WO2004053410A2 - Tubes de radiateur comportant des perturbateurs et radiateurs associes - Google Patents

Tubes de radiateur comportant des perturbateurs et radiateurs associes Download PDF

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WO2004053410A2
WO2004053410A2 PCT/FR2003/003568 FR0303568W WO2004053410A2 WO 2004053410 A2 WO2004053410 A2 WO 2004053410A2 FR 0303568 W FR0303568 W FR 0303568W WO 2004053410 A2 WO2004053410 A2 WO 2004053410A2
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Herveline Robidou
Gregory Tellier
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Valeo Climatisation
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0391—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits a single plate being bent to form one or more conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels

Definitions

  • the invention relates to radiators for heating the passenger compartment or cooling the engine of motor vehicles.
  • the invention relates to a radiator tube for heating the passenger compartment or cooling the engine of motor vehicles formed by two large faces defining the width of the tube and two small faces defining the height of the tube, the two large faces and the two small faces delimiting a circulation conduit for a fluid, disturbers being formed at least on one of the large faces of the tube.
  • the inner section of the tube can be separated by a central partition, formed of one or more thicknesses of material.
  • EP 0 710 811 already discloses a heating radiator comprising such a tube.
  • the thickness of the material used to form the tube is determined by two main constraints. On the one hand it is advantageous to reduce the thickness, in order to reduce the mass involved in the manufacture of the tube and to obtain the lightest possible heating radiator. This tends to reduce fuel consumption when using the vehicle incorporating this heating radiator.
  • the wall of the tube must be thick enough to be able to form the disruptors which are the subject of the invention, while satisfying the mechanical and chemical constraints linked to the use of the heating radiator incorporating such a tube, in the circuit. for heating the passenger compartment of a vehicle.
  • the thickness of this heating radiator formed from tubes corresponds approximately to the width of the tubes. It is advantageous to form a heating radiator having a small thickness, in order to limit the size of the air conditioning apparatus where this heating radiator is incorporated. This promotes compactness of the vehicle, which in turn promotes a reduction in the fuel consumption of this vehicle.
  • the purpose of the disturbers is to disturb the flow of the fluid so as to increase the turbulence and thus allow a better coefficient of heat transfer.
  • the distribution of the disturbers is not optimal.
  • the turbulence caused by the disturbers results in a significant drop in pressure of the heat transfer fluid so that the improvement in the heat transfer coefficient is small compared to the increase in the pressure drop.
  • the disturbers are not well distributed, high speeds of the fluid can be reached around the latter, which can lead to phenomena of tube erosion.
  • the object of the present invention is to provide radiator tubes in which the distribution of the disturbers is optimized so as to improve the performance of heat exchanges in single-phase flow by virtue of an increase in the heat transfer coefficient.
  • the mean hydraulic diameter of the circulation duct is between 1.4 mm and 3.3 mm.
  • the average hydraulic diameter of a tube is defined as equal to the average, over the entire tube, of four times the passage section of the tube divided by the perimeter of the section circumventing the flow of the fluid.
  • the hydraulic diameter is preferably between 1.4 mm and 2.6 mm; in the case of a U-shaped tube, the hydraulic diameter is preferably between 1.5 mm and 3.3 mm.
  • this can include a return formed by a manifold.
  • the tube preferably comprises two channels and then constitutes a so-called "bi-channel" tube.
  • the width of the tube is chosen and it is preferably less than or equal to 31 mm.
  • the tube is advantageously formed from a material having a thickness of between 0.15 and 0.35 mm.
  • the shape, dimensions and distribution of the disturbers are optimized to ensure optimization of the overall performance. This optimization is made by considering the maximization of the transmitted power and an inimization of the pressure drop.
  • the ratio between the surface of the disturbers projected onto the large face, on which these disturbers are formed, and the total surface of this large face is between 0.05 and 0.25.
