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"Echangeur de chaleur tubulaire et procédé de fabrication de celui-ci" La présente invention est relative au mode général de trans- fert de chaleur à une colonne de fluide passant longitudina- lement dans un passage allongé, par exemple un tube, ou à par- tir de cette colonne. Le procédé d'échange de chaleur entre la colonne de fluide et la matière physique constituant les parois de ce passage comporte de nombreuses applications et,
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parmi les plus importantes, se trouve l'échange de chaleur à partir d'un fluide confiné dans un tube conducteur de la cha- leur vers un fluide qui se trouve à l'extérieur du tube et l'enlèvement et la fourniture de chaleur, par la matière cons- tituant la paroi d'un tube, au fluide passant da.ns les tubes, par exemple dans un régénérateur.
Dans chacun de ces sytèmes, la fonction primordiale est d'obtenir un transfert ou un enlè- vement rapide de la chaleur au fluide et, dans le cas de gaz, il est important que toutes les portions limitées respectives de celui-ci soient mises au contact ou viennent très près de la surface de là paroi du tube, du fait de la nature isolante propre du gaz. Lorsque la différence de température diminue, cet aspect du problème devient plus critique et, en outre, pour avoir un système efficace, il est ainsi nécessaire d'as- surer que toute la surface d'échange de chaleur sait balayée par le gaz.
On a déja proposé de nombreuses solutions pour ob- tenir ces résultats, par exemple l'utilisation de tubes apla- tis ou de section spéciale, ainsi que l'utilisation de saillies ou autres déformations en vue de provoquer une turbulence effi- cace et un balayage plus intense du fluide dans le tube. Toute- fois, ces solutions ont été, en général, écartées car les in- convénients qui en résultent, consistant en ce qu'il faut une plus grande puissance pour déplacer le fluide dans les tubes et à ce qu'il a une plus grande tendance à se souiller, l'em- portent, dans la plupart des cas, sur les avantages d'un plus grand transfert de chaleur.
La présente invention vise en pre- mier lieu une structure tubulaire perfectionnée pour le trans- fert de chaleur qui, tout en montrant une efficacité remarqua- blement plus grande en ce qui concerne le transfert de chaleur entre la paroi latérale du tube et le fluide qui passe dans le
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tube ne présente cependant aucune tendance au bouchage et peut fonctionner avec une dépense de force minimum pour dé- placer le fluide dans le tube.
Ce résultat général ci-dessus s'obtient en utilisant un tube de transfert de chaleur dont la paroi est étanche au fluide et est formée de manière à produire, dans la colonne de fluide se déplaçant dans le tube, une série de tourbillons, localisés et répartis sur la circonférence autour d'axes dis- posés sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal du tube.
De cette façon, on obtient un malaxage effectif du fluide dans la colonne et toutes les portions de fluide contenues dans cette colonne sont amenées progressivement, en contact de frottement intime, avec la surface de la paroi du tube. Ce ré- sultat peut être obtenu au mieux en déformant la paroi latéra- le du tube de manière à donner des surfaces transversales de forme différente dans des plans norma,ux à l'axe longitudinal du tube et espacés dans le sens de la longueur de celui-ci.
De façon à réduire au minimum la tendance au bouchage et à donner dans le tube un écoulement de fluide doux et sans à- coups, ainsi que pour réduire à la. quantité minimum absolue la puissance qui est nécessaire pour refouler le fluide dans le tube, celui-ci est fait de façon à avoir une surface trans- versale sensiblement uniforme dans chaque plan normal à l'axe du tube et décalée vers l'extérieur le long de celui-ci.
L'invention a également pour objet différents procé- dés pratiques pour produire industriellement en grande quanti- té les tubes de transfert de chaleur, de la nature générale indiquée ci-dessus.
Les objets et avantages ci-dessus ainsi que d'autres objets et avantages spécifiques de l'invention ressortiront
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de la description détaillée ci-dessous de différentes formes préférées de réalisation de l'invention faite on se référant au dessin annexé. Sur ce dessin,
La figure 1 est une vue en perspective d'un court tronçon de tube selon l'invention et représentant la forme de réalisation préférée dans le cas de tubes d'échange de chaleur.
La figure 2 représente une vue avec arrachement du tube de la figure 1. les figures 3,4 et 5 sont des coupes transversales faites, respectivement, suivant les lignes III-III, IV-IV et V-V de la figure 1.
La. figure 6 est une coupe longitudinale du tube de la figure 1.
