WO2010070216A1 - Échangeur de chaleur comprenant des tubes a ailettes rainurées - Google Patents

Échangeur de chaleur comprenant des tubes a ailettes rainurées Download PDF

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WO2010070216A1
WO2010070216A1 PCT/FR2009/050832 FR2009050832W WO2010070216A1 WO 2010070216 A1 WO2010070216 A1 WO 2010070216A1 FR 2009050832 W FR2009050832 W FR 2009050832W WO 2010070216 A1 WO2010070216 A1 WO 2010070216A1
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WO
WIPO (PCT)
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fin
tube
tubes
grooves
heat exchanger
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/050832
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English (en)
Inventor
Herveline Robidou
Jérôme GOUMONDIE
Rémy TINTILLIER
François CLUNET
Serge Chacun
Original Assignee
Gea Batignolles Technologies Thermiques
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Filing date
Publication date
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Priority to PL09716192T priority patent/PL2379977T3/pl
Priority to ES09716192T priority patent/ES2399504T3/es
Priority to CA2747353A priority patent/CA2747353C/fr
Priority to BRPI0906068-5 priority patent/BRPI0906068B1/pt
Priority to KR1020097020333A priority patent/KR101177726B1/ko
Priority to CN2009800002273A priority patent/CN101861506B/zh
Priority to RU2011129831/06A priority patent/RU2494330C2/ru
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Priority to HK11103193.6A priority patent/HK1149073A1/xx

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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
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/10—Secondary fins, e.g. projections or recesses on main fins

Definitions

  • Heat exchanger comprising grooved finned tubes
  • the invention relates to a tube heat exchanger comprising finned tubes, in which the tubes extend in a certain axial direction and are provided with heat exchange fins, each fin having a heat exchange surface. surrounding a tube which extends in a certain radial direction relative to the tube and which is structured in relief to form grooves spaced relative to each other in the radial direction.
  • the invention applies more particularly to a tube heat exchanger using air as a secondary exchange fluid such as aero-refrigerant, aero-condenser, aero-heater or aero-evaporator type equipment, used respectively for cooling, condensing, reheating and evaporation of a fluid, in particular in refining processes, gas treatment and compression plants, gas liquefaction units, coal synthesis units and gas, power generation facilities, regasification units, or any other fluid treatment facility.
  • a secondary exchange fluid such as aero-refrigerant, aero-condenser, aero-heater or aero-evaporator type equipment, used respectively for cooling, condensing, reheating and evaporation of a fluid, in particular in refining processes, gas treatment and compression plants, gas liquefaction units, coal synthesis units and gas, power generation facilities, regasification units, or any other fluid treatment facility.
  • such equipment comprises a main heat exchanger provided with a bundle of tubes with external fins in which circulates the fluid to be cooled, condensed, heated or evaporated, as well as distribution and distribution manifolds. fluid between the tubes.
  • the fluid is cooled in the outer finned tubes by heat exchange with a second fluid circulating around the external tubes and fins, including ambient air.
  • a circulation or forced ventilation of ambient air is provided by fans positioned either below (what is called a forced draft) or above (so-called induced draft) tubes exchanger .
  • the ambient air is drawn through the finned tube bundle at a relatively low frontal speed of between 1.5 and 4 meters per second (m / s).
  • the flow regime of the ambient air is generally laminar with some local turbulence.
  • the areas of the heat exchanger where heat exchange is most important are the leading edges of the fins and tubes in the direction of the flow of air.
  • recirculation zones of the exchanger are characterized by recirculation of the air which generates losses of charge and which do not allow good cooling of the fin.
  • Patent document US-2008023180 discloses a fin for aero-refrigerant tube which has on the surface a relief with cavities or grooves formed by mechanical deformation of the fins. Such cavities or grooves make it possible to increase the heat exchange between the air and the fin thanks to creating turbulence while increasing pressure losses.
  • concentric grooves 42 of semi-cylindrical section are formed on each fin.
  • a fin for a heat exchanger tube equipped with airflow deflectors in the form of projecting surfaces which modify the structure of the air flow in order to improve the air flow. heat exchanges between the air and the fin. These surfaces are in the form of rectangular or triangular cutouts in the fin.
  • the cuts made in the fin can be sources of fouling due to dust, insects, etc .. which obstruct the cuts.
  • the object of the invention is to provide a grooved fin structure for a heat exchanger tube which makes it possible to obtain an increase in the heat exchange between the air and the fluid circulating in the tube, without deteriorating the loss of heat. charge.
  • the subject of the invention is a tube heat exchanger comprising finned tubes, in which the tubes extend in a certain axial direction and are provided with heat exchange fins, each fin having a heat exchange surface surrounding a tube which extends in a certain radial direction relative to the tube and which is structured in relief to form grooves spaced from each other in the radial direction, and wherein the grooves of a fin have dimensions different that decrease as one moves away from the tube in the radial direction so as to provide a guide for a fluid around the tube.
  • the main advantage of such a staggered conformation of the relief of the fins is that it makes it possible to better guide the flow of air at the rear of the tubes in the radial direction of the tubes (according to the direction of the flow which arrives on the tubes ).