  • the ratio between the depth of the disturbers and the interior height of the circulation duct is between 0.25 and 0.5.
  • the characteristic length of the disturbers is between 2 and 6 mm. If the disturbers are circular, their characteristic length is equal to their diameter. If they have an oval shape, their characteristic length corresponds to their width.
  • the ratio between the pitch of the disturbers and their characteristic length is between 2 and 4.
  • the ratio between the offset of the disturbers and their steps is between - 0.125 and + 0.125.
  • the invention also relates to radiators which comprise at least one tube as defined above.
  • These radiators can in particular constitute a radiator for heating a passenger compartment of a motor vehicle or a radiator for cooling a motor vehicle engine.
  • the vehicle When the vehicle is idling, its engine runs at a speed of between 700 and 1000 revolutions per minute. This regime corresponds to a laminar flow in the tubes.
  • the Reynolds number is between 500 and 1000 in the radiator tubes.
  • the gain in thermal power transmitted by the tubes according to the invention is approximately 1 to 4% depending on operating conditions such as temperature and air flow.
  • Figure 1 is a partial perspective view of a flat tube radiator
  • Figure 2 is an end view of a radiator tube shown in Figure 1;
  • Figure 3 is a detail view showing the profile * of a disturbance
  • Figure 4 is a front view of a large wall of the tube of Figure 2;
  • FIG. 5a is a view of an exemplary embodiment of a half-tube in which there is no offset between the disturbers on the two faces and FIG. 5b and a sectional view of the half-tube of FIG. 5a ;
  • FIG. 6a represents an embodiment of a half-tube in which the offset between the disturbers of the two faces is equal to more or less 50% and FIG. 6b is a sectional view of the half-tube shown in FIG. 6a;
  • FIG. 7 is a detailed view which illustrates the reduction in contact between the tubes and the fins caused by the presence of the disturbers;
  • FIG. 8 represents the reduced thermal powers, transmitted by tubes with and without disturbers as a function of the hydraulic diameter for a flow tube in I;
  • FIG. 9 represents the reduced thermal powers, transmitted by tubes with and without disturbers as a function of the hydraulic diameter for a U-shaped flow tube
  • FIG. 10 represents the variation of the heat exchange efficiency as a function of the surface converged by the disturbers
  • FIG. 11 illustrates the variations in the power exchanged and in the pressure drop
  • FIG. 12 illustrates the influence of the shift of the disturbers with respect to the step of the disturbers, on the transferred thermal power
  • Figures 13, 14 and 15 are perspective views of three radiators comprising tubes according to the invention and having respectively an I-flow ( Figure 13) or a U-flow ( Figures 14 and 15).
  • FIG. 1 shows a partial perspective view of a radiator. It is made from 1 flat tubes in folded and brazed sheet metal.
  • the sheet is preferably made of aluminum or an aluminum-based alloy.
  • Each tube 1 consists of a metal band folded so as to form the envelope of two parallel channels 2 and 3. It is then a tube called w bi-channel ". Channels 2 and 3 are separated by a spacer 4 produced by the 90 ° folding of the sheet metal strip towards the inside of the tube.
  • the tubes 1 have their ends engaged in slots 5 of at least one manifold plate 6 (a single plate being shown) on which is mounted an end manifold of the radiator.
  • cooling fins 7, made of corrugated sheet are interposed between the tubes 1.
  • FIG. 2 an end view of a tube 1 of the radiator shown in Figure 1.
  • the interior volume of the tube 1 is divided into two parallel channels 2 and 3 by a middle spacer 4 formed by the union of two walls 4a and 4b which respectively constitute the two edges of the sheet from which the tube is derived.
  • Each of the two channels 2 and 3 has a generally rectangular shape consisting of two large rectilinear walls 8 parallel to one another and two small rectilinear walls 10 also parallel to each other.
  • the total width D of the tube 1 is equal to twice the width d of a large wall 8 (in this embodiment the widths of the channels 2 and 3 are equal).
  • the width of the tube may be less than or equal to 31 mm and the thickness of its constituent material, that is to say of sheet metal, between 0.15 and 0.35 mm.
  • the tube 1 could have no internal spacer.
  • the interior volume of the tube would thus be constituted by a single circulation channel.
