WO2011151543A1

WO2011151543A1 - Échangeur de chaleur

Info

Publication number: WO2011151543A1
Application number: PCT/FR2011/000326
Authority: WO
Inventors: Antoine Foata
Original assignee: ÉTAT FRANÇAIS représenté par LE DÉLÉGUÉ GÉNÉRAL POUR L'ARMEMENT
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2011-12-08
Also published as: FR2960954A1; FR2960954B1

Abstract

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et a plus particulièrement pour objet un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie, la forme d'une spirale, et caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois tubes successifs dont deux tubes successifs présentant un décalage angulaire d'angle θ compris entre 5 et 15 degrés et deux tubes successifs en regard donc ne présentant pas de décalage angulaire ou, en d'autres termes, un décalage angulaire égal à 0 degrés.

Description

Echangeur de chaleur

La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et a plus particulièrement pour objet un assemblage de tubes formant un échangeur de chaleur.

Il existe deux types principaux d'échangeurs de chaleur utilisés dans l'industrie, à savoir les échangeurs à tubes et les échangeurs à plaques. Parmi les échangeurs à tubes, ceux, utilisant une calandre et un faisceau de tubes rectilignes solidarisés, à chacune de leurs extrémités, à une plaque tubulaire, sont très répandus.

Dans le cadre d'essais d'un moteur, notamment d'un moteur d'avion, on utilise généralement une installation comportant des premiers moyens, disposés en amont du moteur et aptes à alimenter ce dernier en air à un débit, une température et une pression aptes à reproduire ceux que peut rencontrer l'avion dans son domaine de vol. L'installation comporte aussi des seconds moyens, disposés en aval du moteur et aptes, d'une part, à reproduire la pression que peut rencontrer l'aval du moteur dans le domaine de vol de l'avion, et, d'autre part, à refroidir les produits de combustion lors du fonctionnement du moteur.

Ce moteur est généralement implanté dans un caisson d'essais et le refroidissement consiste généralement, en l'introduction d'air de ventilation dans le caisson, ainsi qu'en un passage des gaz dans un réfrigérant primaire apte à refroidir les gaz jusqu'à une température inférieure ou égale à 500°C puis en un passage dans un réfrigérant secondaire dans lequel ils sont refroidis jusqu'à une température de 40°C environ. De plus, pour une question de tenue des matériaux constitutifs du réfrigérant primaire, de l'eau est injectée dans les gaz sortant du moteur afin de diminuer leur température en entrée du réfrigérant primaire.

Les seconds moyens comportent généralement au moins un compresseur et le réfrigérant primaire est constitué par un échangeur de type tubes rectilignes/calandre. Cependant l'injection d'eau, destinée à diminuer la température des gaz à l'entrée de cet échangeur, produit de la corrosion au niveau des deux équipements précités. Pour résoudre, en partie cet inconvénient, un dévésiculeur est disposé en amont des compresseurs. Cependant un tel équipement ne peut être disposé en amont du réfrigérant primaire à cause de la température trop élevée des gaz. De plus, les gaz à refroidir ne sont thermiquement pas homogènes. Ainsi il existe un dard axial extrêmement chaud correspondant aux gaz éjectés par le moteur et des gaz périphériques beaucoup moins chaud autour du dard. De plus, compte tenu du diamètre important de la calandre, typiquement plusieurs mètres, 5 une différence de température de l'ordre de la centaine de degré entre les gaz situés en haut et ceux situés en bas de l'échangeur. Ces différences de températures créent des contraintes thermiques importantes notamment au niveau des plaques supportant les tubes qui se déforment et provoque des ruptures de tubes. Comme les tubes ne sont pas facilement accessibles, ni réparables, la seule solution consiste 10 à boucher les tubes défectueux, donc à réduire l'échange, et ce, jusqu'à ce que l'échange global devienne insuffisant et qu'il soit alors nécessaire de remplacer l'échangeur. La durée d'indisponibilité de l'installation peut alors être très importante. Pour résoudre ces inconvénients, on connaît aussi le brevet FR 2886392 qui décrit un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes superposés et ayant5 chacun, au moins en partie, la forme d'une spirale hélicoïdale et caractérisé en ce que l'angle Θ du décalage angulaire entre deux tubes successifs de ce faisceau est compris entre 5 et 15°.

