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CA 02647069 2008-12-18
ÉCHANGEUR DE CHALEUR ET MÉTHODES D'ASSEMBLAGE
DOMAINE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention concerne un échangeur de chaleur de type
multitubulaire muni
d'un faisceau de tubes corrugués ainsi que des méthodes d'assemblage de cet
échangeur.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE
[0002] Les échangeurs de chaleur de type multitubulaire (connus aussi sous le
nom
d'échangeurs à faisceau tubulaire et calandre ou bien d'échangeurs coque et
tubes) réalisent le
transfert thermique entre un fluide qui circule à l'intérieur de tubes
disposés en faisceau (noyau)
et un autre fluide qui circule entre les tubes. La plupart des applications
pour ce type d'échangeur
de chaleur visent le transfert thermique de type liquide/liquide, les
solutions de type liquide/gaz
ou gaz/gaz étant moins répandues.
[0003] La plupart des améliorations pour ces d'échangeurs de chaleur sont
reliées au type de
tube utilisé comme surface d'échange thermique. Ils s'agit des tubes rigides
ou flexibles, lisses
ou corrugués en métal ou en plastique. La disposition des tubes et les
méthodes de fixation
constituent un problème important de fabrication pour tous ces échangeurs.
[0004] L'utilisation des tubes corrugués assure une augmentation de la surface
d'échange
thermique et une certaine amélioration des coefficients de transfert par
rapport à la variante du
tube lisse. Ils sont fabriqués en métal ou en matière plastique.
[0005] L'utilisation des tubes flexibles et plus précisément des tubes de
plastique corrugués à
paroi mince, offre une grande variété de solutions pour des échangeurs
multitubulaires. Ces
nouveaux matériaux offrent un potentiel d'échange thermique intéressant à des
coûts de
fabrication compétitifs. Toutefois, le manque de rigidité de ce type de tuyau
engendre la
déformation du noyau de l'échangeur. Ainsi, la circulation de fluide à
l'extérieur des tubes est
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fortement perturbée suite à la déformation des tubes du noyau qui ont tendance
à se courber. Les
zones critiques ainsi formées offrent une réduction importante de la section
de passage pour le
fluide qui passe entre les tubes de l'appareil. Les solutions proposées
jusqu'à présent pour
supporter la tuyauterie, tel l'ajout de chicanes et de supports, compliquent
davantage la
réalisation de l'appareil.
[0006] Certains échangeurs de chaleur air/air ont une surface d'échange
thermique constituée
par des plaques lisses ou corruguées, en plastique ou en métal disposées de
manière à offrir une
grande surface d'échange thermique, le tout dans un appareil possédant un
volume externe
minimal. Ce type d'échangeur de chaleur, avec des applications surtout dans le
domaine des
échangeurs d'air, présente une très faible résistance à l'encrassement puisque
l'espacement entre
les plaques est réduit (habituellement de 3 à 6 mm). Le nettoyage de
l'appareil est une opération
qui doit être complétée fréquemment afin de maintenir la surface d'échange
thermique exempte
de particules de poussière. Des cycles de dégivrage sont également requis afin
d'éviter la
formation de glace pouvant gêner le passage de l'air à travers les composantes
de l'échangeur.
[0007] Il existe une autre série d'échangeurs thermiques réalisés à partir de
plaques profilées
en métal ou en plastique assemblées pour générer une grande surface de
transfert thermique
présentant une multitude de canaux ayant des profils et des dimensions très
variés. Toutefois le
risque d'encrassement reste très important et leur montage et leur entretien
restent difficiles à
réaliser.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
[0008] La présente invention s'intéresse et vise à éliminer au moins un des
désavantages des
échangeurs connus en proposant un échangeur de chaleur multitubulaire à tubes
corrugués réalisé
préférablement en plastique qui possède une grande résistance à l'encrassement
et/ou à la
corrosion.