  • the width D of the tube 1 would be equal to the width of the circulation channel, that is to say the width of each of the two large parallel faces 8.
  • the tube 1 could comprise more than two traffic channels, for example three or more.
  • the total width of the tube is equal to three times or more than three times the width a of each of the channels.
  • the small faces 10 delimit, for each channel 2 and 3, a circulation duct of interior height i.
  • Disruptors 12 are formed on each of the large faces 8 of the channels 2 and 3. However, the disruptors 12 could only be provided on one of the faces 8 of the channels 2 and 3 or, again, the disturbers 12 could only be provided in only one of the channels 2 and 3.
  • the disturbers 12 are produced by a deformation towards the inside of the wall of the tube 1, for example by means of rollers.
  • FIG. 3 shows a detailed view on an enlarged scale of a disturbance 12.
  • the letter p denotes the depth of the disturbance, that is to say the distance separating the internal face from the wall 8, on which this disruptor is formed from the top of the disruptor.
  • the ratio between the depth p of the disturbers 12 and the interior height i of the circulation duct is advantageously between 0.25 and 0.5.
  • FIG 4 a front view of the tube 1 shown in Figures 2 and 3.
  • the channels 2 and 3 can define a U-shaped circulation of the heat transfer fluid, as shown schematically by the arrows 13, 14 and 15.
  • the fluid circulates in the opposite direction in channels 2 and 3.
  • the fluid can circulate in the same direction in channels 2 and 3 (co-current circulation) as shown diagrammatically by the arrow 13 and by arrow 16 shown in broken lines.
  • the disturbers 12 are regularly distributed over the surface of each of the large faces 8 of the circulation channels 2 and 3. They are staggered (in order to simplify the representation, only two rows of disturbers have been shown per channel ).
  • the spacing step of the disturbers is regular. It is designated by the reference e.
  • Figures 5a, 5b, 6a and 6b illustrate the relationship between the disturbers formed on one of the large faces 8 of each of the channels 2 and 3 and the disturbers formed on the other large face 8 of each of these channels.
  • Figures 5a and 6a are schematic front views of a half-tube 1, while Figures 5b and 6b are cross-sectional views of the half-tubes of Figures 5a and 6a respectively.
  • the references 12 x the disturbers formed on the large upper face 8 (according to FIGS. 5b and 6b) and by the reference 12 2 the disturbers formed on the large lower face 8 (according to FIGS. 5b and 6b ).
  • the spacing step of the disturbers 12 **. of the upper face 8 is designated by the reference e and, likewise, the spacing step of the disruptors 12 2 located on the lower face 8 is also designated by this same reference, the spacing step of the disruptors being equal on each of the two f these 8.
  • the disturbers 12 * -. are located at the same level, in a cross-sectional plane of the tube
  • the offset between a disturber 12 x on the upper face 8 and the disturber 12 2 located opposite on the inner face is equal to 0.
  • the disturbers 12 2 formed on the lower face 8 are located between the disturbers 12; * . formed on the upper face 8.
  • the letter f denotes the offset separating the disturbers 12 ⁇ and the disturbers 12 2 ,
  • the offset f can be expressed as a percentage of the spacing step e of the disturbers. It can be between
  • FIG. 7 is a detail view which represents the contact of the cooling fins 7 (corrugated spacers) with the external wall of the tubes 1.
  • the presence of the disturbers 12 has the effect of reducing the contact surface between the generating the corrugated inserts and the tube 1.
  • the disturbers 12 constituting a deformation towards the inside of the wall of the tube, thermal contact is not established between the wall of the tube and the fin 7 at the level of the disturbers .
  • FIG. 7 is a detail view which represents the contact of the cooling fins 7 (corrugated spacers) with the external wall of the tubes 1.
  • the disturbers 12 constituting a deformation towards the inside of the wall of the tube, thermal contact is not established between the wall of the tube and the fin 7 at the level of the disturbers .
  • reference 7a has designated a particular undulation of the corrugated interlayer which is not in contact with the wall of the tube 1 due to the presence of the disturber 12a. Consequently, the density of the disturbers 12 must be chosen judiciously so as not to reduce too much the thermal contact between the cooling fins and the tubes.