La. figure 7 est une vue, en perspective, d'un tron- çon de tube selon l'invention et représentant une forme de réalisation plus théorique.
La figure 8 est une vue, en perspective, avec ar- rachement, du tube de la figure 7.
La figure 9 est une coupe transversale suivant la ligne IX-IX de la figure 7.
La figure 10 est une coupe transversale d'une autre forme de réalisation.
Les.figures 11 et 12 représentent des coupes longi- tudinales et transversales, respectivement, d'un tube selon l'invention, les vues représentant l'appareil servant à le faire.
On voit sur la figure 1, un tronçon de tube 10 fait selon l'invention, qui est de forme générale circulaire, mais est déformé de la façon représentée et que l'on va maintenant
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décrire. La forme de la section transversale du tube varie, d'une façon sensiblement continue, étant d'abord un triangle représenté en 11 sur la figure 3,pour devenir un cercle 12 de la figure 4, puis un triangle 13 de la. figure 5, après quoi elle redevient un cercle, puis un triangle suivant dis- posé comme le triangle 11 de la figure 3.
Ce cycle de formes se répète indéfiniment sur toute la longueur du tube et en analysant les surfaces représentées sur le dessin, il est immédiatement évident qu'un fluide passant dans le tube se déplace suivant un courant ondulé, comme cela ressort de l'examen de la figure 6. En outre, en se référant à la fi- gure 4, on voit que trois surfaces circonférentiellement es- pacées (15, 16 et 17) se succèdent dans la direction de l'axe, depuis la forme en arc jusqu'à la forme linéaire pour former les côtés de la section triangulaire de la figure 5, puis les parties circonférentielles du cercle 12, intermé- diaires entre les parties des coupes 15,16 et 17 se dépla- cent axialement d'une divergente et avec une diminution du rayon de courbure pour constituer les sommets arrondis de la coupe triangulaire 13.
On voit ainsi qu'une tranche ou une partie élémentaire circonférentielle de la colonne de fluide se déplaçant dans le tube et sur laquelle agissent simultanément une des surfaces 15,16 eu 17 et une des sur- faces intermédiaires voisines, est soumise à une force de torsion faisant déplacer cette partie élémentaire de la co- lonne fluide en hélice autour d'un axe longitudinal.
Etant donné que, dans la forme de réalisation particulière repré- sentée six parties semblables résultent de la transition de la forme circulaire à la forme triangulaire, toutes les parties de fluide passant dans le tube sont mises succes-
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sivement au contact ou au voisinage immédiat de la paroi du tube, en assurant ainsi le maximum de transfert de chaleur entre le fluide et la matière physique constituant la paroi du tube.
A titre d'explication, la formation en hélice de ces segments circonférentiellement espacés de la colonne de fluide passant dans le tube est due au fait que, dans chaque segment théorique, une partie de la circonférence extérieure s'éloigne graduellement de l'axe central du tube, tandis que la circon- férence extérieure de la partie voisine restante du segment s'incline intérieurement en même temps vers l'axe. Ceci appli- que, sur le segment de la colonne de fluide, un couple bien déterminé faisant tourner ce segment autour d'un axe général qui est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du tube.
On comprendra mieux l'action décrite ci-dessus en exa- minant la forme de réalisation des figures 7 et 8 dans laquel- le un tube de forme générale hexagonale, ayant une section transversale représentée en 12T est déformé de manière à don- ner des sections transversales triangulaires régulièrement es- ' pacées dans le sens de la longueur, 12T1 et 12T2, ayant une orientation variant de 60 dans les parties triangulaires voi- sines successives. Ainsi, comme on le voit sur la figure 7, cha que sommet d'une partie triangulaire quelconque est voisin d'u- ne base d'une partie triangulaire voisine, soit en avant, soit en arrière. La forme généra,le de ce tube est telle qu'un plan normal à l'axe général du tube et compris entre deux parties triangulaires voisines du tube, coupe celui-ci suivant la for- me exacte de 12T de la figure 7.
On voit donc qu'à mesure que la colonne de fluide avance dans la direction représentée, à partir de la première partie triangulaire 12Tl vers la partie triangulaire réorientée 12T2, une partie de la colonne dépor-
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tée circonférentiellement est refoulée vers l'intérieur par trois surfaces de transition espacées circonférentiellement, dont l'une est représentée en TS sur les figures 7 et 8. En outre, un segment circonférentiel de la colonne de fluide qui est voisin de celui qui porte sur la surface TS est amené en même temps à se déplacer en s'écartant de l'axe du tube, du fait de la convergence de la surface de transition voisine TS'.
