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. Dans les appareils échangeurs de chaleur tubulaires où les fluides circulent parallèlement à l'axe des tubes, généralement à contre-courant, il est indiqué, particulièrement dans le cas où la différence de températures entre les deux fluides qui échangent leur chaleur est faible, par exemple de l'ordre de 20 à 50 , d'avoir des surfaces d'échange importantes, par unité de volume .
La présente invention a pour objet'divers modes de réalisation de tubes et d'échangeurs de chaleur présentant en commun cette particularité d'avoir des
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surfaces d'échange très importantes, tant à l'extérieur qu'à l'intérieur du tube, par rapport au poids unitaire du métal utilisé pour la fabrication des tubes et-ouau volume de l'appareil. Et, de plus, ces surfaces d'échange, tant pour le fluide interne que pour le fluide externe, sont adaptées aux qualités intrinsèques de chacun des fluides qui viennent en contact avec elles, l'adaptation de la surface externe pouvant être indépendante de l'adaptation de la surface interne .
. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés , donnés à titre d'exemple, fera mieux comprendre la façon dont l'invention peut être réalisée .
Les fig.l à 4 représentent en coupe divers modes de réalisation de tubes d'échangeur de chaleur, objets de l'invention.
La fig.5 représente, en coupe perpendiculaire à l'axe des tubes et des noyaux, un mode de réalisation d'échangeur avec le tube de la fig.l.
La fig. 6 représente en perspective un des noyaux prévus entre les tubes de l'échangeur de la fig.5
La fig.7 représente en coupe une variante de réalisation d'un échangeur dans lequel les tubes présentent des ailettes de hauteurs inégales, tant à l'extérieur qu'à l'intérieur du tube, ces ailettes s'inscrivant dans un carré .
La fig.8 représente en coupe un échangeur avec tubes de section générale circulaire, comportant deux nombres d'ailettes différents .
La fig.9 est une vue en coupe d'une variante de réalisation, dans laquelle les tubes sont de section
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générale rectangulaire, en forme d'H, avec des nombres ddailettes différents sur les deux faces ailetées de l'H.
La fig.10 représente en perspective un tube de la figure 8 ondulé suivant son axe longitudinal .
La fig.ll représente schématiquement les ondulations de tubes de la fig.10, juxtaposée pour former un échangeur .
La fig.12 représente, en perspective, un tube avec deux ailettes ondulées longitudinalement .
La fig.13 représente en coupe une portion d'un ' échangeur de chaleur avec lames en tôle ondulées interposées entre les ailettes des tubes .
La fig.14 représente en perspective un des noyaux borgnes utilisés à l'intérieur de la fig.13 des tubes de l'échangeur .
La fig.15 représente en perspective une variante d'une portion de tubes à section en H, et ailettes ondulées sur l'une des faces de l'H .
La fig.16 représente en coupe une portion d'un mode de réalisation de l'échangeur avec noyaux à ailettes ondulées .
La fig.17 reproduit an coupe une partie de l'échangeur de la fig.16 avec noyaux tubulaires .
La fig.18 est une coupe longitudinale du noyau tubulaire de la fig.17 .
La fig.19 est une coupe par III-III d'un détail de la fig.17 .
Conformément à l'invention, les tubes d'échangeur de chaleur qui sont utilisés présentent sur leur surface interne et leur surface externe, ou au moins sur
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l'une de ces faces, des ailettes longitudinales, c'est-à- dire dirigées dans le sens parallèle à l'axe des tubes, et dont le profil, par exemple de section triangulaire à angle arrondi, est d'une hauteur variante de l'ordre de quelques millimètres à un ou plusieurs centimètres .
Conformément à l'invention, ces ailettes sont adap- tées à l'importance de l'échange de chaleur que l'on a à réaliser entre deux fluides, et aux qualités intrinsè- ques de chacun des fluides .