  • FIG. 8 shows the evolution of the power transmitted by the radiator as a function of the hydraulic diameter (see the definition given above) for single-pass tubes (I-flow tubes according to FIG. 13) fitted with disturbers and without disturbers.
  • RI called reduced thermal power, corresponds to the ratio of the power exchanged to a given hydraulic diameter D h ( to the power exchanged for a hydraulic diameter D ⁇ 1.4 mm, this value being the hydraulic diameter optimized for smooth tubes (without disruptive), as shown by the solid line curve.
  • the power transmitted by tubes comprising disturbers is greater than that transmitted by smooth tubes from a hydraulic diameter equal to 1.6 mm substantially.
  • the mean hydraulic diameter it is also advantageous for the mean hydraulic diameter to be substantially equal to twice the internal height hi of the circulation duct.
  • FIG. 9 shows the performance evolution as a function of the hydraulic diameter for U-shaped tubes or for tubes against the current of a radiator, for example, a radiator for heating the passenger compartment of a vehicle.
  • automotive for smooth tubes (without disturbers) and for tubes with disturbers.
  • RI corresponds to the ratio of the thermal power transmitted as a function of the hydraulic diameter D to the thermal power transmitted for a hydraulic diameter equal to 1.8 mm, this value being the value of the hydraulic diameter optimized for. smooth ubes.
  • R2 corresponds to the ratio of the thermal power transmitted as a function of the hydraulic diameter D h to the transmitted power for a hydraulic diameter equal to 2.4 mm, this value corresponding to the hydraulic diameter optimized for tubes comprising disturbers.
  • the power transmitted by the tubes fitted with disturbers is greater than the power transmitted by the smooth tubes from a hydraulic diameter substantially equal to 2 mm.
  • FIG. 10 represents the variation in the efficiency of the heat exchange as a function of the ratio of the surface of the disturbers (SP) relative to the total surface (ST) of the wall on which these disturbers are formed. More precisely, this is the ratio (SP / ST) between the surface of the disturbers 12 projected onto the large face 8, on which these disturbers 12 are formed, and the total surface of this large face.
  • the projected surface of a disturbance corresponds to its base connecting it to the internal face of the tube.
  • this yield goes through a maximum for an SP / ST ratio between 5 and 25%. Below 5%, the surface has too low a density of disturbers; above 25%, the density of disruptors adversely affects the contact surface between the wall of the tube and the interlayer. In other words, for a surface of disturbers of between 0.05 and 0.25 times the total surface of the face 8 on which the disturbers 12 have been provided, the efficiency is maximum.
  • FIG. 11 illustrates the influence of the relationship between the spacing pitch e of the disturbers 12 and the characteristic length L of these disturbers on the pressure drop (curve in solid lines) and on the transmitted power (curve in broken lines).
  • the characteristic length L is equal to the diameter.
  • the ' characteristic length L is equal to the width
  • the heat transfer coefficient of the tubes is maximum.
  • the distribution of turbulence in the flow caused by the disturbers is more homogeneous along the tubes.
  • the turbulence of the flow caused by the disturbers is not homogeneous.
  • the flow is turbulent only in certain regions of tube 1.
  • the overall effect is a minimum heat transfer coefficient. This is why the ratio should preferably be chosen between - 12.5% and + 12.5% as illustrated in Figure 12.
  • the tubes of the invention can be used to produce different types of radiators, in particular in the field of the automotive industry, for example to constitute a radiator for heating a passenger compartment of a vehicle or even a radiator for cooling an engine of motor vehicle.
  • the radiator comprises a bundle of tubes 1 and fins 7 mounted between an upper manifold box 17 and a lower manifold box 18.
  • the entire cross section of the set of tubes is used for a passage of the fluid and the flow is said "at I".
  • the fluid flows from the lower manifold 18 to the upper manifold 17 as shown by the arrows.
  • the entire cross section of half of the tubes 1 is used to circulate the fluid in one direction, while the other half of the tubes is used for a passage in the direction of the previous one, as shown by the arrows.
  • the fluid enters a compartment 19 of the upper manifold 17, to gain the lower manifold 18 and then join another compartment 20 of the upper manifold.