  • tubes with external fins according to the invention it is thus possible to greatly reduce an air recirculation zone at the rear of the tubes in the direction of the flow of air, which is normally important when uses flat-profiled (flat-profile) finned tubes.
  • the raised relief floor surface guiding the air at the rear of the tubes makes it possible to reduce the recirculation zones where the heat exchange is bad and thus to take better advantage of the surface of the fins. In this way with a fin according to the invention, the gain obtained in terms of thermal performance can be very important.
  • the grooves of a fin may have different depths and widths which decrease as one moves away from the tube in said radial direction.
  • Each fin may have a thickness which decreases as one moves away from the tube in said radial direction.
  • the grooves of a fin may be spaced from each other in a concentric shape pattern or in an elliptical shape pattern.
  • the grooves of a fin may be very close to one another, that is to say joined.
  • the grooves may be disposed on both sides of the fin.
  • Each fin can be rolled up helically around the tube or where the fins may be in the form of disc.
  • Figure 1 shows schematically in section a heat exchanger heat
  • Figure 2 is a plan view of a fin according to the invention
  • Figure 3 is a radial partial sectional view along the axis III-III of Figure 2 of a tube with two fins according to the invention
  • Figure 4 is a radial partial sectional view along the axis III-III of Figure 2 of a tube with two fins according to the invention in another embodiment
  • Figure 5 is a plan view of a fin according to the invention in yet another embodiment
  • Figure 6 is a radial sectional view along the axis III-III of Figure 2 of a tube provided with several fins according to the invention
  • Figure 7 is a radial sectional view of a set of tubes with flat profile fins showing current lines in a plane between two fins obtained by numerical simulation
  • Figure 8 is a radial sectional view of a set of tubes with
  • FIG. 9 schematically represents a representative graph of the pressure drop as a function of the frontal velocity of the air arriving on a fin according to the invention and on a flat-profile fin;
  • FIG. 10 schematically represents a representative graph of the power exchanged as a function of the frontal speed of the air arriving on a fin according to the invention and on a flat profile fin.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger 1 comprising a bundle of tubes 2 of circular section with fins arranged in several substantially parallel superimposed rows extending in an axial direction A in which circulates a fluid to be cooled between an inlet B and an outlet C of the fluid, and around which circulates a flow of ambient air drawn from the bottom upwards in the direction indicated by the arrows D, transversely to the tubes 2, by fans 3 positioned above the heat exchanger 1.
  • the circulation of the fluid is here divided into three passage sections or passes 2a, 2b, 2c successive diagrammatically shown in Figure 1 to improve the cooling of the fluid.
  • a heat exchanger 1 thus generally comprises between three and eight rows of superposed tubes 2 arranged staggered or aligned with respect to the direction of flow of the fluid in the tubes 2 as indicated by the arrows F.
  • the tubes 2 are provided with fins 4 radial outer annular substantially perpendicular to the tube 2 and substantially parallel to each other promoting the heat exchange between the ambient air and the fluid, and the guiding of the air flow towards the rear of the tubes 2 in the axial direction, as this will be described below.
  • the outer fins 4 make it possible to increase the external heat exchange area by a factor of between 15 and 25 with respect to the surface of a similar tube 2 without fins. Such a surface increase makes it possible to increase the heat exchange, but also generates losses which are in particular compensated by the use of efficient fans.
  • FIG. 1 shows a few fins 4 spaced from each other on a tube 2, it being obvious that fins 4 are preferably arranged all along all the tubes 2 of the exchanger 1. Moreover, the shape and the dimension of the outer fins 4 may vary from one tube to another of the bundle of tubes 2. The configurations of tubes 2 with external fins 4 are not necessarily homogeneous within a bundle of tubes 2, in particular the diameters of the tubes 2 may vary.
  • FIG. 2 shows, around a tube 2, a fin 4 according to the invention with a radial surface structured in relief 5 to form grooves 5a, 5b, 5c spaced from each other in a certain radial direction E by a portion of annular fin 8 substantially flat.
  • the grooves 5a, 5b, 5c of the fin 4 have different dimensions which decrease as one moves away from the tube 2 in such a way as to guide the flow of ambient air around the tube 2 in the axial direction A. More precisely, the grooves 5a, 5b, 5c of a fin 4 have respective respective depths p1, p2, p3 in the axial direction A and respective widths 11, 12, 13 in the radial direction E, respectively.
  • the innermost groove 5a is the uppermost and widest of the grooves
  • the outermost groove 5c is the smallest and the smallest
  • the middle groove 5b is of intermediate height and width.
  • the number of grooves 5a, 5b, 5c on a fin 4 is between two and four, but other grooves may be added depending on the application.
  • the raised surface 5 consists of three circular grooves 5a, 5b, 5c arranged in a concentric shape and centered around the tube 2.
  • Adjacent fins 4 may have concentric grooves 5a, 5b, 5c which are respectively in axial alignment (the fins 4 have the same raised surface 5 and thus a groove 5a, 5b, 5c of a fin 4 is in axial alignment with the corresponding groove of the other fins 4 on the tube 2).