Pour préciser, dans le cas où la différence de températures entre les deux fluides qui échangent leur chaleur est faible, la hauteur des ailettes est relative- ment réduite car une hauteur plus grande serait ineffica- ce . En effet, la différence de températures nécessaire à la conduction de la chaleur du haut en bas d'une ailette épuise vite la différence de températures dont on peut disposer, et une ailette, longue ou haute, n'a plus de raison d'être. Au contraire, dans le cas où il y a une grande différence de températures entre les deux fluides, les ailettes peuvent être plus hautes .
D'autre part, les qualités intrinsèques du fluide, c'est-à-dire sa nature, liquide ou gazeuse,sa vitesse, sa pression, sa chaleur spécifique, sa viscosité qui conditionnent le coefficient de transmission du fluide avec le métal, se trouvent déterminer le nombre des ai- lettes ; c'est-à-dire que, si le coefficient de transmis- sion est élevé, il suffit que les ailettes soient en si petit nombre et/le coefficient de transmission est mau- vais, les ailettes seront en nombre supérieur .
En résumé, la différence de températures entre
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fluide et métal conditionne le profil des ailettes, et les propriétés intrinsèques des fluides, leur nombre .
A titre d'exemple, dans le cas d'un échangeur de chaleur entre gaz et eau, tel qu'on est amené à l'utiliser dans les installations atomiques, la différence entre les deux fluides est de l'ordre de 20 à 50 . Tour un tube d'environ 50 mm de diamètre, balayé extérieurement par le gaz sous pression, la hauteur de l'ailette ne dépassera pas 1 cm. et le nombre des ailettes sera d'environ une vingtaine à la surface extérieure du tube.
Au contraire, à l'intérieur, qui est balayé par l'eau, laquelle a un excellent coefficient de transmission avec le métal, il suffira de quelques ailettes de quelques millimètres de haut, ou même aucune ailette ne sera nécessaire .
Sur la figure 1, les tubes a présentent un nombre à peu près égal d'ailettes, de même hauteur, sur la face interne et la face externe .
Sur la fig. 2 , les tubes de l'échangeur b présentent des ailettes plus hautes sur la surface externe que sur la surface interne, et celles de la surface interne sont moins nombreuses .
C'est l'inverse dans le cas de la fig.3, où ce sont les ailettes de la surface interne qui sont hautes et nombreuses .
Enfin, dans le cas de la fig.4, on a prévu, à titre d'exemple, un mode de réalisation dans lequel les ailettes de la surface externe, peu nombreuses et relativement épaisses, sont elles-mêmes rainurées sur leurs faces pour réaliser une espèce d'indentation secondaire que l'on
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voit en coupe fig.4 . On multiplie ainsi, comme dans tous les autres cas, la superficie des surfaces d'échange de chaleur du tube .
L'échangeur tel que représenté fig.5, se compose de rangées de tubes a, tel que celui de la fig.l, disposés en quinconce et qui sont parcourus intérieurement par un fluide . Le fluide extérieur circule également paral- lèlement à l'axe des tubes, à contre courant par exemple, dans les intervalles entre tubes . Pour diminuer la section de passage du fluide intérieur, et l'obliger à circuler plus rapidement dans les rainures ménagées entre les ailettes tout en détruisant la pellicule adhérente de fluide, des noyaux borgnes sont prévus à l'intérieur des tubes a et .laissent entre leur surface externe et la surface interne du tube un passage relativement étroit.
De même, entre les tubes.@: sont prévus extérieurement des noyaux borgnes tels que f dont la section est celle d'un carré à côtés curvilignes, qui s'adapte, comme on le voit sur la fig. 5, à la forme extérieure des tubes, pour ménager autour d'eux des couloirs de section relativement réduits parcourus par le fluide extérieur .
En vud de réaliser des variations de section et des variations de direction dans les passages ainsi offerts aux fluides, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur du tube, on peut onduler longitudinalement les noyaux e et f , comme on l'a représenté en perspective pour le noyau f sur.la fig. 6 . Ces noyaux peuvent être constitués par de simples tôles enroulées ou repliées, comme on le voit sur la fig.6 . Sur la fig.5, on a hachuré ces noyaux pour montrer qu'ils ne servaient pas à la circulation,
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mais ils ne sont pas forcément pleins pour cela .
