CA2647069A1 - Echangeur de chaleur et methodes d'assemblage - Google Patents

Abstract

Échangeur de chaleur de type multitubulaire muni d'un faisceau de tubes corrugués à paroi mince en plastique et méthodes d'assemblage connexes pour assurer le positionnement rectiligne, parallèle et équidistant des tubes corrugués flexibles qui forme nt le noyau de l'échangeur afin de créer une section uniforme pour l'écoulement du fluide q ui passe entre les tubes de l'appareil en réduisant ainsi les risques d'encrassement et les pertes de charge.

Description

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 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.

[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.

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.

[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, 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, 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 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.

15413601 1SC - $ -

Claims (18)

REVENDICATIONS:

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué sont définies comme suit :

1. Un échangeur de chaleur de type multitubulaire comprenant :
un noyau central formé d'un faisceau de tubes corrugués flexibles fixés à deux plaques de bouts;
un moyen de tensionnement axial des tubes corrugués flexibles réduisant leur tendance à
se courber afin d'obtenir une section substantiellement uniforme de passage du flux de fluide qui circule entre les tubes.

2. L'échangeur de chaleur de la revendication 1, dans lequel les fluides entre lesquels a lieu l'échange de chaleur sont deux gaz ou un gaz et un liquide ou deux liquides.

3. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, dans lequel les tubes corrugués flexibles sont en acier, acier inoxydable, matériaux composites ou autres.

4. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, dans lequel les tubes corrugués flexibles sont à paroi mince en plastique.

5. L'échangeur de chaleur de la revendication 4, dans lequel le matériel plastique est modifié par l'ajout d'un composant capable d'augmenter la conductivité
thermique de la paroi des dits tubes.

6. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 5, dans lequel les tubes corrugués flexibles sont fixés à deux plaques de bouts par des éléments de fixation en plastique.

7. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen de tensionnement axial est en plastique.

8. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 7, dans lequel les éléments de fixation sont aussi des éléments d'étanchéité.

9. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 8, dans lequel les tubes corrugués flexibles sont fixés à deux plaques de bouts par des éléments de fixation mécaniques d'un type choisi parmi le type rondelles et le type anneaux.

10. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 8, dans lequel les tubes corrugués flexibles sont fixés à deux plaques de bouts par collage ou soudure.

11. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 10, dans lequel le moyen de tensionnement positionne les tubes corrugués dans un faisceau de tubes rectilignes, parallèles et équidistants.

12. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 11, dans lequel le moyen de tensionnement axial consiste en au moins deux tiges filetées à un bout et un épaulement à l'autre bout, permettant l'application d'une tension axiale spécifiée T aux tubes corrugués flexibles par l'écartement de ces plaques de bout.

13. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 11, dans lequel le moyen de tensionnement axial consiste d'au moins deux tiges filetées à chaque bout et des écrous et rondelles, permettant l'application d'une tension axiale spécifiée T
aux tubes corrugués flexibles par l'écartement de ces plaques de bout.

14. L'échangeur de chaleur de l'une ou l'autre des revendications 1 à 11, dans lequel le moyen de tensionnement axial consiste d'au moins deux tiges filetées sur toute la longueur et avec des écrous rondelles et des ressorts, permettant l'application d'une tension axiale spécifiée T aux tubes corrugués flexibles par l'écartement de ces plaques de bout.

15. Une méthode d'assemblage d'un échangeur de chaleur de type multitubulaire comprenant :

fournir un noyau central formé d'un faisceau de tubes corrugués flexibles;

fixer les tubes corrugués flexibles à deux plaques de bouts par des éléments mécaniques de fixation;

tensionner en direction axiale les tubes corrugués flexibles fixés par un moyen de tensionnement axial écartant les plaques de bout, réduisant leur tendance à se courber afin d'obtenir une section substantiellement uniforme de passage du flux de fluide qui circule entre les tubes.

16. La méthode d'assemblage d'un échangeur de chaleur de type multitubulaire de la revendication 15, comprenant de plus :

fournir un écoulement d'air chaud dans les dites tubes corrugués flexibles pour appliquer une tension axiale T par l'effet thermique de dilatation.

17. Une méthode d'assemblage d'un échangeur de chaleur de type multitubulaire comprenant :

fournir un noyau central formé d'un faisceau de tubes corrugués flexibles;
soumettre les tubes corrugués à une tension axiale par leur étirement;
fixer les tubes corrugués flexibles tensionnés à deux plaques de bouts par des éléments mécaniques de fixation.

18. La méthode d'assemblage d'un échangeur de chaleur de type multitubulaire de la revendication 17, comprenant de plus :

fournir un écoulement d'air chaud dans les dites tubes corrugués flexibles pour appliquer une tension axiale T par l'effet thermique de dilatation.