  • FIG. 3 the raised surface 5 consists of three circular grooves 5a, 5b, 5c arranged in a concentric shape and centered around the tube 2.
  • Adjacent fins 4 may have concentric grooves 5a, 5b, 5c which are respectively in axial alignment (the fins 4 have the same raised surface 5 and thus a groove 5a, 5b, 5c of a fin 4 is in axial alignment with
  • the concentric adjacent grooves 5a, 5b, 5c of a fin 4 are separated (disjoint) radially from one another by flat annular planar portions 8.
  • These annular portions 8 may have in the radial direction E the same width d1, d2 or different widths d1, d2 according to a variable diagram, d1, d2 being for example between 1 and 5 mm.
  • the portion widths decreases going from the tube 2 to the outer peripheral edge 4A or vice versa.
  • the width of the separation portions 8 is very small (less than 1 mm).
  • a tube 2 has fins 4 of the same configuration over its entire length.
  • tubes 2 with different configurations of fins 4.
  • the grooves 5a, 5b, 5c are formed on one and the same face 4c of the fin 4, that is, oriented in the same direction with respect to the fin 4.
  • FIG. 4 shows another embodiment of a fin 4 according to the invention in which grooves 5d, 5e, 5f are oriented on either side of the fin 4, that is to say that they are arranged alternately on two faces 4c, 4d of the fin 4 opposite, which can confer a better mechanical strength with respect to the grooves 5a, 5b, 5c.
  • FIG. 5 shows another embodiment of a fin 4 according to the invention in which the concentric grooves 5a, 5b, 5c have been replaced by grooves 6a, 6b, 6c arranged according to an elliptical shape diagram 4
  • Such elliptical grooves 6a, 6b, 6c make it possible to take better advantage of the phenomenon of guiding the air through the grooves while limiting the increase in the associated pressure drop.
  • the advantage of this solution is an increase in performance gain for similar conditions of use, ie iso speed and even pressure drop.
  • the outer fins 4 can be made from an aluminum strip 7 or even another heat-conducting material wound helically in the axial direction A around each tube 2, as shown schematically in FIG. Note that the fins 4 are here very slightly inclined relative to the tube 2 and the direction A, as indicated by the arrow 4e, this inclination being small because the fins 4 are very close to each other, so that we can consider that the fins 4 are almost perpendicular to the tube 2. It is also possible to make a tube 2 with fins 4 more inclined relative to the axial direction A of the tube 2. Another embodiment of an outer fin 4 is formed by means of a series of rotating disks.
  • the attachment between the fin 4 and the tube 2 may be made by embedding the fin 4, for example in a groove previously made on the periphery of the tube 2 (not shown), or by winding the fin 4 to the base of which a folding is achieved and crimping on the tube 2 for example knurled.
  • the fin 4 can also be obtained by forming or deformation of an aluminum tube attached to the tube 2.
  • the fin 4 can also be made using stacked disks.
  • the fin 4 has a thickness which decreases as one moves away from the tube from the inner edge 4b the fin 4 towards its outer edge 4a.
  • the thickness e1 of the fin 4 at its outer edge 4a may be between about 0.15 and 0.4 millimeters (mm) and the thickness e2 of the fin 4 at its inner edge 4b can be between about 0.4 and 1 mm.
  • the grooves 5a, 5b, 5c have respective depths p1, p2, p3 between about 0.4 and 1.5 mm, and respective widths 11, 12, 13 at the base of the groove between about 1 and 4 mm, the grooves 5a, 5b, 5c having different heights and widths so as to obtain the decreasing stage relief away from the tube 2 such that p1> p2> p3 and 11> I2> I3.
  • the fin 4 according to the invention has a length H of between approximately 10 and
  • the pitch P between two consecutive fins along the tube 2 is between about 2.2 and 3.5 mm and preferably between about 2.5 and 3.2 mm, or generally less than the conventional spacing between two blades profiled consecutive dish.
  • a heat exchanger 1 comprises a bundle of tubes
  • the tubes 2 may be composed of steel, for example stainless steel or carbon steel or a high-alloy steel, such as incoloy, the choice of the material of the tubes 2 being a function of the transported fluid which may be aggressive. , and operating conditions.
  • the outer fins 4 are generally made of aluminum, but may also be stainless steel, or any other heat conducting material.
  • FIGS. 7 and 8 show current lines (obtained by numerical simulation) of the ambient air flowing in the direction D around several tubes 2 of the heat exchanger 1 in a plane M substantially perpendicular to the tubes 2 and located at the center between two consecutive fins 4 as shown in Figure 1 and in Figure 3.
  • Figure 7 shows the case of a flat-profile fin and Figure 8 shows the case of a fin 4 according to the invention having concentric grooves 5a, 5b, 5c.
  • a fluid recirculation zone Z1 is located behind the tubes 2 in the direction of the flow D of the air in which the heat exchange is bad.
  • FIG. 8 there is a very large decrease in the recirculation of the fluid in a zone Z2 located at the rear of the tubes 2 in the direction of the flow D of the air.
  • the pressure drop is represented as a function of the frontal air speed on the tubes 2 for tubes 2 with flat profile fins (curve 9A) and for tubes 2 with fins 4 according to FIG. invention with concentric grooves 5a, 5b, 5c (curve 9B).
