la puissance transmise par le radiateur en fonction du diamètre hydraulique (voir la définition donnée plus haut) pour des tubes à une passe (tubes à écoulement en I selon la figure 13) équipés de perturbateurs et sans perturbateurs. RI, appelé puissance thermique réduite, correspond au rapport de la puissance échangée à un diamètre hydraulique donné Dh( à la puissance échangée pour un diamètre hydraulique D ≈ 1,4 mm, cette valeur étant le diamètre hydraulique optimisé pour des tubes lisses (sans perturbateurs) , comme représenté par la courbe en trait continu.
R2 correspond au rapport de la puissance thermique transmise en fonction du diamètre hydraulique Dh à la puissance thermique transmise pour un diamètre hydraulique Dh = 1,8 mm, cette valeur correspondant à l'optimum du diamètre hydraulique pour des tubes comportant des perturbateurs, comme représenté par la courbe en trait interrompu.
Comme on peut le constater sur cette figure, la puissance transmise par des tubes comportant des perturbateurs est supérieure à celle transmise par des tubes lisses à partir d'un diamètre hydraulique égal à 1,6 mm sensiblement. De manière générale, il est en outre avantageux que le diamètre hydraulique moyen soit sensiblement égal à deux fois la hauteur intérieure hi du conduit de circulation.
On a représenté sur la figure 9 l'évolution des performances en fonction du diamètre hydraulique pour des tubes en U ou pour des tubes à contre-courant d'un radiateur, par exemple, un radiateur de chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile pour des tubes lisses (sans perturbateurs) et pour des tubes comportant des perturbateurs. RI correspond au rapport de la puissance thermique transmise en fonction du diamètre hydraulique D à la puissance thermique transmise pour un diamètre hydraulique égal à 1,8 mm, cette valeur étant la valeur du diamètre hydraulique optimisée pour des . ubes lisses. R2 correspond au rapport de la puissance .thermique transmise en fonction du diamètre hydraulique Dh à la puissance transmise pour un diamètre hydraulique égal à 2,4 mm, cette valeur correspondant au diamètre hydraulique optimisée pour des tubes comportant des perturbateurs. Comme on peut le constater, la puissance transmise par les tubes équipés de perturbateurs est supérieure à la puissance transmise par les tubes lisses à partir d'un diamètre hydraulique sensiblement égal à 2 mm.
La figure 10 représente la variation du rendement de l'échange thermique en fonction du rapport de la surface des perturbateurs (SP) rapportée à la surface totale (ST) de la paroi sur laquelle ces perturbateurs sont formés. Il s'agit plus précisément du rapport (SP/ST) entre la surface des perturbateurs 12 projetée sur la grande face 8, sur laquelle ces perturbateurs 12 sont formés, et la surface totale de cette grande face. La surface projetée d'un perturbateur correspond à sa base le reliant à la face interne du tube.
Comme* on peut le constater, ce rendement passe par un maximum pour un rapport SP/ST compris entre 5 et 25 %. En dessous de 5%, la surface présente une densité de perturbateurs trop faible ; au dessus de 25%, la densité de perturbateurs affecte défavorablement la surface de contact entre la paroi du tube et l'intercalaire. En d'autres termes, pour une surface de perturbateurs comprise entre 0,05 et 0,25 fois la surface totale de la face 8 sur laquelle les perturbateurs 12 ont été prévus, le rendement est maximal .
La figure 11 illustre l'influence du rapport entre le pas d'espacement e des perturbateurs 12 et la longueur caractéristique L de ces perturbateurs sur la chute de pression (courbe en trait plein) et sur la puissance transmise (courbe en trait interrompu) . Pour des perturbateurs de forme circulaires la longueur caractéristique L est égale au diamètre. Pour des perturbateurs de forme allongée, par exemple ovale, la 'longueur caractéristique L est égale à la largeur
(considérée dans la direction de l'espacement), comme on le voit sur la figure 4. Cette longueur caractéristique est avantageusement comprise entre 2 et 6 mm. Si le rapport e/L est inférieur à 2 , la distance entre deux perturbateurs est trop faible et l'écoulement, après le passage d'un perturbateur est encore très turbulent lorsqu'il rencontre le perturbateur suivant. Ceci se traduit par le fait que la chute de pression est élevée tandis que l'efficacité du transfert thermique ne se trouve pas particulièrement augmentée. Si, au contraire, le rapport est supérieur à 4, la distance entre deux perturbateurs 12 est trop importante et l'écoulement du liquide est laminaire lorsqu'il rencontre le perturbateur suivant. Il en résulte que la chute de pression du liquide est faible mais que l'efficacité du transfert thermique n'est pas suffisamment élevée. C'est pourquoi ce rapport doit être compris, de préférence, entre 2 et 4.
La figure 12 illustre l'effet du rapport entre le pas d'espacement e des perturbateurs 12 et le décalage f de ces perturbateurs sur la puissance échangée. Pour un décalage f égal à 0, le coefficient de transfert thermique des tubes est maximum. La répartition de turbulence dans l'écoulement provoqué par les perturbateurs est plus homogène le long des tubes. Pour un décalage f égal à plus ou moins 0,5 fois le pas d'espacement e des perturbateurs 12, la turbulence de l'écoulement provoquée par les perturbateurs n'est pas homogène. L'écoulement est turbulent seulement dans certaines régions du tube 1. L'effet global est un coefficient de transfert thermique minimum. C'est pourquoi le rapport doit être choisi de préférence entre - 12,5% et + 12,5 % comme illustré sur la figure 12.
Les tubes de l'invention peuvent servir à réaliser différents types de radiateurs, notamment dans le domaine de l'industrie automobile, par exemple pour constituer un radiateur de chauffage d'un habitacle de véhicule ou encore un radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile.
Plusieurs cas se présentent selon le type de circulation du fluide dans le radiateur. Dans le cas illustré par la figure 13, le radiateur comprend un faisceau de tubes 1 et d'ailettes 7 monté entre une boîte collectrice supérieure 17 et une boîte collectrice inférieure 18. La totalité de la section droite de l'ensemble des tubes est utilisée pour un passage du fluide et l'écoulement est dit "en I". Dans l'exemple l'écoulement du fluide s'effectue depuis la boîte collectrice inférieure 18 vers la boîte collectrice supérieure 17 comme montré par les flèches.
Dans le cas illustré par la figure 14, la totalité de la section droite de la moitié des tubes 1 est utilisée pour faire circuler le fluide dans un sens, tandis que l'autre moitié des tubes est utilisée pour un passage en sens du précédent, comme montré par les flèches. On constitue alors
un écoulement dit "en U" . Dans l'exemple, le fluide pénètre dans un compartiment 19 de la boîte collectrice supérieure 17, pour gagner la boîte collectrice inférieure 18 et rejoindre ensuite un autre compartiment 20 de la boîte collectrice supérieure.
Dans le cas illustré par la figure 15, la moitié de la section droite de l'ensemble des tubes 1 est utilisée pour un passage du fluide dans un sens, tandis que l'autre moitié de la section droite est utilisée pour un passage en sens inverse du précédent, comme montré par les flèches. On constitue, là aussi, un écoulement dit "en U" . Dans l'exemple, le fluide pénètre dans un compartiment longitudinal 21 de la boîte collectrice supérieure 17, pour gagner la boîte collectrice inférieure 18 en empruntant à chaque fois un premier canal de chacun des tubes. Ensuite, le fluide emprunte un second canal de chaque tube pour rejoindre un autre compartiment longitudinal 22 de la boîte collectrice supérieure. Le retour du U s'effectue ainsi par la boîte collectrice inférieure 18.