EP0097662B1 - Echangeur de chaleur a ailettes en particulier pour un convecteur - Google Patents

Echangeur de chaleur a ailettes en particulier pour un convecteur Download PDF

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EP0097662B1
EP0097662B1 EP83900045A EP83900045A EP0097662B1 EP 0097662 B1 EP0097662 B1 EP 0097662B1 EP 83900045 A EP83900045 A EP 83900045A EP 83900045 A EP83900045 A EP 83900045A EP 0097662 B1 EP0097662 B1 EP 0097662B1
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EP
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fins
heat exchanger
distributor
collector
exchangers
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EP83900045A
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Gabriel Giraud
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0475—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits having a single U-bend
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/002—Air heaters using electric energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/26—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means being integral with the element

Definitions

  • the present invention relates to a finned heat exchanger, in particular for a convector, exchanger comprising a collector-distributor of calories having substantially the shape of a tube inside which is arranged a circulating or refrigerating means, said collector- distributor comprising at least two straight parallel branches between them, fins being arranged transversely with respect to the two branches of said manifold-distributor.
  • the invention also relates to the positioning of these exchangers inside the heating convectors.
  • Finned heat exchangers have been known for a long time. They find their application in all areas where a heat exchange is sought, for example but not limited to domestic heating convectors.
  • the transverse fins are supported at at least one point by the circulating means which they surround.
  • the fins determine between them zones of exchange with a gas flow while heating.
  • the known exchangers are all of complex design, further allowing their positioning only in convectors of relatively large dimensions, in particular in width.
  • a fin heat exchanger in particular for a convector, an exchanger comprising a collector-distributor of calories or frigories having substantially the shape of a tube, inside which is disposed a circulating or refrigerant means, said manifold-distributor comprising at least two rectilinear branches parallel to each other, fins being arranged transversely relative to the branches of said tube, characterized in that the transverse fins are of polygonal shape, the branches of the manifold-distributor being disposed at two opposite vertices of each of the fins, said fins not laterally projecting from the branches of the manifold towards the outside of the exchanger and connecting to them in an inclined plane, and the gas flow passing through the structure of the exchanger by intervals between the branches of the manifold-distributor and between the fins.
  • the fins do not project laterally from the branches of the manifold-distributor, which allows optimal positioning of the exchanger in a convector. This will be explained later.
  • the fins have a generally polygonal shape, they are connected to the branches of the manifold-distributor according to an inclined plane, which in fact produces a truncated section of the exchanger on each of its edges.
  • the exchanger can be arranged inclined in the convector, for example from an angle of 30 ° to 60 °.
  • the exchanger will be produced in two 1/2 molded shells, the fins and the branches of the manifold-distributor in the form of 1/2 semi-cylindrical tube having come from molding.
  • the fins will preferentially affect a trapezoidal structure.
  • the exchange zones of each of the 1/2 shells will correspond only to a portion of semi-cylinder, so that during assembly the circulating means can be clamped optimally for the heat exchange with the collector-distributor thus formed by the union of the two portions in the form of 1/2 semi-cylindrical tube.
  • the two shells forming the exchanger may be identical, which will require the use of one and the same mold for their production.
  • the fins of the two shells are perfectly aligned.
  • the fins of each half-shell will generally have an identical frustoconical profile.
  • the union of two sets of fins facing each other forms a succession of Venturi through which the gas flow passes.
  • provision may be made to offset the fins of a 1/2 shell relative to those of the other 1/2 shell. In this way, the number of leading edges is increased, which obviously increases the efficiency of the exchange. This gain can be estimated at around 20% in power.
  • the offset fins will have a taper in the form of an aircraft wing leading edge.
  • the exchanger according to the invention can be designed in a modular way, by proposing extensions (extensions) which can be added at the end so as to obtain exchangers of variable length.
  • the manifold-distributor can assign a U-shaped profile.
  • the inlet and outlet of the circulating medium are on the same side on the exchanger element concerned.
  • an additional fin will be provided, connected by very thick metal bridges delimiting perforations between them.
  • this level it is also possible, to ensure better contact between the exchange zone and the circulating medium, to provide a contact substance between the two elements.
  • this substance can be provided over the entire length of the exchange zone of the collector-distributor.
  • the exchange zone can be painted internally in black or another color which absorbs the radiation of the circulating medium well.
  • the exchanger according to the invention consists of two shells (1) and (2). These two shells are assembled together by any suitable means, screwing, gluing, bolting, riveting, collars, clips, cold gluing, rivets from the foundry.
  • the fins are of polygonal section and do not extend laterally from the branches of the manifold-distribu which constitutes the exchange zone.
  • fins retain exactly the same positioning as at the branches and remain parallel to each other.
  • the fins determine between them over the entire width of the exchanger intervals (6) through which air flows in contact with the exchange surfaces.