  • curve 9A flat profile fins
  • curve 9B concentric grooves 5a, 5b, 5c
  • This increase in the pressure drop can be compensated by spacing the fins 4 each other along the tube 2.
  • the pitch P between two consecutive fins is different according to whether the surface of the fins is raised or not: 2.54 mm in the case of the flat profile vane and 3 mm for the fin 4 according to the invention with grooves 5a, 5b, 5c concentric. In this way, as can be seen in FIG. 9, the increase in the pressure drop caused by the raised surface 5 remains very small.
  • FIG. 10 shows the power exchanged as a function of the frontal speed of the air on the tubes 2 for flat-profile tubes 2 (curve 10A) and for tubes 2 with fins 4 according to the invention. grooves 5a, 5b, 5c concentric (curve 10B) and for pitch P between fins as defined above.
  • the exchanged power of the heat exchanger 1 that is to say the gain obtained, increases by about 10 to 25% depending on the frontal air speed, which corresponds to an increase in performance per unit of heat. exchanger length of between 2 and 10%.
  • the spacing of the fins 4 along the tube 2 reduces the amount of material used to make the fins, which compensates for the increase in material caused by the realization of the raised surface 5 on the fin 4 by modifying the surface of the fin, and decreases the amount of material used to achieve a saving of the order of 3 to 6% per meter.

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Abstract

Un échangeur de chaleur à tubes comprend des tubes à ailettes (2). Les tubes s'étendent selon une certaine direction axiale et sont munis d'ailettes d'échange de chaleur (4). Chaque ailette a une surface d'échange de chaleur entourant un tube qui s'étend selon une certaine direction radiale par rapport au tube et qui est structurée en relief pour former des rainures espacées l'une par rapport à l'autre selon la direction radiale. Les rainures d'une ailette ont des dimensions, telles que largeur et profondeur, qui diminuent à mesure qu'on s'éloigne du tube selon la direction radiale de telle façon à réaliser un guidage pour un fluide autour du tube.

Description

Echangeur de chaleur comprenant des tubes à ailettes rainurées
L'invention concerne un echangeur de chaleur à tubes comprenant des tubes à ailettes, dans lequel les tubes s'étendent selon une certaine direction axiale et sont munis d'ailettes d'échange de chaleur, chaque ailette ayant une surface d'échange de chaleur entourant un tube qui s'étend selon une certaine direction radiale par rapport au tube et qui est structurée en relief pour former des rainures espacées l'une par rapport à l'autre selon la direction radiale.
L'invention s'applique plus particulièrement à un echangeur de chaleur à tubes utilisant l'air comme fluide d'échange secondaire tel qu'un équipement de type aéro-réfrigérant, aéro-condenseur, aéro-réchauffeur ou aéro-évaporateur, utilisé respectivement pour le refroidissement, la condensation, le réchauffage et l'évaporation d'un fluide, notamment dans des procédés de raffinage, des stations de traitement et de compression du gaz, des unités de liquéfaction de gaz, des unités de synthèse du charbon et du gaz, des installations de production d'électricité, des unités de regazéification, ou tout autre installation de traitement de fluide.
De manière générale, un tel équipement comprend un echangeur de chaleur principal muni d'un faisceau de tubes à ailettes externes dans lesquels circule le fluide à refroidir, à condenser, à réchauffer ou à évaporer, ainsi que des collecteurs de distribution et de répartition du fluide entre les tubes. En particulier, le refroidissement du fluide s'effectue dans les tubes à ailettes externes par échange de chaleur avec un deuxième fluide circulant autour des tubes et des ailettes externes, notamment de l'air ambiant. Pour cela, une circulation ou ventilation forcée d'air ambiant est assurée par des ventilateurs positionnés soit en dessous (ce qu'on appelle un tirage forcé) ou en dessus (ce qu'on appelle un tirage induit) des tubes de l'échangeur. En général, l'air ambiant est puisé au travers du faisceau de tubes à ailettes à une vitesse frontale relativement faible comprise entre 1 ,5 et 4 mètres par seconde (m/s). A de telles vitesses et pour les configurations géométriques considérées (notamment de sections de passage de l'air, d'espace entre deux ailettes ou deux tubes consécutifs), le régime d'écoulement de l'air ambiant est globalement laminaire avec quelques turbulences locales, ce qui se caractérise par des échanges thermiques avec les ailettes externes relativement faibles. Les zones de l'échangeur où les échanges thermiques sont les plus importants sont les bords d'attaque des ailettes et des tubes dans le sens de l'écoulement de l'air. Ainsi, du fait de la structure de l'écoulement et de l'échangeur, les zones des tubes situées à l'arrière des tubes dans le sens de l'écoulement de l'air sont quasiment inexploitées pour l'échange thermique. Ces zones dites de recirculation de l'échangeur se caractérisent par une recirculation de l'air qui engendre des pertes de charges et qui ne permettent pas un bon refroidissement de l'ailette. On connaît du document de brevet US-2008023180 une ailette pour tube d'aéro-réfrigérant qui présente en surface un relief avec des alvéoles ou des rainures formées par déformation mécanique des ailettes. De telles alvéoles ou rainures permettent d'augmenter l'échange thermique entre l'air et l'ailette grâce à la création de turbulences tout en augmentant les pertes de pression. En particulier, des rainures 42 concentriques, de section semi-cylindrique, sont formées sur chaque ailette.
