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

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.