  • the fins have in their junction zone with the half-tubes (3) truncated edges (7,8).
  • FIG. 2 shows an electrical resistance (9) which can be used as circulating means.
  • FIG. 3 shows a pin (10) made of copper tube, for example, which can be placed in the half-tubes (3), a pin inside which a circulation of circulating fluid is established. (or refrigerant), for example hot water.
  • the exchanger as described in Figure 1 will be very advantageously made of aluminum, the fins and the half-tubes to which they are connected having come from molding.
  • the two shells (1) and (2) are identical and can therefore be obtained from a single mold.
  • assembly holes (46) are arranged between two fins in a thickness of metal which is integral with the two fins and the part inside of the manifold-distributor.
  • FIG. 5 shows a number of possible variants in terms of the structure and the relative positioning of the fins.
  • the half-fins of each shell will be arranged symmetrically and opposite one another, which is illustrated by the assembly (19).
  • the half-fins will be arranged in staggered rows, with a lateral offset according to a given pitch, for example a half-pitch. This is clearly illustrated in Figure 5.
  • the fins may have any possible section.
  • Conventional fins (20) may also be in the form of shortened fins (21).
  • tapered fins such as those referenced (22).
  • the shortened fins (21), shown in FIG. 5A, allow better passage of the air flow through the exchanger, in particular by their oblong recess.
  • FIGS 8 and 9 show the possible positioning of one or more exchangers in the case of an electric convector.
  • the tubes (3) must be placed at a minimum distance from the walls (23, 24) of the convectors, and at a minimum distance also from each other, which is shown in FIG. 9 , at the central part (25).
  • FIG. 8 shows the advantage of the structure according to the invention, in which the fins are truncated and do not project beyond the exchange zone. It is thus possible to position the exchanger with a certain inclination and at the same time an appreciable gain in space is achieved in width while increasing the performance in terms of yield and temperature distribution.
  • the fins will be arranged so that the sides of the trapezoid (50) are well parallel to the walls of the casing (23 and 24), so that the fins do not project beyond the 'exchange zone delimited by the collector-distributor. It may be accepted that the points (51) Fig. 11 of the fins are inside the exchange zone, but in principle never outside.
  • FIG. 8 can be used for a hot water convector, with the only difference that in this case it is not necessary to leave a gap between the circulation tubes (3) and the walls (23) and (24).
  • FIG. 9 represents two electrical exchangers in accordance with the invention arranged in alignment.
  • the zone (25) will be as narrow as possible compatible with proper operation, so as to limit the circulation of air between the two tubes (26, 27), the latter preferably having to operate between the two branches of a same exchanger.
  • FIGS. 17A and 17B show two exchangers for an electric convector, arranged one above the other.
  • FIG. 17B illustrates the extreme case.
  • an extension ( 39) forming an extension and essentially comprising two rectilinear half-tubes (40), open at each of their lateral ends, and transverse fins (41) of the same structure and obeying the same construction rules as the fins described in the preceding paragraphs.
  • male ends (47) of the element of FIG. 7 are embedded in trunks of cones (48) receptors shown in Fig.4 and 6.
  • the 4 half-holes (49) of fig. 7 will enclose during assembly two cylindrical rods fitted at each end between the first and the second fin on either side of the assembly points, for example lock washers which will serve to maintain this assembly in the longitudinal direction for good tighten if necessary.
  • the female ends of the extensions are also provided with trunks of cones (48) in order to receive extensions in the same way and thus form exchangers of variable length.
  • the two elements correspond only to a portion of semi-cylinder (difference X-X).
  • the evacuation is improved on the rounding of the U-shaped tube by an additional fin (42), connected to the body of the exchanger by bridges of material (43, 44) of great thickness determining between them one or several openings (45).
  • each exchanger or extension shell has holes (52) shown in Figures 1 and 7 useful for hanging or fixing the exchanger in the desired position.
  • assembly holes (17, 18) have been described above on the half-shells for assembling the half-shells, for example by screwing.
  • FIG 18A there are shown two half-shells (101), (102) connected together by a spring clip (103), the final position being shown in Figure 18B.
  • the exchanger At the end of the exchanger, it will have grooves (107) shown in Figure 21 B, in which will be housed the free ends of the clip. It will be noted in this view that the fins may have a non-isosceles trapezoidal section (112) depending on the inclination of the exchanger.
  • the clip will be made of special stainless steel, e.g. structural hardened steel, made high temperatures implemented (of the order of 350 ° C).
  • junction clips (108) are also produced between an exchanger and an extension.
  • the clip comprises an elastic branch (109) and two lateral tabs (110, 111) shown in side view in FIG. 19B.
  • the joint clip also serves to prevent the two assembled elements from separating and bending.
  • FIGS. 20A and 20B show an assembly of substantially different structure, in which rivets (104) coming from the foundry cooperate with an assembly hole (105) of the other half-shell. This structure keeps the symmetry of the half-shells identical.