On connaît aussi du document de brevet WO 2007/147754 une ailette pour tube d'échangeur de chaleur équipée de déflecteurs de flux d'air sous la forme de surfaces saillantes qui modifient la structure de l'écoulement d'air afin d'améliorer les échanges de chaleur entre l'air et l'ailette. Ces surfaces se présentent sous la forme de découpes rectangulaires ou triangulaires dans l'ailette. Cependant, les échangeurs de chaleur étant le plus souvent à l'extérieur et l'air ambiant n'étant pas filtré, les découpes réalisées dans l'ailette peuvent être des sources d'encrassement dû à des poussières, insectes, etc .. qui viennent obstruer les découpes.
Le but de l'invention est de proposer une structure d'ailette rainurée pour tube d'échangeur de chaleur qui permet d'obtenir une augmentation des échanges thermiques entre l'air et le fluide circulant dans le tube, sans dégradation de la perte de charge.
A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur à tubes comprenant des tubes à ailettes, dans lequel les tubes s'étendent selon une certaine direction axiale et sont munis d'ailettes d'échange de chaleur, chaque ailette ayant une surface d'échange de chaleur entourant un tube qui s'étend selon une certaine direction radiale par rapport au tube et qui est structurée en relief pour former des rainures espacées l'une par rapport à l'autre selon la direction radiale, et dans lequel les rainures d'une ailette ont des dimensions différentes qui diminuent à mesure qu'on s'éloigne du tube selon la direction radiale de telle façon à réaliser un guidage pour un fluide autour du tube.
L'avantage principal d'une telle conformation étagée du relief des ailettes est qu'elle permet de mieux guider le flux d'air à l'arrière des tubes selon la direction radiale des tubes (selon la direction du flux qui arrive sur les tubes). En utilisant des tubes avec des ailettes externes selon l'invention, on peut ainsi fortement diminuer une zone de recirculation de l'air à l'arrière des tubes dans le sens de l'écoulement de l'air, normalement importante lorsque l'on utilise des tubes à ailettes sans relief (à profil plat). Ainsi, la surface en relief étage guidant l'air à l'arrière des tubes permet de réduire les zones de recirculation où l'échange thermique est mauvais et donc de tirer un meilleur profit de la surface des ailettes. De cette manière avec une ailette selon l'invention, le gain obtenu en termes de performance thermique peut être très important.
Selon certaines particularités de l'échangeur selon l'invention, les rainures d'une ailette peuvent avoir des profondeurs et des largeurs différentes qui diminuent à mesure qu'on s'éloigne du tube selon ladite direction radiale. Chaque ailette peut avoir une épaisseur qui diminue à mesure qu'on s'éloigne du tube selon ladite direction radiale. Les rainures d'une ailette peuvent être espacées l'une de l'autre selon un schéma de forme concentrique ou encore selon un schéma de forme elliptique. Les rainures d'une ailette peuvent être très rapprochées l'une de l'autre, c'est-à-dire jointives. Les rainures peuvent être disposées sur les deux faces de l'ailette. Chaque ailette peut être enroulée de façon hélicoïdale autour du tube ou encore ou les ailettes peuvent être sous la forme de disque.
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre schématiquement en coupe un échangeur de chaleur ; la figure 2 est une vue en plan d'une ailette selon l'invention ; la figure 3 est une vue en coupe partielle radiale selon l'axe Ill-lll de la figure 2 d'un tube avec deux ailettes selon l'invention; la figure 4 est une vue en coupe partielle radiale selon l'axe Ill-lll de la figure 2 d'un tube avec deux ailettes selon l'invention dans un autre mode de réalisation ; la figure 5 est une vue en plan d'une ailette selon l'invention dans encore un autre mode de réalisation ; la figure 6 est une vue en coupe radiale selon l'axe Ill-lll de la figure 2 d'un tube muni de plusieurs ailettes selon l'invention ; la figure 7 est une vue en coupe radiale d'un ensemble de tubes avec ailettes à profil plat montrant des lignes de courant dans un plan entre deux ailettes obtenues par simulation numérique ; la figure 8 est une vue en coupe radiale d'un ensemble de tubes avec ailettes selon l'invention montrant des lignes de courant obtenus par simulation numérique ; la figure 9 représente schématiquement un graphique représentatif de la perte de charge en fonction de la vitesse frontale de l'air arrivant sur une ailette selon l'invention et sur une ailette à profil plat; la figure 10 représente schématiquement un graphique représentatif de la puissance échangée en fonction de la vitesse frontale de l'air arrivant sur une ailette selon l'invention et sur une ailette à profil plat.
