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Echangeur de chaleur comprenant des tubes à ailettes rainurées
L'invention concerne 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.
L'invention s'applique plus particulièrement à un échangeur 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 échangeur 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
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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 pulsé 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
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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
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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
étagé 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
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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
5 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 III-III 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 III-III 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 III-III 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 ;
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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 pulsé 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
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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
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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 dl,d2 ou des largeurs dl,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).
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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 dl,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
dl,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
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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
5 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
10 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 el de l'ailette 4 à son
bord externe 4a peut être comprise entre environ 0,15 et 0,4 millimètres (mm)
et
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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 11,12,13 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 étagé diminuant
en
s'éloignant du tube 2 tel que p1>p2>p3 et 11>12>13.
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.
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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.
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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.