  • a stud (106) will be produced on the half-shells which will then be riveted as shown in FIG. 2.
  • a surface treatment can be applied externally, for example painting, anodizing, shot blasting, etc., this without limitation, in order to increase the radiation.

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Description

  • La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ayant sensiblement la forme d'un tube à l'intérieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène, ledit collecteur-distributeur comportant au moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rapport aux deux branches dudit collecteur-distributeur. L'invention concerne également le positionnement de ces échangeurs à l'intérieur des convecteurs de chauffage.
  • Des échangeurs de chaleur à ailettes sont connus depuis longtemps. Ils trouvent leur application dans tous les domaines où l'on recherche un échange de chaleur, par exemple mais non limitativement les convecteurs de chauffage domestique.
  • Les ailettes transversales sont supportées en au moins un point par le moyen calorigène qu'elles entourent. Les ailettes déterminent entre elles des zones d'échange avec un flux gazeux en se réchauffant.
  • On peut utiliser comme moyen calorigène soit un tube dans lequel circule par exemple de l'eau chaude réchauffée, soit une résistance chauffante ce de manière non limitative.
  • Les dispositifs proposés jusqu'à présent présentent de multiples inconvénients.
  • Tout d'abord, de par leur structure même, ils conduisent dans les convecteurs à une répartition irrégulière des températures de sortie. En effet les ailettes débordent latéralement par rapport au tube renfermant le moyen calorigène qui est disposé en position telle que le tube soit horizontal. Il s'ensuit la formation d'un gradient de température indésirable en sortie de convecteur.
  • D'autre part les échangeurs connus sont tous de conception complexe, ne permettant en outre leur positionnement que dans des convecteurs de dimensions relativement grandes, en particulier en largeur.
  • C'est le cas notamment des échangeurs décrits dans le brevet français 997808 qui ne peuvent en aucun cas être utilisés pour les convecteurs, car leur structure ne leur permet pas d'être traversés par le flux gazeux. Ils sont en outre d'une conception d'assemblage complexe.
  • Enfin, ils ne sont pas prévus pour recevoir une résistance électrique ou un autre moyen calorigène tel que par exemple un tube de cuivre.
  • La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un échangeur de chaleur du type décrit ci-dessus, permettant :
    • - un positionnement optimal dans un convecteur de faibles dimensions ;
    • - une répartition uniforme des températures de sortie d'air du convecteur.
    • - des températures des parois de l'habillage nettement inférieures à celles des sorties d'air et que l'on peut faire varier ;
    • - une augmentation du rendement de l'appareil.
  • Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu avec un échangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ou frigories ayant sensiblement la forme d'un tube, à l'intérieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène, ledit collecteur-distributeur comportant au moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rapport aux branches dudit tube, caractérisé en ce que les ailettes transversales sont de forme polygonale, les branches du çollecteur-distributeur étant disposées à deux sommets opposés de chacune des ailettes, lesdites ailettes ne débordant pas latéralement des branches du collecteur-distributeur vers l'extérieur de l'échangeur et se raccordant à celles-ci selon un plan incliné, et que le flux gazeux traverse la structure de l'échangeur par des intervalles entre les branches du collecteur-distributeur et entre les ailettes.
  • On comprendra que cette structure apporte de multiples avantages.
  • Tout d'abord les ailettes ne débordent pas latéralement des branches du collecteur-distributeur, ce qui permet un positionnement optimal de l'échangeur dans un convecteur. Ceci sera explicité ultérieurement.
  • D'autre part, puisque les ailettes ont une forme générale polygonale, elles se raccordent aux branches du collecteur-distributeur selon un plan incliné, ce qui réalise en fait une section tronquée de l'échangeur sur chacune de ses arêtes.
  • De cette manière, et conformément à une seconde caractéristique de l'invention, l'échangeur peut être disposé incliné dans le convecteur, par exemple d'un angle de 30° à 60°.
  • C'est cette orientation de l'échangeur et sa structure qui permettent de modifier la répartition des températures de sortie par rapport aux convecteurs connus, pour conduire à une répartition quasi uniforme et faire varier aussi les températures de surface des parois de l'habillage du convecteur.
  • De manière avantageuse, l'échangeur sera réalisé en deux 1/2 coques moulées, les ailettes et les branches du collecteur-distributeur en forme de 1/2 tube hémicylindrique étant venues de moulage.
  • Dans ce cas les ailettes affecteront préférentiellement une structure trapézoïdale.
  • Selon un mode avantageux de mise en oeuvre, les zones d'échanges de chacune des 1/2 coques correspondront seulement à une portion d'hémi- cylindre, de manière telle que lors du montage le moyen calorigène puisse être enserré de manière optimale pour l'échange thermique avec le collecteur-distributeur ainsi formé par la réunion des deux portions en forme de 1/2 tube hémicylindrique.