Un tel échangeur présente, par rapport aux écnangeurs à tubes classiques de nombreux avantages notamment au niveau de /'efficacité donc de l'encombrement, au niveau de la perte de charge engendrée côté calandre qui est très faible et au niveau de la maintenance.

— Le but de -l'invention- est de proposer un échangeur de- chaleur -présentant une efficacité accrue par rapport à celle d'un échangeur selon la demande de brevet FR2886392, et donc pour une énergie à évacuer donnée, un encombrement encore moindre.

La solution apportée est un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie, la forme d'une spirale, et caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois tubes successifs superposés dont deux tubes successifs présentant un décalage angulaire d'angle Θ compris entre 5 et 15 degrés et deux tubes successifs en regard donc ne présentant pas de décalage angulaire ou, en d'autres termes, un décalage angulaire égal à 0 degrés.

Les essais ont montré que d'une manière surprenante, le deuxième tube placé immédiatement après le premier et dans la même position, donc dans une position cachée par rapport au fluide circulant coté calandre échange beaucoup plus d'énergie avec ce fluide que le premier tube si bien que si la longueur de l'échangeur n'est pas un problème, il est même possible de placer les tubes par trios, les deux tubes placés derrière le premier et dans la même position échangeant davantage d'énergie que le premier.

Selon une caractéristique particulière un échangeur de chaleur selon l'invention comporte une calandre renfermant un faisceau de tubes superposés disposés successivement selon une direction OX et comportant au moins un premier tube et un second tube successifs ayant au moins en partie la forme d'une spirale héJicoi^'dale d'axe respectif OX1, OX2, l'axe du premier tube étant au niveau de l'axe OX_t orienté selon une première direction OY1 tandis que l'axe du second tube est, au niveau de l'axe OX2 orienté selon une seconde direction OY2, ces première et seconde directions, rapportées dans un même plan YOZ, présentant entre-elles un décalage angulaire d'angle Θ compris entre 5 et 15°, échangeur caractérisé en ce qu'il comporté un troisième tube ayant au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale d'axe OX1 dont l'axe, au niveau de l'axe OX^ est orienté selon ladite première direction OY1 et/ou un quatrième tube ayant au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale d'axe OX2 dont l'axe, au niveau de l'axe OX2, est orienté selon ladite première direction OY2, les troisième et premier tubes et/ou les second et: quatrième tubes étant des tubes successifs selon ladite direction OX.

Selon une caractéristique particulière avantageuse, le faisceau comporte au moins un premier- et un second ensembles successifs'lfé ctéux tubes successifs, les tubes successifs d'un même ensemble étant placés en regard l'un de l'autre tandis que les tubes successifs du premier ensemble présente, par rapport à ceux du deuxième ensemble, un décalage angulaire d'angle Θ compris entre 5 et 15 degrés.

En outre, un échangeur de chaleur selon l'invention peut comporter au moins l'une des caractéristiques suivantes : - il comporte N' ensembles de deux tubes (21, 22), ces N' ensembles étant décalés successivement les uns par rapport aux autres de sorte à former une hélice - . il comporte au moins des premiers tubes et des seconds tubes de composition différente en fonction de leur position suivant leur position selon la direction de superposition,

- la projection des tubes dans un plan YOZ perpendiculaire à l'axe de la calandre est égale à la section interne de la calandre,

- il comporte une calandre comprenant une chemise comportant au moins deux ouvertures et apte à permettre le passage d'un fluide de refroidissement,

- il comporte une calandre possédant un axe de révolution et au moins un premier tube, un second tube, et un troisième' tube et/ou un quatrième tube superposés successivement et ayant chacun, au moins en panie \a forme d'une spirale hélicoïdale, caractérisé en ce que les axes des dites spirales hélicoïdales sont confondus avec l'axe de révolution de la calandre,

- chaque tube comporte au moins deux spirales hélicoïdales solidaires l'une de l'autre par l'une de leurs extrémités, par exemple par leur extrémité centrale,

- il comporte au moins un tube rainuré longitudinalement.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description de deux variantes de réalisation de l'invention et au regard des figures annexées parmi lesquelles :

- La figure 1 présente un schéma d'une vue de face selon un axe OX d'un faisceau de tubes selon un mode de réalisation particulier de l'invention,

- la figure 2 montre un schéma d'un tube utilisé dans le cadre de ce mode de réalisation de l'invention,

- la figure 3 présente une vue de côté de la moitié supérieure du faisceau de tubës^{^}sëlôn cè^{^}

- la figure 4 montre un schéma, selon une coupe A-A de la figure 2, de la jonction des éléments en spirale d'un tube,

- la figure 5 présente un schéma en perspective des parties centrales des tubes de trois ensembles successifs de l'échangeur selon ce mode de réalisation de l'invention, - La figure 6 montre une vue de face selon l'axe OX des parties centrales des tubes de trois ensembles successifs de l'échangeur selon ce mode de réalisation de l'invention,

- Les figures 7 et 8 montrent deux schémas, le premier étant une 5 vue de face et l'autre une vue de côté du faisceau de tubes intégré à l'intérieur d'une calandre afin de former un échangeur de chaleur.