De même, les ailettes prévues tant à l'extérieur qu'à l'intérieur du tube, au lieu d'être exactement dirigées suivant des génératrices du tube, peuvent être ondulées, c'est-à-dire que les tubes peuvent être soumis à des torsions autour de leur axe, de manière à obtenir un enroulement hélicoïdal ou pseudo-sinusoïdal des ailettes sur les surfaces du tube .
S'il y a lieu, et pour disposer de la manière la plus rationnelle les tubes de l'échangeur à l'intérieur de l'espace dont on dispose, ces tubes, au lieu d'être de section circulaire comme représenté sur les figures, pourraient être de section carrée, ou polygonale, ou de toute autre forme, en adaptant à cette section une section correspondante des noyaux pour réaliser un ensemble compact .
On a représenté , à titre d'exemple, sur la fig.7 une variante de réalisation dans laquelle chaque tube ± présente sur sa face extérieure des ailettes de hauteur inégale s'inscrivant, comme on le voit sur la figure, à l'intérieur d'un carré h . De même, les ailettes de la surface interne sont de hauteur inégale et sont circonscrites autour d'un carré interne 1 , décalé par rapport au premier pour que les ailettes les plus hautes se correspondent sur les faces externe et interne .
Cette forme carrée permet une juxtaposition des tubes , cornue représenté sur la figure, à la manière de dalles d'un parquet .A l'intérieur des tubes g, Les noyaux sont d'une section carrée, approchant celle du carré interne i .
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On peut ménager, entre les sections carrées h des tubes g, des intervalles dans lesquels sont disposées des lames k ,lesquelles peuvent être également ondulées dans le sens de l'écoulement du fluide extérieur, de manière à obtenir dans ces intervalles des variations de section et de direction dans l'écoulement du fluide extérieur .
Ces lames peuvent être disposées toutes dans le sens horizontal seulement, ou dans le sens vertical, ou dans les deux comme représenté sur la figure .
On peut aussi utiliser par exemple comme le montre la fig. 8 des tubes de section circulaire disposés en quinconce, mais dans une rangée sur deux, par exemple la rangée A A ,les tubes 1 qui comportent huit ailettes sur leur face extérieure, alternent avec des tubes m présentant six ailettes . De la sorte, les ailettes des tubes 1 et m peuvent s'imbriquer les unes dans les autres, de manière que l'espace laissé au fluide extérieur soit suffisamment restreint et qu'il ne soit plus nécessaire de prévoir entre les tubes, des noyaux borgnes .
Bien entendu, on peut également prévoir à l'intérieur des tubes des noyaux borgnes .
Dans la variante représentée fig.9, la section générale de chaque tube n de l'échangeur est en forme de H, ce qui permet un tassement très compact des tubes, en intercalant les unes dans les autres les ailettes prévues sur les faces opposées des tubes . On remarquera que, pour obtenir un montage régulier tel que celui représenté sur la figure 9, chaque tube n comporte cinq ailettes sur une.de ses faces et quatre ailettes seulement sur l'autre face, les ailettes d'un tube venant
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s'imbriquer, comme on le voit sur la figure 9, dans les ailettes ± du tube situé immédiatement au-dessus .
Dans tous les cas , les tubes, comme représenté sur les figures 8 et 9, peuvent présenter des ailettes q sur leur face interne, et ces ailettes sont de préférence, comme on le voit sur les figures , décalées par rapport aux ailettes espacées prévues sur la-surface externe, de manière à homogénéiser l'épaisseur moyenne du tube .
Chauque tube 1 , m , n , peut de plus être ondulé dans le sens de son axe longitudinal, sypétriquement ou asymétriquement, comme on l'a représenté en perspective sur la fig.10. On réalise ainsi entre les tubes de l'échangeur, ondulés comme on l'a indiqué schématiquement fig.ll pour trois tubes, des intervalles entre tubes présentant des variations de direction et de section pour le fluide extérieur, et de direction pour le fluide intérieur, variations qui sont favorables à l'échange de chaleur .