Sur la figure 1 , on a représenté un échangeur de chaleur 1 comprenant un faisceau de tubes 2 à section circulaire à ailettes disposés en plusieurs rangées superposées sensiblement parallèles s'étendant selon une direction axiale A dans lesquels circule un fluide à refroidir entre une entrée B et une sortie C du fluide, et autour desquels circule un flux d'air ambiant puisé tiré du bas vers le haut dans la direction indiquée par les flèches D, de manière transversale aux tubes 2, par des ventilateurs 3 positionnés au-dessus de l'échangeur de chaleur 1 . La circulation du fluide est ici répartie en trois sections de passage ou passes 2a, 2b, 2c successives représentées schématiquement sur la figure 1 permettant d'améliorer le refroidissement du fluide. Un échangeur de chaleur 1 comprend ainsi généralement entre trois et huit rangées de tubes 2 superposées agencées en quinconce ou alignés par rapport au sens de circulation du fluide dans les tubes 2 comme indiqué par les flèches F. Les tubes 2 sont munis d'ailettes 4 annulaires radiales externes sensiblement perpendiculaires au tube 2 et sensiblement parallèles entre elles favorisant l'échange thermique entre l'air ambiant et le fluide, ainsi que le guidage du flux d'air vers l'arrière des tubes 2 dans la direction axiale, comme cela sera décrit plus bas. De manière générale, les ailettes externes 4 permettent d'augmenter la surface d'échange de chaleur externe d'un facteur compris entre 15 et 25 par rapport à la surface d'un tube 2 similaire sans ailettes. Une telle augmentation de surface permet d'augmenter l'échange de chaleur, mais engendre également des pertes de charges qui sont notamment compensées par l'utilisation de ventilateurs 3 performants.
Pour une meilleure clarté, on a représenté sur la figure 1 quelques ailettes 4 espacées les unes des autres sur un tube 2, il est évident que des ailettes 4 sont disposées de préférence tout le long de tous les tubes 2 de l'échangeur 1 . Par ailleurs, la forme et la dimension des ailettes externes 4 peuvent varier d'un tube à l'autre du faisceau de tubes 2. Les configurations de tubes 2 à ailettes externes 4 ne sont pas nécessairement homogènes au sein d'un faisceau de tubes 2, notamment les diamètres des tubes 2 peuvent varier.
On a représenté sur la figure 2, autour d'un tube 2, une ailette 4 selon l'invention avec une surface radiale structurée en relief 5 pour former des rainures 5a, 5b, 5c espacées les unes des autres selon une certaine direction radiale E par une portion d'ailette 8 annulaire sensiblement plane. Les rainures 5a, 5b, 5c de l'ailette 4 ont des dimensions différentes qui diminuent à mesure qu'on s'éloigne du tube 2 de telle façon à réaliser un guidage du flux d'air ambiant autour du tube 2 selon la direction axiale A. Plus précisément, les rainures 5a, 5b,5c d'une ailette 4 ont respectivement des profondeurs p1 ,p2,p3 respectives différentes selon la direction axiale A et des largeurs 11 ,12,13 respectives différentes selon la direction radiale E, la largeur et la profondeur des rainures allant en diminuant à mesure qu'on s'éloigne du tube 2, depuis un bord interne 4b de l'ailette 4 fixé au tube 2 vers un bord périphérique externe 4a libre de l'ailette 4. Comme on peut mieux le voir sur la figure 3, la rainure 5a la plus interne est la plus haute et la plus large des rainures, la rainure 5c la plus externe est la moins haute et la moins large et la rainure 5b du milieu étant de hauteur et de largeur intermédiaires.
De préférence, le nombre de rainures 5a, 5b, 5c sur une ailette 4 est compris entre deux et quatre, mais on peut ajouter d'autres rainures en fonction de l'application. Sur la figure 3, la surface en relief 5 est constituée de trois rainures circulaires 5a,5b,5c agencées selon un schéma de forme concentrique et centrées autour du tube 2. Des ailettes 4 adjacentes peuvent avoir des rainures 5a, 5b, 5c concentriques qui sont respectivement en alignement axial (les ailettes 4 ont une même surface en relief 5 et donc une rainure 5a, 5b, 5c d'une ailette 4 est en alignement axial avec la rainure correspondante des autres ailettes 4 sur le tube 2). Sur la figure 3, les rainures 5a, 5b, 5c adjacentes concentriques d'une ailette 4 sont séparées (disjointes) radialement l'une de l'autre par des portions planes annulaires 8 d'ailette. Ces portions annulaires 8 peuvent avoir selon la direction radiale E une même largeur d1 ,d2 ou des largeurs d1 ,d2 différentes selon un schéma variable, d1 ,d2 étant par exemple comprises entre 1 et 5 mm. Par exemple, les largeurs de portions vont en diminuant en allant du tube 2 vers le bord périphérique extérieur 4A ou inversement. On peut également prévoir des rainures adjacentes qui sont jointives et dans ce cas, la largeur des portions 8 de séparation est très petite (inférieure à 1 mm). Par simplicité de fabrication, un tube 2 a des ailettes 4 de même configuration sur toute sa longueur. Mais dans un échangeur de chaleur 1 , on peut prévoir des tubes 2 avec des configurations d'ailettes 4 différentes. Par exemple, on peut avoir un tube 2 dans lequel les ailettes 4 ont des rainures 5a,5b,5c adjacentes dont les largeurs d1 ,d2 de portion 8 de séparation vont croissant vers le bord périphérique extérieur 4A, et un tube 2 adjacent dans lequel les ailettes 4 ont des rainures 5a, 5b, 5c adjacentes dont les largeurs d1 ,d2 de portion 8 de séparation vont à l'inverse décroissant vers le bord périphérique extérieur 4A. Sur l'ailette 4 de la figure 3, les rainures 5a,5b,5c sont formées sur une même face 4c de l'ailette 4, c'est-à-dire orientées dans la même direction par rapport à l'ailette 4. La figure 4 montre un autre mode de réalisation d'une ailette 4 selon l'invention dans laquelle des rainures 5d,5e,5f sont orientées de part et d'autre de l'ailette 4, c'est-à-dire qu'elles sont disposées en alternance sur deux faces 4c,4d de l'ailette 4 opposées, ce qui peut conférer une meilleure résistance mécanique par rapport aux rainures 5a, 5b, 5c.