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[0009] Plus particulièrement, il s'agit d'un échangeur d'air récupérateur
d'énergie, capable
de fonctionner sans risque ou avec faible risque d'encrassement dans des
environnements
normaux à sévères (tels que des environnements à forte concentration de
poussière, à taux élevé
d'humidité et/ou à une atmosphère corrosive) et à de normales à basses
températures, sans avoir
besoin de périodes de dégivrage.
[0010] Un premier aspect de la présente invention concerne un échangeur de
chaleur
multitubulaire qui utilise des tubes flexibles corrugués, préférablement à
paroi mince ou très
mince en plastique, avec des applications dans les domaines d'échange
thermique de type
gaz/gaz, liquide/gaz et liquide /liquide.
[0011] Le deuxième aspect de l'invention concerne des méthodes de montage
et/ou
d'assemblage qui assurent le positionnement rectiligne, parallèle et
équidistant des tubes
corrugués flexibles qui forment le noyau de l'échangeur afin de créer une
section uniforme pour
le passage du fluide qui passe entre les tubes de l'appareil en réduisant les
risques
d'encrassement et/ou les pertes de charge.
[0012] Selon un troisième aspect de la présente invention, des moyens de
fixation et de
positionnement des tubes corrugués flexibles qui forment le noyau de
l'échangeur multitubulaire
sont proposées.
[0013] Dans la présente description, le terme corrugué , comme dans
l'expression tube
corrugué , est une traduction littérale de l'anglais corrugated qui
pourrait être remplacé par
les termes ondulé , gaufré , annelé , hélicoïdal , etc. Les tubes
corrugués de
l'invention peuvent être des tubes à paroi ondulée, gaufrée, annelée,
hélicoïdale, etc. Le tube
présente ainsi des déformations, longitudinales ou transversales sur sa paroi.
La paroi du tube
peut donc présenter des nervures parallèles ou non ou une alternance de
reliefs et de creux
régulièrement ou irrégulièrement espacés.
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BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0014] On décrira plus en détail ci-après, à titre indicatif et nullement
limitatif, des dispositifs
conformes à la présente invention en référence aux dessins annexés sur
lesquels :
[0015] La Fig. 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur de type
multitubulaire
selon l'une des réalisations de l'invention;
[0016] La Fig. 2 est une vue en explosion d'un détail de montage des tubes
corrugués de
l'échangeur de chaleur de type multitubulaire de la Fig. 1;
[0017] La Fig. 3 est un détail dans une section longitudinale de l'échangeur
de chaleur selon une
première méthode d'assemblage;
[0018] La Fig. 4 est un détail dans une section longitudinale de l'échangeur
de chaleur selon une
deuxième méthode d'assemblage;
[0019] La Fig. 5 est un détail dans une section longitudinale de l'échangeur
de chaleur selon une
troisième méthode d'assemblage;
[0020] La Fig. 6 représente un outil de travail pouvant être utilisé pour
soumettre les tubes
corrugués flexibles à une tension axiale pendant leur montage, avant leur
fixation, la section
pince de l'outil étant en configuration ouverte pour retenir le tube;
[0021] La Fig. 7 représente l'outil de travail de la Fig. 6, la section pince
de l'outil étant en
configuration fermée pour libérer le tube;
[0022] La Fig. 8 représente l'outil de travail de la Fig. 6, la section pince
de l'outil étant en
configuration fermée et le bout de la section pince étant inséré dans le tube;
[0023] La Fig. 9 est une vue en perspective d'un échangeur d'air récupérateur
d'énergie réalisé
selon l'une des applications de l'invention; et
[0024] La Fig. 10 est une section longitudinale horizontale de l'échangeur
d'air récupérateur
d'énergie de la Fig. 9.
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[0025] Il sera noté que dans les dessins annexés, les caractéristiques
semblables du dispositif
sont identifiées par des numéros de référence semblables.
RÉALISATIONS DE L'INVENTION
[0026] Certaines réalisations de l'invention seront maintenant décrites avec
références à des
figures. Cette invention peut inclure différentes variantes ou formes qui ne
devraient pas être
interprétées comme étant limitées aux réalisations telles que présentées ici.
Les différentes
réalisations sont présentées dans la description suivante en tant qu'exemples.