  • Avantageusement il sera réalisé en aluminium, qui présente l'avantage de ne faire aucun bruit en fonctionnant, en particulier lors de la montée en température. La transmission de la chaleur est également bien meilleure avec l'aluminium.
  • Selon un mode de mise en oeuvre, les deux coques formant l'échangeur pourront être identiques, ce qui nécessitera l'utilisation d'un seul et même moule pour leur réalisation.
  • Dans ce cas les ailettes des deux coques sont parfaitement alignées. Pour des raisons de fonderie, les ailettes de chaque demi-coque auront généralement un profil tronconique identique. La réunion de deux ensembles d'ailettes en vis-à-vis l'un de l'autre forme une succession de Venturi traversés par le flux gazeux.
  • Selon une variante, on peut prévoir de décaler les ailettes d'une 1/2 coque par rapport à celles de l'autre 1/2 coque. De cette manière on augmente le nombre de bords d'attaque ce qui bien évidemment augmente le rendement de l'échange. On peut évaluer ce gain à 20 % en puissance environ.
  • Dans ce cas et de manière à permettre l'écoulement du flux gazeux au travers des chicanes formées par les ailettes, celles-ci comporteront un évidement oblong à leur base.
  • Avantageusement, les ailettes décalées présenteront un effilage en forme de bord d'attaque d'aile d'avion.
  • L'échangeur conforme à l'invention pourra être conçu de manière modulaire, en proposant des extensions (rallonges) qui peuvent être rapportées en extrémité de manière à obtenir des échangeurs de longueur variable.
  • Enfin, le collecteur-distributeur pourra affecter un profil en U. Dans ce cas l'entrée et la sortie du moyen calorigène se font du même côté sur l'élément d'échangeur concerné.
  • De manière à permettre une meilleure évacuation thermique au niveau de l'arrondi du U, on prévoiera une ailette supplémentaire reliée par des ponts de métal de grande épaisseur délimitant entre eux des ajourages. A ce niveau on pourra également, pour assurer un meilleur contact entre la zone d'échange et le moyen calorigène, prévoir de disposer entre les deux éléments une substance de contact. En option cette substance peut être prévue sur toute la longueur de la zone d'échange du collecteur-distributeur.
  • Dans le cas d'un échangeur à eau, on peut également réaliser un assemblage des demi-coques sans trous d'assemblage. On réalise dans ce cas un collage à froid. On prévoit alors dans le fond des demi-coques des barrettes ou bagues venues de fonderie, qui font office de cales d'épaisseur ou d'entretoises pour obtenir l'épaisseur désirée de colle à froid, nécessaire pour le collage. Bien entendu le collage peut être effectué en plein, sur toute la longueur des 1/2 coques pour augmenter l'échange thermique entre le collecteur-distributeur et le moyen calorigène.
  • A défaut de substance de contact la zone d'échange peut être peinte intérieurement en noir ou autre couleur absorbant bien le rayonnement du moyen calorigène.
  • On comprendra mieux j'invention à l'aide de la description ci-après, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 est une vue en perspective des deux parties constitutives d'un échangeur à ailettes conforme à l'invention ;
    • - la figure 2 illustre une résistance électrique autour de laquelle peut être disposé l'échangeur ;
    • - la figure 3 illustre une épingle en cuivre pour circulation d'un fluide autour de laquelle peut être disposé l'échangeur ;
    • - la figure 4 représente une vue en élévation d'un demi-échangeur normal ;
    • la figure 4A est une coupe selon B-B de la figure 4 ;
    • - la figure 5 illustre les positions relatives et les structures possibles en coupe des ailettes ;
    • - la figure 5A représente une des structures des ailettes lorsqu'elles sont décalées ;
    • - la figure 6 est une vue en élévation d'un demi-échangeur à ailettes décalées ;
    • - la figure 6A est une coupe selon A-A de la figure 6 ;
    • - la figure 6B est une coupe selon B-B de la figure 6 ;
    • - la figure 6C est une coupe selon C-C de la figure 6 ;
    • - la figure 7 représente un échangeur conforme à l'invention muni d'une extension ;
    • - les figures 8 et 9 illustrent en coupe le positionnement possible d'un ou plusieurs échangeurs conformes à l'invention dans un convecteur électrique ;
    • - les figures 10 à 17A et 17B illustrent en coupe le positionnement possible d'un ou' plusieurs échangeurs conformes à l'invention dans un convecteur électrique ou à circulation d'eau chaude par exemple ;
    • - les figures 18A et 18B illustrent un assemblage de deux demi-coques par clip ;
    • - les figures 19A et 19B illustrent un clip pour l'assemblage d'un échangeur et d'une rallonge ;
    • - les figures 20A et 20B illustrent un assemblage par rivets venus de fonderie ;
    • - la figure 21A représente une vue en plan d'une demi-coque pouvant être assemblée par clip ;
    • - la figure 21 B est une coupe selon D-D de la figure 21 A.