De cette façon, on donne une action de tourbillonnement défi- des nie, non pas à la colonne de fluide dans son ensemble, mais à/ segments circonférentiellement espacés ou voisine de cette co- lonne, et, en conséquence, il y a moins de stratification ou de stagnation de fluide dans la colonne que cela n'a lieu avec les tubes de transfert de chaleur à forme déformée proposée an- térieurement. Une autre analyse des formes, en particulier dans la forme de réalisation des figures 1 et 2, montre facilement que toute la surface intérieure du tube est balayée complète- ment et de façon intense par le fluide de la colonne qui passe dans le tube.
Ce balayage est nécessairement plus intense que dans un tube de section transversale unifrme, par exemple, et, en conséquence, le tube, selon l'invention, outre sa caractéris. tique améliorée en ce qui concerne la vitesse de transfert de chaleur, est beaucoup moins sujet à incrustation et à bouchage.
On peut démontrer mathématiquement et expérimentalement que l'obstacle le plus sérieux à 1''écoulement du fluide dans un /variable est la variation de la section transversale tube de section transversale/du tube. Il y a une perte de char- ge sensible dans le fluide chaque fois qu'il se produit un é- largissement dans la conduite et une perte moindre chaque fois qu'il y a une contraction. Bien que ces pertes soient un peu réduites par profilage comme dans la forme de réalisation des figures 1 à 6, la perte est très sensible sur une longueur ap-
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préalable de tube, par exemple de 50 diamètres.
Si dans un tube circulaire comportant cette proportion et de section transversa- le uniforme, le facteur de perte par frottement est pris comme unité, ce facteur monte à 9,479 lorsque le tube rond est gra- duellement déformé pour donner une forme triangulaire nette (surface-0,605 de la surface du tube tirculaire) avec un es- pacement de 3 diamètres entre chaque section triangulaire suc- cessive. En conséquence, on a déterminé qu'il est de la plus grande importance, dans un tube de transfert de chaleur, du type général envisagé ici, d'avoir une section transversale sensi- blement uniforme sur toute la longueur du tube.
En conséquence, le tube de transfert de chaleur, selon l'invention, a une section transversale sensiblement uniforme et on peu évidemment donner au tube cette caractéristique de différentes façons, suivant la nature physique des parois la- térales du tube. Dans le cas d'un tube d'échange de chaleur mé- tallique, par exemple lorsque le tube de base utilisé est un tube normalement circulaire dont l'épaisseur des parois et la section transversale sont sensiblement uniformes, on voit lmmé- diatement, qu'aussitôt qu'on déforme une section transversale du tube à partir de sa forme circulaire, cette section transver- sale diminue.
Pour compenser ce facteur dans la fabrication de tubes tels que celui des figures 1 et 2 par exemple, on commence de préférence avec un tube de section transversale un peu plus grande que celle que l'on désire avoir finalement pour les par- ties circulaires de transition du tube terminé et, en se repor- tant aux figures 11 et 12 qui représentent un procédé applicable pour la fabrication de ce tube, le tube initial 18 a un diamètre plus grand que celui que l'on désire avoir pour le tube final. le trait mixte 19 de la figure 11 représente le diamètre des
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sections de transition circulaires du tube terminé.
Cette réduction de diamètre nécessite évidemment un raccourcisse- ment du périmètre de la section circulaire qui peut se fai- re en contractant le tube en des points appropriés et en ré- duisant progressivement la dimension de chaque côté de la section circulaire, Ainsi, dans la section 12 de la figure 1 où la forme circulaire donne la surface maximum pour un pé- rimètre déterminé, le rétrécissement est maximum et diminue progressivement lorsque l'on passe à la section triangulaire 13 où il n'y a pas de rétrécissement. De cette façon, on peut donner une structure de tube de section transversale continuel. lement variable sans modifier la surface de la section trans- versale du tube.
On peut fabriquer des tubes de ce genre en quantités industrielles à l'aide d'un jeu de cylindres de ma- triçage 20 s'enclenchant, comportant une surface périphérique 21 de contour approprié et chacun d'eux étant monté de façon à tourner dans un plan passant par l'axe longitudinal du tube à faire.