Sur la fig.12 ,le tube ± qui présente six ailettes longitudinales et diamétrales sur sa surface extérieure est tel qu'une ailette sur deux, à savoir l'aiette s par exemple, est ondulée dans le sens longitudinal de l'axe du tube,de manière asymétrique de préférence, c'est-à-dire qu'une longue branche d'ondulation est suivie d'une branhe plus courte et plus inclinée . Les autres ailettes! restent planes et diamétrales .De la sorte, dans les canaux qui se forment entre les ailettes, imbriquées ou non, des tubes associés pour constituer l'échangeur et où circule le fluide extérieur, il se produit des variations de section et de direction qui ont pour effet d'améliorer
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l'échange de chaleur .
Au lieu d'onduler les ailettes telles que s, on peut souder, ou fixer par quelques points de soudure, sur le tube lui-même r , entre les ailettes qui restent planes, des bandes de tôles ondulées u. , comme on l'a représenté en traits ponctués sur la fig.12. Ces tôles peuvent être ensuite fixées par quelques points de soudure, par leur autre arête soit sur une ailette d'un autre tube associé au premier pour constituer l'échangeur de chaleur, soit sur la paroi de ce tube lui-même . Cette arête peut encore rester libre .
Sur la fig.13 on a représenté en coupe, une disposition dans laquelle des tubes r , à six ailettes planes sur leur surface extérieure, sont disposés en quinconce, les extrémités des ailettes venant au voisinage les unes des autres et, conformément à l'invention, des tôles v sont soudées d'ailette à ailette, comme on le voit sur la figure, pour compartimenter les espaces offerts à l'écoulement du fluide extérieur, et obtenir, dans ces espaces, les variations de direction et de section souhaitées .
Bien entendu, ces tôles v ne contribuent pas L proprement parler à l'échange de chaleur, mais simplement à-modifier les conditions d'écoulemen-u du fluide extérieur .
Les tôles v pourraient être soudées également, comme dit ci-dessus, de la paroi d'un tube à la paroi d'un autre tube . Le choix de la disposition des tôles v dépend de la disposition adoptée pour l'assemblage des tubes, suivant que les ailettes s'imbriquent plus ou
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moins les unes dans les autres, , e.J.. v - 1 1 on disnose les
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tôles v de manière que les canaux subsistant entre ailettes soient convenablement subdivisés .
La disposition d'ondulations longitudinales sur certaines des ailettes de la surface extérieure du tube est applicable à toutes formes de tubes et en particulier à la forme de tubes à section en H . Dans ce
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cas, les ailettes *p1de'ltune des faces du tube sont ondulées et les ailettes o de l'autre face restent planes et les tubes étant imbriqués l'un dans l'autre comme on le voit fig.15, les ailettes p1 ondulées créent des variations de direction et de section dans les intervalles subsistant entre les ailettes planes o du tube situé immédiatement au-dessus .
Sur les figures 12 à 15, le tube ne présente aucune ailette sur sa surface interne, mais le noyau borgne qui est disposé à l'intérieur des tubes, comme on le voit fig.13 et 14 présente au contraire,sur sa surface extérieure, de petites ailettes, ou nervures w .
Ces nervures w peuvent être de préférence ondulées comme on le voit en w1, et provoquent, dans les canaux offerts entre le noyau e et le tube r à l'écoulement du fluide intérieur, des variations de direction, tout en permettant également le centrage du noyau e à l'inté- ri eu r du tube r .
Sur la fig.16, les tubes r ailetés extérieurement sont disposés en rangées régulières . La section de ces tubes s'inscrit comme on le voit dans un carré et les ailettes extérieures prévues sur les tubes sont à cet effet de longueurs différentes.On remarque que les ailettes
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aboutissant dans les angles du carré sont un peu raccourcies, de manière que le carré soit à angles émoussés.
.Ce la sorte, entre quatre tubes r contigus dont les axes se trouvent au sommet d'un carré, il est possible de loger un noyau x dont le corps est disposé entre les extrémités des quatre ailettes des quatre tubes contiaus et dont l'axe coïncide avec le centre du carré .