Abstract

Les tubes du radiateur sont formés de deux grandes faces (8) définissant la largeur (D) du tube et deux petites faces (10) définissant la hauteur intérieure (hi) du tube, les deux grandes faces (8) et les deux petites faces (10) délimitant un conduit de circulation pour un fluide. Des perturbateurs (12) sont formés au moins sur l'une des grandes faces (8) du tube (1). Le diamètre hydraulique moyen du conduit de circulation est compris entre 1,4 mm et 3,3 mm. Pour des tubes droits, le diamètre hydraulique est compris entre 1,4 mm et 2,6 mm ; pour des tubes en U, le diamètre hydraulique est compris entre 1,5 mm et 3,3 mm. Application aux radiateurs de chauffage ou de refroidissement de véhicules automobiles.

Description

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.

Claims

Revendications
1. Tube de radiateur pour le chauffage de l'habitacle ou le refroidissement du moteur des véhicules automobiles formé de deux grandes faces (8) définissant la largeur (D) du tube (1) et de deux petites faces (10) définissant la hauteur interne (hi) du tube (1) , les grandes faces (8) et les deux petites faces (10) délimitant un conduit de circulation pour un fluide, des perturbateurs (12) étant formés sur au moins l'une des grandes faces (8) du tube (1), caractérisé en ce que le diamètre hydraulique moyen (Dh) du conduit de circulation est compris entre 1,4 mm et 3,3 mm.
2. Tube selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tube (1) est un tube droit et en ce que le diamètre hydraulique (Dh) est compris entre 1,4 mm et 2,6 mm.
3. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (1) est un tube en U et en ce que le diamètre hydraulique (Dh) est compris entre 1,5 mm et 3,3 mm.
4. Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube en U (1) comporte un retour formé par une boîte collectrice (18) .
5. Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube (1) comporte deux canaux (2, 3) .
6. Tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la largeur (D) du tube (1) est inférieure ou égale à
31 mm.
7. Tube selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le tube (1) est formé dans une matière ayant une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,35 mm.
8. Tube selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport entre la surface (SP) des perturbateurs (12) projetée sur la grande face (8) , sur laquelle ces perturbateurs (12) sont formés, et la surface totale (ST) de cette grande face est compris entre 0,05 et 0,25.
9. Tube selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rapport entre la profondeur (p) des perturbateurs (12) et la hauteur intérieure (hi) du conduit de circulation est compris entre 0,25 et 0,5.
10. Tube selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la longueur caractéristique (L) des perturbateurs (12) est comprise entre 2 et 6 mm.
11. Tube selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le rapport entre le pas d'espacement (e) des perturbateurs (12) et leur longueur caractéristique (L) est compris entre 2 et 4.
12. Tube selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le rapport entre le décalage (f) des perturbateurs
(12) et leur pas d'espacement (e) est compris entre -0,125 et + 0,125.
13. Radiateur de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile caractérisé en ce qu' il comprend au moins un tube
(1) selon l'une des revendications précédentes.
14. Radiateur de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile caractérisé en ce qu' il comprend au moins un tube (1) selon l'une des revendications précédentes.
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