[0027] La Fig. 1 présente un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur
multitubulaire
selon la présente invention. Des tubes corrugués flexibles 10 sont positionnés
par rapport aux
plaques de bout 12, par des éléments mécaniques de fixation et d'étanchéité 14
et 16. Le
positionnement rectiligne, parallèle et équidistant des tubes corrugués
flexibles 10 est assuré par
l'application d'une tension axiale à l'aide un système de tensionnement
comprenant des tiges 18
qui sera présenté ci-après. L'échange thermique a lieu entre deux fluides à
des températures
différentes qui circulent dans les tubes corrugués 10 et entre ces tubes.
Diverses configurations
sont possibles pour diriger l'écoulement des fluides par l'installation de
raccords d'entrée, de
raccords de sortie et de chicanes selon des solutions connues dans l'art. Les
deux plaques de bout
12 sont reliées par des éléments de structure 20, qui peuvent constituer aussi
l'enveloppe
extérieure de l'appareil.
[0028] Dans la Fig. 2, les éléments mécaniques de fixation et d'étanchéité 14
et 16 sont par
exemple de types rondelles pouvant facilement s'installer au bout des tubes
corrugués 10.
[0029] Dans la Fig. 3 et selon une première méthode d'assemblage, l'échangeur
de chaleur
comprend un système de tensionnement 30 qui permet d'appliquer une tension
axiale spécifiée T
aux tubes corrugués flexibles 10 afin d'éliminer toute déformation du faisceau
des tubes et les
empêcher de se courber. Le système de tensionnement 30 consiste en au moins
deux tiges 18a
ayant un filet 32 à un bout et un épaulement 34 à l'autre bout. Une fois les
tubes corrugués
flexibles 10 fixés dans les plaques de bout 12 par des éléments mécaniques de
fixation 14 et 16,
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il est possible de les soumettre à une tension axiale spécifiée T, par la
rotation des tiges 18 du
système de tensionnement 30 qui détermine l'écartement des plaques de bout 12,
afin d'assurer
la forme rectiligne de l'axe des tubes 10, ainsi que leur positionnement
parallèle et équidistant.
[0030] Dans la Fig. 4 et selon une deuxième méthode d'assemblage, l'échangeur
de chaleur
comprend un système de tensionnement 40 avec des tiges 18b filetées à chaque
bout 42. Des
écrous 44 et des rondelles 46 permettent d'appliquer une tension axiale
spécifiée T aux tubes
corrugués flexibles 10 par l'écartement des plaques de bout 12.
[0031] Dans la Fig. 5, et selon une troisième méthode d'assemblage préférée,
l'échangeur de
chaleur comprend un système de tensionnement 50 qui permet d'appliquer la
tension axiale T
aux tubes corrugués flexibles 10. Les tiges du système de tensionnement 18c
sont filetées sur
toute la longueur et les écrous 52, les rondelles 54 et des ressorts 56
facilitent l'application et le
maintien de la tension axiale T à une valeur spécifiée par l'écartement des
plaques de bout 12.
[0032] L'échangeur de chaleur peut aussi être réalisé sans système de
tensionnement si celui-ci
fait partie intégrante de l'appareil. Plus précisément, les plaques de bout 12
sont installées dans
une position fixe par rapport aux éléments de structure 20 (tel que présenté
dans la FIG. 1) et les
tubes corrugués flexibles 10 sont soumis pendant le montage à une tension
axiale T par leur
étirement à l'aide d'un outil ou d'un dispositif de travail approprié. L'outil
peut être un outil
mécanique, hydraulique ou électrique, de type pince ou crochet, qui s'insère
dans la tuyauterie et
qui permet de saisir le tuyau et d'y appliquer une tension afin de le fixer
par la suite à l'aide des
éléments 14 et 16.
[0033] Un exemple d'un tel outil est montré aux Fig. 6, 7 et 8. L'outil 60
comporte une section
pince 62 avec un crochet 64 pouvant être placée en configuration ouverte (Fig.