- La figure 9 montre l'évolution du coefficient d'échange thermique en fonction du Nusselt et du Reynolds pour un tube isolé et pour des tubes en tandem.

)

La figure 1 montre une vue selon un axe OX d'un faisceau 100 de tubes 102i avec i variant de 1 à 36, selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce faisceau est constitué par des tubes superposés placés en tandem de sorte à former des ensembles successifs 10^ à 101₁₈, les tubes successifs d'un même ensemble étant placés en regard l'un de l'autre tandis que les tubes successifs d'un ensemble rapportés dans un même plan perpendiculaire à l'axe OX, sont décalés d'un angle Θ avec ceux de l'ensemble qui le précède et/ou avec ceux de l'ensemble qui lui succède. Dans cet exemple de réalisation, cet angle Θ est égal à 10 degrés.

La figure 2 présente un schéma d'une vue de face d'un tube 102 utilisé dans le cadre de cet exemple de réalisation de l'invention. Ce tube 02 comporte deux éléments^0" tubulaires 2 et 3, chacun de ces éléments ayant la forme d'une spirale comportant une extrémité centrale, respectivement 4₂ et 43 et une extrémité périphérique, respectivement 5₂ et 5₃, ces extrémités périphériques étant elles-mêmes prolongées _. par des éléments tubulaires rectilignes. respectivement 6? et 6¾. Les éléments tubulaires 2,3, 6₂ et 6₃ ont le même diamètre et les éléments 2 et 3 sont solidaires l'un de l'autre via leurs extrémités centrales 4₂ et 4₃. Dans cet exemple de réalisation les éléments 2 et 3 sont identiques mais positionnés, avant leur solidarisation, de sorte que l'élément 3 ait subit une rotation d'un angle a de 180 degrés par rapport à l'élément 2. Ainsi, une partie 7 de l'élément 2 comportant l'extrémité centrale 4₂ et une partie 8 de l'élément 3 comportant l'extré ité centrale ₃ forment un S inversé. Pour simplifier la fabrication des éléments de tube 2 et 3, chacun de ces derniers est constitué par au moins deux arcs de cercle de 180 degrés. En l'occurrence, chacun des éléments de tube 2 et 3 comprend deux arcs de cercle, respectivement 2i, 22 et 3^32 de 80 degrés chacun ainsi qu'un arc de cercle, respectivement 2₃ et 3₃, de 90 degrés et d'une partie rectiligne, respectivement 62 et 63.

Comme montré sur le premier tube de la figure 3 qui présente la moitié 5 supérieure d'un un faisceau 100 de tubes selon l'invention, les éléments 2 et 3 ne sont pas disposés dans un même plan, ou dans des plans parallèles comme figurés par exemple dans le brevet FR 2840675. En effet, chacun des éléments 2 et 3 a la forme d'une spirale hélicoïdale, et plus particulièrement, ils suivent une courbe loxodromique. En outre, comme montré sur la figure 3 qui présente un schéma de la jonction des éléments 2 et 3 selon la coupe A-A, l'axe de rotation 9 de l'élément tubulaire 2 et l'axe de rotation 10 de l'élément tubulaire 3 font, dans cet exemple de réalisation entre eux un angle β non nul.

Par ailleurs comme montré sur les figures 1 et 3, le faisceau de tube selon l'invention comporte une série de tubes 02 identiques disposés, les uns derrière les autres et de sorte que l'axe de l'hélice de chacun des tubes 102 soit commun à tous les tubes. Toutefois, afin de donner un mouvement hélicoïdal au fluide circulant autour des tubes, ces derniers sont successivement décalés, dans un plan perpendiculaire à l'axe OX, d'un angle de 180/N degrés, ou N est le nombre de tubes par pas P de l'hélice formée par le faisceau 100 de tubes 102. Sur la figure 1, on constate que N est égal à 18 et que l'angle de décalage est donc de l'ordre de 10 degrés.