  • On se référera tout d'abord à la figure 1.
  • L'échangeur conforme à l'invention se compose de deux coques (1) et (2). Ces deux coques sont assemblées entre elles par tout moyen adéquat, vissage, collage, boulonnage, rivetage, colliers, clips, collage à froid, rivets venus de fonderie.
  • Chaque coque comporte essentiellement deux éléments à savoir :
    • un demi collecteur-distributeur (3) en forme de demi-tube hémicylindrique en forme de U ou rectiligne comme (40) ;
    • des ailettes transversales (4).
  • Comme on peut le voir à la figure 1, les ailettes sont de section polygonale et ne débordent pas latéralement des branches du collecteur-distributeur qui constitue la zone d'échange.
  • Dans la partie courbée (5) du U, des ailettes conservent exactement le même positionnement qu'au niveau des branches et restent parallèles entre elles.
  • Les ailettes déterminent entre elles sur toute la largeur de l'échangeur des intervalles (6) au travers desquels circule de l'air venant au contact des surfaces d'échange.
  • Les ailettes présentent dans leur zone de jonction avec les demi-tubes (3) des arêtes tronquées (7,8).
  • On a représenté à la figure 2 une résistance électrique (9) pouvant être utilisée comme moyen calorigène.
  • De la même manière on a représenté à la figure 3 une épingle (10) en tube par exemple de cuivre pouvant être disposée dans les demi-tubes (3), épingle à l'intérieur de laquelle on établit une circulation d'un fluide calorigène (ou frigorigène), par exemple de l'eau chaude.
  • L'échangeur tel que décrit à la figure 1 sera très avantageusement réalisé en aluminium, les ailettes et les demi-tubes auxquels elles se raccordent étant venus de moulage. Dans l'exemple illustré à la figure 1 les deux coques (1) et (2) sont identiques et peuvent donc être obtenues à partir d'un seul et même moule.
  • Avec le demi-échangeur (11) représenté à la figure 6, on peut réaliser un montage sensiblement différent au niveau du positionnement relatif des ailettes d'une coque par rapport aux ailettes de l'autre coque.
  • La plupart des ailettes auront dans ce cas le profil normal (12) représenté à la coupe 6C. Par contre l'ailette (13) représentée en coupe 6A aura une structure légèrement modifiée de manière à permettre la fixation des deux coques. On y prévoiera aussi deux trous d'assemblage (14, 15).
  • Toujours dans ces cas certaines ailettes centra-' les (16), représentées par la coupe 6B, devront également permettre le positionnement de trous d'assemblage (17, 18) qui se trouvent dans l'axe et aux extrémités de l'ailette entre le corps de celle-ci et le collecteur-distributeur.
  • Pour l'échangeur normal c'est-à-dire non décalé tel que représenté par les figures 1 et 4 des trous d'assemblage (46) sont disposés entre deux ailettes dans une épaisseur de métal faisant corps avec les deux ailettes et la partie intérieure du collecteur-distributeur.
  • On a représenté sur la figure 5 un certain nombre de variantes possibles au niveau de la structure et du positionnement relatif des ailettes. Dans le cas le plus simple, les demi-ailettes de chaque coque seront disposées symétriquement et en vis-à-vis l'une de l'autre, ce qui est illustré par l'assemblage (19).
  • Selon une variante, les demi-ailettes seront disposées en quinconce, avec un décalage latéral selon un pas donné, par exemple un demi-pas. Ceci est illustré clairement à la figure 5.
  • Les ailettes pourront avoir toute section possible. Des ailettes classiques (20) pourront également se présenter sous la forme d'ailettes raccourcies (21). D'autre part on pourra également utiliser des ailettes effilées, telles que celles référencées (22). Les ailettes raccourcies (21), représentées à la figure 5A, autorisent un meilleur passage du flux d'air au travers de l'échangeur notamment par leur évidement oblong.
  • Les avantages de cette structure des échangeurs conformes à l'invention apparaîtront clairement dans les exemples ci-après illustrant leur utilisation, préférentielle mais non limitative, dans des convecteurs de chaleur à usage domestique.
  • Aux figures 8 et 9, on a représenté le positionnement possible de un ou plusieurs échangeurs dans le cas d'un convecteur électrique.
  • Pour des raisons de normes de sécurité les tubes (3) doivent être disposés à une distance minimale des parois (23, 24) des convecteurs, et à une distance minimale également l'une de l'autre, ce qui est représenté en figure 9, à la partie centrale (25).
  • Le positionnement de la figure 8 montre l'intérêt de la structure conforme à l'invention, dans laquelle les ailettes sont tronquées et ne débordent pas par rapport à la zone d'échange. On peut ainsi positionner l'échangeur avec une certaine inclinaison et on réalise en même temps un gain de place appréciable en largeur tout en augmentant les performances au niveau du rendement et de la répartition des températures.