On a représenté sur la figure 5 un autre mode de réalisation d'une ailette 4 selon l'invention dans laquelle on a remplacé les rainures 5a, 5b, 5c concentriques par des rainures 6a,6b,6c agencées selon un schéma de forme elliptique 4. De telles rainures 6a, 6b, 6c elliptiques permettent de tirer un meilleur profit du phénomène de guidage de l'air par les rainures tout en limitant l'augmentation de la perte de charge associée. L'avantage de cette solution est une augmentation du gain en performance pour des conditions similaires d'utilisation, c'est-à-dire iso vitesse et même perte de charge.
Les ailettes externes 4 peuvent être fabriquées à partir d'un feuillard 7 en aluminium, voire d'un autre matériau conducteur de chaleur, enroulé de manière hélicoïdale dans la direction axiale A autour de chaque tube 2, comme représenté schématiquement sur la figure 6. On notera que les ailettes 4 sont ici très légèrement inclinées par rapport au tube 2 et à la direction A, comme indiqué par la flèche 4e, cette inclinaison étant faible du fait que les ailettes 4 sont très rapprochées l'une de l'autre, de sorte que l'on peut considérer que les ailettes 4 sont quasi perpendiculaires au tube 2. On peut aussi réaliser un tube 2 avec des ailettes 4 plus inclinées par rapport à la direction axiale A du tube 2. Un autre moyen de réalisation d'une ailette externe 4 est un formage au moyen d'une série de disques en rotation. L'attachement entre l'ailette 4 et le tube 2 peut être soit réalisé par encastrement de l'ailette 4 par exemple dans une rainure préalablement réalisée sur la périphérie du tube 2 (non représentée), soit par enroulement de l'ailette 4 à la base de laquelle un pliage est réalisé puis sertissage sur le tube 2 par exemple moleté. L'ailette 4 peut aussi être obtenue par formage ou déformation d'un tube d'aluminium rapporté qui recouvre le tube 2. L'ailette 4 peut aussi être réalisée à l'aide de disques empilés. Comme visible sur la figure 3, l'ailette 4 a une épaisseur qui va en diminuant à mesure qu'on s'éloigne du tube depuis le bord interne 4b l'ailette 4 vers son bord externe 4a. Avantageusement, l'épaisseur e1 de l'ailette 4 à son bord externe 4a peut être comprise entre environ 0,15 et 0,4 millimètres (mm) et l'épaisseur e2 de l'ailette 4 à son bord interne 4b peut être comprise entre environ 0,4 et 1 mm.
Les rainures 5a,5b,5c ont des profondeurs respectives p1 ,p2,p3 comprises entre environ 0,4 et 1 ,5 mm, ainsi que des largeurs respectives 11 ,12,I3 à la base de la rainure comprise entre environ 1 et 4 mm, les rainures 5a, 5b, 5c ayant des hauteurs et largeurs différentes de façon à obtenir le relief étage diminuant en s'éloignant du tube 2 tel que p1 >p2>p3 et 11 >I2>I3.
L'ailette 4 selon l'invention a une longueur H comprise entre environ 10 et
20 mm et préférentiellement entre environ 12 et 18 mm. Le pas P entre deux ailettes consécutives le long du tube 2 est compris entre environ 2,2 et 3,5 mm et préférentiellement entre environ 2,5 et 3,2 mm, ou généralement inférieur à l'espacement classique entre deux ailettes à profil plat consécutives.
Généralement, un échangeur de chaleur 1 comprend un faisceau de tubes
2 reposant sur une structure en acier (non montrée) et formé d'environ 50 à 300 tubes 2 de diamètre compris entre environ 15 millimètres et 55 millimètres, la largeur de l'échangeur de chaleur 1 étant comprise entre 0,3 mètres et 5 mètres, et sa longueur comprise entre 8 mètres et 18 mètres.