De plus, comme montré-surla figure 3, les tubes 102 sont juxtaposés de sorte que deux tubes successifs sont, tout ou partie en contact ou quasiment en contact. Ainsi, la section de passage moyenne d'un fluide autour des tubes 102 est, tout au long du faisceau, sensiblement identique et égale à la section de passage d'un tube,

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c'est-à-dire la section des tubes 102 du faisceau 100 vue par le fluide est, comme montré sur la figure 1, égale à la section de la calandre 12.

Les figures 5 et 6 montrent, l'une en perspectives et l'autre selon l'axe OX seulement trois ensembles successifs de tubes pour une question de clarté, la disposition de ces derniers au niveau de l'axe OX. Dans le cadre de la figure 6, les seconds tubes de chaque ensemble selon l'axe OX sont représentés en trait fin.

On constate qu'au niveau de chaque ensemble 1011 , 101₂ et 101₃, que les tubes d'un même ensemble sont superposés et parfaitement en regard l'un derrière l'autre et, rapportés dans un même plan OXY perpendiculaire à OX ne sont pas décalés tandis que, rapportés dans un même plan OXY perpendiculaire à OX, ceux du premier ensemble 101 i sont décalés par rapport à ceux du second ensemble 101₂ d'un angle Θ et, de même, toujours rapportés dans le même plan OXY perpendiculaire à OX ceux du second ensemble 1012 sont décalés de ceux du troisième ensemble 101₃ d'un angle Θ .

Les figures 7 et 8 montrent deux schémas, le premier étant une vue de face et l'autre une vue de côté du faisceau de tubes 1 intégré à l'intérieur d'une calandre afin de former un échangeur de chaleur.

La calandre 12 est disposée autour des éléments en spirale 2 et 3 des tubes 1 et les éléments tubulaires rectilignes 6₂ et 63 traversent la calandre 12 et sont, éventuellement soudés à cette dernière. Chacune des extrémités libres des éléments tubulaires rectilignes 62 est reliée et fixée, par brides 13, à un tube 14 d'alimentation en fluide tandis que chacune des extrémités libres des éléments tubulaires rectilignes 63 est reliée à un tube 15 de retour dudit fluide. En outre, une vanne 16 est disposée sur chacun des éléments tubulaires rectilignes 62 et 63, à l'extérieur de la calandre 12. Ainsi, en cas de fuite sur l'un des tubes, ce tube peut être isolé en fermant lesdites vannes. Par la suite, ce tube peut être enlevé en désolidarisant d'une part les éléments tubulaires rectilignes 6 et 63 de la calandre et, d'autre part, les brides 13. Les tubes 14 et 15 d'alimentation et de retour ont, en partie, à savoir à la jonction avec les tubes 1, une forme hélicoïdale.

La figure 9 montre l'évolution du coefficient d'échange thermique Sn fonction du Nusselt et du Reynolds pour un tube isolé (courbe b) et pour des tubes en tandem à savoir pour le tube situé en amont soit le premier tube d'un ensemble (courbe c) et pour le tube en aval soit le second tube d'un ensemble (courbe a).

On constate que le coefficient d'échange du tube en aval est d'environ 30% supérieur à celui du tube amont et à celui d'un tube isolé, les coefficients relatifs à ces deux derniers étant sensiblement identiques.

Enfin, on peut noter que l'échange global apparaît favorisé lorsque le fluide côté calandre circule dans la direction XO plutôt que dans la direction OX

Le fonctionnement d'un échangeur selon la figure 1 , dans le cadre du refroidissement des gaz chauds expulsés par un moteur d'avion peut être le suivant.

Les tubes 102 sont alimentés en eau par le tube 14. Après avoir circulé dans les tubes 102, l'eau est collectée par le tube de retour 15. Les gaz chauds, ainsi que des gaz de ventilation entraînés par ces derniers, sont dirigés vers l'entrée de l'échangeur, à savoir à l'intérieur de la calandre 12. La disposition des tubes 102 à l'intérieur du faisceau donne un mouvement hélicoïdal favorisant l'homogénéisation 5 de la température des gaz tout en assurant un refroidissement efficace grâce aux tubes 102. Comme le mouvement hélicoïdal n'est pas obtenu dès l'entrée, les tubes situés du côté de l'entrée des gaz chauds assurent la plus grande part de l'homogénéisation de la température des gaz chauds. Il est donc préférable de choisir, pour ces tubes, un matériau apte à résister à la température, comme de i l'aluminium, même si le coefficient de conduction thermique n'est pas très élevé, tandis que pour les tubes situés au milieu ou en sortie de l'échangeur, le choix d'un matériau thermiquement bon conducteur, comme de l'inox, est à privilégier.