  • Suivant l'angle d'inclinaison choisi pour positionner l'échangeur dans son habillage, les ailettes seront disposées de manière telle que les côtés du trapèze (50) soient bien parallèles aux parois de l'habillage (23 et 24), afin que les ailettes ne débordent pas de' la zone d'échange délimitée par le collecteur-distributeur. Eventuel- lement on peut admettre que les pointes (51) Fig. 11 des ailettes soient à l'intérieur de la zone d'échange, mais en principe jamais à l'extérieur.
  • Le positionnement de la figure 8 peut être repris pour un convecteur à eau chaude, à la seule différence que dans ce cas il n'est pas nécessaire de laisser subsister un intervalle entre les tubes de circulation (3) et les parois (23) et (24).
  • La disposition de la figure 9 représente deux échangeurs électriques conformes à l'invention disposée en alignement. La zone (25) sera la plus étroite possible compatible avec le bon fonctionnement, de manière à limiter la circulation d'air entre les deux tubes (26, 27), celle-ci devant préférentiellement s'opérer entre les deux branches d'un même échangeur.
  • Aux figures 10 à 16, on a représenté des dispositions d'échangeurs pour convecteur à eau chaude.
  • Aux figures 10 et 12, les échangeurs sont disposés l'un sous l'autre et parallèlement entre eux :
    • - avec une simple batterie de deux échangeurs à la figure 10, les tubes (28, 29) étant parallèles et leurs branches étant dans un même plan vertical ;
    • - avec une double batterie de deux échangeurs à la figure 12, ceux-ci s'imbriquant de manière telle que les tubes supérieurs (30, 31) de deux échangeurs soient dans un même plan vertical médian que les tubes inférieurs (32, 33) des deux autres échangeurs.
  • Aux figures 11 et 13, les échangeurs sont disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal :
    • - avec une simple batterie de deux échangeurs à la figure 11 ;
    • - avec une double batterie de deux échangeurs à la figure 13.
  • Cette disposition n'est rendue possible que du fait de la structure tronquée des ailettes.
  • On notera ici encore que le tube inférieur (34) et le tube supérieur (35) des échangeurs d'une même batterie sont alignés dans un plan vertical médian avec le tube supérieur (36) et le tube inférieur (37) des échangeurs de la seconde batterie.
  • Enfin on a représenté :
    • - à la figure 14 une disposition en losange de quatre échangeurs conformes à l'invention, chacun étant incliné conformément à l'une des caractéristiques de l'invention ;
    • - à la figure 15 une disposition en étoile de quatre échangeurs conformes à l'invention ;
    • - à la figure 16 une disposition en V de quatre échangeurs conformes à l'invention.
  • On a représenté enfin aux figures 17A et 17B deux échangeurs pour convecteur électrique, disposés l'un au-dessus de l'autre.
  • On illustre ainsi le décalage qu'il faut respecter pour autoriser toujours un passage d'air frais selon la flèche F. La figure 17B illustre le cas extrême.
  • On réalise donc bien dans tous les cas de figure la répartition homogène des températures de sortie en haut des convecteurs.
  • On se référera maintenant à la figure 7. En extrémité libre (38) d'un échangeur conforme à l'invention, c'est-à-dire à l'extrémité opposée à la partie courbée du U, on peut rapporter une extension (39) formant rallonge et comportant essentiellement deux demi-tubes rectilignes (40), ouverts à chacune de leurs extrémités latérales, et des ailettes transversales (41) de même structure et obéissant aux mêmes règles de construction que les ailettes décrites dans les paragraphes précédents.
  • Les résistances électriques à y incorporer ou les tubes en épingle seront modifiés en conséquence. Ces rallonges sont composées de deux 1/2 coques identiques. On peut ainsi de manière modulaire réaliser des échangeurs à la dimension exacte désirée à partir d'un élément d'extrémité intégrant la partie courbe du U du collecteur-distributeur et d'extensions permettant de rallonger les branches du collecteur-distributeur en U.
  • Pour réaliser au mieux cet assemblage, des extrémités mâles (47) de l'élément de la Fig. 7 viennent s'encastrer dans des troncs de cônes (48) récepteurs représentés sur les Fig.4 et 6. D'une façon avantageuse les 4 demi-trous (49) de la fig. 7 enserreront au montage deux tiges cylindriques équipées à chaque extrémité entre la première et la deuxième ailette de part et d'autre des points d'assemblage, par exemple de rondelles d'arrêt qui serviront à maintenir cet assemblage dans le sens longitudinal pour bien le serrer éventuellement. Les extrémités femelles des extensions sont aussi pourvues de troncs de cônes (48) afin de recevoir de la même façon des extensions et former ainsi des échangeurs de longueur variable.