Les tubes 2 peuvent être composés d'acier, par exemple de l'acier inoxydable ou de l'acier carbone ou un acier fortement allié, comme l'incoloy, le choix du matériau des tubes 2 étant fonction du fluide transporté qui peut être agressif, et des conditions de fonctionnement. Les ailettes externes 4 sont généralement réalisées en aluminium, mais peuvent également être en inox, ou tout autre matériau conducteur de chaleur. Les figures 7 et 8 présentent des lignes de courant (obtenues par simulation numérique) de l'air ambiant circulant dans la direction D autour de plusieurs tubes 2 de l'échangeur de chaleur 1 dans un plan M sensiblement perpendiculaire aux tubes 2 et situé au centre entre deux ailettes 4 consécutives comme indiqué sur la figure 1 et sur la figure 3. Plus précisément, la figure 7 présente le cas d'une ailette à profil plat et la figure 8 présente le cas d'une ailette 4 selon l'invention comportant des rainures 5a,5b,5c concentriques. Comme on peut le voir sur la figure 7, une zone de recirculation du fluide Z1 se situe à l'arrière des tubes 2 dans la direction de l'écoulement D de l'air dans laquelle l'échange thermique est mauvais. En revanche, comme visible sur la figure 8, on note une très forte diminution de la recirculation du fluide dans une zone Z2 située à l'arrière des tubes 2 dans la direction de l'écoulement D de l'air. Ceci est dû aux rainures 5a, 5b, 5c des ailettes 4 qui guident le flux d'air vers l'arrière des tubes 2 dans la direction axiale ce qui permet de réduire les zones où l'échange thermique est mauvais et donc de tirer un meilleur profit des ailettes 4.
Sur la figure 9, on a représenté la perte de charge en fonction de la vitesse frontale de l'air sur les tubes 2 pour des tubes 2 à ailettes à profil plat (courbe 9A) et pour des tubes 2 à ailettes 4 selon l'invention à rainures 5a, 5b, 5c concentriques (courbe 9B). De manière générale, on constate une augmentation de la perte de charge qui est provoquée par la surface en relief 5 ou les rainures 5a, 5b, 5c des ailettes 4. Cette augmentation de la perte de charge peut être compensée en espaçant les ailettes 4 les unes des autres le long du tube 2. Pour ces calculs et les suivants, le pas P entre deux ailettes consécutives est donc différent selon que la surface des ailettes est en relief ou non : 2,54 mm dans le cas de l'ailette à profil plat et 3 mm pour l'ailette 4 selon l'invention à rainures 5a, 5b, 5c concentriques. De cette manière, comme on peut le voir sur la figure 9, l'augmentation de la perte de charge provoquée par la surface en relief 5 reste très faible.
On a représenté sur la figure 10 la puissance échangée en fonction de la vitesse frontale de l'air sur les tubes 2 pour des tubes 2 à ailettes à profil plat (courbe 10A) et pour des tubes 2 à ailettes 4 selon l'invention à rainures 5a, 5b, 5c concentriques (courbe 10B) et pour des pas P entre ailettes tels que définis plus haut. La puissance échangée de l'échangeur de chaleur 1 , c'est-à- dire le gain obtenu, augmente d'environ 10 à 25% selon la vitesse frontale de l'air, ce qui correspond à une augmentation de performance par unité de longueur d'échangeur comprise entre 2 et 10%. En outre, l'espacement des ailettes 4 le long du tube 2 permet de diminuer la quantité de matière utilisée pour réaliser les ailettes, ce qui compense l'augmentation de matière provoquée par la réalisation de la surface en relief 5 sur l'ailette 4 par modification de la surface de l'ailette, et diminue la quantité de matière utilisée pour réaliser une économie de l'ordre de 3 à 6% par mètre.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Echangeur de chaleur (1 ) à tubes (2) comprenant des tubes à ailettes, dans lequel les tubes s'étendent selon une certaine direction axiale (A) et sont munis d'ailettes (4) d'échange de chaleur, chaque ailette ayant une surface d'échange de chaleur entourant un tube qui s'étend selon une certaine direction radiale (E) par rapport au tube et qui est structurée en relief pour former des rainures (5a,5b,5c;6a,6b,6c) espacées l'une par rapport à l'autre selon la direction radiale, caractérisé en ce que les rainures d'une ailette ont des dimensions différentes qui diminuent à mesure qu'on s'éloigne du tube selon la direction radiale de telle façon à réaliser un guidage pour un fluide autour du tube.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 , dans lequel les rainures d'une ailette ont des profondeurs et des largeurs différentes qui diminuent à mesure qu'on s'éloigne du tube selon ladite direction radiale.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque ailette à une épaisseur qui diminue à mesure qu'on s'éloigne du tube selon ladite direction radiale.
4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les rainures d'une ailette sont espacées l'une de l'autre selon un schéma de forme concentrique.
5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les rainures d'une ailette sont espacées l'une de l'autre selon un schéma de forme elliptique.
6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les rainures d'une ailette sont espacées l'une de l'autre de façon jointive.
7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel chaque ailette a deux faces opposées (4c,4d) servant de surface d'échange de chaleur, lesdites rainures étant disposées sur les deux faces de l'ailette.
8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel les tubes sont munis chacun d'une ailette d'échange de chaleur enroulée de façon hélicoïdale autour du tube.
9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les tubes sont munis chacun d'ailettes en forme de disque.
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