Comme il n'y a plus, comme dans un échangeur à tube classique, de plaque tubulaire subissant des gradients thenniques importants aptes à endommager les tubes, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'eau pour refroidir les gaz chauds provenant du moteur et, par conséquent, il n'est plus nécessaire d'utiliser un dévésicuieur en amont des compresseurs. De plus, la corrosion est quasiment totalement supprimée au niveau de l'échangeur.

La disposition des tubes 102 favorise le brassage des gaz donc leur homogénéisation, en composition et en température, et la position médiane du tube de retour de l'eau participe au refroidissement des gaz.

Comme il n'y a plus, comme dans un échangeur à tube=©fassique, de plaque tubulaire subissant un gradient de température important et qu'il est en outre possible de choisir la composition des tubes en fonction de leur position dans le faisceau, il n'est plus nécessaire d'injecter de l'eau pour refroidir les gaz chauds provenant du moteur et, D L

dévésicuieur en amont des compresseurs et la corrosion est quasiment totalement supprimée. Pour ce qui est de la maintenance des tubes, on constate que ce sont les tubes situés du coté de l'entrée des gaz chauds qui sont le plus sujet à la fatigue et qui se dégradent beaucoup plus rapidement que les autres. Aussi, le remplacement des tubes concernera essentiellement ces premiers tubes qui sont facilement accessible depuis l'entrée de l'échangeur et peuvent ainsi facilement être remplacés.

Claims

Revendications

1. Echangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes superposés et ayant chacun, au moins en partie, la forme d'une spirale, et caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois tubes successifs dont deux tubes successifs présentant un décalage angulaire d'angle Θ compris entre 5 et 15 degrés et deux tubes successifs en regard donc ne présentant pas de décalage angulaire ou, en d'autres termes, un décalage angulaire égal à 0 degrés.

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comportant une calandre renfermant un faisceau de tubes superposés disposés successivement selon une direction OX et comportant au moins un premier tube et un second tube successifs ayant au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale d'axe respectif OXi, OX₂, l'axe du premier tube étant au niveau de l'axe OXi orienté selon une première direction OY1 tandis que l'axe du second tube est, au niveau de l'axe OX₂ orienté selon une seconde direction OY2, ces première et seconde directions, rapportées dans un même plan YOZ, présentant entre-elfes un décalage angulaire d'angle Θ compris entre 5 et 15°, échangeur caractérisé en ce qu'il comporte un troisième tube ayant au moins en partie la forme-d'une spirale hélicoïdale d'axe OXi dont l'axe, au niveau de l'axe OXi, est orienté selon ladite première direction OY1 et/ou un quatrième tube ayant au moins en partie la forme d'une spirale hélicoïdale d'axe OX₂ dont l'axe, au niveau de l'axe OX₂, est orienté selon ladite première direction OY2, les troisième et premier tubes et/ou les second et quatrième tubes étant des tubes successifs selon ladite direction OX.

3. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le faisceau comporte au moins un premier et un second ensembles successifs de deux tubes successifs, les tubes successifs d'un même ensemble étant placés en regard l'un de l'autre tandis que les tubes successifs du premier ensemble présenté, par rapport à ceux du deuxième ensemble un décalage angulaire d'angle Θ compris entre 5 et 15 degrés.

4. . Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que il comporte N' ensembles de deux tubes (21, 22), ces N' ensembles étant décalés successivement les uns par rapport aux autres de sorte à former une hélice.

5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que il comporte au moins des premiers tubes et des seconds tubes de composition différente en fonction de leur position suivant leur position selon la direction de superposition.

6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un tube rainuré longitudinalement.

7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une calandre cylindrique (12) d'axe OX et en ce que l'axe de ladite au moins une spirale (2 ;3) est confondu avec l'axe OX.

^■ 8 * Echangeur de chaleur selon l'une quelconque^" de¾ revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau de tubes forme une hélice.

9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comportant une calandre avec une chemise possédant au moins deux m^r^res et a