Le noyau x présente quatre ailettes qui viennent s'insérer entre les ailettes des tubes r , de manière à subdiviser l'espace compris entre ces ailettes .
Le corps du noyau x peut être rainure en x 2 comme on le voit sur la droite de la figure, de malière que les pointes des ailettes des tubes R s'enga- gent dans ces rainures, ce qui assure le calage des tubes et leur maintien en place .
Les ailettes x1 sont de préférence ondulées longitudinalement, de manière qu'il se produise, dans les espaces compris entre les ailettes x et les ailettes ace tubes r , des variations de direction et de section qui se uontrent, comme on le sait, favorables à l'échange '.3 chaleur Lors du montage, une rangée horizontale de dbe ailetés r , ayant été mise en place, on peut dis- poser ensuite les noyaux x soit en les introduisant par le haut, soit en les enfilant horizontalement sur les doux ailettes des tubes avec lesquels lesdits noyaux doivent coopérer .
Dans une variante représentée également sur la gauche de la figure 16, le noyu extérieur y ne grésente pas de rainures comble les noyaux x , mais ces vainures sont remplacées par des points de soudure y1,
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disposés de distance en distance le long des faces des ailettes horizontales . Ces points de soudure forment butée pour les ailettes des tubes r avec lesquels les noyaux en question coopèrent . Ce mode de réalisation facilite la fabrication des noyaux y qui est rendue plus économique.
D'autre part, il permet la mise en place, par empilement des couches horizontales successives, des tubes r et des noyaus y
A l'intérieur des tubes r ,il est prévu des noyaux pleins e présentant des nervures w ondulées longitudinalement, ou enroulées en hélices, et qui ont pour effet de faire varier la section et la direction des intervalles prévus entre lesdits noyaux e et la surface interne des tubes r..
L'échangeur de chaleur fig.17 est formé de tubes r ,à ailettes longitudinales,entre lesquels sont disposés des noyaux pleins ailetés ondulés x et ces tubes r , au lieu d'être en partie obturés par un noyau plein sont obturés par un nyau tubulaire a1 Le noyau tubulaire e1 porte extérieurement comme le faisait le noyau plein, des nervures , disposées en hélice comme on le voit fig.18 de manière à provoquer un mouvement de giration et des variations de section dans l'espace offert au fluide circulant à l'intérieur des tubes r et à l'extérieur des noyaux e1 irais la réalisation tubu- laire du noyau e1 permet surtout de faire circuler à l'intérieur de ce noyau un fluide, qui peut être le fluide circulant extérieurement au::
tubes r , lequel passe ainsi de part et d'autre du fluide circulant in térieurement aux tubes et extérieurement aux noyaux e1
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On peut disposer à l'intérieur des noyaux tubulaires e1,des noyaux déviateurs 1, comme on le voit fig.18 en eux-mêmes connus, et qui ont pour effet de faire varier la section interne de passage du fluide à l'intérieur du noyau e1, en vue d'obtenir des effets de battements dans la vitesse, la pression et la direction du fluide, ce qui améliore l'échange de chaleur.
Il peut 'être également disposé, à l'entrée
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des noyaux el , une zeste girante 2, en elle-même connue, qui. comporte des nervures hélicoïdales 3, comme on le voit fig.18, lesquelles ont pour effet de communiquer un nouvement de giration au fluide qui pénètre à l'intérieur du noyau ¯e
Lorsque, comme c'est le cas pour le mode de réalisation représenté sur la figure 17, les tubes de l'échangeur sont disposés verticalement, les ailettes r des tubes ailetés viennent par leurs pointes dans le creux des noyaux extérieurs x et il est prévu dans ce creux, au sommet des noyaux x , une petite traverse 4 qui s'engage dans une encoche 5 prévue dans la pointe de l'ailette cornue on le voit sur la fig.19 . De la sorte,
les noyaux extérieurs x servent de points de suspension aux tubes ailetés r ,
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