  • Dans la réalisation de la figure 15, la récupération des calories d'une part et toute la zone d'échange et leur évacuation du tube en U sont optimales.
  • Ainsi, comme on peut le voir à la figure 4A, les deux éléments dont la jonction constitue la zone d'échange correspondent seulement à une portion d'hémicylindre (écart X-X). Ainsi au montage on peut produire un serrage plus ou moins important du moyen calorigène et donc améliorer le contact et l'échange.
  • D'autre part l'évacuation est améliorée à l'arrondi du tube en U par une ailette supplémentaire (42), reliée au corps de l'échangeur par des ponts de matière (43, 44) de grande épaisseur déterminant entre eux un ou plusieurs ajourages (45).
  • Enfin, la première et la dernière demi-ailette de chaque coque d'échangeur ou d'extension comportent des trous (52) représentés sur les figures 1 et 7 utiles pour suspendre ou fixer l'échangeur dans la position désirée. L'on peut aussi avoir recours à d'autres moyens, notamment par colliers, pièces de forme, etc... enserrant soit des ailettes ou les branches du collecteur-distributeur ou les ponts de métal. faisant corps avec la dernière ailette.
  • On s'attachera maintenant à décrire les différentes possibilités d'assemblage de l'échangeur.
  • Précédemment, on a décrit ci-dessus des trous d'assemblage (17, 18) sur les demi-coques pour assembler les demi-coques par exemple par vissage.
  • A la figure 18A, on a représenté deux demi-coques (101), (102) reliées entre elles par un clip-ressort (103), la position finale étant représentée à la figure 18B.
  • La suppression des ponts de matière entre ailettes, ponts destinés à l'assemblage dans le brevet principal, se traduit par un gain de place dans le passage du flux d'air et par une augmentation du rendement, qui peut être évaluée à environ 4%. Ceci apparaît à la figure 21A.
  • En bout d'échangeur, celui-ci comportera des rainures (107) représentées à la figure 21 B, dans lesquelles se logeront les extrémités libres du clip. On notera sur cette vue que les ailettes peuvent avoir une section en trapèze non isocèle (112) en fonction de l'inclinaison de l'échangeur.
  • L'utilisation d'un clip-ressort permet en outre un montage aisé, donc un gain intéressant au niveau de fabrication, ainsi qu'une maintenance aisée, le démontage étant très simple.
  • Le clip sera en acier spécial inoxydable, par exemple en acier à durcissement structural, du fait des hautes températures mises en oeuvre (de l'ordre de 350 °C).
  • Selon le mode de mise en oeuvre des figures 19A et 19B, on réalise également des clips de jonction (108) entre un échangeur et une rallonge.
  • Le clip comporte une branche élastique (109) et deux pattes latérales (110, 111) représentées en vue de côté à la figure 19B.
  • Le clip de jonction sert en outre à éviter que les deux éléments assemblés se séparent et se cintrent.
  • On a représenté enfin aux figures 20A et 20B un assemblage de structure sensiblement différente, dans lequel des rivets (104) venus de fonderie coopèrent avec un trou d'assemblage (105) de l'autre demi-coque. Cette structure permet de conserver la symétrie des demi-coques identique.
  • En fonderie on réalisera sur les demi-coques un téton (106) qui sera ensuite riveté comme représenté à la figure 2.
  • Enfin, pour rendre l'échangeur plus performant, un traitement de surface pourra être appliqué extérieurement, par exemple peinture, anodisation, grenaillage, etc..., ceci non limitativement, afin d'augmenter le rayonnement.

Claims (27)

1. Echangeur de chaleur à ailettes, en particulier pour convecteur, échangeur comportant un collecteur-distributeur de calories ayant sensiblement la forme d'un tube à l'intérieur duquel est disposé un moyen calorigène ou frigorigène, ledit collecteur-distributeur comportant au moins deux branches rectilignes parallèles entre elles, des ailettes étant disposées transversalement par rapport aux deux branches dudit collecteur-distributeur caractérisé en ce que les ailettes transversales (4) sont de forme polygonale, les branches du collecteur-distributeur (3) étant disposées à deux sommets opposés de chacune des ailettes, lesdites ailettes (4) ne débordant pas latéralement des branches du collecteur-distributeur vers l'extérieur de l'échangeur et se raccordant à celles-ci selon un plan incliné, et que le flux gazeux traverse la structure de l'échangeur par des intervalles (6) entre les branches du collecteur-distributeur et entre les ailettes.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de deux demi-coques (1, 2) et que les ailettes (4) de la coque (1) sont décalées latéralement par rapport aux ailettes de la coque (2).
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes sont profilées en forme de bord d'attaque d'aile d'avion.
4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux demi-tubes dont la réunion constitue les branches du collecteur-distributeur ont un profil correspondant à une portion d'hémicylin- dre.
5. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes (21) sont raccourcies et comportent à leur base un évidement oblong.
6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le collecteur-distributeur est de forme générale en U.
7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au niveau de l'arrondi du U on dispose une ailette supplémentaire (42), reliée au corps de l'échangeur par des ponts de matière (43, 44) de grande épaisseur déterminant entre eux un ou plusieurs ajourages (45).
8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est disposé incliné dans un convecteur de préférence de 30 à 60°.
9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il peut être complété pour l'amener à la longueur désirée par des extensions (39) rapportées à l'extrémité (38) opposée à la partie courbée du U, lesdites extensions se composant de deux demi-coques identiques comportant des demi-tubes rectilignes (40) ouverts à chacune de leurs extrémités latérales et des ailettes transversales (41), ne débordant pas latéralement par rapport au collecteur-distributeur vers l'extérieur de l'échangeur et se raccordant à celui-ci selon un plan incliné, lesdites extensions étant de même structure que l'échangeur.
10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que un élément comporte une extrémité mâle (47) s'encastrant dans des troncs de cônes récepteurs (48) de l'élément auquel il est raccordé.
11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que certaines ailettes comportent des trous (52) pour suspendre ou fixer l'échangeur.
12. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, dans lequel les deux demi-coques sont disposées en vis-à-vis l'une de l'autre, caractérisé en ce que la réunion des deux ensembles d'ailettes (19) forme une succession de Venturi traversés par le flux gazeux.
13. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que les demi-coques sont reliées entre elles par un moyen choisi dans le groupe consistant en des clips (103), des rivets (104) venus de fonderie, une colle à froid, un vissage, un boulonnage, des colliers.
14. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, dans lequel le moyen est une colle à froid, caractérisé en ce que les fonds des demi-coques comportent des barrettes ou bagues venues de fonderie pour obtenir l'épaisseur désirée de colle.
15. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, dans lequel les moyens sont des rivets venus de fonderie, caractérisé en ce qu'ils consistent en un téton (106) d'une demi-coque, le téton (106) étant ensuite riveté.
16. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, dans lequel le moyen est un clip, caractérisé en ce que l'échangeur comporte dans son extrémité courbée des rainures (107) destinées à recevoir un clip en acier inoxydable ordinaire ou à durcissement structural.
17. Echangeur de chaleur selon la revendication 13, relié à une rallonge caractérisé en ce que la jonction est opérée par un clip (108) en acier inoxydable ordinaire ou à durcissement structural comportant une branche élastique (109) et deux pattes latérales (110, 111).
18. Application d'un échangeur de chaleur à ailettes selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 à la réalisation d'un convecteur pour chauffage domestique, caractérisée en ce que l'échangeur à ailettes est disposé incliné dans le convecteur.
19. Application selon la revendication 18 dans laquelle on dispose dans le collecteur-distributeur un moyen calorigène consistant en une résistance électrique, caractérisée en ce que le convecteur comporte deux échangeurs inclinés et disposés dans l'alignement l'un de l'autre, déterminant un intervalle (25) entre le tube supérieur (26) de l'un des échangeurs et le tube intérieur (27) du second échangeur.
20. Application selon la revendication 18, dans laquelle circule dans le collecteur-distributeur de l'échangeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte deux échangeurs disposés l'un au-dessus de l'autre et parallèles entre eux.
21. Application selon la revendication 18 dans laquelle circule dans le collecteur-distributeur de l'échangeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte une double batterie de deux échangeurs, ceux-ci s'imbriquant de manière telle que les tubes supérieurs (30, 31) de deux échangeurs soient dans un même plan vertical médian que les tubes inférieurs (32, 33) des deux autres échangeurs.
22. Application selon la revendication 18 dans laquelle circule dans le collecteur-distributeur de l'échangeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte deux échangeurs disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal.
23. Application selon la revendication 18, dans laquelle circule dans le collecteur-distributeur de l'échangeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte une double batterie de deux échangeurs disposés symétriquement par rapport à un plan horizontal, le tube inférieur (34) et le tube supérieur (35) des échangeurs d'une même batterie étant alignés dans un plan vertical médian avec le tube supérieur (36) et le tube inférieur (37) des échangeurs de la seconde batterie.
24. Application selon la revendication 18 dans laquelle circule dans le collecteur-distributeur de l'échangeur un fluide calorigène tel que de l'eau chaude, caractérisée en ce que le convecteur comporte quatre échangeurs disposés en losange, en étoile, ou en V.
25. Application selon la revendication 18, caractérisée en ce que les deux échangeurs sont disposés l'un au-dessus de l'autre, décalés pour laisser un passage d'air frais (F).
26. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des ailettes de forme trapézoïdale isocèle ou non, déterminée suivant l'inclinaison de l'échangeur dans le convecteur.
27. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il est traité extérieurement en surface, par exemple par peinture, anodisation, grenaillage.
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