6) ou fermée
(Fig. 7) à l'aide d'un pivot 66 et d'une poignée 68. La poignée comporte un
stoppeur 70 pour
assurer un déplacement d'une distance appropriée. Tel que montré à la Fig. 7,
le pied 72 du
stoppeur 70 s'appuie sur l'une des branches 74 de la poignée 68 lorsque la
pince est en
configuration ouverte, empêchant la pince de s'ouvrir plus grand. L'ouverture
D1 est maximale
quand le pied 72 touche la branche 74. En utilisation, la pince est placée en
configuration fermée,
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comme à la Fig. 7, pour l'insérer dans le tube 10. Les branches 74 et 76 de la
poignée 68 sont
alors séparées et la distance D3 entre le pied 72 du stoppeur 70 et la branche
74 permet une
ouverture minimale D2 du crochet 64, ce qui permet de l'insérer dans le tube
10. La pince est
ensuite placée en configuration ouverte, pour que le crochet 64 agrippe le
bout du tube 10 et une
tension peut alors être appliquée sur le tube en entraînant le tube 10 par la
pince 60 vers
l'extérieur de la plaque 12.
[0034] A la Fig. 8, l'outil 60 est illustré en utilisation. L'outil 60 est en
position fermée, le
crochet 64 ayant son espacement D2 minimal puisque le pied 72 du stoppeur 70
est à son
espacement maximal D3 de la branche 74. Il peut donc être entré dans le tube
10, à l'extérieur
de la plaque 12. Il sera ensuite ouvert pour agripper le tube 10 et l'étirer
vers l'extérieur, au-delà
de la plaque 12.
[0035] On procède par la suite à la fixation des tubes corrugués flexibles 10
en état tensionné
dans les plaques de bout 12, à l'aide d'éléments mécaniques de fixation 14 et
16. La tension
axiale T ainsi appliquée doit assurer la forme rectiligne de l'axe des tubes
corrugués flexibles 10,
leur positionnement parallèle et équidistant.
[0036] Pour retirer l'outil 60, la pince 62 est placée en configuration fermée
à nouveau, le
crochet 641ibère le bout du tube 10 et l'outi160 est retiré.
[0037] Les Fig. 9 et 10 présentent une réalisation particulière de l'invention
pour des
applications de type échangeur d'air avec récupération d'énergie. L'appareil
90 présenté dans la
Fig. 9, est prémuni des raccords d'entrée 92 et 94 et de sortie 96 et 98 pour
chacun des deux
fluides qui circulent dans l'échangeur d'air. Des portes d'accès 100 sont
prévues pour faciliter
l'entretien périodique.
[0038] La Fig. 10 présente en détail les éléments de construction et le
fonctionnement d'un
échangeur d'air selon cet exemple de réalisation particulière. Le transfert
thermique se réalise
entre un flux d'air frais AF qui circule à l'intérieur des tubes corrugués en
plastique 10 et un flux
d'air vicié chaud GC repris du bâtiment qui circule entre les dits tubes
corrugués 10. L'air vicié
parcourt plusieurs passages étant dirigé par des chicanes 102 et des
déflecteurs 104. A la sortie
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de l'appareil, l'air frais préchauffé AC est dirigé vers l'intérieur du
bâtiment pour assurer le taux
d'aération requis, pendant que l'air vicié refroidi GF est évacué vers
l'extérieur du bâtiment. La
circulation des deux flux d'air est assurée par des ventilateurs (non
montrés). Le condensat qui
peut se former à l'extérieur des tubes corrugués est éliminé par des moyens
connus (non
montrés). Le système de tensionnement 30 des tubes corrugués flexibles 10,
assure leur
positionnement rectiligne, parallèle et équidistant afin de créer une section
uniforme pour le
passage du flux d'air GC. La disposition des tubes corrugués 10 et leur
espacement assurent des
pertes de charge minimales pour le passage de l'air, sans risque ou avec peu
de risque
d'encrassement dans des environnements sévères (forte concentration de
poussières, taux élevé
d'humidité et une atmosphère corrosive) et à de basses températures, sans
avoir besoin de
périodes de dégivrage.
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