Comme on le voit sur la figure 12, les cylindres de matriçage 20 ont une épaisseur égale sensiblement à la pro- jection d'un arc de 60 de la circonférence du tube, de sorte qu'en utilisant six deces cylindres, toute la circonférence du tube est rétrécie dans au moins un plan transversal de la gorge constituée par les matrices, ce qui permet de réduire le pourtour du tube là où cela est nécessaire et de la quan- tité nécessaire.Normalement, la plus grande partie de l'excès de métal résultant de la contraction est absorbée par une lé- gère a,ugmentation de l'épaisseur de la paroi du tube, mais il peut également se produire, si on le désire, un écoulement longitudinal de cet excès de métal en appliquant une tension sur le tube traité.
Il est bien entendu que l'on peut appli-
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quer d'autres procédés que ceux qui sont décrits avec précision ici, pour fabriquer le tube selon l'invention.
On sait que le facteur forme intervient également dans l'importance de la friction dans l'écoulement de fluides dans des tubes et on peut montrer expérimentalement que si, pour une longueur donnée d'un tube circulaire, le coefficient de friction est pris comme unité, le coefficient de friction dans un tube ayant nettement la forme d'un triangle équilaté- ral de même longueur et de marne section transversale est de 1,655. Pour une forme triangulaire à sommets arrondis telle que celle qui est représentée sur les figures 3 et 9, ce fac- teur est de l'ordre de 1,2.
Etant donné que ce facteur de la résistance à l'écoulement est relativement faible par comparai son avec l'exemple donné plus haut de la résistance à l'écou- lement produite dans les tubes de surface variable, on voit immédiatement que le maintien d'une surface uniforme est nor- malement beaucoup plus important que le maintien d'une forme uniforme.
Il est par suite évident que l'appareil de transfert de chaleur perfectionné selon l'invention, sous forme d'un tube dans lequel passe un fluide conducteur, donne des résul- tats indiqués au début. En utilisant un passage tubulaire dont la forme change continuellement de façon telle et avec une fréquence telle que l'on imprime au fluide un déplacement ondulé avec un écoulement,en spirale par places, dans ce tu- be tout en maintenant constante la surface de la section transversale du passage, on obtient un élément de transfert de chaleur donnant de grands avantages .en ce qui concerne l'efficacité de transfert de chaleur sans nécessiter d'aug- mentation excessive de la puissance nécessaire pour déplacer
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le fluide dans le tube.
Ceci étant la condition de base de l'invention, il est évidont que l'invention comporte de nom- breuses applications et, en conséquence, sa portée ne doit pas être limitée à l'application pratique indiquée ici. Par exemple, les principes de l'invention sont également appli.. câbles aux régénérateurs dans lesquels les parois latérales du tubes sont faites en une matière emmagasinant la chaleur, la forme des passages ménagés dans la matière pour le fluide livrant ou absorbant la chaleur étant conforme aux principes indiqués ici. De même,les formes particulières des surfaces transversales des tubes sont, pour beaucoup, une question de choix puisque l'on peut conserver tous les avantages de l'in- vention avec des sections transversales de formes très varia- bles.
Sur la figure 10, par exemple, on a représenté une sec- tion de tube 21' correspondant de façon générale à la section 12 de la figure 1, mais d.ns laquelle le métal en excès du tube initial circulaire est absorbé par des ondulations mé- nagées dans la paroi latérale du tube au lieu d'un épaissis- sement ou d'un allongement longitudinal de cette paroi, comme on l'a expliqué ci-dessus. On peut évidemment faire les ondu- lations de la section 21' en donnant une forme appropriée aux matrices circulaires 20 et il est évident que la surface en- tourée par le tube de section 21' est sensiblement réduite par rapport à la surface qu'on aurait si le tube était circu- lai re.
Outre les perfectionnements du tube selon l'invention, mentionnés plus haut, l'invention présente d'autres avantages, en particulier lorsqu'on l'applique à des tubes métalliques pour échangeurs de chaleur dans lesquels la chaleur est trans- férée d'un fluide situé à l'extérieur des tubes à un fluide
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passant dans ceux-ci ou inversement. En supposant que les tubes pour l'échange de la chaleur soient disposés à plusieurs dans un logement approprié pour le fluide extérieur et que ce der- nier circule,d'une façon générale, parallèlement à l'axe du tube, on voit , de même, qu'il n'y a pas de variation dans la surface transversale disponible pour l'écoulement de fluide extérieur.
Ceci est très avantageux dans beaucoup d'installa- tions puisque cela réduit la perte par frottement dans l'écou- lement du fluide extérieur, et, en donnant, en outre, un écou- lement ondulé au fluide extérieur tout en assurant un balayage complet des surfaces extérieures des tubes par le fluide exté- rieur, la, vitesse d'échange de chaleur est maintenue au maximum tandis que la puissance nécessaire pour faire circuler le flui- de est réduite au minimum. Dansle cas d'écoulement de fluide extérieur latéral, on peut décaler facilement les tubes d'é- change de chaleur et les espacer de façon à donner une surfa- ce de section transversale uniforme, dans chacun des plans normaux à la direction de l'écoulement du fluide, pour l'écou- lement du fluide sur les tubes et autour d'eux.
Bien que l'on ait mentionné ci-dessus une section trian gulaire dans certaines formes de réalisation particulières de l'invention, il est bien entendu qu'en pratique, cette section est, de préférence, en forme de triangle à sommets arrondis ou d'hexagones irréguliers comme cela est indiqué sur les fi- gures 5 et 9, par exemple, puisque cette modification présente un certain nombre d'avantages sans réduire de façon sensible les avantages plus importants de l'invention concernant l'ac- tion de pétrissage du contour ondulé de l'écoulement et l'ab- sence de pulsations qui rendent difficiles le refoulement de fluide dans le sens de la longueur du tube, à l'intérieur ou
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à l'extérieur.
En premier lieu, la transition de la forme circulaire à la forme triangulaire à sommets arrondis ou hexagonale irrégulière s'obtient facilement de façon méca- nique sans abimer la pauoi du tube et, en second lieu, le facteur de résistance due à la forme est moindre comme on l'a dit plus haut. Dans un hexagone régulier (section trans- versale d'un tube de passage de fluide), le rayon est très vosin de .celui d'un cercle et, en conséquence, la résistan- ce à l'écoulement est presque aussi faible que dans le cas d'un cercle.
On peut montrer que ce facteur de-résistance n'augmente que faiblement lorsque l'hexagone se déforme pour se rapprocher d'une forme générale triangulaire et toutes ces considérations sont applicables aussi bien au fluide passant à l'intérieur du tube qu'à celui qui passe à l'extérieur, comme dans des échangeurs de chaleur, par exemple, où plu- sieurs tubes de passage de fluide sont disposés parallèlement dans une enveloppe extérieure dans laquelle un autre fluide s'écoule dans le sens de la longueur des tubes.
Il y a lieu de noter également qu'un tube de section transversale hexago- nale et d'épaisseur de paroi uniforme est le seul type de tu- be (autre que carré ou triangulaire) que l'on peut utiliser @ dans un groupe (côte à côte en contact) pour obtenir des pas- sages pour le fluide à la fois à l'intérieur et à l'extérieur des tubes respectifs qui sont tous identiques. La résistance à l'écoulement offerte par ces passages hexagonaux intérieur et extérieur est sensiblement moindre que la résistance à l'é- coulement se produisant dans ces passages si les tubes ont une section transversale carrée ou triangulaire.
En consé- quence, on considère que l'utilisation de sections hexagonales régulières ou déformées (triangle à sommets arrondis), entre
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les sections circulaires du tube est particulièrement avanta- geuse, qu'il y ait on non compensation pour la légère varia- tion qui se produit dans la section transversale de ce tube dans sa transition de la forme ronde à la forme déformée. Cette combinaison de section est une partie inhérente de l'invention et l'expression "triangle à sommets arrondis' s'applique aussi bien à la forme triangulaire ronde de la figure 5 qu'à celle à sommets plats de la figure 9.
N'importe lequel des tubes d'échange de chaleur dé- crits ci-dessus peut évidemment être muni d'ailettes d'échange de chaleur, disposées longitudinalement circonférentiellement ou en hélice, pour l'écoulement parallèle ou en travers d'un courant de fluide extérieur, ainsi qu'on le comprend. On voit également que, dans le cas d'un groupe de tubes parallèles de section transversale et d'épaisseur de parois sensiblement uni- formes ainsi que de formes changeant continuellement, les con- sidérations ci-dessus, en ce qui concerne l'écoulement ondulé sans pulsations ou la perte de charge due à de nombreux chan- gements de vitesse, sont également applicables aux écoulements de fluide s'effectuant à l'extérieur du tube aussi bien qu'à l'intérieur.
La présente invention étant susceptible de nombreu- ses variantes, toutes celles-ci doivent être considérées comme rentrant dans le cadre de l'invention.